遙感圖像處理模型與方法

前言

作為一種主動(dòng)的航天、航空遙感手段，微波成像技術(shù)具有全天時(shí)、全天候工作的特點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海洋觀測(cè)、資源勘查、精細(xì)農(nóng)業(yè)、地質(zhì)測(cè)繪、政府公共決策等方面有著廣泛的應(yīng)用，目前已成為高分辨率對(duì)地觀測(cè)和全球資源管理的最重要手段之一。以其中的典型代表合成孔徑雷達(dá)（sAR）技術(shù)為例，經(jīng)過(guò)30余年的研究和發(fā)展，我國(guó)在系統(tǒng)研制、數(shù)據(jù)獲取、信息處理及其遙感應(yīng)用等方面取得了一系列重大的技術(shù)突破和豐碩的科研成果。微波成像技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要從事以合成孔徑雷達(dá)技術(shù)為代表的微波成像新概念、新體制和新方法研究。實(shí)驗(yàn)室為持續(xù)跟蹤國(guó)際最先進(jìn)微波成像技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)而組織開展了外文著作系列翻譯工作，涉及SAR先進(jìn)系統(tǒng)、成像算法、圖像理解和應(yīng)用等內(nèi)容。隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是光學(xué)遙感還是微波遙感都有各自的特點(diǎn)，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，而且在許多場(chǎng)合可以互為補(bǔ)充，互相印證，這也是實(shí)驗(yàn)室將本書列入?yún)矔闹匾霭l(fā)點(diǎn)。從本質(zhì)上而言，SAR是一種主動(dòng)遙感技術(shù)手段，為了更好地理解遙感原理、數(shù)據(jù)處理模型及圖像解譯，實(shí)驗(yàn)室專門挑選了本書作為理解遙感的入門教材。與其他遙感書籍偏重遙感原理、遙感圖像獲取、圖像處理和應(yīng)用等有所不同，本書以遙感的模型和處理方法為闡述的主線，幫助讀者在較高的層次上對(duì)遙感進(jìn)行理解；從介紹遙感的本質(zhì)出發(fā)，對(duì)遙感圖像的物理模型、幾何模型、數(shù)據(jù)模型等模型進(jìn)行了由淺入深的介紹，在圖像處理方法上則對(duì)光譜變換、空問(wèn)變換、幾何校正和輻射校正、圖像配準(zhǔn)、圖像融合和圖像分類等重要方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。與此f司時(shí)，書中給出了大量的遙感實(shí)例圖像和處理例子，尤其是近年的新型遙感器，如在第二版的基礎(chǔ)上增加了高光譜遙感簡(jiǎn)介及其高光譜MODIs圖像和處理的例子。此外，本書是作者在多年教學(xué)和科學(xué)研究基礎(chǔ)上總結(jié)編寫的，且經(jīng)過(guò)了多次反復(fù)講解、篩選和修訂，按章總結(jié)并配有相應(yīng)的習(xí)題，便于讀者研讀思考，是一本優(yōu)秀的教科書。微波成像技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室譯著系列國(guó)外前沿著作遴選和翻譯組織工作。本書的翻譯工作由微波成像技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同開展。其中，尤紅建負(fù)責(zé)翻譯第l章、第4章和第6章，龍輝負(fù)責(zé)翻譯第3章、第7章和第8章，王思遠(yuǎn)和傅興玉負(fù)責(zé)翻譯第2章、第5章、第9章和附錄，賀經(jīng)緯參加了彩色插圖文字的翻譯。最后，由尤紅建研究員進(jìn)行了全書的校對(duì)，并由吳一戎進(jìn)行了終稿審定。此外，本書的翻譯還得到了中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所多位專家學(xué)者的指導(dǎo)和幫助。鑒于譯者的經(jīng)驗(yàn)和時(shí)間約束，翻譯過(guò)程中難免存在未盡和疏漏之處，敬請(qǐng)廣大同行讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　本書是作者在長(zhǎng)期講授遙感課程的基礎(chǔ)上編寫而成的遙感經(jīng)典教材。它從遙感本質(zhì)出發(fā)，對(duì)遙感圖像的物理模型、幾何模型、數(shù)據(jù)模型等數(shù)學(xué)和物理模型進(jìn)行了由淺入深的闡述，在圖像處理方法上則對(duì)光譜變換、空間變換、幾何校正和輻射校正、圖像配準(zhǔn)、圖像融合和圖像分類等重要方面進(jìn)行了詳細(xì)論述和討論。書中給出了大量遙感實(shí)例圖像和處理例子，尤其介紹了近年來(lái)發(fā)射的一些遙感器。本書還對(duì)新出現(xiàn)的高光譜遙感進(jìn)行了闡述，給出了高光譜MODIS圖像和處理的例子。   　大多數(shù)遙感書籍都是從遙感的原理、遙感圖像的獲取、圖像處理、圖像應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹的，而本書則從遙感的模型和處理方法為闡述主線，讀者能在較高的層次對(duì)遙感進(jìn)行理解。本書側(cè)重實(shí)踐應(yīng)用，給出了許多實(shí)際應(yīng)用的有效解決方案和具體技巧，包括近年來(lái)應(yīng)用較廣泛的遙感圖像處理技術(shù)，如高光譜圖像分析，多傳感器圖像融合及立體成像的數(shù)字高程模型提取?！　”緯m合遙感相關(guān)專業(yè)學(xué)生以及相關(guān)技術(shù)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

