遥感图像解译.

季统凯中国科学院计算技术研究所目录§1、遥感图像解译概念；§2、遥感图像多特征提取；遥感图像多特征提取的概念；地球表面物体分布特征；地物边界跟踪法；形状特征描述与提取；地物空间关系特征描述与提取；§3、遥感图像解译专家系统遥感图像解译专家系统的组成图像处理与特征提取子系统遥感图像解译知识获取子系统遥感图像解译专家系统的机理计算机解译的主要技术发展趋势§1、遥感图像解译-概念•当人们或是计算机系统能够从遥感图像数据中发现或者挖掘出信息，并将此信息分析、整理、传递给他人的时候，就是在进行图像解译。•图像解译的表达形式有：图像分类、专题信息提取和模式识别等。§2、遥感图像多特征提取一．遥感图像多特征提取的概念；二．地球表面物体分布特征；三．地物边界跟踪法；四．形状特征描述与提取；五．地物空间关系特征描述与提取；一、遥感图像多特征提取-概念遥感图像解译，除了利用地物的光谱特征外，还需利用地物的形状特征和空间关系特征，因此需要提取图像的其他特征。对于高分辨率遥感图像，可以清楚地观察到丰富的结构信息，如城市是由许多街区组成的，每个街区又由多个矩形楼房构成，其中人造地物具有明显的形状和结构特征，如建筑物、厂房、农田田埂，因此可以设法去提取这类地物的形状特征及其空间关系特征，以作为结构模式识别的依据。结构模式识别也叫句法模式识别，它可以提取地物的形状特征和空间关系特征，在此基础上识别遥感影像上的目标地物。二、地球表面物体分布特征地球表面的物体，从其分布特征来看，主要表现为三种形式，–点状地物–线状地物–面状地物从信息论的观点看，一个图像颜色（地物光谱）特征均一的地物单元，其边界信息最丰富，地物形状特征是通过边界信息表现出来的。三、地物边界跟踪法1.地物边界跟踪法-分类；2.点状地物与面状地物的边界跟踪；3.面状地物的边界跟踪法；4.线状地物信息检测与跟踪；1、地物边界跟踪法-分类对地物边界跟踪，是获取地物形态特征的前提。针对不同地物分布特点，地物边界跟踪方法不同。第一种方法以图像像元作为跟踪的落脚点，跟踪点的连线作为地物的界线。这种跟踪方法适用于线状物体的跟踪。第二种方法认为地物的界线在相邻地物之间，因此边界跟踪的路径应该从两个相邻地物边界的像元中间穿过，这种方法适用于点状地物与面状地物的跟踪。4－4||4—4444433333－3||3—32、点状地物与面状地物的边界跟踪随着遥感影像空间分辨率的变化，相同地物的分布特征是可变的。例如，一种地物在高分辨率图像上表现为面状地物，但在低分辨率图像上可能表现为点状地物。反之，点状地物在高分辨率图像上也可以表现为面状地物。点状地物是用一个像素或几个相邻像素表示的地物，因一个像素对应地表一定的面积，因此点状地物可视为缩小的面状地物。面状地物边界跟踪法同样适用于点状地物。3、面状地物的边界跟踪法面状地物边界跟踪是在遥感图像分类基础上进行的。遥感数字图像分类实际上是根据地物物理特性对像素的重新组合与归并。经过分类后的图像，每个地物单元内部是均一的，与其他地物的差异主要通过地物单元的边界来表现。据此可以认为，特征均一的地物单元（区域）的空间是由边界所确定的，边界由一个或多个孤段所构成，弧段是具有方向性的线段，线段由有限个有序的边界点所构成。3、面状地物的边界跟踪法设G1为图像中第一种地物类型，G2为图像中第二种地物类型，像元A0，A1，A2，A3在二维图像空间分布中具有如下：若AG1或AG2A={A0，A1，A2，A3}则称4个像元在2*2图像窗口的中间点为内部点，若存在AiG1,AjG2,ij,则称4个像元在2*2图像窗口的中间点为边界点，地物单元边界跟踪法是：•起始点的确定：设图像数据具有m行和n列，分别在图像四周各增加一行或一列数据，增加的像元赋值为-1，构成（m＋2）*（n＋2）的数字图像，经过上述处理，图像周边的像元都成为边界点。