-
程大学毕业设计（论文）
诚信声明
本人郑重声明，所呈交的毕
业设计（论文）系在导师指导下本人独立完成的。文
中依法引用他人的成果，均已做出明
确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上
已属于其他个人或单位的任何形式的研究
成果。
论文作者签名
：
第
I
页
日期
年
月
日
程大学毕业设计（论文）
摘
要
随着军事行动信息化、数字化的飞速发展，传统的人工测绘手段与侦察手段已经
不能适应瞬息万变的战场环境，而卫星遥感技术和无人机侦察技术的快速、准确、高
< br>效、广泛等特点恰能满足如今军事行动的需要。
遥感图
像在成像过程中，由于受到传感器性能、大气扰动、遥感平台空间位置等
因素的影响，遥
感图像的视觉效果会产生很大差异，如对比度不够、存在噪声、曝光
不足、曝光过度等，
这些干扰因素使图像降质或退化，降低了遥感图像的使用价值，
为进一步分析、识别、理
解造成了困难。因此在对遥感图像进行分析前，必须对其质
量进行改善。遥感数字图像处
理技术就显得尤为重要。
遥感数字图像处理技术，
是以计算机技术为基础，
对遥感数字图像的计算机处理，
< br>通过直方图均衡化、中值滤波、锐化等方法，以提高图像清晰度、消除噪点、突出边
缘，是遥感图像更加清晰、直观，为之后的图像的进一步处理提供便利。遥感数字图
像
处理技术主要应用在地物成分的分析和信息的识别与提取，
与其他领域的数字图像
不同，
遥感数字图像拥有更加多样的成分、
更
加复杂的内容。
因此遥感数字图像处理，
不仅仅需要掌握已有的
数字图像处理知识，而且需要相当的地理学知识，所以遥感数
字图像处理是天文与地理的
完美结合。
关键词：遥感图像
、
MATLAB
第
II
页
程大学毕业设计（论文）
ABSTRACT
With
the
rapid
development
of
military
informatization,
digitization,
the
traditional
artificial
methods of surveying and mapping and
reconnaissance means has already can not
adapt to rapidly changing battlefield
environment, and satellite remote sensing
technology
and the uav reconnaissance
technology of rapid, accurate, efficient and
widely fulfills the
needs of
the military action now.
Remote
sensing
images
in
the
process
of
imaging,
due
to
the
sensor
performance,
atmospheric
turbulence, remote sensing, location, and the
influence of such factors as space
remote sensing image visual effect can
make a big difference, such as inadequate
contrast,
exist, under exposure,
exposure to excessive noise, etc., these
interference factors make the
images or
degradation, reduce the use of remote sensing
image value, in order to
further
analysis, identify and understand the
caused difficulties. So, before the analysis of
remote
sensing
image
must
be
to
improve
its
quality.
Remote
sensing
digital
image
processing
technology is particularly important.
Remote
sensing
digital
image
processing
technology,
based
on
computer
technology,
computer
processing
of
remote
sensing
digital
image
through
histogram
equalization,
median
filtering,
sharpening
method,
in
order
to
improve
the
image
resolution,
eliminate
noise, highlight
the edges and remote sensing image is more clear
and intuitive, and provide
convenience
for
the
further
processing
of
the
image
after.
Remote
sensing
digital
image
processing technology is mainly used in
feature component analysis and the identification
and extraction of information,
different from other areas of digital image,
remote sensing
digital image has more
variety of ingredients and more complex content.
So remote sensing
digital image
processing, not only need to master the existing
knowledge of digital image
processing,
and requires considerable knowledge of geography,
so
remote sensing digital
image processing is the perfect
combination of astronomy and geography.
K
E
Y
W
O
R
D
S
：
Remote
sensing image, the MATLAB
第
III
页
程大学毕业设计（论文）
第
IV
页
程大学毕业设计（论文）
目
录
诚信声明
............
..................................................
..................................................
.................
I
摘
要
...
..................................................
..................................................
.........................
I
I
ABSTRACT ..............................
..................................................
.........................................
III
目
录
.........................................
..................................................
.................................... V
图
目
录
...............
..................................................
.........................
错误！未定义书签。
表
目
录
...............
..................................................
.........................
错误！未定义书签。
1
引言
..
