遙感不確定性問題及其處理方法

馮尚榮 陳慶濤

摘要：本文通過對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)的不確定性做出解釋和對(duì)其可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行歸納，即遙感數(shù)據(jù)本身的不確定性以及在處理中帶來的不確定性。并在此基礎(chǔ)上對(duì)不確定性的處理方法作出了歸納與對(duì)不確定性的影響過程。

關(guān)鍵詞：遙感數(shù)據(jù)；不確定性；方法

1.引言

隨著遙感技術(shù)的日益發(fā)展以及廣泛應(yīng)用，其面積大，時(shí)相廣，獲取信息高的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使得遙感成為地學(xué)研究，農(nóng)業(yè)種植，環(huán)境保護(hù)，軍事探測(cè)等方面的信息提供基礎(chǔ)，其也是地球科學(xué)中用來研究的主要信息支持。故研究人員對(duì)遙感數(shù)據(jù)的精度要求和處理方法也越來越高，由于在遙感數(shù)據(jù)獲取或處理中多種因素，并且在與GIS的共同使用中的雙方緊密結(jié)合。使得其精度也就是不確定性的問題成為其關(guān)鍵研究的關(guān)鍵。近年來，越來越多的學(xué)者組織已經(jīng)開始對(duì)此問題進(jìn)行研究，取得了大量成果。

2.遙感數(shù)據(jù)的不確定性

遙感數(shù)據(jù)主要是反映地球表層信息的數(shù)據(jù)。由于地球系統(tǒng)具有復(fù)雜性和開放性，所以所獲得的地表信息數(shù)據(jù)是多維的。而由于遙感信息通過地表反射，大氣傳輸以及傳感器接收預(yù)處理的過程中產(chǎn)生的信息衰減和信息之間復(fù)雜的相關(guān)性的原因，因此遙感信息的地學(xué)空間分析和反演具有不確定性的情況。遙感數(shù)據(jù)的誤差也就是不確定性由一些具體的方面。

3.遙感信息不確定性的來源

1.遙感數(shù)據(jù)獲取

在理想情況中，地面景與傳感器所接受的輻射幾何的關(guān)系應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)，但在自然條件或衛(wèi)星平臺(tái)的影響，這種幾何關(guān)系在一個(gè)范圍有一定的變化。這就會(huì)導(dǎo)致影響產(chǎn)生幾何形變，從而產(chǎn)生不確定性。

2.傳感器影響

傳感器的屬性和參數(shù)對(duì)圖像不確定性有顯著的影響。其決定了遙感影像的空間、時(shí)間和地面分辨率，而且也決定了影像數(shù)據(jù)的信噪比。由于在傳感器接受數(shù)據(jù)的過程中要受到平臺(tái)的飛行穩(wěn)定性、飛行姿態(tài)以及速度等影像，造成了傳感器系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而有遙感影像數(shù)據(jù)的不確定性。

3.遙感影像本身

遙感影像自身就存在的一些不確定性的因素，例如“同譜異物”和“同物異譜”現(xiàn)象，即光譜帶重合的不同地物以及地物相同卻有不同的光譜帶的情況；或者影響本身的分辨率問題導(dǎo)致在影響的處理過程中導(dǎo)致的模糊不確定性是顯而易見的；時(shí)相的差別在作為一個(gè)影像集中產(chǎn)生的不確定性的可能也是存在的。

4.外界條件

在外界條件例如溫度，天氣，水汽量，云量等影像問題下可能會(huì)造成遙感影像的畸變，從而帶來數(shù)據(jù)的不確定性。

5.遙感數(shù)據(jù)的處理過程影像

一般在獲取遙感影響后，需要根據(jù)具體情況對(duì)影像進(jìn)行幾何校正，輻射定標(biāo)以及大氣校正，在此過程中則會(huì)產(chǎn)生數(shù)的不確定性。

