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形态学及其在遥感影像处理中的应用研究

段汕  
【摘要】:数学形态学是一项以图像形态几何特征及结构特征的定量描述与分析为主要研究内容的新兴图像分析技术,是线性向非线性处理的延拓。形态变换最大的特点是能将大量复杂的影像处理运算转换成为最基本的移位与逻辑运算的复合来完成,这是其方法在图像处理的诸多领域能越来越广泛地被人们所关注、挖掘和应用,形态分析的理论、方法及其与之相关的诸多技术能不断地发展、深入和创新的重要原因。如何将这样一项新兴发展的技术有效地应用于遥感影像信息的处理中,使遥感技术能更好地发挥作用是一项有价值的研究课题。 高分辨率遥感对地观测技术是关系到国家安全和可持续性发展的重点技术。自第一颗空载对地观测合成孔径雷达进入轨道以来,大量的雷达传感器发射升空,由此获得的影像数据使得遥感技术发挥着越来越重要的作用。数学形态学所提供的影像分析方法包括图像滤波、图像分割和图像特征的测量,这些方法与大多数对地观测影像的处理相关。因此,形态分析方法能成功地运用于地球科学和遥感领域就显得自然。尽管如此,在形态分析应用技术上仍然还有很多有待进一步研究的问题。针对遥感影像处理领域中形态分析方法的发展现状,本文以形态学方法在遥感影像中的基础性研究方法为主要内容,从应用的角度对于形态分析的理论和方法进行扩展和创新,建立了基于集合势的广义形态变换系统、基于多值数据序结构关系的多值形态变换理论、基于形态小波的多尺度形态塔式变换方法,并从实用的角度设计了具有简化形态运算的应用算法。具体工作可以概括为以下几个方面: 1)从实用的角度提出了形态变换构造性的结构形式及其理论体系; 通过对形态变换模型空间代数结构及拓朴结构的研究,揭示了形态分析理论的结构特点。基于结构函数所建立的形态变换理论在方法上扩展了基于位移所提出的形态变换的基本概念,将多种形式、基于不同空间结构的形态变换统一在同一个框架上。布尔函数与形态变换关系的研究表明,所有的二值形态变换都可以通过适当地选取布尔函数的方法,运用秩变换或者说更为一般地,运用加权形态卷积变换加以表示;不仅如此,利用加权形态卷积变换还可以方便地对形态变换进行改善、调整、甚至扩展,使得在原有形态变换的基础上,能扩充出更大一类具有形态变换特性的广义形态变换形式,从结构化的角度描述了形态变换的代数结构及代数表现形式,与此同时,为灰值形态变换建立了桥梁,在一个更加宽阔的层面上将灰值形态学与二值形态学统一起来,为形态分析算法的研究提出了一个新的思路。对于阈值形态变换、形态连通变换、重构形态开闭变换结构特点的研究展示了图像处理问题中形态变换在实际问题中运用及构造的基本思想和方法,为形态分析理论的发展和应用提供了一个继续研究的途径。 2)提出了形态小波的基本思想及构造线性及非线性形态小波变换的理论及算法; 介绍了形态小波变换的基本思想。作为对形态小波理论及应用方法的研究,提出了建立一种多尺度的线性形态小波变换和具有附益性的形态塔式变换的理论及算法。在理论上对变换的表示理论进行了论证,从应用的角度给出了算法建立的构造性表示方法,得到了一种构造线性与非线性形态小波变换的基本途径。形态塔式变换提出了一种利用形态算子构造非线性塔式分解技术的有效途径,它将形态学中具有附益性的形态算子成功地引入多分辨技术,获得了基于不同形态附益变换的一系列的非线性形态塔式变换及其算法理论。


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