
作者简介:戴昌达(19322),男,中国科学院中国遥感卫星地面站研究员。1960年前苏联科学院土壤研究所土壤航测研究生毕业,长期
从事地学遥感图像等应用研究和资源环境遥感与图像处理分析。已发表数十篇研究论文,出版了多部专著。
论发展遥感图像应用智能处理技术
戴昌达 姜小光 唐伶俐
(中国科学院中国遥感卫星地面站,北京100086)
摘 要 任何对地观测系统获得的原始图像数据实质上都是地球表面电磁波谱特征的综合反映。经地面站系统处理得到的常规图像产品仍存在大气、地形等多种随机因素导致的几何畸变与辐射失真,并且多种地物目标信息混杂,甚至相互迭掩,彼此抑制。所以,严格地说,这些图像只是一种信息源,属“数据”范畴,必须对其进行再处理才能得到适应不同专业需要的优质图像和有用信息。至今,从事遥感图像处理的科技人员大多出身于电子、计算机等专业,故对于不同地理景观、不同季节、不同传感器所获得的图像数据(一串灰度数码),往往很难体会到其中包含着的极为丰富而复杂的生物、地学内容。一个能出色完成一般图像处理任务的杰出图像处理专家,不一定能胜任各种不同应用目的所要求的图像处理任务。常常使得海量遥感数据难以得到有效的利用。据此,笔者认为应把遥感图像处理分解为系统处理与应用处理两大类,它们是既相互衔接又彼此有别的技术分支。前者只从图像总体要求出发,着眼于改善、提高图像整体质量;后者则必须密切关注具体的应用目的与对象,形成融入了地学分析思路、并精确反映遥感成像机理的图像应用处理技术。文中给出了发展遥感图像应用处理技术的流程框图,列举了森林火灾、虫灾监测,洪涝灾情快速反应,城市扩展,低产土壤清查,土地利用动态监测等多项任务中的成功实践。
关键词 对地观测系统,遥感,图像系统处理,图像应用处理中图分类号 T P 75
1 引言
遥感系统获得的原始图像数据实质上是地表特征电磁波谱的综合反映,经地面站系统处理得出的常规图像产品存在不少随机因素导致的几何畸变与辐射失真,而且多种信息混杂在一起,甚至相互迭掩,彼此抑制,所以从严格的意义上说,这些图像产品只是一种信息源或称信息载体,属“数据(D ata )”范畴,必须经过系统处理与应用处理以真正实现遥感综合分析应用的新水平。
笔者积多年实践心得与思考,深感至今国内外有关遥感图像处理教材和经典著作都把上述“系统处理”与“应用处理”两个既相互联系、衔接,又彼此有异的过程,统统归属于“图像处理”一个技术框架内,严重束缚了遥感图像应用处理技术的快速发展与提高,使得海量遥感数据不能及时得到有效应用,遥感数据爆炸局面日趋严重。20世纪80年代末,中科院遥感协作组召开的遥感发展战略
研讨会上,作者提出应把“遥感图像处理”分解为
“系统处理”和“应用处理”两个技术分支,并应特别重视加强应用处理技术研究的意见[1]。我们注意到近年来“遥感图像应用处理”或称“面向目标的遥感图像处理”术语,在国内外遥感文献中陆续有所出现[2]。但是从方角度进行较深入探讨的文章尚不多见。遥感应用的发展速度仍远远落后于遥感技术的发展速度,遥感数据爆炸的局面似有愈演愈烈的趋势,觉得很有必要再次呼吁并与同行们进一步商榷如何促进遥感图像应用处理技术体系的早日形成,使日益增长的海量遥感数据充分发挥作用,及时转化为先进生产力,为中华腾飞和人类社会进步做出实际贡献。
2 遥感系统处理和图像应用处理及其
特色功能
地球表层是一个多元要素共存的开放式复杂系
第4期
2003年12月
地 球 信 息 科 学GEO 2I N FORM A T I ON SC IEN CE
N o 14
D ec 1,2003
211 遥感系统处理的目的与内容
(1)对地面站接收系统接收到的遥感信号进行记录和处理,回放出原始遥感图像,对图像中存在的畸变及失真现象,根据成像机理与相应的构像方程、传输方程等数学模型进行补偿和校正。
(2)根据人眼的视觉原理与观察事物的特点对遥感图像进行各种变换和增强,以改善和提高遥感图像中反映地物目标特性的视觉效果与可识别性。
(3)对原始遥感图像所反映的地物目标波谱特性进行反演、统计和分析解译,提取出地物目标类别属性及其空间分布等有用信息。
为了实现上述遥感图像处理目的,有的只从图像总体要求出发,着眼于改善、提高图像整体质量,形成能提供给多用户的常规(或称基础)遥感图像产品即可。有些图像处理工作则必须密切关注具体的应用目的与对象,采取相应的分析处理措施才能帮助遥感应用者真正实现从遥感数据中获得有用信息。显然,前者只需掌握遥感成像机理和计算机数字图像处理与信号处理等理论与技术即可开展工作,而后者则必须有深厚的地学知识,特别是有关该应用专业知识的投入,才能奏效。
