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    遥感数字图像计算机解译遥感数字图像计算机解译( (分类分类) ) ??教学目的和教学要求: 教学目的和教学要求: ?? 1. 1.了解:遥感数字图像计算机分类原理了解:遥感数字图像计算机分类原理?? 2. 2.掌握:遥感数字图像计算机分类过程掌握:遥感数字图像计算机分类过程?? 3. 3.重点掌握:遥感数字图像计算机分类方法重点掌握:遥感数字图像计算机分类方法??本章知识点和教学内容: 本章知识点和教学内容: ??一、分类原理一、分类原理??二、分类过程二、分类过程??三、分类方法三、分类方法??学时: 学时: 2 2学时学时??授课方法:讲授授课方法:讲授遥感数字图像计算机解译遥感数字图像计算机解译??以遥感数字图像为研究对象,在计算机系统以遥感数字图像为研究对象,在计算机系统支持下,综合运用地学分析、遥感图像处理、支持下,综合运用地学分析、遥感图像处理、地理信息系统、模式识别与人工智能技术, 地理信息系统、模式识别与人工智能技术, 实现地学专题信息的智能化获取。实现地学专题信息的智能化获取。一、分类原理一、分类原理??遥感数字图像分类遥感数字图像分类————是通过模式识别理论,利用计算机将遥感是通过模式识别理论,利用计算机将遥感图像自动分成若干地物类别的方法。图像自动分成若干地物类别的方法。??统计模式识别的关键是提取待识别模式的一统计模式识别的关键是提取待识别模式的一组组统计特征值统计特征值,然后按照一定准则作出决策, ,然后按照一定准则作出决策, 从而对数字图像予以识别。从而对数字图像予以识别。??分类过程中采用的统计特征变量包括: 分类过程中采用的统计特征变量包括: ??全局统计特征变量全局统计特征变量————整个整个??局部统计特征变量局部统计特征变量————各个单元各个单元分类的依据是遥感图像像素的相似度分类的依据是遥感图像像素的相似度??度量特征空间中的距离经常采用以下算法: 度量特征空间中的距离经常采用以下算法: ??( (1 1)绝对值距离: )绝对值距离: ??( (2 2)欧氏距离)欧氏距离??( (3 3)马氏距离)马氏距离??( (4 4)混合距离)混合距离??( (5 5)相关系数)相关系数二、分类基本过程二、分类基本过程监督分类监督分类??又称训练分类法: 又称训练分类法: 分析者在图像上对每一种分析者在图像上对每一种类别选取一定数量的训类别选取一定数量的训练区, 练区, 1. 1.平行算法平行算法

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  • 遥感原理与应用中遥感平台、遥感传感器篇章的介绍

    遥感平台

    遥感平台的类型

    • 分为地面平台、航空平台、航天平台
    • 高度最高的平台是气象卫星GMS(geostationary meteorological satellite,地球静止气象卫星)索塞表的静止卫星;其次是高度为700~900km的 Landsat, SPOT, MOS等地球观测卫星

    地面平台

    • 置于地面或水上的装在传感器的固定或移动装置,高度在100m以下
    • 近距离测量地物波谱和摄取供试验研究用的地物细节影响
    • 为航空遥感和航天遥感定标、校准和信息提取提供基础数据

    航空平台

    • 主要指高度在30km以内的遥感平台,包括飞机和气球两种类型
    • 飞机
      • 低空平台(飞行高度小于2000m),获得大比例尺、中等比例尺航空遥感影像,直升机是最常用的低空遥感平台;侦察飞机可以进行300—500m的低空遥感;一般的遥感试验通常在1000一1500m高度范围内进行
      • 中空平台(飞行高度在2000—6000m)为轻型飞机;较大比例尺遥感影像,为区域资源勘察、环境监测和制图等提供遥感数据
      • 高空平台(飞行高度在12000—30000m)
    • 气球
      • 最早用于航空摄影的低空平台
      • 携带照相机、摄像机、红外辐射计
      • 低空气球(发送到对流层【12km以下】),最高高度达到5km
      • 高空气球(发送到平流层),能在一恒定的气压高度漂浮,所以又称自由式遥感气球
      • 无人机
        • 固定翼型无人机(矿山资源监测、林业和草场监测、海洋环境监测、污染源及扩散态势监测
        • 无人驾驶直升机【起降场地的要求不高,但结构复杂,操控难度大】(突发事件的调查,如单体滑坡勘查、火山环境的监测)