6.統(tǒng)計(jì)理論

在遙感圖像處理的過程中，一般都會(huì)用到多元統(tǒng)計(jì)模式來進(jìn)行分析，而且一般都是在隨機(jī)統(tǒng)計(jì)理論上對(duì)圖像來進(jìn)行處理。然而，對(duì)于遙感圖像所表現(xiàn)的地物情況，其互相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性是隨機(jī)理論不能完全代表的，所必然會(huì)帶來客觀存在的不確定性。

7.反演過程

遙感反演過程是通過遙感像元的灰度值來回頭分析地面的真實(shí)情況。而在本身的反演過程中本身就會(huì)產(chǎn)生不確定性，即對(duì)遙感影像DN值的數(shù)據(jù)分析結(jié)果也只是對(duì)真實(shí)地物的近似確定。

8.不確定性的綜合積累

在統(tǒng)計(jì)學(xué)上，由于變量含有誤差，而使得函數(shù)受其影響也含有誤差，稱之為誤差傳播，闡述這種關(guān)系的定律成為誤差傳播定律。而通過其定律我們可以知道在上述的種種不確定誤差原因后，在遙感的處理過程中會(huì)存在不確定誤差的積累。

故從上述原因中總結(jié)遙感影像數(shù)據(jù)的不確定性可以主要表現(xiàn)為：1.遙感邊界的模糊不確定性會(huì)導(dǎo)致對(duì)其的判定分類的不確定性而導(dǎo)致遙感數(shù)據(jù)本身的不確定性。2.遙感數(shù)據(jù)本身的時(shí)相，分辨率，光譜信息等自身屬性本來就會(huì)帶來不確定性。3.對(duì)遙感影像的處理例如大氣校正等因?yàn)槟Ｐ偷恼`差存在會(huì)導(dǎo)致得到的數(shù)據(jù)的不確定性。4.對(duì)遙感影像的反演應(yīng)用中由于客觀條件或者人員自身的主觀因素也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)帶來不確定性。

4.遙感數(shù)據(jù)不確定性的處理方法

一般來說，對(duì)于遙感數(shù)據(jù)的不確定性問題的處理方法主要有模糊集、多元統(tǒng)計(jì)、云理論、信息熵、靈敏度分析、粗糙集等

1模糊集理論

在科學(xué)研究或社會(huì)活動(dòng)中，由于事物具有多樣及復(fù)雜性，使得許多理論方法并不能針對(duì)其事物具有精確的描述或判定。即事物可能出現(xiàn)所謂的“灰色地帶”如土地類型邊緣劃分，河流匯入海洋的節(jié)點(diǎn)，草地至森林的邊界等。這些情況便需要進(jìn)行模糊處理。

針對(duì)遙感影像的模糊情況往往是利用隸屬函數(shù)來進(jìn)行處理，即來通過判斷像元x的DN值屬于某種條件值的次數(shù)和總的詢問次數(shù)n的極限比，從而通過一個(gè)形成的區(qū)間來進(jìn)行表達(dá)。x0∈X為一具體識(shí)別對(duì)象，如果有i0≤n，使Ai0（x0）=max（A1（x0），A2（x0），…，An（x0）），則稱x0相對(duì)隸屬于Ai0。若i∈{1，2，3…..，n}使得Aj（x）

2.多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)

在遙感影像處理中，存在著一些模糊與不確定性，類似于客觀世界處理隨機(jī)性的情況。對(duì)遙感影像中不確定中的情況進(jìn)行根據(jù)周圍像元值作為樣本進(jìn)行同級(jí)運(yùn)算，從而求出各隨機(jī)事件的概率并進(jìn)而研究隨機(jī)變量的分布（置信度），運(yùn)用例如回歸分析法、最小二乘法、最大最小估計(jì)法、主成分分析法等來對(duì)此類問題加以分析和解決。

3.云理論

云理論是以研究定性定量間的不確定性轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的系統(tǒng)處理不確定性問題的一種新理論，包括云模型、虛云、云運(yùn)算、云變換、不確定性推理等內(nèi)容，是一種對(duì)分類精度和分類速度大幅度提高的分類方法。通過Matlab算法將影像中的不確定性以及邊界像素的模糊性進(jìn)行組合集成。相對(duì)于傳統(tǒng)方法能夠提高精度，減少分類誤差情況。

