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遥感技术在考古中的应用范文1
【关键词】：遥感(RS)技术；用途；分类；常用的遥感数据；图像处理；应用范围
中图分类号： P283 文献标识码： A 文章编号：
0引言
随着计算机技术、光电技术和航天技术的不断发展，遥感技术正在进入一个能快速、及时提供多种对地观测数据的新阶段。遥感技术已经成为测绘领域中对信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。
1遥感技术
1.1遥感的定义
“遥感”，顾名思义，就是遥远地感知。传说中的“千里眼”、“顺风耳”就具有这样的能力。人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式－电磁波，并且发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。
1.2遥感图像的用途
就像我们生活中拍摄的照片一样，遥感像片同样可以“提取”出大量有用的信息。从一个人的像片中，我们可以辨别出人的头、身体及眼、鼻、口、眉毛、头发等信息。遥感图像一样可以辨别出很多信息，如水体（河流、湖泊、水库、盐池、鱼塘等）、植被（森林、果园、草地、农作物、沼泽、水生植物等）、土地（农田、林地、居民地、厂矿企事业单位、沙漠、海岸、荒原、道路等）、山地（丘岭、高山、雪山）等等；从遥感图像上能辨别出较小的物体如：一棵树、一个人、一条交通标志线、一个足球场内的标志线等。大量信息的提取，无疑决定了遥感技术的应用是十分广阔的，据统计，有近30个领域、行业都能用到遥感技术，如陆地水资源调查、土地资源调查、植被资源调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查、测绘、考古调查、环境监测和规划管理等。
由于遥感技术是从人们一般不能站到的高度去“拍照”，故从宏观视野上，也有着人力所不能及的优势。
1.3遥感技术
遥感技术包括传感器技术，信息传输技术，信息处理、提取和应用技术，目标信息特征约分析与测量技术等。
遥感技术依其遥感仪器所选用的波谱性质可分为：电磁波遥感技术，声纳遥感技术，物理场（如重力和磁力场)遥感技术。
电磁波遥感技术是利用各种物体／物质反射或发射出不同特性的电磁波进行遥感的。其可分为可见光、红外、微波等遥感技术。按照感测目标的能源作用可分为：主动式遥感技术和被动式遥感技术。按照记录信息的表现形式可分为：图像方式和非图像方式。按照遥感器使用的平台可分为：航天遥感技术，航空遥感技术、地面遥感技术。按照遥感的应用领域可分为：地球资源遥感技术，环境遥感技术，气象遥感技术，海洋遥感技术等。
2遥感的分类
2.1按遥感平台的高度分类大体上可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感
航天遥感又称太空遥感(spaceremotesensmg)泛指利用各种太空飞行器为平台的遥感技术系统，以地球人造卫星为主体，包括载人飞船、航天飞机和太空站，有时也把各种行星探测器包括在内。
卫星遥感(SatelLiteremotesensing)为航天遥感的组成部分，以人造地球卫星作为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。航空遥感泛指从飞机、飞艇、气球等空中平台对地观测的遥感技术系统。
地面遥感主要指以高塔、车、船为平台的遥感技术系统，地物波谱仪或传感器安装在这些地面平台上，可进行各种地物波谱测量。
2.2按所利用的电磁波的光谱段分类可分为可见反射红外遥感，热红外遥感、微波遥感
可见光／反射红外遥感，主要指利用可见光(0.4-0.7微米)和近红外(0.7-2.5微米)波段的遥感技术统称，前者是人眼可见的波段，后者即是反射红外波段，人眼虽不能直接看见，但其信息能被特殊遥感器所接受。它们的共同的特点是，其辐射源是太阳，在这二个波段上只反映地物对太阳辐射的反射，根据地物反射率的差异，就可以获得有关目标物的信息，它们都可以用摄影方式和扫描方式呈像。
热红外遥感，指通过红外敏感元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术的统称。遥感中指8—14微米波段范围。地物在常温(约300K)下热辐射的绝大部分能量位于此波段，在此波段地物的热辐射能量，大于太阳的反射能量。热红外遥感具有昼夜工作的能力。
微波遥感，指利用波长1—1000毫米电磁波遥感的统称。通过接收地面物体发射的微波辐射能量，或接收遥感仪器本身发出的电磁波束的回波信号，对物体进行探测、识别和分析。微波遥感的特点是对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天候工作。
2.3按研究对象分类可分为资源遥感与环境遥感
资源遥感：以地球资源作为调查研究对象的遥感方法和实践，调查自然资源状况和监测再生资源的动态变化，是遥感技术应用的主要领域之一。利用遥感信息勘测地球资源，成本低，速度快，有利于克服自然界恶劣环境的限制，减少勘测投资的盲目性。
环境遥感：利用各种遥感技术，对自然与社会环境的动态变化进行监测或作出评价与预报的统称。由于人口的增长与资源的开发、利用，自然与社会环境随时都在发生变化，利用遥感多时相、周期短的特点，可以迅速为环境监测。评价和预报提供可靠依据。
2.4按应用空间尺度分类可分为全球遥感、区域遥感和城市遥感
全球遥感：全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感的统称。
区域遥感：以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程，它通常按行政区划(国家、省区等)和自然区划(如流域)或经济区进行。
城市遥感：以城市环境、生态作为主要调查研究对象的遥感工程。
3常用的遥感数据
常用的遥感数据有：美国陆地卫星(Landsat)TM和MSS遥感数据，法国SPOT卫星遥感数据，加拿大Radarsat雷达遥感数据。
4图像处理
遥感影像通常需要进一步处理方可使用，用于该目的的技术称之为图像处理。图像处理包括各种可以对像片或数字影像进行处理的操作，这些包括图像压缩、图像存储、图像增强、处理、量化、空间滤波以及图像模式识别等。还有其它更加丰富的内容。
5遥感应用范围
遥感应用范围：陆地水资源调查、土地资源调查、植被资源调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查、测绘、考古调查、环境监测和规划管理等。
6结束语
遥感技术在考古中的应用范文2
关键词： 遥感技术 地质学 应用
中图分类号：F407.1 文献标识码：A
引言
随着科技的不断进步，遥感技术在地质学中的应用范围也越来越广，遥感技术在水文地质调查中、在城市规划建设中、在地质灾害调查和预测中及其在地质环境调查中都得到了长足的应用。地质学涵盖的范围比较广，本文主要侧重于遥感技术在地质勘探方面的应用，对遥感技术在地质勘探方面的应用进行详细剖析。
一、遥感技术在水文地质中的应用
随着社会技术水平的进步，应用高技术手段对提高水工环地质勘察工作效率具有重要的意义，遥感技术充分显示了其信息量大、宏观、快速、节省经费，且具有多时相动态监测等优势，广泛应用于水文地质勘查、评价、大型工程选线(址)、区域稳定性评价、地质灾害调查、评价预测及地质环境评价预测等领域。