..................................................
..................................................
............................ 1
1.1
课题研究的背景与意义
.................
..................................................
......................... 1
1.2
研究现状
.......................
..................................................
...........................................
2
1.3
发展前景
.......................
..................................................
...........................................
3
2
遥感数字图像概述
........
..................................................
................................................
5
2.1
遥感的基本原理
....................
..................................................
.................................. 5
2.2
遥感数字图像定义
.
..............................................
..................................................
..... 5
2.3
遥感数字图像处理系统硬件概况
.<
/p>
........................................
..................................... 5
2.4
遥感图像处理系统软件的发展概况
............
..................................................
........ 6
3
基于刃边法的遥感图像
MTF
计算和分析
.
.................................................
................ 9
3.1
MTF
计算的光学理论基础
.
.............................................
........................................
9
3.2
刃边法计算
MTF
的步骤
........................
..................................................
.............. 10
3.3
影响刃边法计算
MTF
精度的抠图因素分析
.
.....................................
....................
1
1
4
程序的虚拟机模拟实现
............................................ .................................................. .. 13
3.3
关于
MATLAB
...........................
..................................................
............................. 13
3.3
系统程序实现
.
................................................ .................................................. ......... 13
5
结
论
...............
..................................................
..................................................
......... 17
参考文献表
...........
..................................................
