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一定技術(shù)對遙感圖像進行圖像分類、特征提取、圖像專題處理、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題處理的方法[1]。當前，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?；疑到y(tǒng)理論自問世以來，已成功應(yīng)用在經(jīng)濟管理、工程控制、農(nóng)業(yè)、社會等眾多領(lǐng)域，被相關(guān)人士稱為最具重大價值和發(fā)展前景的自然科學(xué)學(xué)科之一[2]?；疑到y(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)用特點及優(yōu)勢，在學(xué)術(shù)界得到了肯定。
1 遙感圖像處理簡介
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、信息提取[3]。圖像恢復(fù)是對傳輸、記錄、成像過程或者回放中的數(shù)據(jù)畸變、噪聲和錯誤進行恢復(fù)，一般表現(xiàn)為幾何校正、輻射校正等方面；數(shù)據(jù)壓縮是指改進存儲、傳輸及處理數(shù)據(jù)效率；影像增強是指在原有影像基礎(chǔ)上強調(diào)數(shù)據(jù)自身的特征，以提高視覺的質(zhì)量，包括去模糊、比值運算、密度分割、邊緣增強、反差增強、彩色增強等；信息提取是指將有價值的遙感信息從增強處理的影像中提取出來，包括采用頻譜分析、集群分析、統(tǒng)計分析等不同類別的自動識別。
一般情況下，主要運用數(shù)字圖像處理系統(tǒng)完成上述信息的提取，同時根據(jù)不同的預(yù)期目標選擇相應(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，該理論在實際應(yīng)用中具備一定的優(yōu)勢，其原理是對部分已知的信息及部分未知的信息進行小范圍采樣分析，具有不確定性[4]。主要是對一些信息進行開發(fā)和生成，并將信息中具有價值的內(nèi)容提取出來。
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)價值，主要內(nèi)容有：①灰色數(shù)學(xué)。基于灰色理論的數(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，對灰色系統(tǒng)中存在的諸多因素進行分析的一種技術(shù)。④灰色預(yù)測?；诨疑＜夹g(shù)，提前預(yù)測灰色數(shù)據(jù)的大小以及數(shù)據(jù)發(fā)生的時間等。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)問題而制定的決策。⑦灰色評估。基于灰色系統(tǒng)的方法和理論，對系統(tǒng)在某個時期的狀態(tài)或者系統(tǒng)本身以預(yù)期目標為向?qū)нM行分析，最終得出半定量半定性的整體描述和評價。
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)問題而制定的決策，其實踐應(yīng)用價值較高，具備可操作性強、簡單易用等諸多優(yōu)點。在灰色決策理論中，運用最多的是灰色關(guān)聯(lián)決策。相關(guān)人員可以通過灰色關(guān)聯(lián)度，依據(jù)不同的方案效果評價對其進行度量，經(jīng)過系統(tǒng)分析之后得出不同等級的方案，根據(jù)最佳選用原則挑出適合實際的方案。根據(jù)灰色決策解決多層次數(shù)據(jù)問題的應(yīng)用思想，主要是圍繞實際問題，選擇與最合適的方案一致的效果評價向量，根據(jù)對最合適方案及不同方案之間的效果評價向量所產(chǎn)生灰色關(guān)聯(lián)度程度進行分析，按照優(yōu)劣程度進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、參考序列進行分析和對比。關(guān)聯(lián)度的判斷要以曲線形狀的相似度為基礎(chǔ)，如果兩條曲線形狀比較接近，說明因素之間的關(guān)系度較大，反之，則說明因素之間的關(guān)聯(lián)度較小[5]。灰色關(guān)聯(lián)分析主要通過關(guān)聯(lián)度來表現(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)時間序列不同找出關(guān)聯(lián)性，進而為預(yù)測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)人員進行問題主要因素的分析?；疑P(guān)聯(lián)分析和灰色模型提出之后，已有眾多國內(nèi)外專家對此進行了細致研究，構(gòu)建出眾多的關(guān)聯(lián)度模型，包括以斜率差、斜率比、距離對關(guān)聯(lián)度進行定義。其中灰色絕對關(guān)聯(lián)度，以其方向性、可操作性、距離無關(guān)性、關(guān)聯(lián)序唯一性、對稱性等優(yōu)勢，在邊緣檢測中得到了廣泛應(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程中，目視解譯的作用不可忽視，其利用率非常高，無論是高光譜遙感還是多光譜遙感，都需要依靠目視解譯進行工作[6]。因此，處理遙感圖像需要按照類間可分性最大或者信息量最大原則進行最適合的遙感波段選擇，并將具有價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，應(yīng)基于波段灰色標準差、影像波段間的相關(guān)性、單個波段信息量，對波段進行最佳選擇?；疑珱Q策的四大要素依次是事件、對策、目標、效果。事件是指選擇最佳的波段組合；對策指的是從大量遙感圖像中篩選出三個波段；目標主要是正確選擇相關(guān)的系數(shù)，從而計算出與波段有關(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)度與效果測度的計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。上限效果測度是用來處置最大值的極性，下限效果測度的目的是進行最小值極性的處置，適中效果測度的目的是進行適中值極性的處置。
3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析與邊緣檢測的結(jié)合
在遙感圖像的邊緣檢測中融合灰色關(guān)聯(lián)分析，是一種較有新意的應(yīng)用嘗試，國內(nèi)對這方面的應(yīng)用研究正逐漸展開。在圖像邊緣檢測的過程中，其像素分為邊緣點與非邊緣點。從圖像的邊緣點可以看出，當邊緣點之間的像素點灰色值出現(xiàn)較大的波動時，通過灰色關(guān)聯(lián)度可以看出波動變化的程度，圖像中的非邊緣點，表現(xiàn)為點的像素值與附近像素值相似[7]?？梢赃x擇圖像中一個像素點與附近像素點相比較，得出比較序列，選擇非邊緣點的像素點與其附近的像素點相比較，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，兩者形成的幾何形狀相似度較高，由此判斷這一像素點是非邊緣點。兩者形成的幾何形狀相似度較低，由此判斷這一像素點是邊緣點。
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SAR和TM進行融合，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，主要是利用多個傳感器進行數(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方面的應(yīng)用。灰色預(yù)測、灰色模型等相比原始圖像更適合圖像增強，對比這兩種數(shù)列選擇方式，可以得出同樣像素的灰色預(yù)測值，并將得出的灰色預(yù)測值的平均值作為像素點增強之后的值。三是在圖像分類中的應(yīng)用。在遙感圖像的分類與識別中，利用灰色關(guān)聯(lián)分析理論對特征參數(shù)進行分析之后，根據(jù)特征參數(shù)與圖像相似度進行圖像分類[9]。
4 結(jié)語
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。灰色系統(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，對遙感圖像的波段選擇與邊緣檢測較為適用，具備一定的有效性與可行性?；疑到y(tǒng)理論還在圖像信息融合、遙感影像增強、圖像分類中有較高的應(yīng)用價值。在遙感圖像技術(shù)的研究過程中，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。