　　Robert A.Schowengerdt博士于1968年在美國(guó)密蘇里大學(xué)羅拉分校獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，并于1975年在亞利桑那大學(xué)獲得光學(xué)博士學(xué)位。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文100多篇，是ASPRS、IEEE（高級(jí)會(huì)員）、OSA和SPIE的會(huì)員。在亞利桑那大學(xué)講授圖像處理和遙感課程近30年。

書籍目錄

第1章  遙感的本質(zhì) 　1.1  引言 　1.2  遙感 　　1.2.1  從遙感圖像提取信息 　　1.2.2  遙感的光譜因子 　1.3  光譜信號(hào) 　1.4  遙感系統(tǒng) 　　1.4.1  空間和輻射度特性 　　1.4.2  光譜特性 　　1.4.3  時(shí)相特性 　　1.4.4  多遙感器編隊(duì)飛行 　1.5  圖像顯示系統(tǒng) 　1.6  數(shù)據(jù)系統(tǒng) 　1.7  小結(jié) 　1.8  習(xí)題 第2章  光學(xué)輻射模型 　2.1  概述 　2.2  可見光到短波紅外光譜區(qū) 　　2.2.1  太陽(yáng)輻射 　　2.2.2  輻射組成 　　2.2.3  太陽(yáng)輻射區(qū)域的圖像實(shí)例 　2.3  中波段到熱紅外波段 　　2.3.1  熱輻射 　　2.3.2  熱輻射組成 　　2.3.3  總的向上傳播的太陽(yáng)輻射和熱輻射 　　2.3.4  熱輻射區(qū)的圖像實(shí)例 　2.4  小結(jié) 　2.5  習(xí)題 第3章  遙感器模型 　3.1  概述 　3.2  遙感器模型簡(jiǎn)介 　3.3  分辨率 　　3.3.1  儀器響應(yīng) 　　3.3.2  空間分辨率 　　3.3.3  光譜分辨率 　3.4  空間響應(yīng) 　　3.4.1  光學(xué)PSF 　　3.4.2  探測(cè)器PSF 　　3.4.3  圖像運(yùn)動(dòng)PSF 　　3.4.4  電子PSF 　　3.4.5  總PSF 　　3.4.6  遙感器各個(gè)PSF之間的比較 　　3.4.7  成像系統(tǒng)模擬 　　3.4.8  測(cè)量PSF 　3.5  光譜響應(yīng) 　3.6  信號(hào)放大 　3.7  采樣與量化 　3.8  簡(jiǎn)化的遙感器模型 　3.9  幾何變形 　　3.9.1  遙感器定位模型 　　3.9.2  遙感器姿態(tài)模型 　　3.9.3  掃描儀模型 　　3.9.4  地球模型 　　3.9.5  擺掃幾何模型 　　3.9.6  推掃幾何模型 　　3.9.7  地形扭曲 　3.10  小結(jié) 　3.11  習(xí)題 第4章  數(shù)據(jù)模型 　4.1  引言 　4.2  符號(hào)中的世界 　4.3  單變量的圖像統(tǒng)計(jì) 　　4.3.1  直方圖 　　4.3.2  累積直方圖 　　4.3.3  統(tǒng)計(jì)參數(shù) 　4.4  多變量圖像統(tǒng)計(jì) 　　4.4.1  約簡(jiǎn)為單變量統(tǒng)計(jì) 　4.5  噪聲模型 　　4.5.1  圖像質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)測(cè)量 　　4.5.2  噪聲等價(jià)信號(hào) 　4.6  空間統(tǒng)計(jì) 　　4.6.1  空間協(xié)方差的可視化 　　4.6.2  協(xié)方差和半變量圖 　　