基于灰色系統(tǒng)理論的遙感圖像處理方式探析

 遙感圖像處理是通過(guò)一定技術(shù)對(duì)遙感圖像進(jìn)行圖像分類(lèi)、特征提取、圖像專(zhuān)題處理、圖像鑲嵌、投影變形、圖像整飾、幾何糾正、輻射校正以及各種專(zhuān)題處理的方法[1]。當(dāng)前，灰色系統(tǒng)理論在遙感圖像處理方面得到了一定的應(yīng)用。灰色系統(tǒng)理論自問(wèn)世以來(lái)，已成功應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)管理、工程控制、農(nóng)業(yè)、社會(huì)等眾多領(lǐng)域，被相關(guān)人士稱(chēng)為最具重大價(jià)值和發(fā)展前景的自然科學(xué)學(xué)科之一[2]。灰色系統(tǒng)理論與分形、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論、模糊數(shù)學(xué)等新方法、新理論一樣，有著明顯的應(yīng)用特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，在學(xué)術(shù)界得到了肯定。
1 遙感圖像處理簡(jiǎn)介
遙感圖像處理分為數(shù)字和光學(xué)兩種方法，其主要內(nèi)容包括：圖像恢復(fù)、數(shù)據(jù)壓縮、影像增強(qiáng)、信息提取[3]。圖像恢復(fù)是對(duì)傳輸、記錄、成像過(guò)程或者回放中的數(shù)據(jù)畸變、噪聲和錯(cuò)誤進(jìn)行恢復(fù)，一般表現(xiàn)為幾何校正、輻射校正等方面；數(shù)據(jù)壓縮是指改進(jìn)存儲(chǔ)、傳輸及處理數(shù)據(jù)效率；影像增強(qiáng)是指在原有影像基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)自身的特征，以提高視覺(jué)的質(zhì)量，包括去模糊、比值運(yùn)算、密度分割、邊緣增強(qiáng)、反差增強(qiáng)、彩色增強(qiáng)等；信息提取是指將有價(jià)值的遙感信息從增強(qiáng)處理的影像中提取出來(lái)，包括采用頻譜分析、集群分析、統(tǒng)計(jì)分析等不同類(lèi)別的自動(dòng)識(shí)別。
一般情況下，主要運(yùn)用數(shù)字圖像處理系統(tǒng)完成上述信息的提取，同時(shí)根據(jù)不同的預(yù)期目標(biāo)選擇相應(yīng)的技術(shù)和算法。
2 灰色系統(tǒng)理論概述
灰色系統(tǒng)理論是鄧聚龍教授于1982年創(chuàng)立的一種自然科學(xué)理論，該理論在實(shí)際應(yīng)用中具備一定的優(yōu)勢(shì)，其原理是對(duì)部分已知的信息及部分未知的信息進(jìn)行小范圍采樣分析，具有不確定性[4]。主要是對(duì)一些信息進(jìn)行開(kāi)發(fā)和生成，并將信息中具有價(jià)值的內(nèi)容提取出來(lái)。
2.1 灰色系統(tǒng)理論的主要內(nèi)容
歷經(jīng)30多年的發(fā)展，灰色系統(tǒng)理論已具備一定科學(xué)價(jià)值，主要內(nèi)容有：①灰色數(shù)學(xué)?；诨疑碚摰臄?shù)學(xué)分析方法。②灰色建模。以灰色模型的建立為基礎(chǔ)，根據(jù)一定的數(shù)列發(fā)展出來(lái)的新型建模方式。③灰色關(guān)聯(lián)分析。主要是根據(jù)因素的異同程度以及因素之間的關(guān)系，對(duì)灰色系統(tǒng)中存在的諸多因素進(jìn)行分析的一種技術(shù)。④灰色預(yù)測(cè)。基于灰色建模技術(shù)，提前預(yù)測(cè)灰色數(shù)據(jù)的大小以及數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)間等。⑤灰色控制。主要是以灰色數(shù)據(jù)的控制為中心，完成灰色系統(tǒng)理論的實(shí)踐應(yīng)用。⑥灰色決策。主要是為了解決灰色系統(tǒng)中多層次的數(shù)據(jù)問(wèn)題而制定的決策。⑦灰色評(píng)估?；诨疑到y(tǒng)的方法和理論，對(duì)系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)期的狀態(tài)或者系統(tǒng)本身以預(yù)期目標(biāo)為向?qū)нM(jìn)行分析，最終得出半定量半定性的整體描述和評(píng)價(jià)。
2.2 灰色決策的方案選擇
