遙感影像及統(tǒng)計分析第二講遙感影像及其統(tǒng)計分析

《遙感數(shù)字圖像處理》教程第2頁,共90頁，2024年2月25日，星期天教學(xué)提綱一、遙感成像過程

二、遙感數(shù)字影像數(shù)據(jù)

三、遙感影像其他數(shù)據(jù)

四、遙感影像的信息內(nèi)容

五、遙感影像特征的統(tǒng)計分析

退出第3頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一、遙感成像過程第4頁,共90頁，2024年2月25日，星期天返回第5頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、遙感數(shù)字影像數(shù)據(jù)（一）四種數(shù)據(jù)源（二）影像數(shù)據(jù)格式（三）影像數(shù)據(jù)的分辨率（四）影像數(shù)據(jù)的輔助信息第6頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）四種數(shù)據(jù)源（1）多光譜數(shù)據(jù)源光譜分辨率在λ/10數(shù)量級范圍的稱為多光譜(Multispectral)，這樣的遙感器在可見光和近紅外光譜區(qū)只有幾個波段，如美國LandsatMSS，TM，法國的SPOT等。第7頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）四種數(shù)據(jù)源（2）高光譜數(shù)據(jù)源

光譜分辨率在λ/100的遙感信息稱之為高光譜遙感(Hyperspectral);隨著遙感光譜分辨率的進一步提高，在達到λ/1000時，遙感即進入超高光譜(Ultraspeetral)階段。第8頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）四種數(shù)據(jù)源（3）全色波段數(shù)據(jù)源全色波段，一般指使用0.5微米到0.75微米左右的單波段，即從綠色往后的可見光波段。因為是單波段，在圖上顯示是灰度圖片。全色遙感影象一般空間分辨率高，但無法顯示地物色彩。實際操作中，我們經(jīng)常將之與波段影象融合處理，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。

第9頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）四種數(shù)據(jù)源（4）SAR數(shù)據(jù)源合成孔徑雷達數(shù)據(jù)源，航天飛機也可載合成孔徑雷達。返回第10頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）影像數(shù)據(jù)格式

存儲形式：灰度值矩陣第11頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）影像數(shù)據(jù)格式

存儲形式：灰度值矩陣第12頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）影像數(shù)據(jù)格式

存儲形式：灰度值矩陣第13頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）影像數(shù)據(jù)格式

存儲形式：灰度值矩陣第14頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）影像數(shù)據(jù)格式

存儲形式：灰度值矩陣第15頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）影像數(shù)據(jù)格式

存儲文件格式：第16頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）影像數(shù)據(jù)格式

（1）BSQ方式(bandsequential)

各波段的二維影像數(shù)據(jù)按波段順序排列。(((像元號順序)，行號順序)，波段順序)第17頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）影像數(shù)據(jù)格式

(2)BIL方式(bandinterleavedbyline)

對每一行中代表一個波段的光譜值進行排列，然后按波段順序排列該行，最后對各行進行重復(fù)。(((像元號順序)，波段順序)，行號順序)第18頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）影像數(shù)據(jù)格式

(3)BIP方式(bandinterleavedbypixel)

在一行中，每個像元按光譜波段次序進行排列，然后對該行的全部像元進行這種波段次序排列，最后對各行進行重復(fù)。((波段順序，像元號順序)，行號順序)返回第19頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）影像數(shù)據(jù)的分辨率

分辨率是用于記錄數(shù)據(jù)的最小度量單位。廣義上一般用來描述在顯示設(shè)備上所能夠顯示的點的數(shù)量(行、列)，或在影像中一個像元點所表示的面積。在描述遙感數(shù)據(jù)時，存在四種類型的分辨率：第20頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（1）光譜分辨率光譜分辨率指成像的波段范圍，分得愈細，波段愈多，光譜分辨率就愈高，反之光譜分辨率越粗糙?，F(xiàn)在的技術(shù)可以達到5~6nm（納米）量級，400多個波段。細分光譜可以提高自動區(qū)分和識別目標(biāo)性質(zhì)和組成成分的能力。

（三）影像數(shù)據(jù)的分辨率

第21頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（2）空間分辨率是指遙感器所能分辨的最小的目標(biāo)大小，或指影像中一個像元點所表示的地面面積?？臻g分辨率越高，則目標(biāo)和面積值越小。（三）影像數(shù)據(jù)的分辨率

