遙感數(shù)字圖像處理與分析方法綜述

徐志文

（1.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司智能裝備研究所，湖南長沙 410000；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京市朝陽區(qū) 100101）

從20世紀(jì)90年代開始,遙感技術(shù)已經(jīng)開始在應(yīng)用在生態(tài)監(jiān)測、國土勘察等領(lǐng)域。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，GIS技術(shù)為人們提供了強(qiáng)大的圖像處理系統(tǒng)，與之前相比分析識別速度有了顯著的提高[1]。將GIS技術(shù)與遙感圖像的分類結(jié)合，進(jìn)一步提高了圖像解譯的效率，同時減少了大量的人員工作，并從圖像中挖掘到更多的有效信息。

1 數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字圖像處理技術(shù)始于上個世紀(jì)60年代，第一臺可移植性圖像處理的大型計(jì)算機(jī)研制成功，用于校正傳感器各種類型的圖形畸變，處理衛(wèi)星發(fā)回的圖片。70年代起，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，軟硬件開始達(dá)到數(shù)字圖像處理技術(shù)的要求，人們開始研究計(jì)算機(jī)視覺，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來表達(dá)人眼所認(rèn)知的世界。80年代起，地理信息系統(tǒng)開始興起，數(shù)字圖像處理技術(shù)開始運(yùn)用到更廣闊的的空間信息領(lǐng)域。

21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)取得了很大的突破，在很多的領(lǐng)域，如航天航空生物醫(yī)療都有了廣泛的應(yīng)用[2]。一些軟件的出現(xiàn)，如Arcgis、ENVI、MATLAB等，為圖像的重構(gòu)和分解提供了更多的處理途徑。

1.1 數(shù)字圖像處理技術(shù)在國外的發(fā)展現(xiàn)狀

上個世紀(jì)60年代，美國發(fā)射了一系列的氣象衛(wèi)星和載人宇宙飛船，但是圖像的質(zhì)量并不能得到保證，因?yàn)檫@些衛(wèi)星、飛船受著飛行姿態(tài)以及拍攝環(huán)境的影響，所以為了避免損失保證衛(wèi)星的工作效率，必須采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對圖片進(jìn)行解析。數(shù)字圖像處理自此開始成為了一個獨(dú)立學(xué)科，受到了廣泛的重視。

上個世紀(jì)90年代，Landsat系列衛(wèi)星開始發(fā)射，空間分辨率提高到30米。到1999年美國發(fā)射IKNOS，衛(wèi)星影像的空間分辨率提高到了1米。本世紀(jì)以來，隨著衛(wèi)星傳感器在硬件上的突破發(fā)展，分辨率有了進(jìn)一步的提高，逐漸達(dá)到米級，甚至亞米級。

1.2 數(shù)字圖像處理技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

在中國遙感技術(shù)的發(fā)展中，1975年的“通縣會議”具有起步性的意義。在同年召開的全國第一次遙感規(guī)劃籌備會，將遙感技術(shù)正式納入到國家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目中。在近幾十年的的科技攻關(guān)中，遙感技術(shù)都作為重點(diǎn)項(xiàng)目列入其中[1]。

2002年神舟四號多模態(tài)微波遙感系統(tǒng)在軌飛行成功，使我國進(jìn)入航天微波遙感時代[3]。

2006年中國遙感衛(wèi)星1號發(fā)射成功，實(shí)現(xiàn)了我國微波遙感衛(wèi)星全模態(tài)工作。

2016年6月13日，我國自主研制的高分4號衛(wèi)星正式投入使用成功地實(shí)現(xiàn)了星下點(diǎn)全色/多光譜50米、中波紅外400米的地球同步軌道近實(shí)時觀測，是我國第一顆也是當(dāng)前世界唯一的一顆靜止軌道高分辨率對地觀測衛(wèi)星。

2 圖像預(yù)處理的一般過程

遙感圖像預(yù)處理是圖像后期識別與分類的一個不可或缺的過程，通過幾何校正、圖像拼接、大氣校正、圖像融合、裁剪、空間域增強(qiáng)、頻率域增強(qiáng)等步驟，對遙感圖像中由成像系統(tǒng)或外界環(huán)境造成的圖像畸變等問題進(jìn)行消除。其中要先做幾何校正的是為了：

1）消除非系統(tǒng)因素產(chǎn)生的誤差，比如傳感器平臺的姿勢，高度不穩(wěn)定，地形條件的變化，地球曲率和大氣折射的影響等，利于后面的信息分析和圖像分類。

2）圖像融合時必須進(jìn)行幾何配準(zhǔn)才能保證不同圖像的幾何一致性[4]。

圖1 預(yù)處理前后圖像對比

如上圖1所示，從左向右分別是參考圖像、待校正圖像和校正后圖像。相比較參考圖像，待校正圖像明顯存在著地理位置的偏差，局部向西偏移扭曲，可能是由于傳感器的姿態(tài)發(fā)生變化或者地形的起伏等因素引起。校正后的圖像得到了幾何糾正，圖像整體有傾斜現(xiàn)象，但效果相比參考圖像來說還是不夠理想。

3 數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展展望

從影像的灰度處理到幾何處理、特征提取等，數(shù)字圖像處理技術(shù)的流程和方法日漸完善，但仍然面臨著制約其發(fā)展的幾個問題：一是對硬件要求高，計(jì)算機(jī)的處理速度要足夠快，二是圖像在壓縮過程中存在的失真問題，三是圖像分割需要大量的概率理論支持。

在圖像配準(zhǔn)方面，不同于傳統(tǒng)的傅里葉域配準(zhǔn)方法處理單傳感器的圖像配準(zhǔn)，基于邊緣特征和偽對數(shù)極坐標(biāo)傅里葉變換的頻域配準(zhǔn)算法[5]對存在平移、旋轉(zhuǎn)和尺度關(guān)系的圖像具有針對性。在圖像數(shù)據(jù)壓縮、紋理和邊緣分析、圖像插值處理和多衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合等方面，小波分析將發(fā)揮著重要的作用[6]。主成分分析本質(zhì)上是對多波段做正交線性變換，變換后的圖像按方差由大到小排序，信息主要集中在前幾個主成分分量中，且這些主成分圖像之間互不相關(guān)，而剩余分量主要為噪聲。通過如累積方差或累積貢獻(xiàn)率、半變異函數(shù)等標(biāo)準(zhǔn)，舍棄掉信息量較少的主成分分量，即可大大減少總的數(shù)據(jù)量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維[7]。

4 結(jié)束語

未來，遙感數(shù)字圖像處理技術(shù)將被更廣泛地應(yīng)用于氣象觀測、地形考察、軍事偵察以及地圖測繪等領(lǐng)域，提取出所需信息，為應(yīng)對各種事故提供良好的輔助決策。