由于历史的原因,目前从事遥感图像处理研究和开发的科技人员大多出身于电子、计算机、物理、数学等理工科专业,一般来说他们对遥感技术系统以及如何获取、接收、记录、处理图像数据很熟悉,很内行,但是他们对各个应用专业的具体要求以及如何体现这些要求有其局限性。对于不同地理景观区、不同季节、不同传感器获得的遥感图像数据(灰度数码),往往难以体会到其中包含着极为丰富又复杂的生物、地学等内容。他们根据成像原理和数理统计、模式识别等原理而未顾及实际存在的地学规律与地学概念,开发出来的许多图像处理方法,用在一般图像处理中可能效果很不错,但如果直接用到遥感图像的应用处理中,则往往因为应用目的不同、地区不同、成像时间不同等原因而效果差异很大,有的根本不能满足具体要求。因此一个能够出色完成一般图像处理,包括遥感成像处理与系统处理任务的杰出图像处理专家,却不一定能够胜任各种不同应用目的所要求的图像处理任务。
另一方面,不少想应用遥感图像来获取有关专业信息与知识的专业人员,他们对遥感技术特别是对数字遥感图像计算机处理的理论与技术了解不深,甚至把它看作是一个高深莫测的黑匣子,感到似乎无从下手。
笔者有机会与分布在各行各业的广大遥感用户接触,日益感受到他们不满足于地面站系统处理生成的常规遥感图像产品,期望能针对他们的应用目的和要求,开展图像应用处理。
212 图像应用处理及其特色功能
发展遥感图像应用处理技术的目标是在前述系统处理的图像基础上,根据应用目的与地区特点等做进一步的分析处理,以便于应用者从综合反映地物目标景观全貌的信息源中提取出有用信息,并促进其转化为更有价值的知识。排除或抑制那些起干扰作用的信息。所以,处理中必须面向对象,投入有关地学知识,有针对性地选择方法开展图像处理:
(1)从图像数值分析入手,并与室内或野外测定研究地物波谱特性所掌握的知识相结合,且分析不同地物目标类别间的波谱差异性与类内个体间可能存在的波谱离散性。
(2)探索如何扩大拟识别的地物目标类别之间的波谱差异性,并充分加以利用。同时考虑有效措施来回避或抑制起干扰作用的类内个体间的波谱离散性。
(3)深入分析遥感系统记录的波谱信号与所需要提取的专业信息之间的相关性,找出实现把前者转化为后者的有效技术途径与遥感图像处理的具体有效方法。
(4)从具体的应用目的出发,综合而灵活地应用现有各种图像处理分析方法,取其精华,加以改造,集成或整合,形成新的适合某种应用需要的图像应用处理和分析的模型方法。
可见更有效地运用遥感手段研究地球表层系统,揭示地理区域分异特征和区域发展演化过程,进行定量动态监测与分析等目的,需要更自觉而明确
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地在地学规律的指导下,结合具体的遥感成像机理,灵活地运用数理统计和模式识别理论,积极地引进新的基于人工智能的统计分析模型,形成反映遥感成像机理的图像应用处理与信息分析提取方法。
因此,对于理工专业出身的遥感图像处理专家与地学(这里指广义的地球科学)出身从事遥感应用的各行业专家之间存在的知识间隙,应采取切实措施促使精通遥感成像机理与数字图像计算机处理理论技术的专家,与具备较扎实的地学概念和丰富应用专业知识的专家密切合作,相互渗透,共同研究开发遥感图像应用处理的新理论、新方法,才能在遥感信息应用中取得新的突破,并在合作过程中逐步培养出同时具有以上两方面知识,真正称得上是遥感图像应用处理的专家。否则单纯依靠上述某一方面的科技人员与专家来发展遥感图像应用处理都将难于短期奏效,需花很大代价才能获有限效益。依据这种思想,我们逐步建立了遥感图像应用处理的技术流程框架(图1),并结合多项应用任务,开展试验研究与探索,均取得了较好的结果,加强了我们对发展遥感图像应用处理技术重要性与可能性的认识与信心,也摸索到一些行之有效的具体方法与技术途径,为进一步发展遥感图像应用处理,形成较完整的技术体系,促进遥感走向大规模实用化、产业化打下一定基础。现概要介绍几项试验研究实
例。
3 遥感图像应用处理的实例分析
(1)20世纪80年代初,开展黄淮海平原综合治