灰色決策是為了解決灰色系統(tǒng)中多層次的數(shù)據(jù)問(wèn)題而制定的決策，其實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值較高，具備可操作性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易用等諸多優(yōu)點(diǎn)。在灰色決策理論中，運(yùn)用最多的是灰色關(guān)聯(lián)決策。相關(guān)人員可以通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度，依據(jù)不同的方案效果評(píng)價(jià)對(duì)其進(jìn)行度量，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析之后得出不同等級(jí)的方案，根據(jù)最佳選用原則挑出適合實(shí)際的方案。根據(jù)灰色決策解決多層次數(shù)據(jù)問(wèn)題的應(yīng)用思想，主要是圍繞實(shí)際問(wèn)題，選擇與最合適的方案一致的效果評(píng)價(jià)向量，根據(jù)對(duì)最合適方案及不同方案之間的效果評(píng)價(jià)向量所產(chǎn)生灰色關(guān)聯(lián)度程度進(jìn)行分析，按照優(yōu)劣程度進(jìn)行最適合的方案選擇。綜上可知，關(guān)聯(lián)方式及方案能否選擇正確，將影響到?jīng)Q策的實(shí)施效果。
2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析的應(yīng)用原理
灰色關(guān)聯(lián)分析的基本原理是從曲線(xiàn)的相似度或者幾何關(guān)系判斷不同因素之間的關(guān)系，并且將幾何關(guān)系或者序列曲線(xiàn)、參考序列進(jìn)行分析和對(duì)比。關(guān)聯(lián)度的判斷要以曲線(xiàn)形狀的相似度為基礎(chǔ)，如果兩條曲線(xiàn)形狀比較接近，說(shuō)明因素之間的關(guān)系度較大，反之，則說(shuō)明因素之間的關(guān)聯(lián)度較小[5]。灰色關(guān)聯(lián)分析主要通過(guò)關(guān)聯(lián)度來(lái)表現(xiàn)，即不同因素、不同事物之間不同程度的關(guān)聯(lián)，可以根據(jù)時(shí)間序列不同找出關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而為預(yù)測(cè)精度及分析因素提供可靠的依據(jù)，使決策得到更多參考，有助于技術(shù)人員進(jìn)行問(wèn)題主要因素的分析?；疑P(guān)聯(lián)分析和灰色模型提出之后，已有眾多國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)此進(jìn)行了細(xì)致研究，構(gòu)建出眾多的關(guān)聯(lián)度模型，包括以斜率差、斜率比、距離對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行定義。其中灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度，以其方向性、可操作性、距離無(wú)關(guān)性、關(guān)聯(lián)序唯一性、對(duì)稱(chēng)性等優(yōu)勢(shì)，在邊緣檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。
3 基于灰色系統(tǒng)理論的遙感圖像處理
3.1 灰色決策與波段選擇的結(jié)合
在遙感圖像的處理過(guò)程中，目視解譯的作用不可忽視，其利用率非常高，無(wú)論是高光譜遙感還是多光譜遙感，都需要依靠目視解譯進(jìn)行工作[6]。因此，處理遙感圖像需要按照類(lèi)間可分性最大或者信息量最大原則進(jìn)行最適合的遙感波段選擇，并將具有價(jià)值的信息匯聚成彩色圖像，為目視解譯提供支撐。最佳波段應(yīng)選擇可分性好、地物光譜差異大、相關(guān)性小、信息含量多的波段。同時(shí)，應(yīng)基于波段灰色標(biāo)準(zhǔn)差、影像波段間的相關(guān)性、單個(gè)波段信息量，對(duì)波段進(jìn)行最佳選擇?；疑珱Q策的四大要素依次是事件、對(duì)策、目標(biāo)、效果。事件是指選擇最佳的波段組合；對(duì)策指的是從大量遙感圖像中篩選出三個(gè)波段；目標(biāo)主要是正確選擇相關(guān)的系數(shù)，從而計(jì)算出與波段有關(guān)的參數(shù)；效果指的是在眾多決策中最終篩選出一套最佳決策方案。其中灰色關(guān)聯(lián)度與效果測(cè)度的計(jì)算是灰色決策的重要組成方式，主要分為上限、下限、適中等三種。上限效果測(cè)度是用來(lái)處置最大值的極性，下限效果測(cè)度的目的是進(jìn)行最小值極性的處置，適中效果測(cè)度的目的是進(jìn)行適中值極性的處置。
