数字图像处理的基本概念

数字图像也称数字图像，是以二维数组(矩阵)形式表示的图像。该阵列由采样点-像素组成，这些采样点-像素是通过以相等的间隔对连续变化的空间图像进行采样而生成的。采样点的间距取决于图像的分辨率或遵守相关采样定律的采样点(像素)的值。通常是采样间隔内连续变化量的平均值，一般称为亮度值或灰度值。它们的最大和最小间隔代表数字图像的动态范围。数字图像的物理意义取决于采样对象的性质。对于遥感数字影像来说，是对应成像区域内物体电磁辐射强度的二维分布。

在数字图像中，像素是最基本的单位。每个像素的位置可以通过行和列(x，y)坐标来确定；亮度值(z)通常介于0(黑色)到255(白色)之间。因此，任何数字影像都可以用X、Y、z的三维坐标系来表示，例如陆地卫星的MSS影像(图4-8)就可以看作是一个x=2340(行)，y=3240(列)，z=0-255的三维坐标系。TM，HRV等。相同，但行数和列数不同。

图4-8 Landsat MSS数字影像合成原理

数字图像可以来自各种来源:大多数卫星遥感，如MSS、TM、HRV、AVERR等。，地面场景的遥感信息直接记录在数字磁带上，以及相关的接收系统(遥感卫星地面站、气象卫星接收站等。)可以提供相应的计算机兼容数字磁带(CCT)及其录制格式。应用人员只要按照记录格式将CCT数据输入计算机图像处理系统，就可以获得数字图像，进行各种图像处理；对于胶片图像，可通过透射密度计、飞点扫描仪、鼓式扫描仪和照相机扫描仪将图像密度转换成数值，从而形成数字图像；非遥感地质图，如地形图、地质图、航磁图、重力图、地球化学异常图等。，也可以通过数字化仪转换成数字图像。来自同一区域的不同来源的数字图像可以被精确地配准和合成。

与光学图像相比，数字图像具有高量化级别(256级)、低失真、不同图像配准精度高、传输和存储方便等特点，尤其重要的是可以被计算机灵活、可靠、有效地处理，使遥感图像获得更好的解译分析等应用效果。

(2)数字图像处理

数字图像以具有不同亮度值的像素的行和列来组织数据。其最基本的特点是像素的空间坐标和亮度值是离散化的，即只能取有限的、确定的值。因此，离散性和有限性是数字图像最基本的数学特征。所谓数字图像处理，就是根据数字图像的这种数字特征，构造各种数字模型和相应的算法，然后通过计算机进行运算(矩阵变换)处理，从而获得更有利于实际应用的输出图像和相关数据资料。因此，数字图像处理通常也被称为计算机增强处理。

数字图像处理在算法上基本可以分为两种:一种是点处理，即在进行图像变换运算时，只输入图像空间中一个像素点的值，逐点处理，直到处理完所有的点，如对比度增强、比率增强等；另一种是邻域处理，即为了产生一个新像素的输出，需要输入与该像素相邻的几个像素的值。这类算法一般用于空间特征处理，如各种滤波处理。点处理和邻域处理有不同的适应面，所以在设计算法时，需要选择不同的处理对象和处理目标。

遥感数字图像处理，数据量一般很大，一组数字图像(多波段、多时相等。)往往需要同时处理。因此，需要根据遥感图像的光谱特性、空间特性和时间特性，针对不同的对象和要求，构建各种数学模型，设计不同的算法，不仅具有丰富的处理方法，而且已经形成了自己的特色，已经发展成为一门专门的技术。根据处理目的和功能的不同，目前遥感数字图像处理主要包括以下四个方面。

1.图像复原处理:旨在校正或补偿成像过程中的辐射畸变、几何畸变、各种噪声和高频信息的丢失。属于预处理的范畴，一般包括辐射校正、几何校正、数字放大、数字拼接等。

2.图像增强:通过一些数学变换，恢复的数据可以扩大图像之间的灰度差异，从而突出目标信息或改善图像的视觉效果，提高可解释性。主要包括对比度增强、色彩增强、运算增强、滤波增强、变换增强等方法。

