遥感影像及统计分析.ppt

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1、第一讲回顾：遥感及其相关概念遥感平台传感器遥感的技术特点遥感信息科学,第二讲 遥感影像及其统计分析,遥感数字图像处理教程,教学提纲,一、遥感成像过程 二、遥感数字影像数据 三、遥感影像其他数据 四、遥感影像的信息内容 五、遥感影像特征的统计分析,退出,一、遥感成像过程,返回,二、遥感数字影像数据,（一）四种数据源（二）影像数据格式（三）影像数据的分辨率（四）影像数据的辅助信息,（一）四种数据源,（1）多光谱数据源 光谱分辨率在/10数量级范围的称为多光谱(Multispectral)，这样的遥感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段，如美国 Landsat MSS，TM，法国的SPOT等。,（一

2、）四种数据源,（2）高光谱数据源 光谱分辨率在/100的遥感信息称之为高光谱遥感(Hyperspectral);随着遥感光谱分辨率的进一步提高，在达到/1000时，遥感即进入超高光谱(Ultraspeetral)阶段。,（一）四种数据源,（3）全色波段数据源 全色波段，一般指使用0.5微米到0.75微米左右的单波段，即从绿色往后的可见光波段。因为是单波段，在图上显示是灰度图片。全色遥感影象一般空间分辨率高，但无法显示地物色彩。实际操作中，我们经常将之与波段影象融合处理，得到既有全色影象的高分辨率，又有多波段影象的彩色信息的影象。,（一）四种数据源,（4）SAR数据源合成孔径雷达数据源，航天飞机

3、也可载合成孔径雷达。,返回,（二）影像数据格式,存储形式：灰度值矩阵,（二）影像数据格式,存储形式：灰度值矩阵,（二）影像数据格式,存储形式：灰度值矩阵,（二）影像数据格式,存储形式：灰度值矩阵,（二）影像数据格式,存储形式：灰度值矩阵,（二）影像数据格式,存储文件格式：,（二）影像数据格式,（1）BSQ方式(band sequential)各波段的二维影像数据按波段顺序排列。(像元号顺序)，行号顺序)，波段顺序),（二）影像数据格式,(2)BIL方式(band interleaved by line)对每一行中代表一个波段的光谱值进行排列，然后按波段顺序排列该行，最后对各行进行重复。(像元号

4、顺序)，波段顺序)，行号顺序),（二）影像数据格式,(3)BIP方式(band interleaved by pixel)在一行中，每个像元按光谱波段次序进行排列，然后对该行的全部像元进行这种波段次序排列，最后对各行进行重复。(波段顺序，像元号顺序)，行号顺序),返回,（三）影像数据的分辨率,分辨率是用于记录数据的最小度量单位。广义上一般用来描述在显示设备上所能够显示的点的数量(行、列)，或在影像中一个像元点所表示的面积。在描述遥感数据时，存在四种类型的分辨率：,（1）光谱分辨率 光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，反之光谱分辨率越粗糙。现在的技术可以达到56nm

5、（纳米）量级，400多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。,（三）影像数据的分辨率,（2）空间分辨率 是指遥感器所能分辨的最小的目标大小，或指影像中一个像元点所表示的地面面积。空间分辨率越高，则目标和面积值越小。,（三）影像数据的分辨率,（2）空间分辨率,（三）影像数据的分辨率,30 Meter,10 Meter,1 Meter,（2）空间分辨率,（三）影像数据的分辨率,（3）辐射分辨率又称亮度阈值，是指在一个波段中所记录的代表地物反射电磁波的强度(表现为亮度或灰度)的所有可能的数值。在影像中表现为影像的灰度级。,（三）影像数据的分辨率,（3）辐射分辨率辐射分辨率计

6、算公式：RL=（Rmax-Rmin）/D其中Rmax为最大辐射量值，Rmin为最小辐射量值，D为量化级。,（三）影像数据的分辨率,（4）时间分辨率是指对同一地区进行重复观察的频率。例如，是每16天还是每3天重复一次。,（三）影像数据的分辨率,返回,（四）影像数据的辅助信息,返回,三、遥感影像其他数据,返回,（一）定标、验证数据（二）地面实况调查（三）地面定位数据（四）地图数据（五）数字地形数据,（一）定标、验证数据,定标(calibration)是把所得到的测量值变换成绝对亮度，或指定与地表反射率及表面温度等物理量有关的处理过程。,（一）定标、验证数据,（一）定标、验证数据,（一）定标、验证数

7、据,由于大气散射的影响，必须对观测的数据进行验证，常常用基于地面实况数据进行验证的方法。这些地面数据被称为验证数据。,（一）定标、验证数据,返回,（二）地面实况调查,地面实况调查(ground truth)是指为了检验遥感数据与观测目标物的对应关系而对地面实况信息进行观测、测量、收集的工作。,返回,（三）地面定位数据,在进行遥感影像的几何精校正时，必须要有地面控制点。适于作为地面控制点的是可以在影像上辨认出的一点和它所对应的地面上相同的一点，而且可以正确知道该点在影像上的位置(像元号、行号)和在地图上的位置(纬度、经度、高度)。,（三）地面定位数据,定位方法有：（1）地形图法：简单，但不适于缺