第22頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（2）空間分辨率（三）影像數(shù)據(jù)的分辨率

30Meter10Meter1Meter第23頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（2）空間分辨率（三）影像數(shù)據(jù)的分辨率

第24頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（3）輻射分辨率又稱亮度閾值，是指在一個波段中所記錄的代表地物反射電磁波的強度(表現(xiàn)為亮度或灰度)的所有可能的數(shù)值。在影像中表現(xiàn)為影像的灰度級。（三）影像數(shù)據(jù)的分辨率

第25頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（3）輻射分辨率輻射分辨率計算公式：RL=（Rmax-Rmin）/D其中Rmax為最大輻射量值，Rmin為最小輻射量值，D為量化級。

（三）影像數(shù)據(jù)的分辨率

第26頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（4）時間分辨率是指對同一地區(qū)進行重復(fù)觀察的頻率。例如，是每16天還是每3天重復(fù)一次。（三）影像數(shù)據(jù)的分辨率

返回第27頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）影像數(shù)據(jù)的輔助信息返回第28頁,共90頁，2024年2月25日，星期天三、遙感影像其他數(shù)據(jù)返回（一）定標(biāo)、驗證數(shù)據(jù)（二）地面實況調(diào)查（三）地面定位數(shù)據(jù)（四）地圖數(shù)據(jù)（五）數(shù)字地形數(shù)據(jù)第29頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）定標(biāo)、驗證數(shù)據(jù)定標(biāo)(calibration)是把所得到的測量值變換成絕對亮度，或指定與地表反射率及表面溫度等物理量有關(guān)的處理過程。第30頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）定標(biāo)、驗證數(shù)據(jù)第31頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）定標(biāo)、驗證數(shù)據(jù)第32頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）定標(biāo)、驗證數(shù)據(jù)由于大氣散射的影響，必須對觀測的數(shù)據(jù)進行驗證，常常用基于地面實況數(shù)據(jù)進行驗證的方法。這些地面數(shù)據(jù)被稱為驗證數(shù)據(jù)。第33頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）定標(biāo)、驗證數(shù)據(jù)返回第34頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）地面實況調(diào)查地面實況調(diào)查(groundtruth)是指為了檢驗遙感數(shù)據(jù)與觀測目標(biāo)物的對應(yīng)關(guān)系而對地面實況信息進行觀測、測量、收集的工作。返回第35頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）地面定位數(shù)據(jù)在進行遙感影像的幾何精校正時，必須要有地面控制點。適于作為地面控制點的是可以在影像上辨認(rèn)出的一點和它所對應(yīng)的地面上相同的一點，而且可以正確知道該點在影像上的位置(像元號、行號)和在地圖上的位置(緯度、經(jīng)度、高度)。第36頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）地面定位數(shù)據(jù)定位方法有：（1）地形圖法：簡單，但不適于缺乏高精度地形圖的地區(qū)。（2）GPS定位法：GlobalPositioningSystem：返回第37頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）地圖數(shù)據(jù)

地圖信息可以提供如下功能：①調(diào)查區(qū)域的概查：②幾何校正控制點的設(shè)置：③輔助性地面實況數(shù)據(jù)的獲取及判讀參考：④分析、判讀結(jié)果的整理與表示：第38頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）地圖數(shù)據(jù)

常用的地圖數(shù)據(jù)：第39頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）地圖數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel簡稱DEM）是在高斯投影平面上規(guī)則格網(wǎng)點平面坐標(biāo)（x,y）及其高程（z）的數(shù)據(jù)集。Dem的水平間隔可隨地貌類型不同而改變。根據(jù)不同的高程精度，可分為不同等級產(chǎn)品。第40頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）地圖數(shù)據(jù)

數(shù)字正射影像圖（DigitalOrthophotoMap簡稱DOM）是利用數(shù)字高程模型對掃描處理的數(shù)字化的航空相片/遙感相片（單色/彩色），經(jīng)逐個象元進行投影差改正，再按影像鑲嵌，根據(jù)圖幅范圍剪裁生成的影像數(shù)據(jù).一般帶有公里格網(wǎng)、圖廓內(nèi)/外整飾和注記的平面圖。第41頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）地圖數(shù)據(jù)

