遙感數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任公司智能裝備研究所，湖南長沙 410000；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京市朝陽區 100101）

從20世紀90年代開始,遙感技術已經開始在應用在生態監測、國土勘察等領域。進入二十一世紀以來，伴隨著計算機技術的進步，GIS技術為人們提供了強大的圖像處理系統，與之前相比分析識別速度有了顯著的提高[1]。將GIS技術與遙感圖像的分類結合，進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 數字圖像處理技術的發展現狀

數字圖像處理技術始于上個世紀60年代，第一臺可移植性圖像處理的大型計算機研制成功，用于校正傳感器各種類型的圖形畸變，處理衛星發回的圖片。70年代起，計算機技術飛速發展，軟硬件開始達到數字圖像處理技術的要求，人們開始研究計算機視覺，利用計算機系統來表達人眼所認知的世界。80年代起，地理信息系統開始興起，數字圖像處理技術開始運用到更廣闊的的空間信息領域。

21世紀以來，隨著計算機技術的發展，數字圖像處理技術取得了很大的突破，在很多的領域，如航天航空生物醫療都有了廣泛的應用[2]。一些軟件的出現，如Arcgis、ENVI、MATLAB等，為圖像的重構和分解提供了更多的處理途徑。

1.1 數字圖像處理技術在國外的發展現狀

上個世紀60年代，美國發射了一系列的氣象衛星和載人宇宙飛船，但是圖像的質量并不能得到保證，因為這些衛星、飛船受著飛行姿態以及拍攝環境的影響，所以為了避免損失保證衛星的工作效率，必須采用數字圖像處理技術對圖片進行解析。數字圖像處理自此開始成為了一個獨立學科，受到了廣泛的重視。

上個世紀90年代，Landsat系列衛星開始發射，空間分辨率提高到30米。到1999年美國發射IKNOS，衛星影像的空間分辨率提高到了1米。本世紀以來，隨著衛星傳感器在硬件上的突破發展，分辨率有了進一步的提高，逐漸達到米級，甚至亞米級。

1.2 數字圖像處理技術在國內的發展現狀

在中國遙感技術的發展中，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劃籌備會，將遙感技術正式納入到國家重點發展項目中。在近幾十年的的科技攻關中，遙感技術都作為重點項目列入其中[1]。

2002年神舟四號多模態微波遙感系統在軌飛行成功，使我國進入航天微波遙感時代[3]。

2006年中國遙感衛星1號發射成功，實現了我國微波遙感衛星全模態工作。

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

2 圖像預處理的一般過程

遙感圖像預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、頻率域增強等步驟，對遙感圖像中由成像系統或外界環境造成的圖像畸變等問題進行消除。其中要先做幾何校正的是為了：

1）消除非系統因素產生的誤差，比如傳感器平臺的姿勢，高度不穩定，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）圖像融合時必須進行幾何配準才能保證不同圖像的幾何一致性[4]。

圖1 預處理前后圖像對比

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發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，圖像整體有傾斜現象，但效果相比參考圖像來說還是不夠理想。

3 數字圖像處理技術發展展望

從影像的灰度處理到幾何處理、特征提取等，數字圖像處理技術的流程和方法日漸完善，但仍然面臨著制約其發展的幾個問題：一是對硬件要求高，計算機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。

在圖像配準方面，不同于傳統的傅里葉域配準方法處理單傳感器的圖像配準，基于邊緣特征和偽對數極坐標傅里葉變換的頻域配準算法[5]對存在平移、旋轉和尺度關系的圖像具有針對性。在圖像數據壓縮、紋理和邊緣分析、圖像插值處理和多衛星數據融合等方面，小波分析將發揮著重要的作用[6]。主成分分析本質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，而剩余分量主要為噪聲。通過如累積方差或累積貢獻率、半變異函數等標準，舍棄掉信息量較少的主成分分量，即可大大減少總的數據量，從而實現數據的降維[7]。

4 結束語

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