二、遥感研究在不同岩区的成矿条件及矿床类型中的技术利用
随着地质学中成矿理论的发展，人们对成矿区的地质条件有了很大的了解，更加便于人们根据当地的地质、地貌条件，判断是否值得开展地质勘查工作。同时，各种地形地貌、成矿条件的不同，矿床的类型也不同，自然通过遥感技术所显示出来的地质图像也不相同。这样一来，使用遥感技术便能够根据图像显示的内容及采集的数据，极快的分析地质情况，了解矿床的类型。根据现代成矿理论，遥感技术主要指导找矿的矿床类型有以下四种。
1. 岩浆岩区矿床的遥感技术利用
这种类型的矿床主要是由于岩浆以及火山活动侵入造成的，一般会出现在岩浆岩和火山附近区域，尤其是内生金属矿床。由于受火山活动以及岩浆入侵的影响，在利用遥感技术进行感知时，所呈现的图像上成矿的具置往往会比较复杂。但是，可以根据周围火山或者岩石的结构特点，分析成矿的地点和分布特点。这种矿床一般距地面会比较深，且多处在构造断层处，常处于火山附近，或地质活动比较活跃的地区。
在这种区域找矿时，遥感技术的作用主要有以下几点：
1.1根据遥感感知的地形结构图，分析地区的成矿条件。
1.2根据周围的地质和岩石条件及特点，分析找矿工作的可行性。
1.3根据岩石和火山的特点，判断周围成矿的分布特点。
1.4通过地质断层的特点，确定成矿的最佳方位。
2 变质岩区矿床的遥感技术利用
变质岩区的地形地质特点比较复杂，利用常规的方法找矿难度很大。遥感技术恰好宏观解决了这一难题。利用遥感技术对岩区的地质基础进行深入的了解和分析，寻找各种成矿因素，及时发现遗漏的分析要点，能够为找矿工作提供有力的证据。在这一地域中，遥感技术的主要作用是：通过对遥感图像上展示出来的特定影纹结构和色调的详细分析和图像处理，能够发现一些与成矿有关的信息，进而指导找矿工作。同时，还可以对岩区的地质图像进行叠加等技术处理，从岩区的复杂构造活动中寻找含矿的迹象以及成矿规律。
3 .沉积岩区矿床的遥感技术利用
沉积岩区矿床的形成主要受某些岩性地层的影响，在一般的遥感图片上难以显示，通常需要利用航空遥感技术，获取必要的研究资料，才能了解区域构造，分析成矿的条件。
4. 表壳矿床的遥感技术利用
表壳矿床的形成主要受当时地貌的影响，根据特点不同，可以分为两种，即：近代风化壳矿床和砂矿。矿床区一般的矿物质大多是化学性质比较稳定的矿元素，如金、锰、铝等矿床。这两类矿床的主要存在地点不同，砂矿一般存在于低山丘陵的河谷区以及海滨区，而近现代的风化壳矿床主要存在于地形地质相对稳定和平缓的高平台地区，有时在凹地、破碎带或岩溶洼地中也会形成此类矿床。这两类矿床的发现都依赖于利用遥感图像对地质地貌的正确分析。
三、找矿工作中对遥感技术的利用
利用遥感所获取的地质资料和图像，对地区的成矿条件以及矿床的特点综合分析、合理预测，能够推进找矿工作的发展。尤其是现代计算机的数据分析和图像处理技术的进步，矿产勘查中对遥感技术的利用已经十分重要，并且应用技术也在不断的进步。对遥感资料的利用主要表现在以下两个方面：研究遥感影像上线、环构造与区域；通过多波段，多种影像分析成矿的关系，认识成矿规律并圈定找矿远景地段。主要的利用技术有以下几方面。
1线性构造及与成矿之间的关系：
大量研究表明，绝大多数遥感影像线性构造反映的是构造应力作用下的岩石形变带、软弱带或应力集中带，它们往往成为导矿与容矿的场所，还可能是某些成矿沉积盆地边界的控制因素，如对油气藏的圈闭等。通过对影像线性构造的综合分析，可以进一步了解区域成矿规律，从而进一步明确找矿方向。
1.1通过分析图像的线性构造，分析成矿的可能性。地质地貌所形成的线性构造，对成矿有着不同的影响。一般而言，矿产通常会出现于地质地貌发生大变化的地区，如巨型断裂带往往会有矿田或成矿带。但是，有工业远景的矿床却分布在与这些主干断裂斜交或平行的次级断裂和节理带中。
1.2通过感知地形构造，分析矿区特点。通过遥感图像分析，我们发现岩浆岩区的矿床大多存在于岩浆沿着大型剪切带侵入到扩容拐点区内（剪切应力场的拉张区），利用遥感图像以及相关的技术处理，我们可以将目光锁定在一定的范围内，在这些拐点附近重点勘查，减少不必要的工作。
1.3根据图像的线性构造，分析区域的成矿条件。通过对遥感影像以及遥感影像线性构造图的分析处理，结合相关的成矿理论，能够有效的提出成矿存在与否的假设，为下一步找矿工作提供正确的方向。
2 环形构造的影像以及与成矿之间的关系
2.1影像环形构造是由航天遥感图像中得到的,自从它被发现以来，得益于其与矿产之间的密切联系,越来越引起人们的高度重视。据有关部门统计,我国镍、铬、铁、金、钼、铜、锡、钨等主要内需内产型金属矿产,这些金属矿产大约有92%分别与2 100多个大小不一的环形构造有关。
2.2与矿产形成关系紧密的影像环形构造通常与构造岩浆形成原因有关,不同的原因具有不同的找矿作用。与垂直构造运动相关的负方向环形体,是由于地壳局部沉降而成的圆形坳陷以及构造盆地,较大型的环在地球物理场上可能会有反映,比如重力较低等,这类环形体通常与石油的赋存和沉积矿产有关,我国的很多油田分布在巨型负方向环的内边缘。
2.3和火山作用相关的环通常规模较小但是易成群出现,呈并列、寄生、叠环等组合形态,矿产往往存在于环体内部或边缘。 有时线、环体独立并存,或两者交汇、切线接触等,具有复合关系。许多资料表明,线、环体的交切部位可能是内生金属矿化富集的有利地段。
2.4遥感图像上色调异常、线性构造、环形构造的组合特征的解译,并研究其与矿田构造的基本要素(成矿岩体、控矿构造和围岩蚀变)的关系,从而建立由线、环、色斑异常组成的遥感矿田模式,从而指导找矿。
结语
随着科学技术的不断进步，遥感技术在地质学中的应用也会越来越广，地质勘探仅仅是其应用中的一个方面，如何合理利用遥感技术将是地质工作者需要长时间摸索与研究的问题，合理的遥感技术使用可以有效地提高工作效率与成果正确率。
参考文献
[1]. 吕霞;李丰丹;李健强;耿燕婷;宋苗苗;万林.中国地质调查信息网格平台的分布式空间数据服务技术[J].地质通报.2012(09)
遥感技术在考古中的应用范文3
【关键词】电力通信设备；电源；新技术；发展方向
随着科学技术的发展，在我国测绘技术也有了巨大的发展，同时我国的测绘技术也在由传统的技术向着现代高新数字化技术转型阶段，并且还在向着信息化方向发展。在现代情况下，测绘技术也正在向着信息化方向发展，在我国的国土测绘中一定会以其高效优良的特点做出巨大的贡献。
1 在我国土地管理中测绘技术的促进作用
首先，在土地管理中，要在土地开发与统筹安排的时候就做好地籍的测绘工作，并确定土地的性质特征，根据土地的实际情况给出精确的统计材料，并限制好相关资料范围，同时给我国图纸绘制部门能够提供出精准的数据。其次，为了明确土地的权利与范围，在进行地籍图测绘时，还应该让我国的土地使用权人也参加到测绘中去，以免在日后会发生一些土地纠纷。并且在进行地籍测量时，要认真仔细，因为测量的精确数字对以后开发并统筹安排土地有着巨大的促进作用，也有利于在实际中更好的展开测绘工作，而且还能在开发与统筹安排土地的时候，保护好土地开发者与土地使用者的合法权利。第三，在对土地进行开发与统筹安排之前，需要先对地形有详细的了解，并且对土地项目做出整体的评估与预测，在保证评估预测的各项数据都正确无误后才能开始继续进行测绘工作。所以，在对土地进行测绘工作时，测绘工作有着重要的作用，而随着不断深入进行的测绘工作，在实际中还会应用到更多先进的技术，使得我国地籍测绘工作更加精确。
2 国土测绘中新技术的应用分析
2.1 GPS技术
