《中國科學院大學研究生教材系列：遙感圖像處理》是遙感技術專業(yè)的碩士、博士研究生的專用教材，也可供相關專業(yè)的教師、科技工作者作為技術參考書使用。它是由中國科學院遙感技術應用研究所趙忠明研究員領銜的技術團隊集體編著完成的。主要介紹遙感影像加工處理、從中提取目標信息的技術。具體包括遙感基本原理、數(shù)字圖像處理方法、遙感影像輻射校正、幾何校正、遙感影像鑲嵌、圖像融合、遙感影像識別、遙感影像變化檢測、遙感處理云計算以及IRSA軟件介紹等。《遙感圖像處理》在編寫思想上，理論與實踐并重，以遙感成像原理為基礎，系統(tǒng)闡述遙感圖像處理技術的機理，旨在為培養(yǎng)遙感應用領域原創(chuàng)性技術人才奠定基礎；又以遙感應用科研實踐為依托，書中所有技術內容都是作者親身科研攻關實踐的總結，不少內容都是運行的遙感圖像處理軟件中的前沿核心技術，尤其在圖像復原、紋理分析、數(shù)據融合、小波變換等關鍵技術的介紹中結合了技術團隊的實踐經驗。因此，可以在諸多同類教材與專著中保持自己的特色。
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遙感是當代信息科學與技術的主要技術之一�！斑b感”（RemoteSensing，RS）一詞最初出現(xiàn)于20世紀60年代初期、第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功之后，人們將攝像裝置搭載衛(wèi)星上實現(xiàn)對地觀測，并將這一套攝像、分析處理影像以及運用影像信息服務于各個社會經濟領域的技術稱為“遙感’’。事實上，早在人造衛(wèi)星出現(xiàn)很久之前、飛機發(fā)明之后，即2。世紀初，人們就已經開始利用飛機作為攝像機的載體實施航空攝影測繪，這種航空攝影技術開啟了遙感技術的先河。隨著宇航技術的發(fā)展，遙感已將對地球觀測延伸到對月球以及宇宙星體表面的觀測，遙感技術的內涵與應用從而又得到進一步的拓展。
遙感是人類第一次離開地球去觀測地球，由此人們可以在同一個時間斷面全面、準確、快速、客觀地獲取地球表面廣域空間直至全球的實時信息。遙感技術為人們深刻、全面認識自身所處的自然環(huán)境創(chuàng)造了條件。遙感技術提供的大量影像信息對于人們肆意踐踏、破壞地球資源與環(huán)境的行為無疑產生了巨大的沖擊與震撼，促使人們重新審視自身開發(fā)自然的行為與理念，認真思考科學、可持續(xù)發(fā)展的問題。遙感為監(jiān)測大氣與土地污染、合理利用與規(guī)劃資源環(huán)境、研究地球生態(tài)環(huán)境演化直至宇宙演化規(guī)律等諸多領域提供了強有力的科學技術手段。
遙感技術為推動社會信息化、社會進步起到了關鍵性的作用。遙感技術是現(xiàn)代地理空間信息的主要信息源；遙感提供多尺度、多層面的時空圖像信息，構成人們社會活動、生產活動的基礎信息。據統(tǒng)計，國民經濟部門有8。％以上的領域都需要以空間信息技術提供的時空信息為基礎構建本行業(yè)的信息系統(tǒng)。當前，遙感技術在農業(yè)、國土資源管理、水資源管理、礦產資源管理、氣象與大氣污染監(jiān)測、防災減災、國防等諸多領域都有重要應用，為這些領域提升科技水平、提高管理效益、增進社會生產力發(fā)揮了至關重要的作用，促進這些領域向著精確、精準、數(shù)字化、可視化方向發(fā)展，使生產與管理的決策更科學、合理，從而為國民經濟科學、可持續(xù)發(fā)展提供堅實的技術保障。