數(shù)字線劃地圖（DigitalLineGraphic簡稱DLG）是現(xiàn)有地形圖上基礎(chǔ)地理要素的矢量數(shù)據(jù)集，且保存要素間空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息。第42頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）地圖數(shù)據(jù)

（DigitalRasterGraphic簡稱DRG）是紙質(zhì)地形圖的數(shù)字化產(chǎn)品。每幅圖經(jīng)掃描、糾正、圖幅處理及數(shù)據(jù)壓縮處理后，形成在內(nèi)容、幾何精度和色彩上與地形圖保持一致的柵格文件。返回第43頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（五）數(shù)字地形數(shù)據(jù)

數(shù)字地形數(shù)據(jù)是表示地形形狀的數(shù)據(jù)，也叫數(shù)字地形模型(DTM：digitalterrainmodelorDEM：digitalelevationmodel)。第44頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（五）數(shù)字地形數(shù)據(jù)

地形形狀(地表面形狀)的表示方法大致分為以下4種：①等高線表示法：用具有等間隔的高度的等高線集合表示地形的方法。第45頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（五）數(shù)字地形數(shù)據(jù)

②網(wǎng)格點表示法：通過在水平面上布置的格點(網(wǎng)格點)的標(biāo)高數(shù)據(jù)表示地形形狀的方法。格點以外地點的標(biāo)高由周圍格點的標(biāo)高數(shù)據(jù)內(nèi)插求出。第46頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（五）數(shù)字地形數(shù)據(jù)

③隨機點表示法：通過在水平面上隨機布置的點的水平位置坐標(biāo)和標(biāo)高數(shù)據(jù)表示地形形狀的方法。近似地表示地表面形狀的方法叫TIN(triangulatedirregularnetwork：不規(guī)則三角形網(wǎng)絡(luò))。該方法只有按地形起伏自由變更標(biāo)高點密度的優(yōu)點，對高速檢索周圍的隨機點必須加以特別的考慮。第47頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（五）數(shù)字地形數(shù)據(jù)

④函數(shù)表示法：通過曲線函數(shù)等用曲面表示地表面的方法。返回第48頁,共90頁，2024年2月25日，星期天四、遙感影像的信息內(nèi)容返回（一）遙感影像的波譜信息

（二）遙感影像的空間信息（三）遙感影像的時間信息第49頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）遙感影像的波譜信息

遙感影像中每個像元的亮度值代表的是該像元中地物的輻射值，隨地物的成分、紋理、狀態(tài)、表面特征及所使用電磁波段的不同而變化的，這種特征稱為地物的波譜特征。不同地物之間的亮度值差異以及同一地物在不同波段上的亮度值差異構(gòu)成了地物的波譜信息。返回第50頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）遙感影像的波譜信息第51頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）遙感影像的空間信息包括空間頻率信息、邊緣和線性信息、結(jié)構(gòu)或紋理信息以及幾何信息等。影響遙感影像空間信息的主要因素有成像遙感器的空間分辨率、影像投影性質(zhì)、比例尺、幾何畸變等。返回第52頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）遙感影像的時間信息

是指不同時相遙感影像的光譜信息與空間信息的差異。是研究對象所處的時態(tài)，所以要充分利用多時相影像，不能以一個瞬時信息來包羅它的整個發(fā)展過程。返回第53頁,共90頁，2024年2月25日，星期天五、遙感影像特征的

統(tǒng)計分析返回（一）單波段統(tǒng)計特征

（二）多波段間的統(tǒng)計特征

（三）卷積（四）紋理第54頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征第55頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征（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術(shù)平均值，它反映的是影像中地物的平均反射強度，大小由一級波譜信息決定。

第56頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征（2）影像灰度中值指影像所有灰度級中處于中間的值。當(dāng)灰度級數(shù)為偶數(shù)時，則取中間兩灰度值的平均值。由于一般遙感影像的灰度級都是連續(xù)變化的，因而中間值可通過最大灰度值和最小灰度值獲得。

第57頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征（3）影像灰度眾數(shù)眾數(shù)是影像中出現(xiàn)最多次數(shù)的灰度值。它是一幅影像中分布較廣的地物類型反射能量的反映。第58頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）基本統(tǒng)計分析量（4）影像灰度方差方差反映各像元灰度值與影像平均灰度值的總的離散程度。它是衡量一幅影像信息量大小的重要度量，是影像統(tǒng)計分析中的最重要的統(tǒng)計量。

