綜述數(shù)字圖像處理技術(shù)在遙感領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢崔云騰【摘要】闡述了遙感技術(shù)目前在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，以及數(shù)字圖像處理技術(shù)在遙感技術(shù)上起到的重大作用。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，讓遙感技術(shù)有了翻天覆地的變化。并且詳細(xì)的描述了圖像處理技術(shù)在遙感領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，對這些技術(shù)在遙感中起的作用進(jìn)行解釋。最后對圖像處理技術(shù)在遙感領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。【關(guān)鍵詞】遙感；圖像處理；技術(shù)發(fā)展Digital image processing technology in the current situation and future development trend in the field of remote sensingCui Yunteng Abstract this paper expounds the remote sensing technology in the domestic and foreign development present situation, and the digital image processing technology to play a major role in the remote sensing technology. With the development of digital image processing technology, remote sensing technology have changed dramatically. And a detailed description of the key technologies in the field of remote sensing image processing technology, plays the role of these techniques in remote sensing for explanation. Finally, the image processing technology in the field of remote sensing in the future development trend of the analysis. 80.引言幾十年來，隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷成熟，遙感技術(shù)也不斷地發(fā)展，通過衛(wèi)星收集大量的影像資料，隨之而來對圖像的處理分析有了更高的要求，以前需要雇傭幾千人，現(xiàn)在運(yùn)用圖像處理系統(tǒng)僅僅需要一臺高級計(jì)算機(jī)，與之前相比分析識別速度有了顯著的提高1，同時(shí)減少了大量的人員工作，并且還可以從照片中發(fā)現(xiàn)通過人力所不容易發(fā)現(xiàn)不能找到的有用情報(bào)。1.數(shù)字圖像處理技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀上個(gè)世紀(jì)60年代，第一臺可移植性圖像處理的大型計(jì)算機(jī)研制成功。可以說是數(shù)字圖像處理技術(shù)的開端，自此開始用數(shù)字圖像處理技術(shù)來處理衛(wèi)星發(fā)回來的圖片。當(dāng)時(shí)“旅行者七號”發(fā)回來的月球圖片就是運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理，來校正航天器上攝像頭中各類型的圖形畸變。自上個(gè)世紀(jì)70年代起，計(jì)算機(jī)技術(shù)硬件軟件進(jìn)化迅速，隨之而來的，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了更好的發(fā)展機(jī)遇，向著更高更好的層次發(fā)展。人們開始研究怎么將圖像經(jīng)過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行表示，類似人類的視覺解釋外部的世界，這被稱為圖像理解或計(jì)算機(jī)視覺。80、90年代數(shù)字圖像處理技術(shù)開始運(yùn)用于地理信息系統(tǒng)、海圖的讀入。并且數(shù)字圖像處理技術(shù)有了十分大的進(jìn)步，Mallat技術(shù)的出現(xiàn)，他有效的應(yīng)用于圖像的分解和重構(gòu)，并且克服了傅里葉分析不能用于局部分析的不足之處。21世紀(jì)以來，數(shù)字圖像處理技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，取得了很多東大的突破，在很多的領(lǐng)域，如航天航空生物醫(yī)療都有了廣泛的應(yīng)用3。