我们规定，第一个地物单元的边界点在图像坐标原点，将坐标原点作为起始点，开始跟踪时，记下起始点的坐标，顺序扫描图像，查找边界点。举例A0A1A2A33、面状地物的边界跟踪法•下一个跟踪点的确定：查找下一个跟踪点，关键是确定下一个跟踪点的方向。通过对地物单元边界点在图像窗口各种可能出现状态的分析，发现在逆（或顺）时针方向查找时，当前区域的下一个边界点是唯一的，寻找当前区域的下一个边界点的方向依赖于当前点的位置和图像窗口内相邻像元的分布位置。利用已知的方向作指引，可以方便地查找到当前区域的下一个边界点。举例1221111111*•***•*•1111211222••上一点位置查找下一边界点的方向当前点位置3、面状地物的边界跟踪法利用方向指引，寻找到下一个边界点后，要求判别该点的坐标是否与起始点相同。不同时，继续寻找当前地物单元下一个边界点，相同时，记录下跟踪过程中边界点的各种信息，产生一个地物单元数据记录，然后利用同样跟踪方法，开始下一个地物单元边界的跟踪，一直到图像中所有地物单元跟踪完毕。上述跟踪方法可以拓广到多个地物类型的图像区域。举例4、线状地物信息检测与跟踪线状地物检测是对线状地物像素的亮度与方向特性进行检测，找出可能的线状地物点的算法。线状地物检测的方法较多，简单的有阈值技术，复杂的有诸如假说检验程序等。线状地物检测的输出结果是线状地物种子点。线状地物信息检测首先对数字图像进行增强处理，然后对图像进行二值化处理，图像的二值化方法一般是通过设定某个阈值，并以该阈值为门限，把具有灰度级的图像变换为二值的黑白图像。通过二值化处理，将图像中的像元分为线状地物与背景，在此基础上进行噪声消除，从而获得较为正确的线状地物片断，作为下一步线状地物扩展与连接的起始点。数据经过以上处理后，得到一幅初始的线状地物图。4、线状地物信息检测与跟踪理想状态下，数字图像中代表线状地物的像素是连续的，这时可以采用逐行扫描的方法在二值图像上寻找每一行上代表线状地物的像素，根据像素的多寡计算出线状地物的宽度。在保证连通性的前提下对构成线段的像素进行剥皮细化，留下骨干像素，然后对下一行进行处理，寻找代表线状地物的像素，应用同样的方法，对线状地物进行跟踪。4、线状地物信息检测与跟踪•在实际遥感图像计算机解译中，遥感图像中线状地物多以间断线状地物种子点形式出现，因此需要利用相关信息或全局约束来扩展线状地物种子点以形成线状地物片断。在此基础上，可以应用更多的全局信息及知识来进一步将线状地物片断扩展、连接成为更为完整的线状地物图。四、地物形状体征的描述和提取1、形状特征描述•通过边界跟踪可以获得一系列有序的边界点，这些边界点提供了地物单元形状特征的大量信息。这里主要介绍采用链码来记录和描述边界点的方法。链码是一组具有方向标志码的有序系列，A=a1，a2，a3，…,an。它是由中心像素指向其8个邻点的方向来定义的。方向标志码可按逆（或顺）时针方向定义。01234567013457261、形状特征描述•链码值在[0,7]，采用链码方法记录地物边界线，在地物单元跟踪时方便实用，它既可用来表示一条边界线相邻像素点之间的位置，又可以在边界跟踪过程中控制各像素邻点的检测顺序。为便于链码与地理坐标间的转换，规定地理坐标原点取在屏幕左上角，即X轴由左向右，y轴由上而下。对一个连通的像素序列来说，与某一像素连通的后续像素只可能是由0～7中的任一个方向码。因此，对图像边界来说，除像素序列的初始像素外，任一后续像素位置均可用0～7中的一个数值来唯一地确定。1、形状特征描述链码到像元的坐标换算方法为：x0,y0为边界起始点的坐标；xn,yn为当前链码所指向的边界点坐标；ajx，ajy分别为aj在x坐标和y坐标的分量。njjnnjjnyyayxxax10101、形状特征描述像元坐标到链码换算方法为：x1,y1分别为当前点在x坐标和y坐标分量；x0,y0分别为上一点在x坐标和y坐标分量；F(ai)为在不同状态时的对应函数值，即该点的链码，这里的链码是采用逆时针方向定义的。