遙感圖像處理（RSImagcPr。ccSsing）是將遙感影像加工處理，從中提取目標信息的技術。由于遙感平臺獲取的影像數(shù)據夾雜著干擾噪聲以及幾何變形等多種原因，應用者所要索取的目標信息往往被掩蓋在噪聲與無關的信息數(shù)據之中，目標圖像常常產生變形與畸變，因而難以實際使用。遙感圖像處理的任務就是從浩繁的影像數(shù)據中去偽存真、由表及里，將地物的幾何形狀、理化性狀，如干旱或濕度、污染狀況、植物長勢等，定量、定性地準確表達出來，為應用者提供優(yōu)質的信息服務。遙感圖像處理是遙感應用的必經技術過程，自遙感出現(xiàn)就產生了遙感圖像處理技術。在計算機出現(xiàn)以前以及計算機技術初始階段，遙感圖像處理以光學模擬航空遙感影像處理為主。隨著電子技術以及計算機技術的發(fā)展與普及，模擬遙感影像逐漸被數(shù)字遙感影像所取代，現(xiàn)在遙感圖像處理一般是指數(shù)字圖像的處理技術。
當代，遙感技術向著精準、深層次信息提取和自動智能化的方向發(fā)展。遙感圖像處理可以排除云層等大氣的干擾，實現(xiàn)遙感與全球定位以及地理信息系統(tǒng)的技術銜接，支持地面變化信息的處理與分析、遙感圖像的圖譜分析、單目標跟蹤分析，遙感圖像處理取得了長足的進步。同時隨著高空間分辨率、高光譜遙感影像的普及、無人機遙感的異軍突起，計算機云計算技術的普遍應用，以及各個遙感應用領域提出的更高的信息需求，遙感圖像處理技術面臨更大的挑戰(zhàn)。遙感圖像處理與其他應用技術一樣，不斷受到相關技術進步以及社會需求兩個方面強有力的驅動，技術在驅動中發(fā)展。
《遙感圖像處理》研究生教材是由中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所趙忠明研究員領銜的技術團隊集體編著完成的。本書在編寫思想上，理論與實踐并重，以遙感成像原理為基礎，系統(tǒng)闡述遙感圖像處理技術的機理，旨在為培養(yǎng)遙感應用領域原創(chuàng)性技術人才奠定基礎；書中所有技術內容都是作者團隊親身科研攻關實踐的總結。因此，可以在諸多同類教材與專著中保持自己的特色。本書力求內容深入淺出，圖文并茂，用縝密的邏輯、流暢的語言敘述技術機理與過程，以適應教材的要求。
全書分為工。章。第l章遙感基本原理，敘述遙感圖像處理相關的基礎知識，作為以下各種圖像處理的技術基礎；第2—4章分別敘述遙感數(shù)字圖像處理基礎和圖像預處理技術，包括圖像增強和影像變換技術、輻射校正、幾何校正等，是圖像處理必備的基礎性技術；第5章遙感影像的鑲嵌，介紹影像間配準、影像鑲嵌及色調調整技術，為制作大幅影像圖提供實用技術；第6章遙感影像融合，介紹多幅影像實現(xiàn)像元級融合的方法，以發(fā)揮各幅影像的信息特點；第7章論述遙感影像分類的多種方法，實現(xiàn)影像的自動識別，獲取地物分布的基本信息；第8章敘述遙感影像的地面變化信息檢測，深層次挖掘地面的動態(tài)信息；第9章遙感圖像處理云計算，介紹運用計算機網絡云計算技術進行分布式網絡圖像處理的技術，以跟蹤遙感圖像處理的最新發(fā)展；第10章遙感圖像處理軟件介紹，介紹中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所自主研發(fā)的IRSA遙感圖像處理軟件，為讀者實踐提供技術支撐。
為加深讀者對書中內容的理解，每章后面附有習題，并備有參考文獻供讀者查閱。本書最后設有附錄，對于專業(yè)名詞、技術術語進行系統(tǒng)歸納整理，加以解釋，并備有中英文對照。