第59頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）基本統(tǒng)計分析量（5）影像灰度數(shù)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變化程度，從而間接地反映了影像的信息量。

第60頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征（6）影像灰度反差反差可以反映影像的顯示效果和可分辨性。上述三種形式的反差定義中，C3最合理，其它兩種定義受極端情況的影響較大。第61頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征集中趨勢離散趨勢第62頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征返回第63頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征（7）影像的直方圖直方圖是指影像中所有灰度值的概率分布。橫坐標(biāo)表示影像的灰度級變化，縱坐標(biāo)表示影像中各個灰度級像元數(shù)占整幅影像像元數(shù)的百分比。遙感影像數(shù)據(jù)常常服從或接近于正態(tài)分布。第64頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征（7）影像的直方圖第65頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征（7）影像的直方圖

第66頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（一）單波段統(tǒng)計特征（8）直方圖的描述量事實上，遙感影像數(shù)據(jù)并不能完全服從正態(tài)分布，往往存在直方圖的偏斜。其具體表現(xiàn)為影像灰度均值與眾數(shù)和中值的明顯不一致。偏斜程度可用下面的量來表示：返回第67頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）多波段間的統(tǒng)計特征

（1）協(xié)方差設(shè)f（i，j）和g（i，j）是大小為M×N的兩幅影像，則它們之間的協(xié)方差計算公式為：

第68頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）多波段間的統(tǒng)計特征

（1）協(xié)方差將N個波段相互間的協(xié)方差排列在一起所組成的矩陣稱為協(xié)方差矩陣第69頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）多波段的統(tǒng)計特征（2）相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)是描述波段影像間的相關(guān)程度的統(tǒng)計量，反映了兩個波段影像所包含信息的重疊程度。即

第70頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（二）多波段的統(tǒng)計特征（2）相關(guān)系數(shù)將N個波段相互間的相關(guān)系數(shù)排列在一起所組成的矩陣稱為相關(guān)矩陣返回第71頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）卷積（1）窗口和鄰域

對于圖像中的任一像素(x,y),以此為中心，按上下左右對稱所設(shè)定的范圍成為窗口。如3×3窗口、5×5窗口。第72頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）卷積中心像素周圍的行列稱為該像素的鄰域，4鄰域與8鄰域如下：第73頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）卷積（2）卷積運算卷積運算是空間域上針對特定窗口進行的運算。設(shè)窗口大小為m×n，（i，j）是中心像素，f(x,y)是圖像像素值，h（x，y）是窗口模板（或卷積核），g(x,y)是運算結(jié)果，那么卷積的運算公式定義為：第74頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（三）卷積（2）卷積運算

第75頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）紋理

直觀印象結(jié)構(gòu)方法統(tǒng)計方法空間自相關(guān)函數(shù)灰度共生矩陣灰度級游程長濾波模板隨機模型分形模型定性描述定量描述第76頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）紋理

紋理的分類：人工紋理：由自然背景上的符號（點、線條、字母或數(shù)字等）排列組成自然紋理：具有重復(fù)排列現(xiàn)象的自然景物（森林、草地等）第77頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）紋理紋理的分類：

人工紋理自然紋理第78頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）紋理（1）空間自相關(guān)函數(shù)對物體的粗糙程度進行描述，其定義如下：

粗紋理的自相關(guān)函數(shù)隨距離變化較為緩慢，而細紋理則變化比較快。如果距離固定，那個粗紋理具有較高的自相關(guān)函數(shù)第79頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）紋理（1）空間自相關(guān)函數(shù)TheUseofVariogramsinRemoteSensing，Woodcock，1988第80頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）紋理（1）空間自相關(guān)函數(shù)空間變異函數(shù)的對比第81頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）紋理（1）空間自相關(guān)函數(shù)在二階平穩(wěn)情況下，空間變異函數(shù)r(h）和空間自相關(guān)函數(shù)滿足：

r(h)=c(0)-c(h)第82頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（四）紋理（2）灰度共生矩陣灰度共生矩陣描述了當(dāng)圖像中像素（i，j)處灰度為m，與（i,j)相距離位移為（a,b)且灰度為n的概率。注釋：當(dāng)a=1，b=0時，像素對是水平的，即0度掃描；當(dāng)a=0，b=1時，像素對是垂直的，即90度掃描；當(dāng)a=1，b=1時，