..................................................
........... 19
第
V
页
程大学毕业设计（论文）
第
VI
页
大学毕业设计（论文）
1
引言
1.1
课题研究的背景与意义
20
世纪
60
年代以来发展的遥感成像技术被统称为现代遥感成像技术，它是基
于现代物理学、原子能
和控制技术、生物技术、信息技术、空间科学技术、电子计算
机以及地球科学理论而建立
和发展起来的一门新兴的、综合性的边缘科学，也是一种
先进的、实用的探测成像技术。
光学遥感成像技术是遥感技术中特
别重要的一个分支，也是促进空间科学技术
不断发展的重要组成部分，被称为人类探索宇
宙未知世界的“眼睛”
。该技术在现代
遥感领域的广泛应用，扩
大了人类探索宇宙的视野，将人类对地球环境和资源的监测
和研究推进了一个新的阶段。
光学遥感成像技术涉及当代很多先进的技术和尖端的领
域，被广
泛应用在资源调查、环境监测、军事侦察、导弹预警、战场评估、卫星预警、
场景仿真、
农业估产、林业保护、矿藏开发、城市规划、土地管理、灾害预防、渔业、
气象、地质、
海洋等重要领域。
光学遥感成像技术起源于航空摄影技术，受
技术限制，当时的运载工具主要是气
球和飞机，工作波段也以可见光为主。军事侦查方面
的迫切需求，很大程度地推动了
遥感技术的发展，使得目标观测仪器的工作波段大范围扩
展，覆盖可见光、近紫外、
远红外以及微波波段。
目前，
随着光学遥感成像技术的广泛应用和飞速发展，
要求光学遥感系统的空间、
光谱、辐射等方面具有更高的分辨率，但这就使得遥感器
的轻小型化与高分辨率成像
之间的矛盾难以解决，
空间光学遥感
器的设计、
研制难度越来越大，
从光学系统设计、
加工、装调、卫星的设计与总装和测试、发射以及运输都面临着一系列严峻的工程挑
< br>战。同时，随着空间分辨率、光谱分辨率以及辐射分辨率的提高，卫星振动和大气衰
减对成像的影响也更为明显。对地光学遥感成像是一个极其复杂的物理过程，包括大
气
衰减、光学遥感器成像、数据压缩解压缩、下行传输和图像处理、显示等等一系列
复杂的
过程，来自太阳的电磁波辐射传播到地球大气上界，然后经过大气传输后的光
能。
遥感图像处理系统是对从遥感器获取的数据进行管理和分析处理，<
/p>
从中提取有用
信息的设备、方法和技术的总称。总体上说，遥感图
像处理方法分为两种
:
模拟方法
<
/p>
(
主要是光学方法
)
和数字方法
(
即计算机数据处理方法
)
。
随着遥感图像数字化程度的不
第
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大学毕业设计（论文）
断提高和计算机技术的迅速发展
,<
/p>
数字方法已成为了遥感图像处理的主要方向。
1.2
研究现状
遥感系统的成像仿真方法基
本上有两种：物理仿真和计算机仿真。下面我们就主
要从这两个方面来介绍光学遥感系统
建模仿真的国内外发展现状。
物理仿真是在实验
室条件下，对各
个成像环节进行动态模拟仿真，最终获得遥感仿真图像。通过接近真
实的、可加以控制的
模拟仿真过程，测试该遥感系统的性能，并给出评价结果。上世
纪
40
、
50
年代，计算机发展水平还不高，所以只有依靠物理仿真，主要有：美国亚
利桑那大学
（
Arizona
）光学中心（
Optics Program<
/p>
）建立了世界上第一个航空航
天遥感器物理仿真系统。
在地面实验室中借助人造光源提供各种辐亮度和各个光谱谱
段的照明条件，
在不同背景下布置了各种大小尺寸的靶标和军用目标模型
（比如
飞机、
坦克、火炮等等）
，能够模拟卫星在轨飞行情况下的环境
条件以及目标的运动等等，
利用可控制位置和运动模式的相机对研究目标按照设定的程序
进行拍摄，
从而验证相
机的设计参数和成像质量。
类似的，
俄罗斯在圣彼得堡空间光学研究所
（
St Petersburg Institute of
space optics
）
成立了一个专门的检验测试实验室
，
利用它可以实现对太阳光和地球辐射光的传播过
程进行仿真实
验。美国的
Itek
光学中心属于
较早采用物理仿真的方法建立遥感成像
仿真系统的研究机构，于
20
世纪
60
年代初建立了小型的成像模拟设施（
Imagery
Simulation Facility
，
< br>ISF
）
，
为实验室的设施结构
图。
整个结构图中的核心设施包括
ISF
相机、
45
< br>°反射镜、太阳模拟光源以及三维缩比模型。在天空和太阳的模拟光源照明
下，<
/p>
ISF
相机是通过
< br>45
°反射镜来观察三维缩比模型，进行整个物理仿真成像过程。
除此之外，
基于大气辐射传输模型理论，
一整套混成式