    航天平台

    • 定义:指高度在150km以上的人造地球卫星、宇宙飞船、空间轨道站、高空探测火箭、航天飞机等遥感平台
    • 高空探测火箭:火箭上升时冲击强烈,易损坏仪器,且成本高、所获资料少,不是理想的遥感平台
    • 人造地球卫星:不需要供给燃料和其他物资,费用低廉
      • 低高度、短寿命卫星:以军事侦察为主要目的(分辨率高,资源详查、军事侦察
      • 中高度、长寿命卫星:大部分遥感对地卫星(陆地卫星、海洋卫星、气象卫星),目前遥感卫星的主体(资源调查、环境监测
      • 高高度、长寿命卫星:也称为地球同步卫星,被用于通信、气象、地面动态监测(火山、地震、森林火灾、洪水)(重复探测,观测周期短,大范围动态监测
    • 宇宙飞船 (spaceship),缺点是飞行时间短,飞越同一地区上空的重复率少
    • 航天飞机 (space shuttle)——目前只有美国真正用过,且整个航天飞机计划于2011年7月21日宣告结束,亚特兰蒂斯号是最后一次飞行的航天飞机
    • 轨道空间站

    遥感平台的姿态

    遥感平台的姿态

    • 三轴倾斜
      • 指遥感平台在飞行过程中发生的滚动(rolling)、俯仰(nitching)和偏航(yawing)现象
    • 振动
      • 除滚动、俯仰与偏航以外的非系统性的不稳定振动现象

    遥感平台姿态的测定

    • 位置、倾斜等时间性变化对扫描图像有很大的影响 --> 必须在平台上搭载姿态测量传感器和记录仪。
    • 飞机平台姿态测量仪器(速度表、高度表、陀螺罗盘、多普勒雷达、GPS、陀螺水平仪、飞行记录器等)
    • 卫星平台姿态测量仪器
      • 确定卫星姿态的常用方法–>测定姿态角
        • 利用姿态测量传感器
          • 两台姿态测量仪+测量偏航的陀螺仪
          • 例如:AMS(红外姿态测量);IKONOS卫星上使用的恒星跟踪仪和激光陀螺
          • 利用GPS测定姿态需要将3台GPS接收机装在成像仪上,且同时接受4颗以上的GPS卫星信号,解算出3个姿态角
        • 利用星相机
          • 星相机和地相机组装在一起,在对地成像的同时,星相机对恒星摄影,并精确记录卫星运行时刻,再根据星历表、相机标准光轴指向等数据解算姿态角,但要求每次至少要摄取3颗以上的恒星。

    遥感卫星轨道及其类型

    卫星轨道类型及其特征

    地球同步轨道

    太阳同步轨道

    • 太阳同步轨道指卫星轨道面绕地球的自转轴旋转,旋转方向及其周期与地球的公转方向及其周期相等的转道
    • 近极轨卫星、采用近级轨道、近圆轨道
    • 在一段时间内获取包括南北极在内的覆盖全球的遥感影像
    • 太阳光入射角几乎固定,对于利用太阳反射光的被动式传感器来说,可以在近似相同的光照条件下,获取同一地区不同时间的遥感影像,对监测同一地区的地表变化非常有益(例如获取北京2000年12月11日和2020年12月11日的绿化情况进行比较)
    • 近极轨卫星每天在同一地方时同一方向通过处于同一纬度地区
    • 太阳同步轨道有回归轨道准回归轨道之分。回归轨道是指卫星星下点的轨迹每天通过同一地点的轨道;而每N天通过的情况称为准回归轨道。要覆盖整个地球适于采用准回归轨道