數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)，遙感技術(shù)對數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，最能直接體現(xiàn)該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀4。1.1在國外遙感數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀上個(gè)世紀(jì)60年代，美國發(fā)射了一系列的氣象衛(wèi)星和載人宇宙飛船5，但是圖像的質(zhì)量并不能得到保證，因?yàn)檫@些衛(wèi)星、飛船受著飛行姿態(tài)以及拍攝環(huán)境的影響，所以為了避免損失保證衛(wèi)星的工作效率，必須采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對圖片進(jìn)行解析。數(shù)字圖像處理自此開始成為了一個(gè)獨(dú)立學(xué)科，受到了廣泛的重視。自此數(shù)字圖像處理技術(shù)開始廣泛運(yùn)用于遙感技術(shù)。其中重要之一是對多光譜圖像數(shù)據(jù)的支持，即對彩色圖像的處理。1972年，發(fā)射了地球資源技術(shù)衛(wèi)星ERTS-1（后改名為Landsat Landsat-1），裝有MSS感器，分辨率79米。1982年Landsat-4發(fā)射，裝有TM傳感器，分辨率提高到30米。1986年法國發(fā)射SPOT-1，裝有PAN和XS遙感器，分辨率提10米1999年美國發(fā)射 IKNOS6，空間分辨率提高到1米。遙感器波段波長m空間分辨率（m）MSS45670.5-0.6 綠色0.60.7 紅色0.70.8 近紅外0.81.1 近紅外80808080TM12345670.450.52 藍(lán)色0.520.60 綠色0.630.69 紅色0.760.90 近紅外1.551.75 短波紅外10.412.5 熱紅外2.082.35 短波紅外303030303012030多光譜圖像可以看作是兩個(gè)空間變量一個(gè)光譜變量構(gòu)成的三維灰度值圖像。圖 1幾何校準(zhǔn)示意圖圖 2象元灰度重采樣示意圖1973年第四次中東戰(zhàn)爭，衛(wèi)星首次參與戰(zhàn)爭計(jì)劃的制定。一次戰(zhàn)役中美國的“大鳥”偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了埃及二、三軍團(tuán)間的寬十余公里的間隙防御薄弱，以色列抓住戰(zhàn)機(jī)，派出裝甲部隊(duì)直插運(yùn)河西岸，切斷進(jìn)入西奈半島的阿軍退路，從而使戰(zhàn)爭形勢發(fā)生逆轉(zhuǎn)。1982年英阿馬島戰(zhàn)爭，有24顆偵察、見識衛(wèi)星俯視戰(zhàn)場，向英軍提供大量的情報(bào)。1991年，海灣戰(zhàn)爭中多國部隊(duì)運(yùn)用70多顆衛(wèi)星對作戰(zhàn)區(qū)的環(huán)境、氣象等進(jìn)行搜集，提供詳細(xì)的氣候信息、地理信息。為戰(zhàn)役計(jì)劃的制定提供了重要的保障。自20世紀(jì)90年代以來，世界上又發(fā)生了很多局部戰(zhàn)爭，比如科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、利比亞戰(zhàn)爭等都有著數(shù)十上百顆直接服務(wù)于戰(zhàn)爭行動(dòng)。制約衛(wèi)星進(jìn)行偵查一個(gè)很重要的因素就是分辨率，分辨率是指一個(gè)系統(tǒng)（包括所有計(jì)算機(jī)成像增強(qiáng)技術(shù)）可以辨別地球上物體的大小。在上個(gè)世紀(jì)，拍照衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星的分辨率大多數(shù)都在幾十M，只能發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)港口和碼頭設(shè)施、鐵路調(diào)車場和登陸海灘等。這個(gè)世紀(jì)來，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的突破發(fā)展，分辨率有了進(jìn)一步的提高，逐漸達(dá)到米級，甚至現(xiàn)在的亞米級，衛(wèi)星在戰(zhàn)場上的左右有了翻天覆地的改變，使反衛(wèi)星偵察難度迅猛提高，戰(zhàn)場幾乎成為“無密”地帶。1.2國內(nèi)圖像處理技術(shù)在遙感上的發(fā)展現(xiàn)狀在中國遙感技術(shù)的發(fā)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(guī)劃籌備會，將遙感技術(shù)正式納入到國家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目中。在近幾十年的的科技攻關(guān)中，遙感技術(shù)都作為重點(diǎn)項(xiàng)目列入其中2。2002年神舟四號多模態(tài)微波遙感系統(tǒng)在軌飛行成功，使我國進(jìn)入航天微波遙感時(shí)代7。