理与开发规划“六五”科技攻关时,使用当时惟一能获得的M SS 图像清查全平原几大类低产土壤分布与面积,在常规合成的假彩色M SS 图像上,盐碱土与沙土两大类低产土壤的影像大多呈灰白色,形状也都是斑块状或不规则的条带状分布,两者经常混淆,目视解译不易区分,于是我们先选择典型地区,对M SS 数字图像进行数值分析,深入剖析盐碱土、砂土和砂姜黑土三大类当地主要低产土壤以及具有定位意义的水体、居民点等地物的波谱反射特性,掌握这些待识别地物在M SS 各个波段的灰度均值及其变幅范围,找出最有利于识别这些地物的波段,一方面用于优化图像合成方案,指导图像增强处理与目视解译,另一方面为改进自动识别分类方法提供依据。在此基础上发展了分层分类等方法,比较顺利地解决了盐碱土与风沙土、盐碱荒地与部分砂质裸耕地容易错分误判的难题,为快速查清低产土壤面积与分布、指导全平原制订综合开发治理规划提供了重要依据
。
图1 遥感图像应用处理技术流程框图
F ig 11 F low chart of remo te sensing i m age app lied p rocessing
(2)河北省南皮县开展土地利用变化的遥感监
测时,通过对多时相TM 图像的数值分析,发现无论是土地利用类型的变化,如耕地转变为工矿企业、交通和住宅用地,或种植类型的变化,如麦地改种棉花、花生等春播作物或改种多年生牧草,都会导致TM 各波段的亮度值随之发生不同程度的变化,特别是各波段亮度值之和构成的亮度指数同4与3波段之比构成的植被指数的变化很明显。但是影响
亮度指数和植被指数变化的因素很多、很复杂,仅仅简单地分析对比两个不同时相图像的亮度指数和植被指数,包括用两个图像相关波段的数值相减等方法,是难以准确全面地反映变化类型,分不清哪些是需要监测的变化,哪些是我们不感兴趣的变化。对此,我们首先吸取能有助于消除土壤背景干扰的垂直植被指数概念,建立亮度指数—垂直植被指数两维平面,进而计算在此两维平面上两个不同时相
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97・4期 戴昌达等:论发展遥感图像应用智能处理技术
(3)1983年笔者应邀赴荷兰进行学术交流期间,受W agen ingen遥感应用协作组委托配合国家受诉的一项经济纠纷案,探索应用遥感手段论证土壤条件是否恶化的可能性。该案起因是Gron ingen省自来水厂在Zu iddaren附近修建了一座大型抽水站。农民控告:附近农田质量恶化,农机具损坏严重,且易受旱减产,要求厂方赔偿损失。此案件发生后,按常规方法,做了不少模拟试验,但厂方坚持要有当地土壤变坏的确凿证据,才能考虑赔偿。该地区土壤主要为泥炭土和灰化土。另有一年前遥感试验拍摄的1∶215万假彩色红外航空像片(简称彩红外片)和机载热红外扫描仪在同日中午获取的地面热辐射数据。以及数套黑白全色航片,其中一套摄于1971年抽水站建立前夕,此外尚有一份质量颇佳的1∶5万土壤图和1∶215万航测地形图。热红外扫描仪获取的地面热辐射数据换算成亮度温度,再按5度温差进行分割和彩色编码,得出1∶215万热红外图像,土壤图放大成1∶215万。这样所有图件和图像比例尺一致,便于套合对比分析。彩红外片空间分辨率很高,反映土地覆盖,特别是植被十分敏锐,同一种利用状况的田块,在彩红外片上往往呈同一种基色的影像,通过目视判译,并经地面校核,可绘制出精确反映到田块的土地利用与作物类别图。热红外图像虽然也受到利用现状的影响,但反映的土壤信息远远超过彩红外片。同一种利用状况的田块在热图像上很可能显示为不同的几种颜色,且颜色的分界线一般就是土壤图斑的界线。只在土壤条件一致的地段,其热图像才保持着鲜明的田块影像,例如,含泥炭层的泥炭土一般多呈冷色(深蓝~蓝色);灰化土多为暖色(黄~橙红)。这在远离抽水站的地区这种差异性更加突出,意味着那里泥炭土的泥炭层饱含水分,提高了表土的含水量和热容量,使土壤增温慢。灰化土不含泥炭层,土壤含水量较低,热容量较小,增温较快。两种土壤自然属性的差异在热图像上得到了鲜明的反映。然而分析抽水站附近的热图像发现这种随土壤类型而异的变幅相对缩小。
综合分析对比所有图像和图件资料,可以肯定,该抽水站常年大量抽取深层地下水后,抽水站附近(在没有大的河道阻隔情况下影响范围达8km)的地下水位下降,泥炭土中原为水分饱和的泥炭层逐渐脱水,泥炭层厚度压缩,从而使上面覆盖的土壤随之下沉。不含泥炭层的灰化土,虽因地下水位下降而可能同样降低表土含水量,但不会发生泥炭土那样明显的土层压缩下沉现象。灰化土本来处于微高地,泥炭土处于微低地,垦殖后经多次土地平整,地面高差逐渐拉平。现泥炭土下沉,灰化土相对抬升,必然恢复甚至加剧地面起伏程度,导致农机具容易损坏,久晴不雨时作物易受旱减产。由此可见农民控告事出有因,应予赔偿。为这场诉讼案的公正判决提供了有说服力的依据。
