內容簡介
《無人機載SAR圖像信息提取技術》從技術角度,詳細介紹瞭當前無人機載SAR圖像信息提取技術原理以及方法實現策略、算法設計思想以及試驗驗證過程,重點闡述瞭SAR圖像特徵、無人機載SAR圖像噪聲抑製、無人機載SAR圖像配準、無人機載SAR立體圖像提取與立體定位、無人機載SAR正射影像提取與單片定位、無人機載SAR圖像分類的原理與技術,並從實踐的角度齣發,闡述瞭無人機載SAR圖像信息提取係統的設計與開發方法。《無人機載SAR圖像信息提取技術》是作者多年從事無人機任務載荷與圖像處理技術工作的研究成果。
《無人機載SAR圖像信息提取技術》可作為高等學校相關專業的研究生和高年級的本科生教材和教學參考書,也適閤無人機和遙感領域的廣大科技工作者、工程技術人員參考和使用。
作者簡介
段連飛,1977年齣生,吉林省榆樹市人,博士、碩士生導師、副研究員,地理空間信息工程國傢測繪地理信息局重點實驗室客座研究人員,國傢發改委智能交通國傢地方聯閤工程研究中心副主任,城市交通管理集成與優化技術公安部重點實驗室大數據研究室常務副主任,曆任教師、教研室副主任、主任等職.原南京軍區高層次人纔帶教導師,中國兵工學會光電子分會委員,中國空間科學學會會員,中國航空學會會員,軍隊專業技術人纔二類、三類崗位津貼獲得者。長期從事無人機圖像處理、目標定位、攝影測量與遙感等領域的教學和科研工作。主持與參加完成瞭包括“無人機信息處理係統”“無人機航空像片全數字定位儀”“無人機載SAR圖像定位係統”“國傢西部1:5萬地形圖空白區測圖工程(機載閤成孔徑雷達影像測圖課題)”在內的20餘項國傢、軍隊級重點項目的研究;獲軍隊科技進步二等奬4項、三等奬8項;獲授權的國傢專利16項、軟件著作權8項;參與編寫專著教材12部,並擔任主編或副主編;在國內外學術刊物以及學術會議上發錶論文50餘篇。
黃國滿,1966年齣生,博士、研究員、博士生導師,現任中國測繪科學研究院地理空間信息工程國傢測繪地理信息局重點實驗室常務副主任,國際數字地球學會中委會委員、中國名詞委委員、《遙感信息》編委。長期從事SAR遙感應用技術及相關領域的研究。主持與參加完成瞭國傢重大測繪科級專項“機載多波段多極化乾涉SAR測圖係統”、國傢863重點項目“麵嚮對象的高可信SAR處理係統”、測繪行業公益性專項“微小型全極化SAR測圖係統及其應急監測應用”等30餘項國傢和省部級項目,發錶論文80餘篇,申請發明專利10餘項,閤作齣版專著3部,獲得國傢科技進步一等奬和二等奬各1項,測繪科技進步特等奬1項,省部級科技進步一等奬3項,軍隊科技進步奬2項。2013年享受國務院政府特殊津貼,2014年入選“百韆萬人纔工程”國傢人選、國傢“有突齣貢獻中青年專傢”。
內頁插圖
目錄
第1章 緒論
1.1 無人機載SAR的發展曆史與現狀
1.2 無人機載SAR成像原理
1.3 無人機載SAR圖像信息提取的關鍵技術
1.4 無人機載SAR圖像信息提取技術研究進展
1.5 本書內容安排
第2章 SAR圖像特徵
2.1 SAR圖像色調特徵
2.2 SAR圖像幾何特徵
2.3 SAR圖像的幾何變形分析
第3章 無人機載SAR圖像噪聲抑製
3.1 SAR圖像噪聲的數學模型
3.2 基於統計模型的SAR圖像噪聲抑製
3.3 保持邊緣的噪聲抑製方法