3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析與邊緣檢測(cè)的結(jié)合
在遙感圖像的邊緣檢測(cè)中融合灰色關(guān)聯(lián)分析，是一種較有新意的應(yīng)用嘗試，國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的應(yīng)用研究正逐漸展開(kāi)。在圖像邊緣檢測(cè)的過(guò)程中，其像素分為邊緣點(diǎn)與非邊緣點(diǎn)。從圖像的邊緣點(diǎn)可以看出，當(dāng)邊緣點(diǎn)之間的像素點(diǎn)灰色值出現(xiàn)較大的波動(dòng)時(shí)，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度可以看出波動(dòng)變化的程度，圖像中的非邊緣點(diǎn)，表現(xiàn)為點(diǎn)的像素值與附近像素值相似[7]?？梢赃x擇圖像中一個(gè)像素點(diǎn)與附近像素點(diǎn)相比較，得出比較序列，選擇非邊緣點(diǎn)的像素點(diǎn)與其附近的像素點(diǎn)相比較，形成參考序列。按照灰色關(guān)聯(lián)分析的相關(guān)理論，灰色關(guān)聯(lián)度與比較序列和參考序列有較高相似度，即參考序列和比較序列關(guān)聯(lián)度大時(shí)，兩者形成的幾何形狀相似度較高，由此判斷這一像素點(diǎn)是非邊緣點(diǎn)。兩者形成的幾何形狀相似度較低，由此判斷這一像素點(diǎn)是邊緣點(diǎn)。
3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析與圖像融合的結(jié)合
IHS變換融合在影像融合中較為常用，與多光譜影像相比，無(wú)論是清晰度方面還是空間分辨率方面，IHS融合后的影像質(zhì)量更高[8]。但是在變換過(guò)程中的第一份量被高分辨率影像所代替，造成原始影像光譜變形，不能正確辨別影像。在IHS圖像中結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)技術(shù)，能夠利用加權(quán)方式及IHS變換對(duì)SAR和TM進(jìn)行融合，從而有效避免光譜變形。因此，灰色關(guān)聯(lián)分析在圖像融合中的應(yīng)用是一種快速的、有效的多源遙感信息融合新技術(shù)。
3.4 灰色系統(tǒng)理論與其它方面的結(jié)合
一是在圖像信息融合中的應(yīng)用，主要是利用多個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，結(jié)合多種灰色算法融合圖像信息。二是在遙感影像增強(qiáng)方面的應(yīng)用?；疑A(yù)測(cè)、灰色模型等相比原始圖像更適合圖像增強(qiáng)，對(duì)比這兩種數(shù)列選擇方式，可以得出同樣像素的灰色預(yù)測(cè)值，并將得出的灰色預(yù)測(cè)值的平均值作為像素點(diǎn)增強(qiáng)之后的值。三是在圖像分類(lèi)中的應(yīng)用。在遙感圖像的分類(lèi)與識(shí)別中，利用灰色關(guān)聯(lián)分析理論對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行分析之后，根據(jù)特征參數(shù)與圖像相似度進(jìn)行圖像分類(lèi)[9]。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感圖像處理技術(shù)也在不斷更新?lián)Q代?；疑到y(tǒng)理論在遙感圖像處理中的應(yīng)用，目前還處于初步的探索階段，需要更多的實(shí)踐證明。但是灰色系統(tǒng)理論的應(yīng)用范圍廣泛，其灰色決策與灰色關(guān)聯(lián)分析，對(duì)遙感圖像的波段選擇與邊緣檢測(cè)較為適用，具備一定的有效性與可行性。灰色系統(tǒng)理論還在圖像信息融合、遙感影像增強(qiáng)、圖像分類(lèi)中有較高的應(yīng)用價(jià)值。在遙感圖像技術(shù)的研究過(guò)程中，更多地結(jié)合灰色系統(tǒng)理論，有利于遙感圖像技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。