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1、数字图像处理技术发展的现状及发展方向 以其在地球遥感领域的应用为例摘要：随着计算机技术的不断发展，数字图像处理技术的应用领域越来越广泛，现在世界各国都在利用各类卫星所获取的图像进行资源调查、灾害检测、资源勘察、农业规划、城市规划。在气象预报和对太空其它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。本文综述了数字图像处理在地球遥感领域的发展历程及其主要应用手段，介绍数字图像处理的特点、优点，提出其发展过程所存在的一些问题，最后展望了数字图像未来的发展方向。关键词：数字图像处理；发展及现状；地球遥感Digital image processing technology development
2、 status and development direction- its application in remote sensing of the earth as an exampleAbstract: with the continuous development of computer technology, digital image processing technology is used more and more widely, the image now countries in the world to use all kinds of satellite acquir
3、ed resource survey, disaster detection, resource survey, agricultural planning, city planning. In weather forecasting and Research on space to other planets, the digital image processing technology has also played a considerable role. This paper reviews the development course of digital image proces
4、sing in remote sensing of the earth and its main application method, introduced the characteristics, advantages of digital image processing, and puts forward some problems in its development process, and finally prospects the future development direction of digital image.Keywords: digital image proc
5、essing; the development and present situation of remote sensing of the earth1前言数字图像处理是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。图像处理最早出现于20世纪50年代，当时的电子计算机已经发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。正是基于它对图像处理的技术，使得它在地球遥感领域得到广泛应用。许多国家每天派出很多侦察飞机对地球上有兴趣的地区进行大量的空中摄影。对由此得来的照片进行处理分析，以前需要雇用几千人，而现在改用配备有高级计算机的图像处理系统来判读分析，既节省人力，又加快了速度，
6、还可以从照片中提取人工所不能发现的大量有用情报。从60年代末以来，美国及一些国际组织发射了资源遥感卫星（如LANDSAT系列）和天空实验室（如SKYLAB），由于成像条件受飞行器位置、姿态、环境条件等影响，图像质量总不是很高。因此，以如此昂贵的代价进行简单直观的判读来获取图像是不合算的，而必须采用数字图像处理技术。如LANDSAT系列陆地卫星，采用多波段扫描器（MSS），在900km高空对地球每一个地区以18天为一周期进行扫描成像，其图像分辨率大致相当于地面上十几米或100米左右（如1983年发射的LANDSAT-4，分辨率为30m）。这些图像在空中先处理（数字化，编码）成数字信号存入磁带中，
7、在卫星经过地面站上空时，再高速传送下来，然后由处理中心分析判读。这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须采用很多数字图像处理方法。 从70年代中期开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向着更高、更深层次发展。人们已经开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界。很多国家，特别是发达国家投入更多的人力物力到这项研究，取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的视觉计算机理论，这个理论方法成为计算机视觉领域其后多年的指导思想。图像理解虽然在理论方法研究上已经取得不小的进展，但其本身是一个比较