GPS即全球定位系统，具有全天、全球、及时性特点，能够给客户提供出精确的时速与位置，在实际工作中也得到了科学工作者普遍的支持和认可，因而已经在考古、地震预测、太空摄像、项目测绘以及土地勘查中有了广泛的应用。例如，在地籍控制测量中，应用GPS技术，点与点之间不要求相互通视，从而避免了点位选取的局限性，同时也不存在传统测绘中各种繁琐的要求，只需要使用相应的仪器，对点位进行合理选择，就可以实现高精度测量，满足地籍测量的要求
2.2 遥感技术
遥感技术主要是根据电磁波理论，利用各种各样的传感仪器，对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息进行收集和处理，然后成像，实现对地面各种景物的探测和识别。在实际工程测量应用中，遥感技术具备大面积同步观测的优势，同时也具有较高的时效性、经济性以及数据综合性，可以通过多光谱航空摄影以及多分辨率遥感卫星，对指定区域进行观测和测量，同时可以利用遥感技术，从航空摄像中获得不同比例尺的地形图，并通过地形图对测量区域进行分析，得到更加完整和有效的地理信息。例如，在国土测绘中，利用遥感技术，可以实现对于土地的动态监测，随时了解土地的变更、利用情况，对相关数据信息进行收集和记录，为土地利用规划提供准确的理论资料。同时，也可以及时发现违规用地的情况，保证土地利用的合法化和规范化。
2.3 RTK技术
RTK指实时动态测量，是GPS技术与数据传输技术的结合，是一种以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。在实际应用中，RTK技术主要体现在以下几个方面：首先，像控点测量。在待测区内的高等级控制点，架设相应的基准站，通过流动站对像控点的平面坐标和高程进行直接测量。对于不易设站的像控点，可以通过其他方式进行间接测量。这种方法不仅操作简单，不需要逐级布设控制点，还可以有效缩短作业时间，提高工作效率。其次，RTK可以对界址点的坐标进行实时测量，从而确定土地使用的界限范围，对用地面积进行计算，可以有效提升测量的速度和精度。然后，其他方面的测量，如地形、水域、管线等，依靠少量的基准点，就可以直接实现测量目标，如果结合专业的测图软件，还可以实现数字化测图。
2.4 CORS系统技术
在测绘中运用的CORS系统，也就是连续运行的卫星定位系统，该系统集电子通讯技术、多媒体技术以及GPS技术与一体，并且在RTK技术上建立起来的测绘系统。在实际中运用该系统还能够满足持续运行的要求，并且，一台连续运行的卫星定位系统，能够满足客户的迅速定位于即时定位要求。而在实际工作中，运用连续运行卫星的定位系统，还能迅速并准确地获得土地的三维数据和土地性质，之后进行全面的数据测量，并进行绘制。而且绘制的这些数据还是完整性、非静态性的。这样，在实际工作中就能够全天24小时的为客户提供出高准确度的精确信息，并且方便客户的统筹和策划工作。另外，运用连续运行的卫星定位系统，还能够在测绘工作中极大的减少人力和物力，并且提高工作的准确性与工作效率，节省维修费用。
在我国国土测绘中，使用这些新技术，提高了土地管理规划的效率。测绘技术具有精确、及时、高效的特点，GPS技术能够准确的做出定位，遥感技术能够土地变化讯息做出及时的反映。因此，在现代情况下使用新测绘技术，具有极大的便利优势，有利于我国国土测绘技术更好的发展。
3 测绘技术的发展建议
首先，还需要加强测绘管理的组织，在实际工作中需要各级部门都把这当成是一项非常重要的工作去做，同时做好测绘管理组织工作，并针对工作中遇到的困难要认真分析并解决。而为了促进我国测绘工作的更好发展，相关部门也要做好相应的配合协调工作。其次，需要在实际中完善测绘技术，并提升测绘数据在实际中的正规化生产，以提高土地资源的管理水平。在我国国土测绘中，国土资源单位也要不断的更新使用新技术，并提升管理土地资源的科学性与先进性。第三，国土测绘单位还需要充分的发挥出其实践性与创新性，全面的为我国国家土地资源服务，并且在各部门的相互配合下，督促测绘人员自觉的做好测绘工作，提高服务的质量，促进新测绘技术在我国国土测绘中的应用。
4 总结
综上所述，在我国的社会经济不断发展形势下，我国的国土测绘工作也在不断的发展，而新测绘技术的运用不仅能够提高我国的国土资源管理水平，而且还是实现我国土地管理与策划重要的方式。另外，从测绘方面与我国的土地资源管理方面来看，新测绘技术的应用也是人们需要重点探讨的内容，同时，为了适应不断发展的经济形势要求，测绘人员还需要不断的学习，利用新知识新科技促进我国国土测绘技术的发展。
参考文献：
[1]陶国春.GPS－RTK技术在条带地形图测绘的应用[J].煤炭技术,2011(15).
[2]吴清山,柳广春.GPS测量技术在中小城镇地籍测量控制中的应用[J].科学技术创业月刊,2010(30).
遥感技术在考古中的应用范文4
独特的地理环境和考古人员的积极参与使得的航空遥感考古工作一直走在全国的前列。1997年，中国历史博物馆遥感与航空摄影考古中心与内蒙古文物考古研究所和赤峰市文博单位合作，在内蒙古东部区开展了航空摄影考古工作，对辽上京、辽中京、祖陵、祖州城、庆陵、庆州城、元应昌路、元上都、金边堡及城址、陵墓和大型军事防御设施等古代遗存进行了大规模的航空勘察，采集了一批珍贵的影像资料，并出版了《内蒙古东部航空摄影报告集》，该书成为我国航空摄影考古和内蒙古航空遥感考古成熟的一个标志。2004年，在内蒙古文物考古研究所成立了内蒙古遥感考古工作站，之后与中国国家博物馆航空遥感考古中心在内蒙古西部地区进行了较多的工作，对西部地区的居延遗址、包头和清水河等地的一些古城、烽燧和边堡等大型遗址进行了一次航空摄影，为内蒙古地区的航空遥感考古奠定了坚实的基础。然而，这几次大规模的航空遥感考古的重点是对已发现的古城址、古遗址或古陵墓进行的一次有目的航空摄影考古。主要是为了从不同的视角来观察和了解这些大遗址、大陵墓的全貌、规模及与周边环境的关系，只是弥补了一些从地面调查和测绘中无法了解的现象，并未发挥航空遥感考古的优势。为了将航空遥感考古工作推向深入，中国国家历史博物馆航空遥感考古中心与内蒙古文物考古研究所合作，开展了一次针对一个区域的全方位的航空遥感考古调查工作。我们选择了文物考古研究所“浑河下游地区区域性考古调查”这个项目，以这个项目的地面调查资料为基础，从航空考古的角度进行一次全方位、多角度可深入性研究的调查工作，希望将这一区域地面调查资料的研究价值扩大化。
一、工作背景和工作方法
1.工作背景
浑河下游区域性考古调查是2004-2005年文物考古研究所为了配合《河套地区先秦两汉时期人类文化、生业与环境》项目，选择内蒙古中南部呼和浩特市清水河县境内的浑河下游地区和准格尔旗境内共280平方公里的区域进行的一次大规模的区域性考古调查（图一；图版一一，3）。调查中发现遗址点共367处，时代从仰韶文化早期———两汉时期，部分还见有辽金、明清时期。通过文字、照片、测绘图和采集遗物等手段记录下了遗址点地理位置、周边环境、地表环境、遗址保存状况和遗迹遗物的一些情况，获得了一批详细而科学的调查资料。此次调查不仅为发掘提供了基础资料，更为研究本地区生态环境的变迁、生业的发展变迁、聚落形态的发展以及社会结构的发展等方面提供了基础资料。
2.工作方法