8、乏高精度地形图的地区。（2）GPS定位法：Global Positioning System：,返回,（四）地图数据,地图信息可以提供如下功能：调查区域的概查：几何校正控制点的设置：辅助性地面实况数据的获取及判读参考：分析、判读结果的整理与表示：,（四）地图数据,常用的地图数据：,（四）地图数据,数字高程模型（Digital Elevation Model 简称DEM）是在高斯投影平面上规则格网点平面坐标（x,y）及其高程（z）的数据集。Dem的水平间隔可随地貌类型不同而改变。根据不同的高程精度，可分为不同等级产品。,（四）地图数据,数字正射影像图（Digital Orthophoto Map

9、简称DOM）是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空相片/遥感相片（单色/彩色），经逐个象元进行投影差改正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据.一般带有公里格网、图廓内/外整饰和注记的平面图。,（四）地图数据,数字线划地图（Digital Line Graphic简称DLG）是现有地形图上基础地理要素的矢量数据集，且保存要素间空间关系和相关的属性信息。,（四）地图数据,（Digital Raster Graphic简称DRG）是纸质地形图的数字化产品。每幅图经扫描、纠正、图幅处理及数据压缩处理后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格文件。,返回,（五）数字地形数据,数

10、字地形数据是表示地形形状的数据，也叫数字地形模型(DTM：digital terrain model or DEM：digital elevation model)。,（五）数字地形数据,地形形状(地表面形状)的表示方法大致分为以下4种：等高线表示法：用具有等间隔的高度的等高线集合表示地形的方法。,（五）数字地形数据,网格点表示法：通过在水平面上布置的格点(网格点)的标高数据表示地形形状的方法。格点以外地点的标高由周围格点的标高数据内插求出。,（五）数字地形数据,随机点表示法：通过在水平面上随机布置的点的水平位置坐标和标高数据表示地形形状的方法。近似地表示地表面形状的方法叫TIN(triang

11、ulated irregular network：不规则三角形网络)。该方法只有按地形起伏自由变更标高点密度的优点，对高速检索周围的随机点必须加以特别的考虑。,（五）数字地形数据,函数表示法：通过曲线函数等用曲面表示地表面的方法。,返回,四、遥感影像的信息内容,返回,（一）遥感影像的波谱信息（二）遥感影像的空间信息（三）遥感影像的时间信息,（一）遥感影像的波谱信息,遥感影像中每个像元的亮度值代表的是该像元中地物的辐射值，随地物的成分、纹理、状态、表面特征及所使用电磁波段的不同而变化的，这种特征称为地物的波谱特征。不同地物之间的亮度值差异以及同一地物在不同波段上的亮度值差异构成了地物的波谱信息。

12、,返回,（一）遥感影像的波谱信息,（二）遥感影像的空间信息,包括空间频率信息、边缘和线性信息、结构或纹理信息以及几何信息等。影响遥感影像空间信息的主要因素有成像遥感器的空间分辨率、影像投影性质、比例尺、几何畸变等。,返回,（三）遥感影像的时间信息,是指不同时相遥感影像的光谱信息与空间信息的差异。是研究对象所处的时态，所以要充分利用多时相影像，不能以一个瞬时信息来包罗它的整个发展过程。,返回,五、遥感影像特征的统计分析,返回,（一）单波段统计特征（二）多波段间的统计特征（三）卷积（四）纹理,（一）单波段统计特征,（一）单波段统计特征,（1）影像灰度均值 均值指的是一幅影像中所有像元灰度值的算术平

13、均值，它反映的是影像中地物的平均反射强度，大小由一级波谱信息决定。,（一）单波段统计特征,（2）影像灰度中值 指影像所有灰度级中处于中间的值。当灰度级数为偶数时，则取中间两灰度值的平均值。由于一般遥感影像的灰度级都是连续变化的，因而中间值可通过最大灰度值和最小灰度值获得。,（一）单波段统计特征,（3）影像灰度众数 众数是影像中出现最多次数的灰度值。它是一幅影像中分布较广的地物类型反射能量的反映。,（一）基本统计分析量,（4）影像灰度方差 方差反映各像元灰度值与影像平均灰度值的总的离散程度。它是衡量一幅影像信息量大小的重要度量，是影像统计分析中的最重要的统计量。,（一）基本统计分析量,（5）影像