    遥感传感器

    传感器概述

    传感器类型

    基本传感器的三种类型:可见光传感器(摄影机、扫描仪)、热红外传感器(扫描仪)和微波传感器(合成孔径雷达)传感器的分类

    • 按电磁波辐射来源分类
      • 主动式传感器和被动式传感器
    • 按传感器的成像原理和所获取图像的性质
      • 摄影机 (框幅式,缝隙式,全景式), 扫描仪 (光机扫描仪,推帚式扫描仪) 和雷达(真实孔径雷达、合成孔径雷达)
    • 按传感器对电磁波信息的记录方式分类
      • 成像方式、非成像方式的传感器
    • 按传感器相应波长的不同分类
      • 光场传感器【可见光】、热场传感器【中红外、热红外波段】、微波传感器【微波波段】

    传感器的组成

    遥感传感器的一般构成图4 . 2

    • 收集器(收集来自地物的辐射能量)
      • 最基本的收集元件:透镜组(摄影机)、反射镜组(扫描仪)、天线(雷达)
      • 如果是多波段遥感,其收集系统中包含按波段分波束的元件,如滤色镜、棱镜、光栅、分光镜、滤光片等
    • 探测器
      • 实现能量转换,测量和记录接收到的电磁辐射能量
      • 举例:感光胶片(近紫外到近红外)、光电敏感元件(紫外到红外,电磁波信息转化为电信号)、热探测器(利用辐射的热效应工作,灵敏度和响应速度低,仅在热红外波段应用多)、波导(雷达探测器探测微波的元件)
    • 处理器(输出电信号)
      • 处理器的转化系统一般都是电光转化器
    • 输出器
      • 直接
        • 摄影分幅胶片、扫描航带胶片、合成孔径雷达的波带片
      • 间接
        • 模拟磁带:回放出来的电信号可通过电光转化显示图像
        • 数字磁带:带记录时要经过模数转换,回放时要经过数模转换,最后仍通过光电转化才能显示图像

    传感器的性能

    • 获取信息:目标地物的大小、形状及空间分布特点;目标地物的属性特点和变化特点
    • 即为:目标地物的几何特征、物理特征和时间特征
    • 空间分辨率
      • 遥感影像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小
      • 直接表述方式
        • 地面分辨率、像素分辨率、地面采样间隔
      • 间接表述方式
        - 瞬时视场角(IFOV)、影像分辨率
      • 注意:其他表述方式都可以归化为地面分辨率
      • 波谱分辨率
        • 传感器探测器件接收电磁波辐射所能区分的最小波长范围,或接收目标辐射时能分辨的最小波长间隔
        • 对扫描型传感器来说,波谱分辨率的提高不仅取决于探测器性能的改善,还受空间分辨率的制约
      • 辐射分辨率(radiometric resolution)
        • 表征传感器所能探测到的最小辐射功率的指标或指遥感影像记录灰度值的最小差值
        • 表现:每一像元的辐射量化级
        • 也称灰度分辨率
        • 热红外传感器:也成为温度分辨率
      • 时间分辨率
        • 对同一目标进行遥感采样的时间间隔
        • 也成为重访周期;对轨道卫星成为覆盖周期
        • 取决于卫星轨道的类型和传感器的视场角范围与床干起的侧视能力
      • 视场角(FOV)
        • 传感器对地扫描或成像的总角度
        • 决定了一幅图像对地面的覆盖范围
        • 还决定了某些传感器的基高比,基高比越大,高程测量精度就越高
          典型传感器各个性能比较表

    对于特定的地物,并不是波段越多、分辨率越高就越好;在某些情况下,波段太多、分辨率太高,接收到的信息量太大,形成海量数据,反而会“掩盖”地物电磁辐射特性,不利于快速探测和识别地物。因此,选择最佳工作波段与波段数,并具有最适当的分辨率的传感器是非常重要的,如感测人体选择8一12um,探测森林火灾等应选择3一5um,才能取得好的效果。