针对这次航空考古调查的特殊性，参与航空考古的双方工作人员与实施本次航空考古的中国国家测绘研究所的人员进行了沟通，将预期要达到的目标、工作中出现的问题和后期研究工作中的一些设想、目的和意义进行了沟通，遂于2010年制定了详细的计划。希望航空摄影考古能和地面踏查资料结合起来，打破地面踏查的局限，且将航空摄影考古的优势发挥出来。根据要求，我们首次采用了立体影像和成图软件的应用，采用了航空影像区域立体快速解译系统（TOPStereo），成功实现了对大范围多航带立体模型的整体连接，使“立体测图”测绘技术演变成为一种新型的客观真实地形展示技术，从而能够满足我们对真实三维地理数据的强烈需求。
3.工作历程
2010年5月项目开始正式进行，国家博物馆遥感考古中心和内蒙古文物考古研究所的负责人对飞行区域的划定、天气和飞行模式等进行了研究并制定了有序的计划。2010年7月，双方委托中测新图（北京）遥感技术有限公司对调查区域开始进行飞行，采用无人机低空航测遥感系统，这一系统所具有的机动性、高精度和低成本等优势，在内蒙古地区的航空摄影考古中为首次应用。因为属于无人机飞行，所以要对航线进行程序设定，要选择气候和植被都最佳的时间段进行。遂于7月份至8月初完成了调查区域内所有的飞行任务。2010年8月开始至年底，对飞行的所有航线的航片开始整理、统计，编入数据库。并利用航空影像区域立体快速解译系统（TOPStereo），成功实现了对调查区域内多航带立体模型的整体拼接。通过顺利完成对浑河下游地区的航摄任务，无人机低空数码遥感系统再次经受住了实践的考验，顺利的完成1：2000成图比例尺的数字航空摄影，成功实现了连续立体模型观测解译系统辅助考古专业技术人员分析，开启了无人机应用于考古工作的新篇章。
二、区域性航空考古发现的若干新问题
1.航片和立体视图中所见的石城址地面调查中所发现的石城需要图片、测绘图和文字等才能对其进行全方位的了解，但是还是不够直观。本次航空考古所进行的垂直面影像图可了解石城的地理位置、控制范围、周边的地貌和环境，通过立体视图还可切身体验到石城周边的沟壑、水源与石墙的高度以及城内一些地面很难发现的现象。目前，本区域发现的石城皆为阿善三期文化和永兴店文化时期的。阿善三期文化的石城整体面积较小，与阿善三期文化的一般聚落相比较大，且所处位置也并不突出（图二）。从石城的布局和城墙的结构来看，不见瓮城、马面等设施，防御性能明显较弱。这些石城从航片上清晰可见，皆位于河流两岸较小的台地之上，个别石城的地理位置极其特殊，明显不具有居住的条件。如225号石城，处于黄河西岸拐弯处的一个圆形山顶之上，由两道石墙组成，中心有台基，至今还有山神庙的存在。这个石城从航片的观察来看，地理位置以及石城的建筑方式显然不适于人类居住，祭祀性质较强（图版一一，1）；233号遗址位于浑河向北拐弯的临河山体之上，从航片来看，整个遗址最适于居住的平缓地带不见石墙，而在紧挨浑河东岸的坡体下方筑有两三道石墙，所以这个石墙的功能显然与防御无关，更大的可能是保障聚落安全的防洪设施（图版一一，2）。永兴店文化的石城大多选在原先阿善三期文化的石城周边地区（图三），如位于浑河南岸的061号石城选在064号石城西部相邻的山体之上，规模变大且出现了马面、城门等复杂的防御设施（图版一二，1），此外还在浑河北岸正对的山体之上建成了本区域最大的278号后城咀石城（图版一二，3、4），与061号石城隔河相对，显然成为这一时期的一个中心聚落群。浑河南岸、黄河东岸的一处较大的石城351号下塔石城，其南北两侧毗邻深沟，东部仅存有极为狭窄的区域可供出入。通过发掘也表明，这一石城的地理选择极为讲究，东部狭窄的通道上方的坡体处可见结构复杂的石墙、夯土墙和马面、城门等。103号石城也是在225号和090号石城周边营建。这一阶段，仅发现278-061两岸相对的石城一组。以上情况表明，这一区域内区别于一般遗址的石城的出现可早到阿善三期文化偏晚阶段，晚期的石城大多选择在这一阶段出现的石城周边。另外，在几处阿善三期文化的石城中发现有永兴店文化的遗存，表明还存在着永兴店文化大多延用阿善三期文化石城的可能。如果这种可能被证实的话，永兴店文化的石城还存在着在河流两岸两两相对出现的现象。而这种现象还有待于在今后的地面复查或发掘中得到解决。#p#分页标题#e#
2.航片与地面踏查记录的比较发现的一些新问题
发现的一些新问题主要是短时间内部分遗址有了较大的变化，这些变化主要来自于自然力和人为活动的破坏。这在地面调查中难以直观的发现，但在航片中却表现的十分清晰。观察航片可以看到，遭到的严重破坏主要来自于人为的生产和经济活动，而自然破坏在短时间内不会对遗址地貌造成大的改变。自建国以后，这一地区人口激增，对遗址造成了较大的破坏，随着耕地面积的不断扩增，对丘陵、台地和河岸的冲积平原、河槽等地区都进行了农作物的栽种。遗址在水土流失的破坏下，再加上人为的犁、耕、种、挖等活动，又进一步对遗址造成严重破坏。从2004年间的地面调查到2010年的航拍，这一地区在经济利益的驱使下，到处挖矿、建厂使得部分遗址已经遭到几乎毁灭式的破坏，如084、086号遗址点的边缘已经被挖掘机破坏殆尽，遗址周边的文化层已经基本不见，到处暴露着灰白色的岩体，而且正在向遗址中部逼近（图版一二，5）。部分重要的城址的航片与1970年的航片相比，差异极为明显。如101号遗址点为位于黄河东岸的城嘴古城，是这一区域最大的一处战国古城址。1970的航片城址保存状况尚佳，南北两道城墙保存完整（图四，1；图版一二，2）。本次所拍的航片上可见南北城墙西段被修筑的沿黄公路直接破坏，而东城墙已经直接在城墙上方修建为乡间公路，且部分地段还建筑有现代房屋（图四，2）。以278号遗址即后城嘴石城来看，1970年的航片所反映的石城更为清晰，尤其是位于东北部的瓮城结构，清晰可见瓮城的墙体相连基本呈长方形，将城内严密的保护起来，与晚期的瓮城结构已经非常接近了（图五，1）。而四十多年后的今天我们的航片上仅见断续的墙体，仅能猜测为瓮城，但其形状结构已经难以辨析。据两张航片的对比来看，后城嘴村四十年来人口剧增，民居也明显增加，民房的建造直接用石墙上的石块和夯土，使得墙体遭到极为严重的破坏（图五，2）。351号下塔古城是区域性考古调查的新发现，保存较好，并对其进行了详细的地面踏查、测绘和试掘工作，四十年来变化不大，这是因为古城距离村落较远，而自然水土流失对之的破坏不甚明显。主要的破坏是来自于人为开辟耕地、修建梯田对城内文化堆积造成的破坏（图六）。
以上这几处城址前后四十年航片的对比可见，人为的破坏程度显然数倍于自然破坏，历经数千年自然变迁的城址未曾改变它的容颜，而仅仅几十年的时间，由于人口的增加、耕地面积和住房面积的增加，使得它们遭到剧烈的破坏。人类在适应自然、改造自然的同时已经对自然过度的开发和破坏，这些诸多方面的破坏因素，是我们仅靠双腿和地面踏查中目及范围内难以发现和认识的。航拍的补充和我们找到的四十年前的航片进行对比，也让我们对这一地区石城址和其它古城址的破坏有了更清醒的认识。3.航片中的标识是本次航空摄影考古的新发现航片中观察、辨识的一些由于植被、土壤颜色而造成的形状、线条、范围等在许多遗址点中都有发现，目前尚不清楚这些现象是由于哪些原因造成的。部分颜色呈灰褐色的圈或长方形、方形的标识，可能是古代的房址、窖穴；部分古城内发现一些凸起或颜色发深或发浅的可能是某种地面踏查较难发现的墓葬、台基等遗迹。此外还可能是由于地下埋藏在植被上造成的色差，这些都需要进一步的分析和研究，甚至是配合试掘方可得到验证。
三、区域性航空考古的价值
本次航空考古调查是以地面调查资料为基础，首次对某一区域进行的全覆盖性的一次航空摄影调查，不是选择性的飞行调查，而是对地面踏查范围进行的整体飞行。不是为了寻找新的遗址点，而是对地面调查的深化研究。大体可归结为以下几个方面：
1.此次航空遥感考古建立起了中国高原地区航空考古的新模式