利用链码可以有效地记录地物边界信息，描述地物形态特征。)1,1(,7)1,1(,1)0,1(,0)(010101010101yyxxyyxxyyxxaFi2、形状特征提取•地物单元周长P：设相邻像素间采用链码表示的长度为：n=Mod(2,i),i=1,2,…,7，为链码的方向。设j为地物边界像素点的个数。将所有链码段的长度相加，即为周长。运用计算周长的方法，也可以计算出线状地物的长度。–地物面积S：可以利用边界点上的地理坐标求算面积，其面积提取方法如下：首先计算出面状地物每一行的面积Sk,niL)2(jLP)(ijkxxASmkkSS1像元地面分辨率xi,xj为同一行边界点的x地理坐标，m为地物总列数。2、形状特征提取•地物形态特征的提取–线状物体的曲率：–面状地物的形状系数LLCa2线段长度弦长SPF42面状物体周长面状地物面积五、地物空间关系特征描述与提取•地物空间关系特征这里所讲的地物空间关系是指遥感数字图像中两个地物或多个地物之间在空间上的相互联系，这种联系是由地物的空间位置所决定的。在二维空间，地物的空间关系主要表现为以下几种：方位关系：指两个地物之间方向与位置的相对关系。方位关系用来描述边界并不相互接触的两个物体。通常采用以一个物体为中心，描述另一个物体位于它的哪个方向上，距离它有多远。1、地物空间关系特征描述•方位关系的描述包括以下内容：距离关系：即一个物体到另一个物体的直线距离。由于空间分布的地物具有三种类型，因此，各种物体之间的距离关系定义也不相同。点状地物之间的距离则是两点间的距离，点状地物到线状地物的距离是该点到该线上某一点的最短直线距离。点状地物到面状地物的最短距离为该点到面状地物边界的最短距离。线状地物到面状地物的最短距离是线上一点到面状地物边界点的最短距离，面状地物到面状地物的距离是两个面状地物边界点的最短距离。方向关系：即一个物体相对于另一个物体的方向。方向关系常用八个方向来描述，每个方向可以用方位角区间来定量表示。1、地物空间关系特征描述•不同地物之间的空间关系不同地物类型之间的距离关系1、地物空间关系特征描述包含关系：一个物体位于另一个物体内部，并且边界不相邻。包含关系具有三种情况：点包含在面状地物内部，线状地物被包含在面状地物内部，一个小的面状物体被另一个大的面状物体所包围。相邻关系：指两个地物在边界上相邻。两个面状物体的相邻关系，存在着两种不同状况：外接邻域，内接邻域。点与面相邻是指点状地物位于面状地物的边界，线状地物与面状地物相邻是指线状地物上一点或多点位于面状地物边界。1、地物空间关系特征描述相交关系：两个地物在一点上交汇，它主要用来描述点状地物与线状地物，线状地物与线状地物的空间关系。它包含两种情况：点状地物位于线状地物的某一点，两条线状地物相交一点或相交多点。相贯关系：一个线状物体通过面状物体的内部，例如穿过林区的道路。2、方位关系的提取计算距离DA、B为空间上两点。确定方位：设地物A、B分布在二维图像空间内，令x轴正向指向东，y轴正向指向北，分别对地物A、B作x与y方向正交投影，可以得到地物A、B在X轴上的坐标和在Y轴向的坐标，比较地物投影在X和Y方向的坐标大小，可以获得地物A相对于地物B的方位关系，或地物B相对于地物A的方位关系。22)()(BABAyyxxD包含关系特征提取与描述提取点状地物与面状地物的包含关系，关键是判明点状地物是否为面状地物所包含，有两种方法可以判断点状地物是否在区域内：1.铅垂线法：设一个多边形F=（p1，p2，p3，…，pn）由有序的n个点P1，P2，P3，…，Pn联接构成其多边形边界。因为区域闭合，有p1=pn,设一个点状地物为p，由p作一条铅垂线，如果铅垂线与多边形相交的边数为偶数，则该点在多边形之外，否则在多边形之内。使用铅垂线法需要注意点状地物与多边形边界相交的异常情况。2.射线法：若点状地物在多边形内部，由该点向任意方向作射线