多光谱成像模拟
（
Multi Spectral
Imagery Simulation
，
MSIS
）系统也建立起来。迄今为止，该光学中心的科研人员已经
利用
ISF
成功地进行了
25
年的成像模拟技术研究，为美国军方遥感器的研制及作
战场景成像模拟提供了大
量技术支持，起着举足轻重的作用。
1994
年，美国空军基
地的阿诺德工程发展中心（
Arnold
Engineering
Development
Center
，
AEDC
）建立
了一个空间测试复合体，
可以提供很多空间进行模拟仿
真测试，
包括一个在
7V
腔体
设施中的低背景红外传感器测试装置。
AE
DC
主要应用于大型制冷真空设备中，
进行
< br>红外传感器测试，从而实现整个测试系统的性能评估、光谱定标、辐射定标以及军事
演习美国陆军航空及导弹司令部
(United
States
Army
Aviation
and
Missile
Command
，
AMCOM)
高级仿真中心
(Advanced
Simulation
Center
，
ASC)
耗时
20
年之
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大学毕业设计（论文）
久，建立了
10
< br>套硬件闭环（
HWIL
）模拟设施，工作波长可以涵盖可
见、红外、毫
米波甚至微波波段，应用于导弹的动态飞行测试和军事目标拦截演习。
国内关于光学遥感系统的物理仿真方面的报道相对比较少，
80
年代中期，中国
科学院长春光学精密机械研究所成立了室内遥感
模拟实验室。
为遥感光学成像模拟实
验室的结构图。整个实验室
的核心设施包括半球形的人造天空、天空模拟光源、载物
平台、太阳模拟器、三维缩比模
型、指向镜、反射镜、短焦相机以及计算机模拟实验
室。太阳模拟器发出模拟太阳光，通
过反射镜入射到三维缩比模型上，然后地物场景
模型将光反射，进入竖直的天井通道中，
接着利用指向镜又进入水平光学通道中，最
后，所有包含地物场景信息的辐射信号全部进
入短焦相机，进行成像过程。值得说明
的是，计算机模拟实验室主要负责
VR
仿真系统和主控计算机系统。
进入
90
年代以来
,
随着国际上微机平台的遥感图像处理系统的兴起和国内地理
信息系
统等相关领域的迅速发展
<
/p>
,
我国遥感图像处理系统的研制有了新的发展。例
如
,
北京大学遥
感系开发的城市之星
(
CityStar)
和武汉地质大学开发的
M
APGIS
等
国内比较先进的基于微
机
Windows
平台上的
GIS
软件已包含了基本的遥感图像处
理模块。<
/p>
近年来，随着计算机技术的飞速发展，一些将计算机强大的运算
处理功能和光学
成像方法结合起来的新型成像原理也慢慢显示出自身的优势，
也就是所谓的计算机仿
真。它主要是基于遥感成像过程中各个成像环节的数
学模型，借助数字仿真技术来获
得仿真图像。
1.3
发展前景
通过对上述遥感数据数字处理系统的发展历史进行分析
,
我们认为其发展趋势本
质上
表现为
:
系统由专用向通用化方向发展
,
成本不断降低
,
而功能却不减弱甚至反
而增强
,
使遥
感数
据处理系统的应用更加普及。
这也是未来遥感数据数字处理系统的
本质发展方向。
不
过
,
在具体
实现方式上它肯定会受到当时计算机软硬件发展水平的
影响。
根
据目前计算机软
硬件发展水平
,
我认为未来遥感数据数字处理系统的发展趋
势具体体现在以下几个方面
:
(1)
随着计算机网络和
Internet
/Intranet
技术的迅速进步，遥感图像处理系统将在
向网络化、分布式方向发展。分布式遥感图像
处理系统的一个显著优势是不必为每个
客户端配备昂贵的遥感图像处理软件和输入输出设
备
,
可以进一步降低整个系统的成<
/p>
本
,
同时也便于不
同专业人员的交流协作，
构成部门的群体生产力。
分布式遥
感图像
第
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大学毕业设计（论文）
处理系统的另一个显著优势是可以对整个系统进行灵活配置
<
/p>
,
对各子系统分别进行优
化
,
通过网络交换处理结果
,
达
到系统优化集成的目的。
(2)
前遥感数据处理系统已开始由软件约束期向用户约束期过渡
,
所以软件系统
的
发展
也开始由功能的增强向用户友好方向发展。这使得操作人
员的培训费用大大
降低
,
从而间接
降低了系统成本。
(3)
遥感图像处理系统的结构向模块化、
可灵活装卸
方向发展。
由于遥感技术的不
断提
高
,
遥感数据处理技术越来越复杂多样
,
功能齐全的遥感数据处理系统也越来
越复杂庞大。
而特定的用户绝大多数并不需要全部这些功能
,
模块化、
可灵活装卸的
系统
可通过适当配置