航空遥感考古在内蒙古地区的开展，主要进行了沙漠地区考古和内蒙古东部区的大型古城的航拍工作，针对的还是地面调查所难以纵观全局的大型古城和陵墓，基本还是以单个遗址为主，虽然也涉及对遗存的周围环境进行观察，但毕竟注重点不同。而这次全面覆盖性的航拍，是内蒙古中南部高原考古的一次尝试，为以后实施这种全覆盖性的飞行提供了可行性的基础，也开创了高原考古的新模式。本次航空考古以一个区域为基础，对整个区域范围进行全方面的扫描式拍摄，工作量大而艰巨。从区域内将遗址点逐个找出来，确定其方位、范围是一项很繁杂的工作，在工作中我们为了尽最大可能的利用这些资料，走了很多的弯路也做了很多无用的工作，积累和总结这些正确的或错误的经验，对以后开展同类型的航空考古研究提供了借鉴。首次利用航空影像区域立体快速解译系统（TOPStereo），成功实现了对浑河流域区域性考古调查范围内的立体模型的整体连接，使“立体测图”测绘技术演变成为一种新型的客观真实地形展示技术，从而开创了将真实三维地理数据应用到考古调查中来的先例。
2.本次航空考古对地面调查有补充和校正的作用
在考古应用中，无人机低空数码遥感系统作为一种新技术，顺利的完成1：2000成图比例尺的数字航空摄影，成功实现和建立了连续立体模型观测解译系统辅助考古专业技术人员分析，开启了无人机应用于考古工作的新篇章。地面调查提供的坐标、面积、地理位置、周边环境等皆为人力进行的，面积和周边环境大多不是很准确，由1:50000地图所确定的地形图也不能详细表达遗址点的周边环境。而通过此次航拍提供的航片和三维立体图片可以将遗址置身于整个大环境之中来审视，可以校正当时地面调查肉眼观察的不足。特别是大型古城遗址，城内很多遗迹现象在地面踏查时不易察觉，而通过航拍却有所发现。三维立体视图中，对遗址所处的台地或坡地的坡度、范围以及与河流、沟谷的距离有了直观的认识，对进一步分析遗址点内人群的活动范围、取水路径以及与周边其它遗址点的关系等方面提供了可能。另外，通过这一系统的扩展、增容，可以提供遗址点的航拍图片、三维立体图片，加之以前地面调查的文档、图片和地形图等基础数据，可以实现对遗址点最大可能的检索和浏览功能。
3.航空考古为遗址保护提供了最直观的影像资料
如前所述，通过本次航空调查，发现多处遗址受到人为或自然力的破坏，从而为遗址保护提供了直观的影像资料。航空考古发现了许多山体丘陵被破坏的现象，也发现了许多遗址、古城正在被毁坏着。这些遗址、古城大多处于地形复杂、交通不便的丘陵地带，保护起来难度较大。我们发现，自然环境对遗址的破坏是长期的，这一破坏是由于地理环境、地形结构、土壤类型等因素造成的水土流失、冲沟分割、河床淤积、沙化等现象。然而这些自然的破坏却反映出了很多人为的因素，由于人口增加，耕地面积随之增加，使得大量的树木、灌木、草皮等原始植被遭到破坏。国家和虽然关注这个问题，对耕地周围的沟壑边缘大面积的退耕，并挖掘有大量育林坑，种植树木，在沙化严重的地方种植柠条和灌木等。但从航片观察来看，育林坑中树木的成活率很低，很多都是空坑，不见树木，而退耕还草的地方也成为羊群常常光顾的地方。这些现象不仅为遗址保护提出了迫切要求，而且也为该地区自然环境的恶化敲醒了警钟。该地区的地形基本为沟壑交错的山体丘陵地带，水土流失严重，对遗址的破坏较大。季节性的河流、突发的洪水都会对沟壑边缘的遗址造成大范围的冲刷破坏。另外，调查区域内铁、铝等矿产资源较为丰富，民间自行发掘矿产的现象极多，从而将遗址所在的山坡、台地已经挖空，使得遗址周边环境和遗址自身的地表环境满目疮痍。部分破坏严重的遗址已经仅剩极小部分，遗址范围已经在航片上难以确认。#p#分页标题#e#
4.航空考古对考古学研究新课题方面的意义
在航片中根据土壤颜色的差异、植被稠密稀疏、阴影的变化、水流痕迹等发现一些新的现象，本次调查在选择的遗址点图中都进行标识。有呈方形、圆形，颜色与周围相比较浅或较深，都是由于土壤的类型造成的。这次航拍，还对调查范围进行三维立体视图资料的采集，从而可以从更加立体化的角度来审视遗址点的环境、地形、植被等情况。对遗址点可以进行面积、高程、坐标等方面的查询，并且通过该测绘系统可以对遗址内沟壑的深度、坡度、面积等进行计算，从而来计算遗址的确切面积，进一步探讨遗址和周边可控制区域内所能承载的耕种、畜牧、打猎、取水等生产和生活方面资源的能力。这种立体视图，尤其对石城所处的环境、地形有了更加直观的认识，使得读者身临其境的来观察石城墙体的走势、墙体的高度、石墙与周围地形的完美配合等情况，对于了解石城所控制的地理范围、人动的路线和修建石城的设想等都可以进行推测和探讨。
5.航空考古对本地区未来发展的现实意义
（1）生态环境与生业之间如何协调
人口、耕地的增加，造成了本地区人们的生存压力，这种现象，历史由来已久。正由于这一地区靠近水源、黄土发育浑厚，相对优越的自然条件造成这一地区新石器时代文化较为发达。然而，时至今日，由于生态环境日益恶化，这种依赖自然资源、靠天吃饭的生存状态已经变得越来越艰难。当地居民的饮用水也不得不靠修建水窖收集雨水或储存河水来维系，更何况大面积的浇灌，因而造成土地的贫瘠，单位面积产量低下。为了生存，人们只能不断扩大耕地面积来获取更多的粮食，从而加剧了水土流失，如此恶性循环，造成了更大程度上的生态破坏，使生存环境迅速恶化。从考古角度来看，这一地区人们要想改变现状，必须先把自身的生态环境与生业发展之间的关系协调好。而航片中看到的现实是，退耕还林、种植树木的作用并未得到有力的实施。另外，人们依赖农业无法支持自身的生存，在现代化经济利益的驱使下，开始对地下矿藏进行开发，铁、铝、煤矿的自行开发使得土壤破坏更为严重，千百年来赖以生存的黄河、浑河等水系遭到污染，人们的生存环境剧烈恶化，只能将一个依赖农业发展的地区变成一个千疮百孔的荒山。
（2）建立自身的文化发展模式
遥感技术在考古中的应用范文5
[关键词]现代测绘技术；文物；三维激光扫描；近景摄影测量
中国是一个历史悠久、文化底蕴深厚的文明古国，聪慧的中华先民创造出一个又一个灿烂的文化，给我们留下数不胜数的历史文物与文化古迹。在这些文物、古迹中各种色彩绚丽、造型精致的壁画、彩陶十分众多，这些物体本身具备深厚的历史文化价值、科研价值、艺术价值。但在数百年、上千年的存储中各种文物都出现了或多或少的破损，因此如何有效的保护文物逐渐被人们重视。现代测绘技术的利用则有效的保护了各种文物价值，为现代化社会经济的发展做出贡献，也让人们更好的认识历史、了解历史。
一、现代测绘技术概述
我国是世界历史文化保存最好的文明古国之一，拥有五千多年的发展历史，在漫长的发展历程中中华文明璀璨光辉，历史建筑、历史文物、历史古迹等保存最为完善，数量数不胜数。古建筑、文物以及估计作为衡量历史兴盛、文化传承的重要载体，它们不仅拥有丰富的历史价值，而且具备很大的艺术性、文化性。但经历多年的沉淀积累，大多文物古迹在保存上都出现了一定的问题，使得文物古迹破损非常严重，给社会造成和大的影响。因此，为了更好、更全面、科学的掌握不可移动文物的数量、特征以及保存现状，合理、科学的开展现代测绘工作势在必行，也是未来社会经济发展的基础。
1、现代测绘概述
测绘主要指的是针对自然界的地理、地表设施的形状、位置、大小以及属性进行测定、衡量的数据采集过程，它在当今社会经济发展中伴随传感技术、信息技术、计算机技术的发展而不断创新与优化，也出现了许多新的测绘仪器和技术。目前我们生活中常见的测绘技术主要包含了GPS测绘技术、地理信息系统以及遥感技术等。
2、现代测绘技术的特点