3.图像合成处理:将同一地区不同来源的数字图像按照统一的地理坐标进行空间配准和叠加，从而对不同的信息源进行对比或综合分析。也叫多元信息合成，既包括遥感和遥感信息，也包括遥感和非遥感地学信息。

4.图像分类处理:针对多种遥感数据，根据多维光谱空间中像元的特征(亮度值向量)和一定的统计决策标准，由计算机划分和识别不同的光谱聚类类型，实现地质体的自动识别和分类。有监督和非监督分类方法。

遥感数字图像处理的过程与各部分内容的关系如图4-9所示。本节将从遥感地质应用的角度简要介绍几种常用的处理方法，有些方法(如复合处理)将在相关应用章节中讨论。

数字图像处理可以在专用图像处理系统上进行，也可以在通用计算机或微型计算机上进行。处理结果可以打印成数字符号图(图4-10)或在彩色显示器上以彩色显示。既可以输出单波段黑白图像，也可以输出各种运算处理结果的多波段合成或彩色图像(见图版③)；可内部拍摄或扫描到胶片上成像，也可外部拍摄翻拍成像；它不仅可以直接形成结果图并给出各种统计数据，还可以记录在CCT上进行传递。总之，它非常灵活方便，比光学图像处理有更强的适应性，所以应用越来越广泛。

图4-9遥感影像数字处理的基本流程

(3)数字图像处理系统

遥感数字图像处理不仅数据量大，而且数据传输频繁，专业性强。所以一般都是在专门的加工设备上进行。用于数字图像处理的专用计算机设备及其功能软件称为数字图像处理系统，由硬件系统和软件系统两部分组成。

其中，硬件系统根据国内外发展趋势可分为两类:大型专用计算机系统(如目前国内使用的I2S公司的S600系统)和微型计算机图像处理系统。通常，它们都包括以下基本组件(图4-11):

1.主机:执行各种运算、预处理、统计分析和协调各种外围设备运行的控制中心，是最基本的设备。一般是高速大内存的电脑，如VAX-11，VAX-3600等。随着微机的内存越来越大，运算速度越来越快，可以用微机代替，如PC386、PC486和各种工作站。

图4-10银月三滩TM5频段数字符号图

图4-数字图像处理系统基本结构示意图+01

2.磁带机和磁盘驱动器:连接数字磁带(CCT)和主机的数据传输设备，不仅可以输入CCT数据，还可以将中间处理和最终处理的结果传送和记录到CCT；对于微机系统，一般采用软盘进行图像数据传输，但对于数据量较大的卫星CCT，则需要一个带微机接口的磁带机(如F880)。

3.图像处理器:数字图像处理的专用核心设备，不仅承担各种图像处理功能，如图像复原、几何校正、增强、分类等，还作为主机与各种输入输出设备之间的纽带。就前者而言，其实就是各种图像处理软件的硬件。目前国内普遍使用M75图像处理器，即能快速处理和显示512×512或1024×1024的图像；对于微机系统，可以用图像处理板(MVP-AT板)代替。

4.输出设备:用于处理结果的监视和分析(彩色监视器或彩色显示器)以及记录和绘图(包括宽行打印机、彩色喷墨打印机、绘图仪、胶片记录扫描仪等。).

对于一个功能齐全的系统，除了上述之外，通常还包括胶片图像拍摄或扫描数字化仪、图形数字化仪等输入设备。

软件系统是指与硬件系统相匹配的用于图像处理和操作实现的各种软件。一般包括系统软件和应用软件。前者包括操作系统和编译系统，主要用于输入指令和参数，与计算机“对话”；后者是用某种语言编译的应用软件，存储在硬件系统的应用库中。用户可以根据研究任务使用对话模式或菜单模式，发出相应的指令使用这些程序，主机会做运算处理，得到所需的结果。不同的专业往往会设计自己的应用软件系统，因此世界上出现了各种各样的软件系统，如JPL的VICAR系统，LARSYS系统等等。目前，C语言在微机编程中应用广泛，开发了一系列微机图像处理应用软件。