14、灰度数值域(range)它是影像最大灰度值和最小灰度值的差值，它反映了影像灰度值的变化程度，从而间接地反映了影像的信息量。,（一）单波段统计特征,（6）影像灰度反差反差可以反映影像的显示效果和可分辨性。上述三种形式的反差定义中，C3最合理，其它两种定义受极端情况的影响较大。,（一）单波段统计特征,集中趋势,离散趋势,（一）单波段统计特征,返回,（一）单波段统计特征,（7）影像的直方图 直方图是指影像中所有灰度值的概率分布。横坐标表示影像的灰度级变化，纵坐标表示影像中各个灰度级像元数占整幅影像像元数的百分比。遥感影像数据常常服从或接近于正态分布。,（一）单波段统计特征,（7）影像的直方图,（一）

15、单波段统计特征,（7）影像的直方图,（一）单波段统计特征,（8）直方图的描述量事实上，遥感影像数据并不能完全服从正态分布，往往存在直方图的偏斜。其具体表现为影像灰度均值与众数和中值的明显不一致。偏斜程度可用下面的量来表示：,返回,（二）多波段间的统计特征,（1）协方差 设f（i，j）和g（i，j）是大小为MN的两幅影像，则它们之间的协方差计算公式为：,（二）多波段间的统计特征,（1）协方差将N个波段相互间的协方差排列在一起所组成的矩阵称为协方差矩阵,（二）多波段的统计特征,（2）相关系数 相关系数是描述波段影像间的相关程度的统计量，反映了两个波段影像所包含信息的重叠程度。即,（二）多波段的统计

16、特征,（2）相关系数 将N个波段相互间的相关系数排列在一起所组成的矩阵称为相关矩阵,返回,（三）卷积,（1）窗口和邻域 对于图像中的任一像素(x,y),以此为中心，按上下左右对称所设定的范围成为窗口。如 33窗口、55窗口。,（三）卷积,中心像素周围的行列称为该像素的邻域，4邻域与8邻域如下：,（三）卷积,（2）卷积运算 卷积运算是空间域上针对特定窗口进行的运算。设窗口大小为mn，（i，j）是中心像素，f(x,y)是图像像素值，h（x，y）是窗口模板（或卷积核），g(x,y)是运算结果，那么卷积的运算公式定义为：,（三）卷积,（2）卷积运算,（四）纹理,直观印象,结构方法,空间自相关函数,灰度

17、共生矩阵,灰度级游程长,滤波模板,随机模型,分形模型,定性描述,（四）纹理,纹理的分类：人工纹理：由自然背景上的符号（点、线条、字母或 数字等）排列组成自然纹理：具有重复排列现象的自然景物（森林、草地等）,（四）纹理,纹理的分类：,人工纹理 自然纹理,（四）纹理,（1）空间自相关函数 对物体的粗糙程度进行描述，其定义如下：,粗纹理的自相关函数随距离变化较为缓慢，而细纹理则变化比较快。如果距离固定，那个粗纹理具有较高的自相关函数,（四）纹理,（1）空间自相关函数,The Use of Variograms in Remote Sensing，Woodcock，1988,（四）纹理,（1）空间自相

18、关函数,空间变异函数的对比,（四）纹理,（1）空间自相关函数 在二阶平稳情况下，空间变异函数r(h）和空间自相关函数满足：r(h)=c(0)-c(h),（四）纹理,（2）灰度共生矩阵 灰度共生矩阵描述了当图像中像素（i，j)处灰度为m，与（i,j)相距离位移为（a,b)且灰度为n的概率。注释：当 a=1，b=0时，像素对是水平的，即0度扫描；当a=0，b=1 时，像素对是垂直的，即90度扫描；当 a=1，b=1时，像素对是右对角线的，即45度扫描；当 a=-1，b=-1时，像素对是左对角线，即135度扫描。,（四）纹理,（2）灰度共生矩阵,（四）纹理,（2）灰度共生矩阵 一幅图象的灰度共生矩阵

19、能反映出图象灰度关于方向、相邻间隔、变化幅度的综合信息，它是分析图象的局部模式和它们排列规则的基础。,（四）纹理,（2）灰度共生矩阵 为了能更直观地以共生矩阵描述纹理状况，从共生矩阵导出一些反映矩阵状况的参数，典型的有以下几种：（1）能量：是灰度共生矩阵元素值的平方和，所以也称能量，反映了图像灰度分布均匀程度和纹理粗细度。（2）对比度：反映了图像的清晰度和纹理沟纹深浅的程度。纹理沟纹越深，其对比度越大，视觉效果越清晰；反之，对比度小，则沟纹浅，效果模糊。,（四）纹理,（2）灰度共生矩阵（3）熵：是图像所具有的信息量的度量，纹理信息也属于图像的信息，是一个随机性的度量，当共生矩阵中所有元素有最大的随机性、空间共生矩阵中所有值几乎相等时，共生矩阵中元素分散分布时，熵较大。它表示了图像中纹理的非均匀程度或复杂程度。,总结：遥感的成像过程遥感数字影像数据遥感影像的信息内容遥感影像特征的统计分析,作业：遥感影像的成像过程遥感影像的数据存储格式有哪些遥感影像的几种分辨率遥感影像的信息内容影像单波段统计内容影像多波段统计内容卷积的概念,本章结束,