3.4 試驗與結果分析
3.5 本章小結
第4章 無人機載SAR圖像配準
4.1 圖像配準
4.2 特徵提取
4.3 基於點特徵和綫特徵的配準
4.4 本章小結
第5章 無人機載SAR立體圖像提取與立體定位
5.1 SAR立體圖像提取
5.2 SAR圖像立體定位
5.3 立體定位精度分析
5.4 試驗與分析
5.5 本章小結
第6章 無人機載SAR正射影像提取與單片定位
6.1 SAR正射影像提取原理
6.2 單片定位
6.3 試驗與分析
6.4 本章小結
第7章 無人機載SAR圖像分類
7.1 分類方法概述
7.2 紋理分析
7.3 兩種非監督分類方法
7.4 基於BP神經網絡的機載SAR圖像分類
7.5 本章小結
第8章 無人機載SAR圖像信息提取係統設計與實現
8.1 概述
8.2 無人機載SAR圖像預處理子係統
8.3 無人機載SAR圖像配準子係統
8.4 無人機載SAR圖像立體判讀與定位子係統
8.5 無人機載SAR圖像正射糾正子係統
8.6 無人機載SAR圖像分類子係統
參考文獻
前言/序言
無人駕駛飛機是指無駕駛員或“駕駛”(控製)員在機內的飛機,簡稱無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)。無人機以其機動性能好、成本低等突齣優點廣泛應用在航空攝影、地圖測繪、電力綫巡檢、城市規劃、災情監測、軍事偵察、通信中繼、氣象監測等領域。毋庸置疑,無人機已成為一種重要的遙感數據獲取手段。
縱觀國內外無人機的應用案例,以圖像獲取為目的的無人機獨占鰲頭,它剋服瞭衛星和有人機對環境、天氣等不利因素的影響,為實際應用提供瞭符閤幾何精度要求、高分辨率、實時性好的圖像資源。這些種類圖像主要分為航空像片、可見光視頻圖像、紅外視頻圖像和閤成孔徑雷達(Sythetic Aperture Radar,SAR)圖像。其中,可見光和紅外成像設備受天氣影響較大,而閤成孔徑雷達則剋服瞭天候、雲霧等因素影響,能在雲、雨、霧等惡劣的天氣情況下實施有效的圖像獲取。可以說,SAR任務載荷的裝載纔使得無人機成為真正意義上的全天時、全天候遙感平颱。
近些年來,隨著SAR成像技術的迅猛發展,SAR任務載荷相關技術已日趨成熟,但與之對應的SAR信息處理和信息提取技術卻顯得薄弱,主要體現在兩個方麵:其一,無人機載SAR圖像信息提取相關技術研究不夠係統,研究的領域主要是以圖像分析、圖像處理為目的的內容較多,而與信息提取實際應用緊密相關的定位、正射影像提取、立體圖像提取的內容較少;其二,可直接用於無人機載SAR信息提取軟硬件設備開發的相關技術研究較少,而由於成像機製不同,傳統的光學圖像信息處理方法和設備無法應用到無人機載SAR圖像處理之中。客觀上,諸多因素也造成瞭目前SAR圖像信息提取技術的相對滯後。
基於此,筆者在多年無人機任務載荷、信息處理以及遙感技術研究基礎上,提齣瞭涉及無人機載SAR圖像信息提取相關的圖像噪聲抑製、圖像配準、立體圖像提取、立體定位、正射影像提取和單片定位、圖像分類技術。本書由筆者多年的工作經驗和潛心研究的成果整理而成,既包含技術原理的闡述,又含有試驗、驗證方法與結果的論述。
本書全稿由段連飛、黃國滿編寫,全書由段連飛統稿。此外,在編寫過程中,中國測繪科學研究院、武漢大學遙感信息學院等單位給予瞭大力支持,提齣瞭許多寶貴意見和建議,在此錶示衷心感謝。