现代测绘技术已经从原来的模拟技术、手工技术逐渐进入到信息化、数字化和智能化发展时代，且不断向着数字、只能的方向迈进。信息测绘技术的特点与优势主要表现在信息科学、网络技术以及计算机技术等多方面，它是集全球定位系统、地理信息系统和遥感系统为一体的综合性内容。时至今日，现代测绘技术已经呈现出多元化、多领域、多尺度发展模式，为整个社会经济的发展做出积极贡献。
二、现代测绘技术在文物保护中的应用
测绘是一门历史悠久、应用范围广的现代化综合科学技术，它是一个贯穿于国民经济发展全过程的内容，包含了经济建设、国防建设以及施工建设等多个产业。尤其在近几年，随着现代科学技术的进一步发展，以为电子技术、激光技术和计算机技术为核心的现代测绘产业不断兴起，引发了人们对测绘技术的研究，也让测绘方法和设施产生了深刻变革。在这种背景下测绘学科由原来单纯的手工测绘转变为以各种先进技术和设备为指导的新型测绘方式，也让其在文物保护工作中的应用成为可能，为文化事业的更进一步发展做出积极贡献。
1、我国文物研究测绘现状
文物是人类历史发展过程中遗留下来的各种文物以及建筑遗迹，它是从不同角度反应我国过去人类生活环境、社会活动、生存条件、生产技术的文化产物，也是衡量当时经济发展水平、社会活动的一种文化理念。在目前的文物保护工作中，整个保护工作的开展包含了考古研究、档案整理、文物维修、文物挖掘等多方面内容，但具体分析这些内容都是按照测绘资料的指示开展的，都离不开测绘工作的指导。在这种社会背景下，我们就需要将现代化测绘技术更好、更科学的引入到文物保护工作中，从根本上杜绝各种问题发现、挖掘破坏的发生。文物测绘工作在目前应用中最基本的特点和要求就是尽可能的避免直接接触文物，通过科学、有效的测绘技术真实、准确、完善的反映文物所处环境条件，在信息获取和表示上突出文物细节和历史信息表达，而对文物信息可作适当的取舍和综合。文保研究测绘的特点还包括：目标体形式多样、测绘条件千差万别、文物测绘图件要求严谨、文物测绘图件功能丰富等等。
2、具体的应用情况
2.1近景摄影测量技术
利用近景摄影测量技术进行文物测绘主要可以分为两个阶段的工作，第一步是摄影测量和控制测量，第二步是影像处理及影像资料的建档。摄影前针对所摄对象和文物基本情况进行摄影站点的布置设计，既要涵盖全部制图范围，又要构成有效的立体像对，同时还要使得立体构像便于观测。针对文物的特殊性，摄影时需要特别注意光线的适当，仔细选择施光位置和光照方向，并保证在拍摄过程中尽量稳定，将表面的细微变化完整地表现出来。
2.2三维激光扫描技术
施测流程三维激光扫描技术应用于文物保护数据获取卞要包括如下几个过程：外业数据的获取、扫描数据的高精度拼接、点云去噪、利用点云建模以及生成各种类型的测绘产品。其中，外业数据获取部分卞要包括场地分析、标靶布置、分站扫描三个步骤；内业数据处理部分卞要包括原始数据与格式转换、多站拼接与坐标系统的建立、按精度需求生成相应文件与数据应用四项内容。
三、结束语
现代测绘科学技术已全面进入数字化时代，其应用将逐步扩大到考古发现、文物保护的各个领域。随着现代测绘科学技术在文保研究中的不断应用，对文物古迹的三维建模已经成为现实，而接下来研究的重点将是如何快速、高效、精确地利用丰富的数据源，以及多源数据融合真实再现三维立体模型，使文保测绘工作更系统化、自动化。
参考文献：
遥感技术在考古中的应用范文6
关键词:Contourlet域;隐马尔可夫树;超分辨率复原;遥感图像
中图分类号: TP391.41;TP751
文献标志码:A
Contourlet-based super resolution restoration for remote sensing images
SHI Yi-xing1, WU Wei1,2, LUO Dai-sheng1, YU Ji-ye1
(
1. College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610064, China;
2. Jiangxi Province Key Laboratory for Digital Land, Fuzhou Jiangxi 344000, China
)
Abstract:
This paper presents a Contourlet-based super resolution for remote sensing images, which use Contourlet coefficients as the features. It describes a better degree of directionality and anisotropy. And we find the smallest Euclidean distance to the computed feature by global searching. According to the distributions of the found coefficients in finer scale, we lead the Hidden Markov Tree (HMT) model to the remote sensing images in Contourlet domain, And apply the EM algorithm to estimate the parameters of the HMT model. With the parameters, we renew the Contourlet coefficients using a Bayesian estimation theory. Finally, the super resolution for remote sensing images has been achieved a better effect.
This paper presented a Contourlet-based super resolution for remote sensing images, which adopted Contourlet coefficients as the features. It described a better degree of directionality and anisotropy, and used the smallest Euclidean distance as the computed feature by global searching. According to the distributions of the found coefficients in finer scale, the Hidden Markov Tree (HMT) model was introduced to the remote sensing images in Contourlet domain. And the Expectation Maximization (EM) algorithm was applied to estimate the parameters of the HMT model. With the parameters, the Contourlet coefficients were renewed by using Bayesian estimation theory. Finally, the super resolution restorationfor remote sensing images has achieved better effect.