4.信息熵

信息熵是作為遙感數(shù)據(jù)中不確定性的度量方法之一。在傳播中是指信息的不確定性，一則高信息度的信息熵是很低的，低信息度的熵則高。具體說來，凡是導(dǎo)致隨機(jī)事件集合的肯定性，組織性，法則性或有序性等增加或減少的活動(dòng)過程，都可以用信息熵的改變量這個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)尺來度量。目前信息熵在遙感影像處理中主要用于模式識(shí)別領(lǐng)域。

對(duì)于影像中不確定值是連續(xù)的情況，影像中的像元值的表達(dá)式為：

H（t）= -

式中，H（t）為信息熵；P（t）為概率密度函數(shù)。

5.靈敏度分析

靈敏度分析用于定性或定量地評(píng)價(jià)模型參數(shù)誤差對(duì)模型結(jié)果產(chǎn)生的影響，是模型參數(shù)化過程和模型校正過程中的有用工具。靈敏度分析可以用于模型的參數(shù)校正，其結(jié)果是在于確定模型中的哪方面容易在系統(tǒng)的描述中引入不確定性。其對(duì)遙感影像中的處理模型的不確定性評(píng)價(jià)也有一定的度量指導(dǎo)意義。通過靈敏度分析可以確定模型各個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)束輸出影像的大小，在對(duì)模型的修正中重點(diǎn)考慮在輸出結(jié)果中貢獻(xiàn)率很大的參數(shù)，而對(duì)于貢獻(xiàn)率較小或者影響不大的參數(shù)可以不用考慮，這會(huì)使得在校正過程中的冗余數(shù)據(jù)大大減少。

6.粗糙集

在遙感影像中經(jīng)常含有噪聲，分辨率不高不精確的像元甚至不完整的情況下，粗糙集理論便作為一種新型的處理方法出現(xiàn)了。其與模糊集均能處理不確定數(shù)據(jù)，但模糊集注重描述信息的含糊程度而粗糙集則強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的不可辨別，不精確和模棱兩可。在具體進(jìn)行遙感影像不確定性處理時(shí)，模糊集強(qiáng)調(diào)像元之間的像元值存在不同灰度，而粗糙集研究的是不同像元集合之間的關(guān)系，重在分類。粗糙集理論為處理具有模糊、不準(zhǔn)確、或者不完全信息的分類問題提供了一種全新的工具。其主要目的是在保持影像信息系統(tǒng)分類能力不變的前提情況下，通過知識(shí)簡(jiǎn)化，來導(dǎo)出問題的方法。粗糙集理論是一種處理模糊數(shù)據(jù)和不確定問題的新型數(shù)學(xué)工具。其利用上近似集和下近似集表示影像模糊邊界線區(qū)域。由于上近似集合下近似集可以通過等價(jià)關(guān)系給出確定的數(shù)學(xué)公式來進(jìn)行描述，因此模糊區(qū)域中的含糊數(shù)目可以被計(jì)算出來，也可以在真假二值之間的模糊程度可以計(jì)算。

5.結(jié)論

本文解釋了遙感不確定性的具體情況，總結(jié)了其出現(xiàn)在遙感影像中的一些原因情況。并且討論了處理此類問題的一些方法。這些方法有些已經(jīng)可以成熟應(yīng)用，而有些例如云處理粗糙集等新型方法目前還在不斷研究探討中。所以在選擇處理方法時(shí)需要根據(jù)具體情況來進(jìn)行實(shí)際選擇，或者對(duì)上述的方法進(jìn)行實(shí)際改進(jìn)。而在如今多光譜甚至高光譜已成為遙感影像的基本屬性的情況下。其大數(shù)據(jù)多信息帶來的不確定性也成為處理其數(shù)據(jù)的一個(gè)關(guān)鍵問題，這需要我們?cè)诒M量保留完整有用信息的情況下，運(yùn)用不同手段將其處理。

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