2006年中國遙感衛(wèi)星1號發(fā)射成功，實(shí)現(xiàn)了我國微波遙感衛(wèi)星全模態(tài)工作。2016年6月13日，我國自主研制的高分4號衛(wèi)星正式投入使用成功地實(shí)現(xiàn)了星下點(diǎn)全色/多光譜50米、中波紅外400米的地球同步軌道近實(shí)時(shí)觀測，是我國第一顆也是當(dāng)前世界唯一的一顆靜止軌道高分辨率對地觀測衛(wèi)星?！?.圖像處理對于遙感的關(guān)鍵技術(shù)2.1幾何校正由于遙感系統(tǒng)空間、波譜、時(shí)間以及輻射分辨率的限制，在比較崎嶇的地方精確地記錄具有很大的困難性成像8，從而影響圖像的分析精度，所以在分析前，要對圖像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理中一個(gè)重要的點(diǎn)就是對原圖像進(jìn)行幾何校正。2.2圖像的壓縮編碼衛(wèi)星的傳輸帶寬是有限的，有限的帶寬限制了傳輸回圖片的質(zhì)量。如何用有限的帶寬傳送回更多的信息，這就需要對圖像進(jìn)行壓縮編碼。圖像壓縮編碼用盡可能少的數(shù)據(jù)表示信源發(fā)出的圖像信號，對圖像進(jìn)行壓縮，減少一個(gè)圖像的大小，縮短傳輸一個(gè)圖像的所用的時(shí)間和減少占用的信道帶寬9。圖像壓縮編碼研究一般分為兩個(gè)階段：第一代圖像壓縮編碼階段（1985年前）源于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮理論，變換壓縮編碼和量化壓縮編碼是其中的亮點(diǎn)。第二代圖像壓縮編碼階段（1985年后）1985年，一些人利用人眼視覺特性提出了這個(gè)概念。經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，壓縮編碼領(lǐng)域取得了階段的新成果，EZW編碼算法和SPIHT編碼算法具有結(jié)構(gòu)簡單、不需要過多的學(xué)習(xí)、支持多碼率、圖像復(fù)原質(zhì)量理想的特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注10。到今天，小波變換的圖像壓縮技術(shù)成為了主流。基于二維小波壓縮方法有很多，一般用小波泡、小波變換零樹壓縮、小波變換量化矢量壓縮等。一個(gè)圖像做小波分解后會形成很多不同分辨率的子圖像。高分辨率的子圖像大部分點(diǎn)數(shù)值都接近于0。所以說一個(gè)圖像重要的部分就是就是其低頻的部分，小波分解就是去高頻保留低頻。2.3圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)是根據(jù)需要來突出一幅圖像的一些信息，以及刪除或削弱圖像的一些信息的處理方法。他的根本目的是讓生成的圖片比原圖片更適應(yīng)我們的需要。圖像增強(qiáng)的一般方法有直方圖修改處理、圖像尖銳化處理、圖像平滑性處理以及彩色平衡處理等。這幾種增強(qiáng)方法可以結(jié)合使用，在使用前應(yīng)綜合分析，確立使用方法。2.4圖象恢復(fù)這個(gè)技術(shù)出現(xiàn)的原因是圖像在獲取、傳輸和儲存的過程中會受到很多因素影響造成失真現(xiàn)象，結(jié)果是使圖片的質(zhì)量下降，即圖象退化。圖象恢復(fù)技術(shù)的目的是得到某種程度改善的視覺質(zhì)量，將一個(gè)圖片通過某些模型來使其恢復(fù)成原有的圖像。常見的圖像恢復(fù)方式有：連續(xù)圖像的濾波恢復(fù)、svd偽逆空間圖像恢復(fù)、傳感器和顯示點(diǎn)的非線性修正、偽逆空間圖像恢復(fù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)估計(jì)圖像空間恢復(fù)、約束圖象恢復(fù)、盲目圖象恢復(fù)。2.5圖像分割圖像分割是數(shù)字圖像處理的一門關(guān)鍵技術(shù)。圖像分割自從上世紀(jì)70年代就開始受到人們的廣泛關(guān)注，并且在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。2.5.1基于區(qū)域的分割法這種方法將圖像分割成若干不重疊的區(qū)域，在相似性上，使各個(gè)區(qū)域的內(nèi)部特性大于區(qū)域間的特性。各個(gè)區(qū)域內(nèi)的像素都滿足給予灰度、紋理等特征。一般方法有：區(qū)域生長法、閾值法、分裂合并法。2.5.2基于邊緣的分割方法這種方法的主要根據(jù)是圖像局部特征的不連續(xù)性。這種方法先根據(jù)圖像的不連續(xù)性或突變型，將他們連成邊界，這種邊界將圖像劃分為不同的區(qū)域。邊緣檢測和提取的主要手段是微分運(yùn)算，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的圖像邊緣檢測的方法是圖像高頻分量的增強(qiáng)過程。一般使用以下幾種邊緣檢測算子：Sobel算子、Prewitt算子、Robert算子、Canny算子、拉普拉斯算子。這些算子的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單速度較快，缺點(diǎn)是受到噪聲影響較大11。2.6圖像分析圖像分析的目的是從圖像中抽取有用的度量、數(shù)據(jù)、信息。