Key words:
Contourlet domain; Hidden Markov Tree (HMT); super resolution restoration; remote sensing image
0 引言
随着遥感技术的日益发展,人们对遥感图像的应用也逐渐增加,遥感技术在陆地水资源调查、土地资源调查、植被资源调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查、测绘、考古调查、环境监测和规划管理等领域都有广泛的应用。目前国外有很多高分辨率的卫星图像,如Quick Bird, IKONOS, Orb View等,其空间分辨率可以达到0.5@m左右,而国内目前还没有达到这样的水平,所以对遥感图像领域超分辨率技术[1-2]的研究有着重要的意义。
图像的超分辨率技术主要有两类:一是基于重建的超分辨技术,另一类是基于学习的超分辨率技术。本文采用的是基于学习的超分辨率研究,借助于高分辨率训练样本的先验知识,把单幅低分辨率图像复原成高分辨率图像。目前国内外对遥感图像的研究已较多。文献[3-4]中分别利用Wavelet变换和Contourlet变换的特点,对图像建立多方向多尺度的隐马尔可夫树(Hidden Markov Tree,HMT)模型,并应用于图像去噪和纹理复原,达到了很好的效果。文献[6]中提出了一种基于小波域隐马尔可夫树模型的遥感图像超分辨率复原方法,对低分辨率图像建立了更优的模型,得到了不错的复原效果。文献[7]结合地理学和语义特征,对遥感图像进行了复原研究。文献[8]中进行了基于MTF理论的遥感图像复原研究,通过基于频域的去噪和指数调节MTF曲线拉伸来对遥感图像进行复原。文献[9]中提出了一种基于小波阈值理论的
遥感图像复原方法,通过分析信息和噪声在小波系数中的关系来去除噪声,从而达到图像复原的效果。但以上对遥感图像复原的方法都不是基于学习的超分辨率方法,并且基于学习的超分辨率算法目前主要针对人脸图像,而遥感图像具有人脸图像所不具有的不规则性和特殊性。把Contourlet变换运用于遥感图像的超分辨率复原可以弥补以上的不足。
本文采用基于Contourlet域的遥感图像超分辨率复原技术。在训练样本集中,首先对高分辨率遥感图像经过两次下采样后,降质为原来的1/16,然后再插值放大成原尺寸,从而形成高低分辨率遥感图像的训练样本对。利用Contourlet变换分别对高低分辨率图像对进行5层,每层4个方向的Contourlet金字塔分解,得到的Contourlet系数再做差,把训练样本的高低分辨率图像Contourlet系数差值(高频细节信息)作为先验知识。结合Contourlet系数特征,用最小欧式距离进行全局最优匹配的选择,得到可能性(概率)最大的差值高频细节系数,与输入待复原图像Contoulet系数相加得到初步估计的复原图像的叠加系数。然后通过分析初步复原遥感图像的Contourlet叠加系数的分布,引入HMT,运用期望最大(Expectation Maximization,EM)算法对其进行参数估计,并结合贝叶斯估计原理对初步复原的遥感图像系数进行修复处理,最后作反变换,实现遥感图像的超分辨复原。通过详细的实验结果分析表明,本文方法复原出的超分辨率遥感图像具有更好的视觉效果,更逼真,更接近于原始高分辨率图像。
1 Contourlet变换和Contourlet金字塔
Contourlet变换[5]是一种新的多尺度、多方向滤波带的变换,与小波变换相比,Contourlet变换不但继承了小波变换的多分辨、局部化、严格采样性的特点,还具有小波变换不具有的方向性和各向异性的特点。因此,Contourlet变换能够更有效地从不同尺度、不同方向、不同频率的子带中捕捉图像的边缘细节信息,在图像压缩,去噪,特征提取等方面能够提供更优越的信息。离散Contourlet变换是由多尺度分析的拉普拉斯塔式(Laplacian Pyramid,LP)变换和方向分析的方向滤波器组两部分组成。
┑4期 ┦一兴等:基于Contourlet域的遥感图像超分辨率复原技术
┆扑慊应用 ┑30卷
1.1 高斯金字塔
高斯金字塔[10]包含低通滤波和降采样两个过程。设原图像G1为高斯金字塔的最底层,即第1层,则第l层高斯金字塔由式(1)生成:
Gl(i,j)=
∑2m=-2∑2n=-2w(m,n)Gl-1(2i+m,2j+n),
i≤M2,j≤N2,1
其中:
w(m,n)是一个窗口函数,具有高斯低通滤波的特性; M,N分别为图像Gl-1的行数和列数;K为金字塔的总层数。
是一个具有高斯低通滤波特性的窗口函数,分别为图像Gl-1的行数和列数,为金字塔的总层数【。
1.2 拉普拉斯金字塔和Contourlet金字塔
拉普拉斯金字塔是高斯金字塔与其上一层通过插值放大的差值图像,而最高层是对应高斯金字塔本身。由于上层图像是下层图像低通滤波后降采样得到的,拉普拉斯金塔字实际上是同级高斯金字塔的高频分量,即图像的细节部分。第l层拉普拉斯金字塔由式(2)生成:
Ll(I)=Gl(I)-EXPAND(Gl+1(I)),1≤l
其中EXPAND(•)表示插值放大。
对每一层拉普拉斯图像进行方向滤波器组(Directional Filter Bank,DFB)分解,就形成多个带通方向的图像,这样就可以构建一个Contourlet金字塔[10]。图1显示了Contourlet变换原理,图2对遥感图像进行了3层,4个方向的Contourlet分解。
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图1 Contourlet变换原理
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图2 遥感图像的Contourlet变换
2 Contourlet系数特征及隐马尔可夫树模型
观察遥感图像的Contourlet变换系数,在图像中较为平滑的区域对应着小的非显著的Contoulet系数(图中的黑色部
分);相反,对应于图像的边缘局部信息,如边缘轮廓,则是大的显著Contourlet系数(白色部分)。文献[4]对Contourlet系数相关性的研究中给出了三个重要的Contourlet变换域系数关系:邻居系数,兄妹系数和父子系数。
对于当前Contourlet系数,位于同一尺度、同一方向子带内相邻位置上的系数,定义为邻居系数;位于同一尺度不同方向子带内相应空间位置上的一组Contourlet系数为其兄妹系数;若存在位于相邻较粗糙尺度对应方向子带内相应空间位置上的Contourlet系数,定义为其父系数,它们分别对应着相邻系数、不同方向子带、不同尺度间的系数相关性。这些系数被称为当前系数的广义邻居系数,对Contourlet系数的建模有重要的作用。
2.1 Contourlet系数统计模型
描述Contourlet统计模型涉及到边缘统计模型和联合统计模型两个方面。其中,边缘统计模型只能描述各个子带系数的个体分布特点,而没有说明系数间的相关性。Contourlet系数具有持续性、聚集性等特征,与前面提到的广义邻居系数之间是存在相关性的,这就可以用联合统计模型来对其进行描述。
文献[4]在对Contourlet系数统计模型的进一步研究中,指出Contourlet系数的边缘分布具有高度的非高斯特性,并且依赖于广义邻居系数。因此,可以用混合高斯模型来精确地描述自然图像的Contourlet系数。利用信息论中的互信息的概念I(X;Y)Ю炊量分析测试图像Contourlet系数间的相关性,发现父系数为当前系数最显著的预测系数。
根据自然图像的Contourlet系数特征,用HMT[3]对其建模。HMT模型是一个具有四叉树相关结构的隐马尔可夫网络模型(Hidden Markov Model,HMM)。在HMM中,每个系数都有一个相关联的隐状态,以其状态为条件,各个系数都可用高斯分布来进行建模。HMT模型在父系数和4个子系数的隐状态间确立连接,可以从图3、4中清楚地看到Contourlet HMT模型和Wavelet HMT模型的结构,相比于Wavelet HMT中父子系数的联系总是在相同子带方向上,Contourlet HMT则可以在不同自带方向上,即Contourlet HMT模型在描述内部方向的相关性上面具有更优越的特性。图中的黑色点表示系数,每个系数上面的白色圆点则表示其隐状态。在本文中用到的是2种隐状态的HMT模型,分别象征着图像的边缘和平滑区域。