    摄影型传感器

    用光学系统成像并用胶片记录影像的传感器称为摄影型传感器,所得到的图像称为摄影图像。

    • 分为框幅式摄影机、缝隙式摄影机、全景摄影机和多光谱摄影机
    • 由摄影机、滤光片和感光材料组成
    • 共同特点:由物镜收集电磁波,通过滤光片过滤,并聚焦到感光胶片,通过感光材料的探测与记录,在胶片上留下目标的潜像,经过摄影处理得到可见图像
    • 工作在可见光波段,较多应用于航空遥感
    • 单镜头框幅式摄影机:整幅图像同时曝光成像,获得一张完整且具有中心投影特征的分幅像片
    • 缝隙式摄影机(航带式或推扫式摄影机):安装在飞机或卫星上,摄影瞬间所获取的影像是与航线垂直,且与缝隙等宽的一条地面影像带
      缝隙式摄影机成像过程
    • 全景摄影机(全景扫描相机、扫描摄像机、摇头摄像机):利用焦平面上一条平行飞行方向的狭缝来限制瞬时视场,在摄影瞬间获得地面上平行于航迹线的一条很窄的影像,当物镜沿垂直航线方向摆动时,就得到一幅全景像片,其特点是焦距长【但由于全景相机在成像过程中焦距保持不变,而物距随扫描角的增大而增大,因此在影像上会出现两边比例尺逐渐缩小的现象,称为“全景畸变” 】
    • 多光谱摄影机:对同一地区、同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机,获取的图像为多光谱图像,这增加了目标地物的信息量,提高影响的判读和识别能力
      • 单镜头:利用分光装置滤光片,将收集的光束分离成不同的光谱部分,并使它们分别在不同的胶片上曝光,形成同一地物不同波段的影响【注意光束分离过程中能量的损失】
      • 多镜头:利用多个物镜获取地面在不同波段的反射信息(采用在不同镜头前加装不同滤光片的形式),并同时在不同胶片上曝光而得到地物的多光谱像片
      • 滤光片:摄取全色像片和彩色像片时,为了减少大气散射光的影响,增加影像反差和防止偏色,在摄影机的镜头前加浅黄色滤光片来限制蓝光的通过
      • 具有很高的灵敏度和分辨率,但是响应波段短(0.4~1.1um),不便于信息的实时传输和数字处理,很难较长时间的连续工作

    扫描型传感器(光机扫描仪、推帚式扫描仪、成像光谱仪)

    探测范围从可见光到整个红外区,并采用专门的光敏或热敏探测器把收集到的地物电磁波能量变成电信号记录下来,然后通过无线电频道向地面发送

    • 光机扫描仪
      • 借助传感器本身沿着垂直于遥感平台飞行方向的横向光学机械 扫描,获取覆盖地面条带图像的成像装置
      • 分为红外扫描仪和多光谱扫描仪
    • 推帚式扫描仪(线性阵列传感器,linear array sensor,CCD固体扫描仪)
      • 将固体光电转换元件排成一排作为探测器的扫描仪
    • 成像光谱仪
      • 使扫描仪在获取地物影像的同时也获取该地物的光谱组成。这种既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”技术,称为成像光谱技术

    微波成像类传感器

    • 特点
      • 全天候、全天时工作
        • 瑞利散射衰减少
        • 可见光遥感只能在白天工作,红外遥感不能穿透云雾
      • 对地物有一定的穿透能力
        • 波长越长,地表湿度越低,穿透深度越深
      • 微波对地物具有特殊的波谱特征
        • 微波辐射特征差异变大
        • 例如,在微波波段中,水的比辐射率为0.4,而冰的比辐射率为0.99,其亮度温差相差100K,容易进行区分;而在红外波段,水的比辐射率为0.96,冰的比辐射率为0.92
      • 雷达遥感图像包含相位信息和极化信息
        • 不仅可以记录电磁波振幅信号,而且可以记录电磁波相位信息和极化信息
        • 干涉测量:由数次观测得到的数据可以计算出针对地面上每一点的相位差,进而计算该点的高程
        • 极化测量可以大大提高成像雷达对目标各种信息的获取能力
        • 提供不同于可见光和红外遥感的信息
          • 微波高度计具有测量距离的能力,可用于测定大地水准面
            -由于海洋表面对微波的散射作用,可利用微波探测海面风力场,有利于提取海面的动态信息
            微波传感器分类

    注意:以上5种微波传感器中,只有微波辐射计和成像雷达可用于成像

    • 微波温度计:记录目标的亮度温度
    • 雷达(RADAR, radio detection and ranging)无线电探测与测距:由发射极天线在很短时间内,向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲,然后再由天线接收目标地物的回波信号而进行显示的传感器
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  • 遥感影像及其特征、遥感图像处理方法介绍