系统规模和分布式系统的协作降低系统成本。
(4)
遥感图像处理系统模块向标准
化、
可互操作方向发展。
不同厂商开发的遥感图
像处
理系统由于侧重点不同
,
功能上可能各有千秋。
标准化、可互操作的的遥感图
像处理系统可
使用户根据需要选择不同厂商的产品时尽量减少重复投资。
同时
,
标准
的公开也
有利于用户
根据自己需要扩展系统功能时可尽量利用原系统已有的功能
,
并使扩展功能与原系统更有
机地结合地一起。
第
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陆军军官学院毕业设计（论文）
2
遥感数字图像概述
2.1
遥感的基本原理
概括的讲
,
遥感的基本原理就是地物反射电磁波
,
经传感器接收并返回地面
,
再由地
面站处理
,
最终将处理好的信息以图、文或数据的形
式表现出来
,
供人们研究使用。从
本质
上说
,
遥感的基本原理就是对于某些信息源
,
从中获取信息
,
这些信息经过信
息记录
和传输
,
再经过信息处理
,
最终达到信息应用的目的。
2.2
遥感数字图像定义
遥感数字图像是由遥感平台上的传感器获取的、
并用数字形式表示的图像
,
它主要
由像素和灰度值构成
,
其像素值又称为亮度值或灰度值。
遥感数字图
像一般用矩阵的形
式来进行表示。
遥感图像处理系统是对从遥感器获取的数据进行管理和分析处理
,
从中提取有用
信息
< br>
的设备、方法和技术的总称。总体上说
,
遥感图像处理方法分为两种
:
模拟方法
(
主要是光学方法
)
和数字方法
(
即计算机数据处理方法
)
< br>。随着遥感图像数字化程度的
不断提高和计算机
技术的迅速发展
,
< br>数字方法已成为了遥感图像处理的主要方向。
遥感图像数字处理系统的基本
构成如图
1
所示
,
其中计算机是遥
感图像处理
系统的核心
,
因此遥感
图像数字处理系统的发展显然与计
算机软、硬件的发展水平
是密切相
关的。
与弗莱德曼提出的信息开发
制约因素的三阶段论—
硬件约束
期、
软件约束期
,
用户约束期相符
合
,
在遥感图像处理系统发展的早
期
,
硬件的
发展对
其影响十分显著
;
从八十年代初期开始
,
由于硬件性
能的提高
,
软件逐渐成为影响遥
感
图像处理系统发展的主要因素。
2.3
遥感数字图像处理系统硬件概况
硬件
对遥感图像处理系统发展的影响主要体现在主机方面。根据主机的选择，遥
感图像处理系
统的发展可划分为
4
个阶段。
第一阶段是
60
年代到
70
年代上半期。遥感图像处理系统一般是在已有的大、
中型计
算
机上配备必要的外围设备
(
如图像输入输出设备
)
,
利用图像处理软件来完
成图像处理和分
析功能。
这一阶段的遥感图像处理系统基本上是由美国研制的
,<
/p>
较著
名的有
:
普杜大学的
LARSYS
系统
(
在
IBM3031
计算机的
V M
/CMS
操作系统上运
第
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陆军军官学院毕业设计（论文）
行
)
、
宇航局约翰逊空间中心
的
ERIPS
系统
(
在
IBM360/370
计算机的
MV T
、
V
S1
或
V
S2
操作系统上运行
)
和弗吉尼亚
大学的
GIPSY
系统
(
在
IBM370
计算机的
CMS
操作系统上运行
)
。
第二阶段是
70
年代后期到
80
年代初。该阶段遥感图像处理系统的特点是在系
统中除
宿主机外
,
还配备了一台专用的图像处理机
,
将许多图像处理算法固化
,
使得
部分图像处理
与分析功能可由硬件实现
,
从而使系统的处理速度大大提高。
这一阶段
最著
名的系统当数美
国
I2 S
公司的
S
系列
(
S101- S500)
。
该系统可采用多种计算机
作为主机
,
其专用图像处理机
为
M70,
可对
512
×
512
的图像进行快速运算
。该系统
在主机操作系统下还配置了专门的交
互式图像处理操作系统
,
对于遥感图像及其他
图像的输入输出、几何校正、图像复原、增强和
分类、各种图像变换等常用处理方
法都提供
了相应的操作命令
,
使用十分简便。另外
,
法国的
SO
LAR
101
系统和
PERICO
LO
R
2001
系统以及联邦德国的
DIBIAS
系统也应属于该阶段
的遥感图像
处理系统。
第三阶段是
80
年代初到
90
年代初。
这个时期超小型机在图像处理系统中占有
统治地
位
,
遥感图
像处理系统的宿主机绝大多数采用
32
位的超小型机
< br>,
图像运算速
度也有了较大
提高。美国
I2
S
公司的
S
系列
(
S575
和
S600)
仍是这一时期该领域
的主角。由于
< br>
DEC
公司的
V
AX