(4)1987年大兴安岭发生特大森林火灾,虽然气象卫星NOAA图像在发现火场、监测火势发展变化方面收到了很好的效果,但是它的空间分辨率太低,难于确切确定火场位置,也不能提供地面通行状况和水源等部署扑火救灾措施急需的信息。当时我国遥感卫星地面站已正常运行作业,除接收白天卫星下行发送的7个波段的TM数据外,还可申请夜间卫星上行时的热红外通道(即TM6波段)数据。开始受传统知识的束缚,遥感监测林火似乎只能使用处于两个大气窗口的热红外遥感数据,如NOAA的3、4、5波段和TM的6波段,于是忙于
。可以想见,在夜晚的TM热图像上,火势的蔓延状况会比NOAA 图像看得稍清楚些,但仍然难于精确定位,也同样得不到有关地面背景的信息。而白天接收处理出的TM6波段热图像,因受阳光照射的干扰,根本显示不出明晰的火焰影像,无多大应用价值。与此同时我们对白天接收到的TM图像及时进行数值分析,很快查明TM第7
火火焰的辐射峰值附近,其亮度值都很高,甚至达到饱和,形成与周边未着火或火已熄灭区的鲜明反差;第3或2波段对伴随着火焰的烟雾十分敏锐(TM1波段反映烟雾更为敏锐,但该波段数据受大气散射影响过大),而4波段则处于绿色植被的强反射区,即近红外的陡坡效应区,在以TM7,4,3 (或2)波段分别赋红,绿,蓝色合成的TM彩色图像上,尚在燃烧的火头呈红色线条,过火迹地显示为不同深度的暗褐色废墟,未烧林地看起来似绿色海洋,水体基本上呈较均匀的暗蓝色,烟雾则似淡蓝色的雾状飘带随风向从火头上空飘散出去。这种
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・地 球 信 息 科 学2003年清晰反映地面状况的近天然色图像,不仅方便了对火头与火场的精确定位,而且有助于部署防火救灾措施,也有利于估算灾情损失,制订恢复重建规划,使TM图像在林火监测与灾情分析以及减灾救灾和灾后恢复重建活动中发挥多方面的作用。
这套监测森林火灾的TM图像合成方案对此后的藏东、川西、内蒙、山西等地火灾检测,经受住了正反两方面的考量。如采用TM7,4,3(或2, 1)波段分别赋红、绿、蓝色并经适当拉伸增强处理的合成图像,均能准确地识别出还在燃烧的火焰与烟雾、火烧迹地和未受灾的林地。例如1987年冬藏东喜马拉雅山南坡发生林火,当时图像处理人员对林火必伴随有烟雾,而探测烟雾最敏锐的波段是可见光波段的理解不深。他们以7、5、43个红外波段进行彩色合成,并对7波段做了过度的拉伸,以致于出现一些红色影像时就误认为是林火区。其实只要调整一下合成波段,把响应可见光的3或2波段用上,就可查明林火区根本不在该景图像范围内,因为在该景图像上没有伴随火焰的必不可少的烟雾景象,也看不到刚燃烧过的迹地影像。
1995年夏川、藏、青交界区发生林火,当地山高谷深,人迹罕至。我国以NOAA图像为基础建立的林火遥感监测系统在林火发生后未能迅速搜索到火场。几个省区有关单位上报的情况又彼此不一致,相差甚远。有关领导的焦急心情惊动了友好邻国的遥感卫星地面站,他们快速处理出所谓林火区TM 影像图,及时送给我国国家遥感中心,并把图像刊印在该站“N ew s and L etter”刊物封面。显然这几张色彩鲜艳、层次丰富、质量上乘的图像出自图像处理专家之手,而不是图像应用处理专家之手。首先他们没有选对探测林火最敏感的第7波段;其次缺乏林火常识,森林着火后,火头向周边扩延必呈不规则的线状推进,并伴有随风向扩散的烟雾影像,看不到烟雾的红色斑块状影像决不可能是还在燃烧的林火区(A ctive F ire)的反映。
卫星遥感探测森林病虫害,曾在美、加拿大等国被列为风险研究项目,因为联合国曾邀请一位专家写过一份技术报告[5],该专家肯定了航空遥感在森林病虫害监测中的应用价值,但认为卫星遥感的空间分辨率不够,还有波谱响应范围不够合适,效果不好。我们接受承担“七五”科技攻关任务的兄弟单位委托之后,首先从灾前灾中和灾后基本恢复的3景TM图像数值分析入手,纵向横向两方面对比断定1988年春安徽孤山林场部分林区松毛虫害大爆发在TM数据图像上确有反映。但由于TM图像反映地面景象的综合性和概括性,按一般常规增强合成的图像,无法确认受害林区和灾害程度,松毛虫害信息被淹没在复杂的地面背景信息中,因此有针对性地采取了一系列排除干扰信息,增强突出虫害信息的图像处理措施,最终通过图像处理系统自动提取,区分出重害、轻害与无害三类林地的分布与面积。经专家实地检查验收及该场领导与技术员审核,一致认为结果可信,卫星遥感完全能满足松毛虫害监测与防治的生产作业要求。