    遥感影像及其特征

    航空摄影及其影响特征

    航空摄影类型

    按摄影倾斜角分类

    • 垂直摄影(像片倾斜角小于3°)
    • 倾斜摄影(像片倾斜角大于3°)

    按摄影实施方式分类

    • 单片摄影
    • 单航线摄影
    • 多航线摄影

    按感光片和波段分类

    • 全色黑白摄影
    • 黑白红外摄影
    • 彩色摄影
    • 彩色红外摄影
    • 多光谱摄影

    航空像片的几何特性

    投影类型

    • 正射投影
    • 中心投影
      正射投影和中心投影

    航空像片的投影及构像规律

    航空像片的中心投影

    在中心投影上,点的像仍然是点;直线的像一般仍是直线,但如果直线的延长线通过投影中心时,则该直线的像就是一个点;
    空间曲线的像一般为曲线,但若空间曲线在一个平面上,而该平面又过投影中心时,它的像则为直线;
    平面的像一般为平面,只有当平面通过投影中心时,像为一直线;

    航空像片的特征点线

    航空像片的特征点线

    航空像片的相点位移

    地形的起伏和投影面的倾斜会引起像片上像点位置的变化,称为像点位移。引起航空像片像点位移的主要因素是像片倾斜和地面起伏

    • 因像片倾斜引起的像点位移——倾斜误差
      • 地物点在倾斜像片上的像点位置与同一摄影站获得的水平像片上的像点相比,产生的一段位移称为倾斜误差
      • 规律
        • 倾斜误差的方向在像点与等角点的连线上
        • 倾斜误差的大小与像片倾斜角成正比,倾角越大,误差越大;
        • 倾斜误差的大小与像点距等角点距离的平方成正比,与摄影机的焦距成反比,即
          越位于像片边缘的像点,倾斜误差越大;焦距越小,倾斜误差越大
    • 因地形起伏引起的像点位移——投影误差
      • 由于地形起伏,高于或低于基准面的地面点,在像片上的像点对于它在基准面上的垂直投影点的像点所产生的直线位移,称为投影误差
      • 规律
        • 投影误差的大小与像点距像主点的距离成正比,像片中心部位投影误差小,像主点是唯一不因高差而产生投影误差的点
        • 投影误差与航高成反比,航高越大,引起的投影误差越小
        • 投影误差与高差成正比,高差越大,投影误差越大,反之越小。地物点高于基准
          面时,投影误差为正值,像点背离像底点方向移动;地物点低于基准面时,投影误差为负值,像点向着像底点方向移动因地形起伏引起的像点位移
    • 航空像片的使用区域
      • 使用中心部分
      • 使用面积由像片的航向重叠和旁向重叠
        的中线(或距中线不超过1mm的线)所围成航空像片的使用面积

    航空像片的比例尺(略)

    • 水平像片的比例尺
    • 倾斜像片的比例尺
    • 比例尺的测定

    航空像片的立体观察与立体量测(略)

    • 立体观察原理
    • 像对立体观察
    • 立体观察方法和效应
    • 航摄像片的立体量测

    陆地卫星及其影像特征

    陆地卫星以探测地球资源、环境监测为主要目的,在900km左右的高度上沿太阳同步近极地近圆形轨道运行,不间断地实施对地观测

    Lansat 卫星系列

    • 概况

      • 1967年,NASA制定了地球资源技术卫星计划(ERTS计划)
      • 目前已经发射到 Lansat-8
        Landsat卫星概况
    • 轨道特征

      • 中等高度卫星、近圆形轨道、进极地轨道、太阳同步、准回归轨道
      • 实现全球覆盖,便于图像的对比分析和对地面地物变化的动态监测
    • 传感器

      • 反束光导摄像机(RBV),多光谱扫描仪(MSS)、专题制图仪(TM)、陆地成像仪(OLI)和热红外传感器(TIRS)
    • Landsat-8的改进

      • 在原蓝光波段外新增了1个深蓝(deep blue)波段,用于监测近岸水体和大气中的
        气溶胶,因此,也称为海岸/气溶胶(coastal / aerosol)波段
      • 新增了1个卷云(cirrus)波段.用于卷云检测
      • 将原热红外波段的光谱范围一分为二,设置了两个热红外波段
      • 收窄了原近红外波段的范围,以便去除0.825um处水汽吸收影响
      • 收窄了原全色波段范围,新的全色波段的光谱范围不再覆盖近红外波段
    • Landsat 图像的空间信息