由於水平有限,難免掛一漏萬,對於書中錯漏和不當之處,懇請讀者不吝批評指正。
《空間感知:從光學到高光譜的遙感圖像解析之道》 內容概述: 本書是一部係統探討遙感圖像解析技術的綜閤性著作,旨在為讀者提供一個全麵而深入的理解框架,涵蓋從基礎的光學遙感原理到前沿的高光譜數據分析方法。全書共分為十章,邏輯清晰,層層遞進,由淺入深地闡述瞭遙感圖像的獲取、處理、信息提取以及應用等關鍵環節。本書不僅介紹瞭傳統的遙感圖像解析技術,更聚焦於近年來快速發展的新興技術和理念,力求展現遙感圖像解析領域的前沿動態與未來趨勢。 第一章:遙感科學的基石——電磁波與成像原理 本章將從最基礎的物理原理齣發,為讀者構建對遙感技術認知的第一塊基石。我們將詳細介紹電磁波的波譜特性,重點闡述不同波段(如可見光、近紅外、熱紅外、微波等)與地物相互作用的機理。基於此,我們將深入剖析不同類型遙感傳感器的成像原理,包括被動式光學成像(如多光譜、全色成像)和主動式成像(如激光雷達)。本章將通過大量實例,展示不同傳感器獲取的圖像在信息內容和錶現形式上的差異,為後續章節的學習奠定堅實的理論基礎。此外,還將簡要介紹遙感圖像的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率和輻射分辨率等關鍵參數的含義及其對信息提取的重要性。 第二章:遙感圖像的預處理——數據質量的守護者 獲取到的原始遙感圖像往往受到大氣影響、傳感器誤差、幾何畸變等多種因素的乾擾,無法直接用於精細的信息提取。本章將聚焦於遙感圖像的預處理技術,它們如同為數據戴上一副“質量眼鏡”,確保後續分析的準確性。我們將係統介紹大氣校正(包括輻射定標、大氣透射率校正等)、輻射校正(去除傳感器自身誤差)、幾何校正(糾正地形和傳感器視角引起的畸變,實現不同影像間的配準和與地理坐標的吻閤)以及圖像增強(提高圖像的視覺可辨性,如對比度拉伸、直方圖均衡化等)等核心技術。本章強調預處理技術之間的內在聯係和選擇依據,並結閤實際案例,演示如何根據不同應用需求選擇閤適的預處理流程,以最大化地保留地物真實信息,同時抑製噪聲和乾擾。 第三章:光學遙感圖像的特徵提取——從像素到意義的飛躍 光學遙感圖像包含瞭豐富的地物信息,但這些信息並非直觀可見,需要通過各種特徵提取方法來揭示。本章將深入探討光學遙感圖像的特徵提取技術,它們是連接原始影像與有意義解析信息的關鍵橋梁。我們將詳細介紹像素級特徵(如光譜特徵、紋理特徵、形狀特徵)和對象級特徵(通過分割或聚類形成具有語義的圖像對象)的提取方法。重點將放在光譜特徵的深入分析,包括光譜指數(如NDVI, NDWI等)的構建及其在地物分類、植被監測、水體探測等方麵的應用;紋理特徵的提取方法(如灰度共生矩陣、局部二值模式等)及其在識彆地物紋理信息方麵的作用;以及形狀特徵的提取對於區分具有特定形態的地物的價值。本章還將介紹一些高級特徵提取技術,如小波變換、形態學操作等,為復雜地物的識彆提供更多維度。 第四章:遙感圖像分類——認知地錶的關鍵一步 遙感圖像分類是將地錶按照不同的地物類彆進行劃分,是遙感圖像信息提取的核心任務之一。本章將係統介紹遙感圖像分類的理論與方法。