20世纪90年代,我国遥感卫星地面站发展了接收处理星载SA R数据的能力,特别是1998年初接收和处理雷达图像投入业务运行后,代替机载SA R系统成为快速反应当年长江、松花江、嫩江特大洪涝灾情的主力。不过无论是星载SA R或机载SA R,原有水面雷达盲区和新淹没区的影像都呈暗黑色,彼此无法区分。此外,从SA R图像上也难于提取灾情程度信息,不便于进行灾情评估。我们分析了SA R与TM成像方式及信息特征的异同,认为两者在监测评估洪涝灾情方面有互补性。于是开展了汛中SA R与汛前TM的融合处理,在处理出的融合图像上,新淹没的积水区,地表没有明水但土壤为水分饱和的滞水区,原有的清、浊水体,未受灾的植被正常生长区及城镇居民点等地物目标均以不同的颜色显示出来,成为一幅内容丰富直观的洪涝灾情影像图,受到抗洪抢险救灾指挥部门的高度评价。
此外,我们深入地分析了从TM图像提取出的信息量和当前我国城市遥感最迫切需要解决的实际问题,对城市面积扩展、交通干道网络延伸、绿地消长、水面与水质变化、热岛效应等表征城市环境基本要素的试验研究,开发出一套相适应的TM图像应用处理与快速成图的技术方法,并应用TM图像,开展了全国大中城市扩展和侵占耕地调查以及对生态环境影响的监测分析,取得了理想的结果。
4 结语
上述列举的一些实例,可以说都是笔者及同事们在发展遥感图像应用处理与分析技术的思想指导下,探索实践初步获得的成果。我们清楚地意识到,遥感应用涉及的面很宽、很复杂,从理论上和具体方法上建立起较完整的遥感图像应用处理技术体
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4期 戴昌达等:论发展遥感图像应用智能处理技术
系,有待于大量积累,需深入研究和解决的问题还很多,任重道远。但千里之行始于足下,我们期望有更多的同行们共同努力,加快遥感图像应用处理技术发展速度,大幅度拓展遥感应用领域,提高遥感应用水平。参考文献
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On the I n tell igen t Processi ng Techn iques of Rem ote Sen si ng Appl ica tion
DA I Changda J I AN G X iaoguang TAN G L ingli
(Ch ina R e m ote S ensing S atellite G round S tation ,CA S ,B eij ing 100086,Ch ina )
Abstract R aw i m ages ob tained by w hatever earth ob servati on system s are the com p rehen sive reflecti on of m agnetic spectrum characteristics of su rface ob jects 1T he p ri m ary i m ages p roduced th rough system atic p rocessing in rem o te sen sing ground stati on still con tain vari ou s erro rs in geom etry and radiati on becau se of the influence of atm o sp heric and topograph ic conditi on s 1A nd the info r m ati on from vari ou s ob jects m ixes together and influences each o ther 1T herefo re ,w hat the p ri m ary i m age p rovides is on ly data in stead of info r m ati on 1T h is data m u st be rep rocessed to get h