      • 图像经纬度
        • 卫星运行轨道和经线的夹角成为图像方位角
        • 不同纬度图像的方位角不同,在使用卫星影像时,注意单张像片的方位以及它所编地图的关系
      • 图像获取时间
        • 近乎一致的光照条件使全球范围内相同的地物具有相似的色调和灰度值
        • 便于互相对比,进行一致的分类和识别
      • 图像的重叠
        • 航向重叠:沿卫星运行方向的重叠
        • 旁向重叠:图像在相邻轨道间的重叠, 由轨道间距和成像宽度决定;重叠率随纬度的增高而增大
      • 图像的投影
        • RBV:光学镜头成像,中心投影
        • 其他:扫描成像,每次有效扫描都有一个中心,多福图像属于多中心投影,且投影中心动态变化;在较大比例尺制图中,考虑投影变形的影像,必须进行几何校正和投影变换
    • Lansat 数据产品

      • 原始数据产品(Level 0)
        • 包含用于辐射校正和几何校正处理所需的所有参数文件
        • 可以在各个地面站之间交换并处理
      • 辐射校正产品(Level 1)
        • 未经过几何校正
      • 系统几何校正产品(Level 2)
      • 几何精校正产品(Level 3)
        • 采用地面控制点对几何校正模型进行修正
      • 高程校正产品(Level 4)
        • 采用地面控制点和数字高程模型对几何校正模型进行修正,进一步消除高程影响
        • 要求用户提供数字高程模型数据

    SPOT卫星系列

    地球观测卫星系统 SPOT 是由法国国家空间研究中心(CNES)主导、欧盟相关国家参与共同开发研制的地球资源卫星,也称为“地球观测实验卫星”

    高空间分辨率陆地卫星

    • 美国高分卫星
      • GeoEye-1, IKONOS, OrbView-3, QuickBird等
        美国高分卫星概述
    • 其他高分卫星

    其他国家的高分卫星概述

    • 中国地球资源卫星
      • 2009年10月14日发射了中国与巴西共同投资研制的首颗中巴地球资源卫星 CBERS-01( China一Brazil earth resource satellite),我国又称为ZY-1 。其后,相继发射了CBERS-02B, CBERS-03, CBERS-04以及资源三号(ZY-3)卫星
      • CBERS系列卫星均为太阳同步回归轨道,轨道高度778km,轨道倾角98.5°,回归周期26天
      • 主要搭载CCD相机、红外扫描仪(也称红外相机)、宽视场成像仪等传感器

    气象卫星

    气象卫星主要传感器有成像仪和垂直探测器两类。

    • 成像仪选用波段均位于大气窗口区,用于透过大气层观测下面的云和地表状况;
    • 垂直探测仪选用的光谱波段位于大气吸收带及其边缘,用于研究大气微量组成成分的含量及大气温度的垂直分布

    气象卫星类型

    分为地球静止轨道卫星(GMS)和太阳同步轨道卫星(极地轨道气象卫星,POMS)
    全球卫星气象系统由由5颗地球静止轨道气象卫星和2颗极地轨道气象卫星组成全球观测网,可获得完整的全球气象资料并连续监测地球上任何一个地区的天气变化
    全球气象卫星检测网

    • GMS
      • 空间分辨率低,边缘几何畸变严重,定位和匹配精度不高
      • 适用于地区性短期气象业务,有利于高密度动态遥感监测,如日变化频繁的天气、海洋动力现象等
    • POMS
      • 低中轨-近极地太阳同步轨道,由于高度低,可实现的观测项目更丰富,探测精度高
      • 提供中长期数值天气预报的数据资料