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图3 两种模型
2.2 HMT参数
若把Contourlet系数分解为J个尺度,每个尺度上的方向子带数为mj,Contourlet HMT模型具有以下参数θ[4]:
1)Aj,k(j=2,…,J;k=1,…,mj)为尺度j-1上的父节点转移到尺度j子节点状态转移概率;
2)p1,k(k=1,…,mj)为各方向子带根节点的状态概率;
3)σj,k(j=1,…,J;k=1,…,mj)为尺度j,方向子带k上的标准差。
在已知HMT模型参数向量θ的情况下Contourlet系数v处于状态m的概率用状态概率p(Sj,k,n=m|vj,k,n,θ)。
设在HMT模型中只有两种状态,即取状态值N=2,并假定广义高斯分布均值为0,这时所需要的自由参数包括1个最粗尺度上的根节点状态概率p1,k,尺度间分别对应两个两种状态下状态转移概率Aj,k,和两个均方差σj,k,因此对于最粗尺度上的子带各需要3个参数,其他尺度的子带各需要4个参数,对于由粗到细分解的各尺度所含子带数分别为4、4、8和8时,总的自由参数共92个。
3 基于Contourlet域的超分辨率复原
通过对训练图像集对(高分辨率256×256和其降质为64×64后再插值放大的低分辨率图像256×256),分别进行Contourlet金字塔分解,得到具有5层,每一层有4个方向子带的Contourlet系数,把这样的高低分辨率图像系数的数值之差作为先验知识,如图4所示。
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图4 高低分辨率差值系数形成
3.1 特征表示
对于输入的低分辨率测试样本图像(64×64)插值放大
成(256×256),运用Contourlet金字塔分解成5层、每层4个方向子带。用1~4层Contourlet金字塔的系数来形成特征向量F(X)(m,n)。而对高分辨率训练样本图像也进行相同的Contourlet系数分解和特征表示,形成对所有样本中第3层任意位置(2i,2j)上对应的所有父子系数(1~4层)用特征向量Fn(Xn)(i,j)来表示。
3.2 匹配复原
本文对大小为2×2的块特征向量,采用最小欧式距离进行全局搜索来判断最佳匹配。
dn=arg minFn(Xn)(i,j)-F(X)(m,n) (3)
对于低分辨率的测试样本图像的特征F(X)(m,n)与所有训练样本中的特征Fn(Xn)(i,j)相似的匹配点,我们认为对应点中的差值高频信息也应该相似,因此可以从差值系数中得到相应位置的差值Contourlet系数(1~4层),再叠加到低分辨率的测试样本图系数上,形成初步Contourlet系数复原。如图5所示。
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图5 匹配复原
3.3 Contourlet系数建模
通过把差值系数叠加到待复原图像系数上,得到初步的超分辨率复原图像。对其Contourlet系数做进一步研究,发现叠加上来的差值系数信息有些是不需要的噪点,可认为由学习而来的差值系数的噪声近似为零均值高斯白噪声,这样就可以引入HMT模型来进行进一步的去噪[4]。
在Contourlet域,图像系数可以表示为:v=u+e。其中,v,u和e分别表示初步复原图像,最终复原图像和加性噪声的系数。首先对v进行HMT建模得到参数θv={Aj,k,p1,k,σj,k,μ},由此可以通过减去噪声变量来得到最终复原图像参数θu:
(σu(j,k,n),m)2=(σv(j,k,n),m)2-(σe(j,k,n))2(4)
其中:σ(j,k,n),m表示在第j个尺度,第k个方向上的第n个系数状态为m的高斯标准差,在实际的算法过程中对每一方向子带上的标准差进行了“绑定”,即对同一方向子带上所有的n都相等σj,k,n=σj,k。而若上式中相减结果小于0,则(σu(j,k,n),m)2=0,对初步复原图像的去噪问题可用贝叶斯估计的公式来表示:
E[uj,k,n|vj,k,n,θu,Sj,k,n=m]=
(σu(j,k,n),m)2(σu(j,k,n),m)2+(σe(j,k,n))2 vj,k,n(5)
从式中可以知道,当已知当前系数的状态Sj,k,n、参数θu,系数的分布可以看作是高斯分布,图像去噪复原问题就成了对含有零均值高斯噪声的零均值高斯信号的估计问题,可以用EM[3]算法来计算已知参数θu的系数状态概率p(Sj,k,n=m|vj,k,n,θu),这样,对复原图像系数的估计公式变成:
E[uj,k,n|vj,k,n,θu]=∑mp(Sj,k,n=m|vj,k,n,θu)×
(σu(j,k,n),m)2(σu(j,k,n),m)2+(σe(j,k,n))2vj,k,n(6)
3.4 核心算法描述
1)训练过程。
先将一批高分辨率训练样本Ti(i=1,…,n)(256×256)降质成(64×64),再插值放大成与原图相同尺寸的低分辨率样本Ti′(i = 1,…,n)(256×256),形成高低分辨率样本图像对。分别建立5层、4个方向的Contourlet金字塔,把高分辨率Contourlet系数减去低分辨率系数的差记作差值训练系数,如图5所示。提取Contourlet金字塔的1~4层Contourlet系数组成特征向量Fn(Xn)(i,j)。
2)学习过程。将输入的低分辨率图像64×64经过插值放大为256×256,建立5层高斯金字塔和Contourlet金字塔,对1~4层Contourlet系数建立特征结构F(X)(m,n)。将待复原图像第3层分成2×2的块,位置为(2m,2n),然后运用式(3)计算该特征与训练样本全局特征的最小欧式距离dn,Ы对应点的高频差值信息加到待复原图像对应位置,得到初步复原Contourlet系数,如图6所示。
3)去噪过程。对初步Contourlet系数建立隐马尔可夫树模型,通过EM算法估计其参数Е泉v,г擞檬(6)得到最终复原的Contourlet系数,再对系数作反变换得到复原的高分辨率图像。
本文基于Contourlet域实现超分辨率的算法流程如图6所示。
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图6 Contourlet域超分辨率的算法流程
4 实验结果
本次实验使用的遥感图像来自于网站/data/landsat/的Landsat卫星TM模式拍摄的遥感图像,其空间分辨率为30@m,将其截取大小为256×256的图像若干,选取80幅图作为训练样本(高分辨率图像库),选取降质成64×64作为测试图像。实验分别与最近邻插值放大和立方卷积插值放大进行了对比。图7中对本文方法和两种插值放大方法进行了效果对比。图8显示了不同方法的峰值信噪比值。
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图7 实验结果比较
从图7、8中可以看出:本文算法实现的超分辨复原图像峰值信噪比值最大,清晰度也最高,其次是立方卷积插值的放大图像,最差的是最近邻插值实现的放大图像,图像也最模糊。
5 结语
本文基于Contourlet域的方式对遥感图像实现超分辨复原,采用具有更好方向性和各向异性的特点的Contourlet系数
作为特征表征图像,通过最小欧氏距离来选择可能性最大的差值高频信息,并针对叠加差值信息产生多余噪点的不足,引入了HMT模型对其系数进行修复,从而达到超分辨。通过详细的实验结果分析表明,本文方法复原出的超分辨率遥感图像具有更好的视觉效果,更利于进一步遥感图像分析。
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图8 不同方法的峰值信噪比
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