本書在編寫過程中，得到了許多老師和朋友的幫助與支持。中國農業(yè)大學嚴泰來教授、西北工業(yè)大學趙榮椿教授校閱了本書所有內容，并給出了許多積極的建議。二十一世紀空間技術應用股份有限公司遲耀斌研究員、中國土地勘測規(guī)劃院劉順喜教授、中匡！科學院遙感與數(shù)字地球研究所閆冬梅研究員、王剛博士自始至終都給予了大力的支持與幫助，并對本書許多內容提出了很好的改進意見，還要感謝課題組研究生林蕾、楊慧、吳祥、張建和尚曉波為本書的編輯所做的工作。這里謹對所有對于本書的出版給予大力支持與幫助的朋友們表示衷心的感謝。
由于遙感圖像處理技術發(fā)展很快，本書編著者知識與技術水平有限，又缺乏教材編寫經驗，加上時間倉促，書中缺點及錯誤在所難免，懇請讀者批評指正。
編著者
2013年6月于北京
目錄
前言
第1章 遙感基本原理 1
1.1 遙感物理基礎 1
1.1.1 遙感工作模型 1
1.1.2 地物輻射特性 3
1.1.3 地物反射特性 8
1.2 遙感影像獲取 9
1.2.1 遙感平臺類型 10
1.2.2 主要的遙感傳感器 10
1.2.3 遙感數(shù)據的接收、傳輸與歸檔 11
1.3 目前常用的衛(wèi)星遙感數(shù)據 12
1.3.1 GcoEye系列數(shù)據 12
1.3.2 WorldView系列數(shù)據 13
1.3.3 IKONOS數(shù)據 13
1.3.4 QuickBird數(shù)據 14
1.3.5 SPOT 5數(shù)據 15
1.3.6 TM/ETM數(shù)據 16
1.3.7 環(huán)境減災衛(wèi)星 17
1.3.8 資源三號數(shù)據 18
1.4 遙感影像基本概念 18
1.4.1 衛(wèi)星影像產品介紹 18
1.4.2 遙感影像分辨率 19
1.4.3 遙感影像數(shù)據格式 22
1.5 遙感影像處理的基本問題 24
1.5.1 輻射校止 24
1 5.2 幾何校正 24
1.5.3 影像鑲嵌 24
1 5.4 影像融合 24
1.5.5 影像分類 25
1 5.6 變化檢測 25
1.5.7 商性能計算 25
習題 26
參考文獻 26
第2章 遙感數(shù)字圖像處理基礎 27
2.1 圖像變換 27
2.1.1 傅里葉變換 27
2.1.2 離散余弦變換 29
2.1.3 小波變換 30
2.1.4 主成分分析 38
2.1.5 纓帽變換 43
2.1.6 彩色空間變換 46
2.2 圖像增強 48
2.2.1 空域圖像增強技術 49
2.2.2 變換域圖像增強技術 61
2.2.3 彩色圖像增強技術 64
習題 66
參考文獻 66
第3章 遙感影像輻射校正 68
3.1 影像輻射校正 68
3.1.1 輻射誤差來源 68
3.1.2 系統(tǒng)輻射校正 69
3.1.3 精輻射校正 70
3.2 影像噪聲抑制 77
3.2.1 條帶處理方法 77
3.2.2 斑點噪聲處理辦法 77
3.2.3 薄云處理方法 78
3.2.4 陰影處理方法 82
習題 87
參考文獻 87
第4章 遙感影像幾何校正 88
4.1 遙感影像的誤差來源 88
4.1.1 傳感器成像方式引起的圖像變形 88
4.1.2 傳感器外方位元素變化引起的圖像變形 90
4.1.3 地球曲率引起的像點誤差 91
4.1.4 大氣折射引起的誤差 92
4.1.5 地形起伏引起的像點位移 93
4.1.6 地球自轉的影響 93
4.2 遙感影像幾何校正模型 94
4.2.1 近似幾何校正模型 94
4.2.2 嚴格幾何校正模型 100
4.3 遙感影像正射校正 105
4.3.1 控制點和DEM要求 105
4.3.2 遙感影像止射校正方法 106
4.4 影像重采樣方法 107
4.4.1 最近鄰內插法 107
4.4.2 雙線性內插法 108
4.4.3 三次卷積法 108
習題 110
參考文獻 110
第5章 遙感影像的鑲嵌 112