8、难的领域，存在不少困难，人类本身对自己的视觉过程还了解甚少，因此计算机视觉是一个有待人们进一步探索的新领域。正因如此，图像处理理论和技术收到各界的重视，当前图像处理面临的主要任务是研究新的处理方法，构造新的处理系统，开拓更广泛的应用领域。2数字图像处理的特点及优点2.1数字图像处理的特点(1) 目前数字图像处理的信息大多是二维信息，处理信息量很大，因此对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。(2) 数字图像处理占用的频带较宽，与语言信息相比，占用的频带要大几个数量级。所以在成像、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上，技术难度较大，成本也高，这就对频带压缩技术提出了更高的要求。(3) 数字图
9、像中各个像素是不独立的，其相关性大。因此，图像处理中信息压缩的潜力很大。(4) 由于图像是三维景物的二维投影，一幅图像本身不具备复现三维景物的全部几何信息的能力，很显然三维景物背后部分信息在二维图像画面上是反映不出来的。因此，要分析和理解三维景物必须作合适的假定或附加新的测量。在理解三维景物时需要知识导引，这也是人工智能中正在致力解决的知识工程问题。(5) 数字图像处理后的图像一般是给人观察和评价的，因此受人的因素影响较大。由于人的视觉系统很复杂，受环境条件、视觉性能、人的情绪爱好以及知识状况影响很大，作为图像质量的评价还有待进一步深入的研究。另一方面，计算机视觉是模仿人的视觉，人的感知机理必
10、然影响着计算机视觉的研究，这些都是心理学和神经心理学正在着力研究的课题。2.2数字图像处理的优点2.2.1再现性好 数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的再现。2.2.2处理精度高 按目前的技术，几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组，这主要取决于图像数字化设备的能力。现代扫描仪可以把每个像素的灰度等级量化为16位甚至更高，这意味着图像的数字化精度可以达到满足任一应用需求。对计算机而言，不论数组大小，也不论每个像素的位数多少，其处理程序几乎是一样
11、的。换言之，从原理上讲不论图像的精度有多高，处理总是能实现的，只要在处理时改变程序中的数组参数就可以了。回想一下图像的模拟处理，为了要把处理精度提高一个数量级，就要大幅度地改进处理装置，这在经济上是极不合算的。2.2.3适用面宽 图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像（例如X射线图像、 射线图像、超声波图像或红外图像等）。从图像反映的客观实体尺度看，可以小到电子显微镜图像，大到航空照片、遥感图像甚至天文望远镜图像。这些来自不同信息源的图像只要被变换为数字编码形式后，均是用二维数组表示的灰度图像（彩色图像也是由灰度图像组合成的，例如RGB图像由红、绿、蓝三个灰度图
12、像组合而成）组合而成，因而均可用计算机来处理。即只要针对不同的图像信息源，采取相应的图像信息采集措施，图像的数字处理方法适用于任何一种图像。2.2.4灵活性高 图像处理大体上可分为图像的像质改善、图像分析和图像重建三大部分，每一部分均包含丰富的内容。由于图像的光学处理从原理上讲只能进行线性运算，这极大地限制了光学图像处理能实现的目标。而数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实现非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。3地球遥感领域中常用数字图像处理手段和技术3.1光增强处理数字图像处理的光增强处理具有精度高，反应目标地物更加真实，图像目视效果等优点，是
13、图像处理的重要方法之一。光增强处理又包含相关掩膜处理（见下面的图示1、2）、改变对比度、显示动态变化和边缘突出四种方法。对于遥感黑白影像可以采用假彩色编码处理，使单波段影响彩色化，实现图像增强效果。 图1处理之前 掩膜处理后的结果 图2 3.2数字校正处理 （1）辐射畸变处理：地物的辐射经过大气层时，与大气层发生散射作用和吸收作用。吸收作用直接降低地物的辐射能量，引起辐射畸变。散射作用除了会降低地物的辐射能量外，大气散射的部分辐射还会进入传感器，直接叠加在目标地物的辐射能量之中，成为地物辐射的噪声，降低了图像的质量。对于这种辐射畸变，可采取直方图最小除去法和回归分析法。如下图3为未处理前不清晰