我們首先梳理瞭監督分類(需要先驗知識或訓練樣本,如最大似然分類、支持嚮量機、隨機森林等)和非監督分類(無需先驗知識,依靠數據內在統計規律,如K-means、ISODATA等)兩大類方法。在本章中,我們將對各種分類器的原理、優缺點以及適用場景進行詳細闡述。此外,還將介紹麵嚮對象分類(Object-Based Image Analysis, OBIA)的理念和方法,它將圖像分割與分類相結閤,能夠更好地利用對象的空間、光譜和紋理信息,尤其適用於高分辨率圖像。最後,本章將討論分類結果的評價指標(如總體精度、Kappa係數、生産者精度、用戶精度等)及其重要性,並提供優化分類精度的策略。 第五章:多源遙感數據融閤——集百傢之長,觀全局之勢 單一的遙感傳感器可能無法提供足夠全麵的地物信息,而不同傳感器(如光學、雷達、高光譜)及其不同分辨率的影像又可以從不同角度揭示地錶信息。本章將聚焦於多源遙感數據融閤技術,其核心思想是將來自不同傳感器、不同分辨率、不同時間或不同波段的遙感數據有機地結閤起來,以獲得比單一數據源更豐富、更準確、更可靠的信息。我們將深入探討不同尺度(像素級、特徵級、決策級)的融閤方法,包括基於光譜混閤分析的融閤、基於小波變換的融閤、基於獨立成分分析的融閤以及基於機器學習的融閤等。本章將通過具體應用案例,例如將高分辨率全色影像與低分辨率多光譜影像融閤以提高空間分辨率,或將光學與SAR數據融閤以剋服雲雨乾擾,展示數據融閤在提升地物信息提取精度和拓寬應用領域方麵的顯著優勢。 第六章:高光譜遙感圖像分析——洞悉物質的“指紋” 高光譜遙感以其連續、窄且密集的窄波段,能夠獲取地物極其精細的光譜信息,如同地物的“指紋”,為精細化識彆和定量反演提供瞭可能。本章將深入探討高光譜遙感圖像的分析技術。我們將首先闡述高光譜數據的特點及其與多光譜數據的區彆,並介紹高光譜數據的預處理(如輻射定標、大氣校正、噪聲去除)和降維技術(如主成分分析PCA、最小噪聲分離MNF等)。隨後,我們將重點講解基於光譜庫匹配的分類方法(如光譜角製圖SAM、光譜信息散度SID等),展示如何利用高光譜數據識彆具體的礦物、植被種類、甚至汙染物。此外,還將介紹高光譜數據在物質成分反演(如植被葉綠素含量、土壤有機質含量等)中的應用,並探討高光譜成像光譜儀的原理和數據獲取方式。 第七章:麵嚮對象遙感圖像分析(OBIA)——從像素到語義的質變 傳統的遙感圖像分析大多基於像素進行,難以充分利用地物的空間形態、上下文關係等信息。麵嚮對象遙感圖像分析(OBIA)是一種革命性的方法,它將圖像分割生成具有語義意義的對象,然後基於對象的屬性進行分析。本章將詳細介紹OBIA的理論基礎、核心流程和常用方法。我們將深入講解圖像分割的原理與算法(如多分辨率分割、分層分割等),以及對象特徵的提取(包括光譜、紋理、形狀、上下文特徵)和對象分類的方法。OBIA在識彆建築物、道路、農田地塊等具有清晰邊界和形態特徵的地物方麵具有顯著優勢,能夠有效減少“椒鹽現象”,提高分類精度。本章將通過實例,展示OBIA在城市環境監測、土地覆被製圖、農業精細管理等領域的強大應用能力。 第八章:時序遙感圖像分析——捕捉地錶的動態變遷 地球地錶信息並非靜止不變,而是隨著時間不斷發生變化。時序遙感圖像分析技術能夠捕捉這些動態變化,為我們理解地錶演變過程、進行趨勢預測提供依據。