5.1 鑲嵌流程 112
5.1.1 遙感影像鑲嵌主要流程 112
5.1.2 遙感影像鑲嵌質量評價 113
5.2 遙感影像配準 113
5.2.1 遙感影像配準簡介 114
5.2.2 基于灰度的影像配準 117
5.2.3 基于特征的影像配準 118
5.2.4 影像復合配準與優(yōu)化方法 122
5.3 鑲嵌線與重疊區(qū)處理 128
5.3.1 鑲嵌線生成辦法 128
5.3.2 重疊區(qū)域處理 129
5.4 色調調整 130
5.4.1 基于統(tǒng)計分析的色調調整方法 131
5.4.2 基于影像變換的色調調整方法 131
5.4.3 基于鑲嵌線羽化的色調調整方法 132
習題 133
參考文獻 133
第6章 遙感影像融合 135
6.1 遙感影像融合基本流程及層次 135
6.2 像元級影像融合方法 136
6.2.1 基于IHS變換的遙感影像融合 137
6.2.2 基于算術運算的遙感影像融合 138
6.2.3 基于豐成分變換的遙感影像融合算法 139
6.2.4 基于CJramSchmidt變換的遙感影像融合算法 141
6.2.5 基于高通濾波的遙感影像融合算法 142
6.2.6 基于小波變換的遙感影像融合算法 142
6.2.7 其他的全色增強融合算法 143
6.3 遙感影像融合模型 143
6.3.1 分量替換融合模型 144
6.3.2 通用融合模型 145
6.3.3 統(tǒng)一理論框架 147
6.4 像元級融合質量評價 148
6.5 特征級影像融合技術 151
6.6 決策級影像融合技術 152
習題 153
參考文獻 153
第7章 遙感影像分類 155
7.1 遙感影像特征提取 155
7.1.1 光譜特征 155
7.1.2 紋理特征 156
7.1.3 幾何特征 161
7.2 特征空間及特征選擇 164
7.2.1 特征空間 164
7.2.2 特征選擇概念 165
7.2.3 特征評價測度 165
7.3 非監(jiān)督分類 166
7.3.1 聚類分析 166
7.3.2 常用的非監(jiān)督分類算法 168
7.3.3 非監(jiān)督分類的優(yōu)缺點 173
7.4 監(jiān)督分類 173
7.4.1 常用的監(jiān)督分類算法 173
7.4.2 監(jiān)督分類的優(yōu)缺點 183
7.5 面向對象分類 183
7.5.1 面向對象分類方法產生背景 183
7.5.2 遙感影像分割 184
7.5.3 基于知識的對象級分類方法 192
7.6 分類過程中輔助數(shù)據的整合 197
7.7 分類后處理 197
7.7.1 專題影像格式 197
7.7.2 分類重編碼 197
7.7.3 小圖斑去除 198
7.8 分類精度評價 198
7.8.1 混淆矩陣與精度指標 199
7.8.2 分類成功指數(shù) 200
習題 201
參考文獻 201
第8章 遙感影像變化檢測 204
8.1 變化檢測流程 204
8.2 常用的變化檢測方法 208
8.2.1 變化信息快速發(fā)現(xiàn)方法 208
8.2.2 基于代數(shù)運算的變化檢測方法 209
8.2.3 基于圖像變換的變化檢測方法 212
8.2.4 基于分類的變化檢測方法 213
8.2.5 面向對象的變化檢測方法 214
8.2.6 基于遙感影像與GIS數(shù)據結合的變化檢測方法 218
8.3 變化檢測后處理 221
8.3.1 偽變化信息來源 221
8.3.2 變化圖斑構建 221
8.3.3 基于植被覆蓋度的植被偽變化去除 221
8.3.4 基于面積閾值的偽變化去除 222
習題 222
參考文獻 222