4.6.3  功率譜密度 　　……第5章　光譜變換第6章　空間變換第7章　校正與定標(biāo)第8章　配準(zhǔn)與融合第9章　專題分類附錄A　遙感器縮寫詞附錄B　一維函數(shù)和二維函數(shù)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章遙感的本質(zhì)1.1  引言1972年發(fā)射了第一顆陸地多光譜掃描儀（Landsat Multispectral Scanner System，MSS），它有4個(gè)波段，波譜寬度大約100 Bin，像元大小為80 m，從而開創(chuàng)了從太空遙感地球的新紀(jì)元。遙感系統(tǒng)展現(xiàn)的多樣性和廣泛性表明MSS指標(biāo)是真正適用的。現(xiàn)在已經(jīng)有了能夠采集幾乎全部電磁波譜的衛(wèi)星運(yùn)行系統(tǒng)，波段達(dá)到了幾十個(gè)，而像元大小從1 m到1000 m不等。大量的航空高光譜系統(tǒng)可以作為衛(wèi)星平臺(tái)的補(bǔ)充，它們一般具有幾百個(gè)波段，波譜間隔達(dá)到了10 mm量級(jí)，本章將重點(diǎn)闡述這些遙感光電成像設(shè)備的基本特征及其獲取的圖像。1.2遙感我們將遙感定義為從飛機(jī)或衛(wèi)星上獲取數(shù)據(jù)以測(cè)量地球表面各種物體的特性，因此它是從遠(yuǎn)距離測(cè)量某個(gè)物體的，而非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。由于不能直接接觸感興趣的物體，就必須依靠某種信號(hào)的傳播，比如光、聲或微波。本書將局限于討論采用光信號(hào)來(lái)遙感地球表面。盡管遙感數(shù)據(jù)由離散的點(diǎn)測(cè)量值或沿飛行路徑的剖面測(cè)量值組成，但在此我們主要研究二維空間網(wǎng)格分布的測(cè)量數(shù)據(jù)，即圖像。遙感系統(tǒng)，尤其是放置在衛(wèi)星平臺(tái)上的系統(tǒng)，提供了一種重復(fù)、連續(xù)觀測(cè)地球的視角，它監(jiān)視短期和長(zhǎng)期變化及人類活動(dòng)影響的價(jià)值是無(wú)法衡量的。遙感技術(shù)的一些重要應(yīng)用有：環(huán)境評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)（城市擴(kuò)張和污染物排放）全球變化檢測(cè)和監(jiān)測(cè)（大氣層臭氧的損耗、森林砍伐和全球變暖）農(nóng)業(yè)（農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)和土壤侵蝕）非再生資源調(diào)查（煤炭、石油和天然氣）可再生自然資源（濕地、土壤、森林和海洋）氣象（大氣動(dòng)力學(xué)和天氣預(yù)報(bào)）制圖（地形圖、土地利用和土木工程）軍事偵察和監(jiān)視（戰(zhàn)略偵察和打擊評(píng)估）新聞媒體（圖解和分析）為了滿足不同數(shù)據(jù)用戶的要求，人們已經(jīng)開發(fā)了許多遙感系統(tǒng)以滿足各種不同空間的、光譜的和時(shí)間的參數(shù)應(yīng)用要求。一些用戶或許會(huì)要求頻繁地重復(fù)覆蓋，而空間分辨率要求相對(duì)較低（氣象），另一些用戶則要求盡可能高的空間分辨率，而很少要求重復(fù)覆蓋（制圖）。還有一些用戶則既要求高空間分辨率和頻繁覆蓋，又要求快速的圖像分發(fā)（軍事偵察）。

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