本章將係統介紹時序遙感圖像分析的理論與方法。我們將講解如何進行多時相遙感圖像的配準與融閤,以確保不同時相影像的可比性。隨後,我們將介紹用於檢測地錶變化的常用方法,如差值法、變化嚮量分析、趨勢分析等,並深入探討基於時間序列分解、機器學習模型(如隱馬爾可夫模型HMM、長短期記憶網絡LSTM等)的時序分類與預測方法。本章將通過豐富的案例,展示時序遙感圖像分析在森林火災監測、城市擴張分析、農業生産過程監測、自然災害評估等領域的關鍵作用,強調捕捉時間維度信息對於理解復雜地錶過程的重要性。 第九章:人工智能在遙感圖像信息提取中的應用——邁嚮智能化解析 近年來,人工智能(AI)技術,特彆是深度學習,為遙感圖像信息提取帶來瞭革命性的突破。本章將聚焦於AI技術在遙感圖像信息提取中的應用。我們將介紹捲積神經網絡(CNN)在遙感圖像分類、目標檢測、語義分割等任務中的強大能力,並重點講解如何構建和訓練適閤遙感數據的深度學習模型。我們將詳細闡述不同網絡結構(如U-Net、DeepLab係列等)及其在遙感應用中的優勢。此外,還將討論遷移學習、數據增強等技術如何緩解遙感數據標注不足的問題。本章將通過大量實例,展示AI技術在精細地物分類、小目標檢測、災害信息快速提取、語義場景理解等方麵的巨大潛力,並探討AI在提升遙感信息提取自動化程度和智能化水平方麵所扮演的關鍵角色。 第十章:遙感圖像信息提取的應用前景與挑戰——展望未來 本章將對遙感圖像信息提取的廣泛應用領域進行梳理和展望,並探討該領域麵臨的主要挑戰和未來的發展趨勢。我們將從環境監測(如汙染源識彆、水體質量評估、土壤侵蝕分析)、資源勘查(如礦産資源探測、地質構造分析)、城市規劃與管理(如城市擴張監測、基礎設施評估、違章建築識彆)、農業生産(如作物長勢監測、病蟲害預警、産量估算)、災害管理(如地震、洪水、滑坡等災害影響評估)等多個維度,展示遙感圖像信息提取技術如何為解決現實世界問題提供強大的技術支撐。同時,本章也將深入分析該領域當前麵臨的挑戰,如數據獲取的成本與局限性、數據處理的計算資源需求、模型的可解釋性與魯棒性、以及遙感數據與業務應用的融閤機製等。最後,我們將對遙感圖像信息提取技術的未來發展方嚮進行預測,包括與物聯網、大數據、5G等技術的深度融閤,以及在智慧城市、精準農業、可持續發展等領域的更廣泛應用。 目標讀者: 本書適閤於遙感、地理信息係統、測繪工程、環境科學、地理學、農學、林學、地質學等相關專業的本科生、研究生以及從事遙感數據處理與應用的研究人員、工程師和技術人員。對於對遙感技術感興趣的普通讀者,本書也能提供一個清晰易懂的學習路徑。 本書特色: 理論與實踐相結閤: 既有深入的理論闡述,也結閤瞭豐富的實際案例和應用實例。 內容全麵且前沿: 涵蓋瞭從經典到新興的各類遙感圖像信息提取技術,並緊跟領域發展脈搏。 邏輯清晰,循序漸進: 章節安排閤理,由基礎概念到高級應用,易於讀者理解和掌握。 語言通俗易懂: 盡量用清晰、準確的語言解釋復雜的技術概念,降低閱讀門檻。 強調綜閤性與交叉性: 突齣不同技術之間的聯係,以及遙感技術與其他學科的交叉融閤。 《空間感知:從光學到高光譜的遙感圖像解析之道》 是一部集知識性、實用性和前瞻性於一體的著作,它將帶領讀者走進一個由遙感圖像構建的、充滿信息與洞察力的“空間感知”世界。