系列小型机的优良性能和良好
的开发环境
,
它在遥
感图像处理和地理信息系统领域得
到了广泛应用。
S600
的主机系统大多采用
V AX
/V
MS
系统
,
专用图像处理机升级为
M75,
可进行图像显示、统计、变换、多图像运
算、
分类及多种滤波运算。
加拿大在这一阶段遥感图
像处理系统的发展也十分迅速
,
较有名的系统有
DIPIX
公司的
ARIES-
Ⅱ系统和
MDA
公
司的
MERIDAN
系统
,
两者的宿主机分别为
DEC
公司的
PDP
和
V
AX
系列小型机。
第四阶段是
90
年代初到
1996
年前后。由于图形图像工作站和个人计算机性能
的迅
速
提高和价格的大规模下降
,
遥感图像处理系统在主机选择开始侧重于工作站
和微机
,
专用图像处理机在遥感
图像处理系统中的地位开始下降。
目前比较著名的系
统有美国
ERDAS
公司的
ERDAS
系统、
RSI
公司的
IDL
/ENV
I
系统
,
澳大利亚
ERMapper
公司的
ERMapper+
ERRadar
系统
,
加拿大
PCI
公司的
PCI
系统。
2.4
遥感图像处理系统软件的发展概况
遥感图像处理系统软件的发展首先体现在其功能的不断提高上
,
具体反映在以下
几个方面
:
第
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陆军军官学院毕业设计（论文）
(1
)
由单一遥感资料的处理向多种遥感资料处理方向发展。
随着遥
感平台和遥感传
感器
技术的不断发展
，遥感数据从单一源向多源多谱方向发展。不同卫星的遥感图
像
,
航空遥感
图像与航天遥感图像，
可见光、
红外和微波等不同谱段遥感图像
的处理
方法是有差异的
,
遥感图像处理系统顺应了这种发展趋势，由早期只能处理某一种遥
感数据向
可处理多种不同
遥感数据方向发展，大大拓展了系统的应用范
围。当前国
际上流行的四大遥感图像处理软件—
ERDAS
、
ERMapper
、
ENV I
和
PCI
都提供了
处理多种遥感数据的功能。
< br>针对
SAR
图像的特殊性，
这<
/p>
4
个系统都还特别提供了
SAR
图像处理的模块，其中
PCI
系统尤其突出。
(2)
遥感图像处理系统支持的输入
输出设备越来越广泛。
早期的遥感图像处理系统
只能
处理有限的几种数据格式
,
只能够在有限几种硬拷贝设备上输出
,
这造成了一
个遥感图像处
理的应用领域比较狭小
,
各部门之间的交流也极不方便。
当前的遥感图
像处理系统如
ERMapper
等可处理和转换
LANDSAT
、
SPO T
、
NOAA
等多种卫星
的数据格式以及各种图
< br>
像和
GIS
数据格式共
300
多种
,
支持
20
0
多种硬拷贝输出设
备
,
大大方便了遥感图像资料的
获取和处理结果的输出。
(3)
遥感图像处理系统的结构向开放的、
可扩
展性强的方向发展。
由于遥感技术本
身及
信息处理技术的发展十分迅速
,
因此任何遥感图像处理系统都不可能反映遥感
图像处理技
术的最新成果。
另一方面
,
相对于不同的遥感应用
,
信息处理具体方法的
选择也是不同的
,
因
此系统不可能含各种遥感应用需要的所有功能。
开放的、
可扩展
的遥感图像处理软件结构是
一种有效的解决办法。上述
4
大遥感图像处理软件都提
供了一定的二次开发功能
,
使用户可
根据自己的需要对系统进行进一步的完善。
(4)
由单一的遥感图像处理系统向
遥感图像处理与
GIS
、
G
PS
的集成方向发展。
遥感、地
理信息系统、全球定位系统是目前对地观测系统中空间信息获取、管理、
更新、分析和应用的
三大支撑技术
,
简称“
3S
”技术。
“
3S
”的结合为地学研究
提供了高
精度的遥感图像和高效的
遥感图像管理技术
,
是地学研究走向定量化、
智能
化的前提条件。
“
3S
”的结合已成为当前地
学科学研究界、产业界和软件开发商的
研究热点
,
也是今后地学研究的主要发展方向。
实际上
,
在
遥感图像处理系统发展的
早期
,
许多遥感图像处理系统都配备了
GI
子系统
,
提供在
图像处理过程中使用和在
图像处理过程后存储地理信息数据的功
能。例如
,
美国
ESL
公司
的用于资源清查和
管理的图像处理和地理信息系统
IDIMS
。而当前“
3S
”集成的趋势是对这
3
类数据
在一体化环境下进行统一处理。
对上述当前流行的
4
大遥感图像处理软件进行研
究
可以发现
:
在与
GIS
数据和
DBMS
集成的问题上
, 4
种软件都采用了动态连接技术
,
即不
经格
式转换直接读取和处理外部数据以及将遥感图像处理结果按照地理信息系
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