圖像需要圖像分割抽取圖像的特征，而后對圖像進(jìn)行符號性的描述。2.6.1圖像描繪一個(gè)圖像經(jīng)過圖像分割后得到的是多個(gè)區(qū)域。通過描述這些目標(biāo)獲得他們之間的相互關(guān)系來更容易識別目標(biāo)。2.6.2紋理分析常用的紋理分析方法有結(jié)構(gòu)法、頻譜法、統(tǒng)計(jì)法和模型法。結(jié)構(gòu)分析法從紋理的基元形態(tài)及其排布規(guī)則角度分析，適用于研究規(guī)則紋理。它的優(yōu)點(diǎn)是對紋理的構(gòu)成理解高。統(tǒng)計(jì)法一些自然紋理從局部上顯示很大的隨機(jī)性，但從整體上看還是有一定的規(guī)律性。基于統(tǒng)計(jì)的紋理分析方法有灰度共生矩陣分析和矩自相關(guān)函數(shù)。頻譜法用信號處理的方法將空間域的紋理圖像轉(zhuǎn)換到頻率域中，目前主要方法有傅里葉變換和小波分析等。模型法將紋理基元建模成一個(gè)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用信號分析等方法進(jìn)行計(jì)算分析。常用的模型有自回歸模型、控向金字塔小波分析、word分解、馬爾科夫隨機(jī)場模型等。3.未來的發(fā)展方向經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在遙感領(lǐng)域的重要性愈發(fā)增強(qiáng)。但目前數(shù)字圖像處理技術(shù)面臨著幾個(gè)問題制約著他的發(fā)展，一是圖像處理精度的提高對運(yùn)行速度的依賴性很大，二是圖像在壓縮過程中保真以及大小中間的平衡問題，三是圖像分割需要大量的概率理論支持。我覺得圖像技術(shù)未來的發(fā)展方向要提高硬件的速度，一方面是要提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，另一方面要提高A/D的轉(zhuǎn)換速度。加強(qiáng)對硬件芯片的研究，對于遙感技術(shù)來說，芯片的小型化、微型化對其任務(wù)的選擇以及運(yùn)行壽命都有著重要的意義。將圖像處理軟件直接在芯片上運(yùn)行，可以有效的提高工作效率。圖像數(shù)據(jù)的壓縮，目前圖像壓縮的標(biāo)準(zhǔn)有好幾個(gè)，進(jìn)一步加強(qiáng)對壓縮技術(shù)的研究，有利于圖像的傳輸，能夠獲得更大的信息量。立體化研究，目前圖片是二維的，未來的研究方向是通過數(shù)字圖像處理技術(shù)將這些二維的圖片轉(zhuǎn)換成三維立體的，可以更為直觀的提供所需要的信息。新理論新算法的研究，圖像處理技術(shù)經(jīng)過這么多年的發(fā)展，引入了大量的新理論新算法，比如Morphology、Wavelet等。4. 結(jié)語目前，遙感技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)的聯(lián)系十分緊密，數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)，遙感技術(shù)對數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，最能直接體現(xiàn)該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。遙感技術(shù)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于氣象觀測、地形考察、軍事偵察以及地圖的測繪等。未來的遙感技術(shù)隨著圖像技術(shù)的提高，可以更精確的提取出我們需要的信息，更好的提供服務(wù)。參考文獻(xiàn)1 朱睿.數(shù)字圖像處理技術(shù)現(xiàn)狀與展望J.中國科技博覽，2011（14）.2 遙感技術(shù)與應(yīng)用 姜景山-中國微波遙感發(fā)展的新階段與新任務(wù)-20073 紅外技術(shù) 張衛(wèi)鋒；張若嵐；趙魯生；胡銳；史衍麗-InGaAs短波紅外探測器研究進(jìn)展-20124 科學(xué)之友 張瑋雄；劉建霞-數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢-20125 西安電子科技大學(xué)碩士論文 李澤敏-基于譜聚類的SAR圖像變化檢測-20126百科 -遙感7 中國工程科學(xué) 姜景山；吳一戎；劉和光；董曉龍-中國微波遙感發(fā)展的新階段新任務(wù)-20088水土保持通報(bào) 范建容；李秀珍；張懷珍；郭芬芬；郭祥-汶川地震災(zāi)區(qū)崩塌滑坡體幾何特征信息遙感定量提取與分析-20129中南大學(xué)碩士論文 賀鑫-基于功能手機(jī)平臺的二維圖形系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)-200910小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 王向陽；左珂可-基于小波系數(shù)特性的低比特率圖像壓縮編碼算法-200711計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程 王全-一種改進(jìn)Hough變換的車道線檢測算法-2014