第9章 遙感圖像處理云計算 224
9.1 云計算技術概述 224
9.1.1 公計算的概念 224
9.1.2 云計算的特點 224
9.1.3 云計算的服務類型 225
9.1.4 云計算研究現(xiàn)狀 225
9.2 基于Hadoop平臺的云計算架構 226
9.2.1 HDFS分布式存儲技術 226
9.2.2 HBase數(shù)據管理技術 229
9.2.3 Map-Rcduce編程模型技術 230
9.3 云計算下的遙感影像處理 232
9.3.1 圖像并行處理的一般性問題 232
9.3.2 并行環(huán)境下的幾何校正 234
9.3.3 并行環(huán)境下的圖像融合 238
9.3.4 并行環(huán)境下的圖像分割 240
習題 242
參考文獻 242
第10章 IRSA軟件介紹及應用 244
10.1 IRSA遙感圖像處理軟件介紹 244
10.2 IRSA軟件功能介紹 244
10.3 幾何精校正 245
10.4 正射校正 249
10.5 融合 254
10.6 鑲嵌 255
10.7 投影及格式轉換 258
10.8 常用特征提取 261
10.9 分類 264
附錄一 專業(yè)詞匯表 271
附錄二 縮寫詞表 284
附錄三 典型光學衛(wèi)星遙感數(shù)據產品分級 289
1．5 遙感影像處理的基本問題
1．5．1 輻射校正
遙感影像上各像元的亮度值記錄對應地面目標反射或者輻射電磁波能量的大小。在遙感成像實際過程中，傳感器得到的測量值與目標的光譜反射率或光譜輻射亮度等物卒量是不一致的，這是因為測量值中包含諸多因素引起的失真，如傳感器器件物理特性、太陽方位和角度條件、薄霧大氣條件等。為了讓遙感影像正確反映目標的反射或輻射特性，必須進行消除或減弱這種失真的影響。輻射校正即為消除或修正遙感圖像成像過程中附力口在傳感器輸出輻射能量中的各種噪聲的過程。
輻射校正可以提高遙感系統(tǒng)獲取的地物表面光譜反射率、輻射率或者后向散射測量值的精度，從而提高遙感數(shù)據的質量（Jcnsen，2007），為遙感圖像的識別、分類、解譯等后續(xù)工作奠定基礎。
1．5．2 幾何校正
原始遙感影像通常包含嚴重的幾何變形。引起幾何變形的原因一般包括內部誤差和外部誤差兩類。內部誤差一般由遙感系統(tǒng)本身或遙感系統(tǒng)與地球自轉或地球曲率共同引起的，這些誤差一般是可預測的，在傳感器的設計和制作中已經進行了初步校正，因此誤差較小。外部誤差是指由時空變化特性引起的幾何誤差，如數(shù)據采集時傳感器鏡頭隨遙感平臺（如衛(wèi)星和航空飛機）的隨機運動，通常包括高度變化和姿態(tài)變化（如翻滾、俯仰和偏航）（JcnScn，2007）；再如大氣運動引起的光線折射等。
遙感成像的時候，由于外部誤差造成影像相對于地面目標發(fā)生的幾何畸變，這種畸變表現(xiàn)為像元相對于地面目標的實際位置發(fā)生擠壓、扭曲、拉伸和偏移等’引起的誤差通�？h非線性的。
幾何校正的目的就是要校正這些因素引起的影像變形，從而實現(xiàn)與標準影像或地圖的幾何整合。
1．5．3 影像鑲嵌
傳1器的成像區(qū)域面積總是有限的，這些區(qū)域往往不能滿足用戶的需求。在多數(shù)情況下，用戶所需的分析區(qū)域都包括多景影像，注意這里的一景通常包含多幅影像，每幅對應一個波段。此時需要將若干景圖像進行拼接，生成目標區(qū)域的完整圖像’以便于獲取更多、更準確的關于感興趣區(qū)域的信息，這種處理過程就是影像鑲嵌（Imagc Mosaic）。
……
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