14、的遥感图像，图4为处理后较为清晰的遥感图像： 图3 图4（2）几何畸变处理：遥感图像的几何位置上发生变化，产生诸如行列不均与，像元大小与地面大小对应不准确，地物形状不规则变化等变化叫做几何畸变。校正方法有：几何系统校正：地面接收站在提供给用户资料前，针对几何畸变的原因，根据卫星姿态、传感器性能指标、扫描特征等参数，按常规处理方案，对图像几何变形进行校正。几何非系统校正：利用地面控制点改正图像的几何形变，产生一副符合某种地图投影或图件表达要求的新图像。3.3图像增强处理（1）图像直方图：直观的了解图像的亮度值分布范围、峰值的位置、均值以及亮度值分布的离散程度。直方图的曲线可以反映图像的质量差异。
15、（2）对比度变换：通过改善图像象元的亮度值来改变图像象元的对比度，从而改善图像质量的处理方法。（3）空间滤波：根据需要，舍弃不需要的频率曲线，选择适宜和需要的频率波形曲线，重新构造图像，使一些地物或现象得到突出显示。（4）彩色变换：把数字图像组合转换成彩色图像，或者把各种增强或分类图像进行组合叠加，以彩色图像显示出来。（5）图像运算：两幅或多幅单波段影像，完成空间配准后，通过一系列运算，可以实现图像增强，达到提取某些信息或去掉不需要信息的目的。（6）多光谱变换：针对多光谱影像存在的一定程度的相关性以及数据冗余现象，通过函数变换，达到保留主要信息，降低数据量，增强或提取某些有用信息的目的。4数字
16、图像处理发展中存在的问题经过近90年的发展,特别是第3代数字计算机问世后,数字图像处理技术出现了空前的发展,但存在一定的问题,具体体现在以下5 个方面: (1)在提高精度的同时着重解决处理速度的问题,巨大的信息量和数据量和处理速度仍然是一对主要矛盾(2)加强软件的研究和开发新的处理方法,重点是移植其他学科的技术和研究成果(3) 边缘学科的研究(如人的视觉特性、心理学特性的研究的突破) 促进图像处理技术的发展(4)理论研究已逐步形成图像处理科学自身的理论体系(5) 建立图像信息库和标准子程序,统一存放格式和检索5数字图像处理未来发展方向及其在地球遥感中的发展方向5.1数字图像处理的发展方向 数字
17、图像处理技术的未来发展大致可归纳为：图像处理随着高清晰度电视的出现，将开展实时图像处理的理论及技术的研究，向高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化发展；图像与图形相结合，将朝着三维成像或多维成像的方向发展；硬件芯片方面，会将图像处理的众多功能固化在一个芯片上；在新理论与新算法方面的研究也会有进一步的进展。在图像处理领域，近几年来引入了一些新的理论并提出了一些新的算法如小波分析、分析几何、形态学、遗传算法和人工神经网络等。5.2数字图像处理在地球遥感方面未来的发展现在世界各国都在利用陆地卫星所获取的图像进行资源调查（如森林调查、海洋泥沙和渔业调查、水资源调查等），灾害检测（如病虫害检测
18、、水火检测、环境污染检测等），资源勘察（如石油勘查、矿产量探测、大型工程地理位置勘探分析等），农业规划（如土壤营养、水份和农作物生长、产量的估算等），城市规划（如地质结构、水源及环境分析等）。我国也陆续开展了以上诸方面的一些实际应用，并获得了良好的效果。在气象预报和对太空其它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。总体上说，遥感技术的应用已经相当广泛，应用深度也不断加强。目前，在地学科学、农业、林业、城市规划、土地利用、环境监测、考古、野生动物保护、环境评价、牧场管理等各个领域均有不同程度的应用，遥感技术也已成为实现数字地球战略思想的关键技术之一。地球科学中的矿产勘查，地质填图等是
19、较早应用遥感技术的领域，随着遥感技术的发展，其应用潜力还可以不断地挖掘。在精细农业、环境评价、数字城市等新领域，遥感技术的应用潜力巨大。此外，GIS技术，虚拟现实技术、GPS技术、数据库技术等的快速发展也无疑为遥感技术的更广、更深的应用提供了技术支持。80年代末国外一些遥感部门开展了一系列应用研究工作，取得了很好效果。近年来面阵CCD器件生产工艺的进步和分辨率的提高使CCD数字相机应用进一步发展，美国林业局以及遥感研究中心在农林资源管理方面已取得实用成果。我国通过“八五”攻关研制成功了航空CCD数字相机，从而推动丁其应用研究，并取得了初步效益，随着应用的扩展和相应处理技术的完善，航空CCD数字
20、图像的应用前景将更广阔，虽然目前还不能替代航空光学摄影，但是CCD数字相机的应用使航空遥感进入了一个新的阶段 21世纪的航空遥感将是数字遥感的新世纪。6结束语 随着科学技术的发展，数字图像处理显得越来越重要。数字图像处理技术正在向处理算法更优化、处理速度更快、处理后的图像清晰度更高的方向发展。实现图像的智能生成、处理、识别和理解是数字图像处理的最终目标。小至个人的生活、工作，大到宇宙探测和遥感技术的应用，数字图像处理技术是其他任何技术都无法替代的。它将独立占有一席天地，所以我们任重而道远，努力研究这门技术，让它发挥得淋漓尽致。参考文献：【1】 李红俊，韩冀皖.数字图像处理技术及其应用.计算机测
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