igh quality i m age and u sefu l info r m ati on su itab le to differen t sp ecial app licati on s 1How ever ,the sp ecialties of m o st researchers w ho are engaged in rem o te sen sing i m age p rocessing are com p u ter ,electron ics etc 1T hey have no t enough know ledge in app licati on fields and can ’t understand w ell the rich and valuab le info r m ati on w h ich the rem o te sen sing data of differen t sen so rs and differen t dates con tain s 1A pparen tly ,even an excellen t expert on i m age p rocessing can ’t com p lete p rocessing task s effectively to m eet the dem ands of vari ou s app licati on s 1T hu s ,up to now ,the huge and valuab le rem o te sen sing data haven ’t been u sed fu lly and effectively 1W e th ink that the rem o te sen sing i m age p rocessing shou ld be divided in to tw o p arts ,system atic p rocessing and app licati on p rocessing 1T hey are tw o parts of rem o te sen sing p rocessing ,being bo th clo sely related and differing from each o ther 1T he p u rpo se of system atic p rocessing is to i m p rove the quality of i m age on the w ho le 1W h ile that of app licati on p rocessing is ,acco rding to concrete app licati on pu rpo se and task ,to carry ou t the com p rehen sive and ob ject 2o rien ted p rocessing so as to analyze and ex tract them atic info r m ati on accu rately and effectively 1
T h is pap er discu ssed the general m ethod and p rocedu re of rem o te sen sing i m age app licati on p rocessing ,and show ed som e successfu l exam p les of u sing it in fo rest fire detecting ,rap id respon se of flood ,city exp an si on investigati on ,so il resou rce su rvey and m anagem en t ,and dynam ic m on ito ring of landu se 1
Keywords Earth ob servati on system ,R em o te sen sing ,System atic i m age p rocessing ,I m age app licati on p rocessing
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