    气象卫星观测内容及特点

    • 特点
      • 高时间分辨率
      • 成像面积大,有利于获得宏观同步信息,减少数据处理量
      • 资料来源连续及一致性,同时资料的相对可比较性性强,分布一致
      • 卫星资料是对一定视场面积内的取样平均,具有较好的区域代表性

    美国 NOAA 卫星

    • NOAA卫星是由国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmosheric Adminis tration , NOAA)运行的第三代气象观测卫星第一代称为TIROS(泰罗斯)系列(1960一1965年),第二代称为ITOS(艾托斯)系列(1970一1976年)
    • 搭载传感器:改进型高分辨率辐射计AVHRR/3 ( advanced very high resolution radiometer model)、高分辨率红外垂直探测仪 HIRS/3 ( high resolution
      infrared sounder model)和改进型微波垂直探测仪 AMSU ( advanced microwave sounding unit)
      AVHRR/3 参数及主要应用

    中国气象卫星

    • 极轨卫星系统和静止卫星系统
    • FY-1卫星(极轨气象卫星)
      • FY-1A, FY-1B:试验卫星
      • FY-1C, FY-1D:业务卫星
    • FY-2卫星(静止同步)
      • FY-2A,FY-2B:试验卫星
      • FY-2C,2D,2E,2F:业务卫星
    • FY-3卫星
      • FY-3A,FY-3B:试验卫星
      • FY-3C:业务卫星
      • 探测仪器
        • 可见光红外扫描辐射计、红外分光计、微波辐射计、中分辨率成像光谱仪、微波成像仪、紫外臭氧探测器、地球辐射收支探测器、空间环境监测等8种探测仪器
      • FY-4卫星
        • 卫星姿态稳定方式:三轴稳定
        • 在世界上首次实现静止轨道成像观测和红外高光谱大气垂直探测综合观测
        • 首次采用SAST5000平台
        • 首次实现了我国天基闪电观测,区域扫描仅需1分钟
          FY-4科研试验星和FY-2业务卫星比较
          FY-4与其他卫星比较
      • 与国际同类卫星相比,风云四号A星装载的多通道扫描成像辐射计,其14个成像通道与国际水平相当。
      • 装载的干涉式大气垂直探测仪在世界上首次实现了静止轨道红外高光谱探测,可以获取大气温湿度三维结构,处于国际领先水平。
      • 风云四号装载的闪电成像仪首次实现了对亚洲大洋洲区域的静止轨道闪电持续观测。国外只有美国新一代静止轨道气象卫星GOES-R搭载了闪电成像仪对西半球美洲区域进行观测。

    海洋卫星

    海洋卫星的类型

    • 海洋水色卫星
      • 探测海洋水色要素
      • 主传感器:海洋水色仪(可见光多光谱扫描辐射计)
      • 1997年8月1日,美国射了世界上第一颗专用海洋水色卫星“海星” 。该卫星装有
        洋宽视场传感器
        ,用于海洋水色探测海洋生产力研究
    • 海洋地形卫星
      • 探测海表面拓扑(海平面高度的空间分布、海冰、波高、海面风速和海流等)
      • 只配置雷达高度计和微波辐射计
      • 主传感器是雷达高度计,微波辐射计仅作为水汽传感器使用,为雷达高度计的水汽订正服务
    • 海洋动力环境卫星
      • 探测海洋动力环境要素
      • 装载有合成孔径雷达、微波散射计、雷达高度计和微波辐射计等

    中国的海洋卫星

    • 2002年5月5日和2007年4月11日分别发射的海洋一号A,B星(HY-1A 、HY-1B ),属我国海洋水色环境卫星系列,主要用于海洋水色色素的探测
    • 2011年8月16日,我国第一颗海洋动力环境监测卫星―海洋二号卫星(HY-2)成功发射,该卫星集主、被动微波遥感器于一体,装载雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计和校正微波辐射计以及DORIS 、双频GPS和激光测距仪

    海洋卫星的发展趋势

    • 两个方向
      • 小型:轻质量、低成本、快交付、多用途
      • 大型:同时搭载多种传感器进行综合测量
    • 三种类型
      • 海洋水色卫星:更高的光谱分辨率,覆盖范围由局部海域变为全球海洋
      • 海洋地形卫星:提高观测精度,进入民用业务化阶段
      • 海洋动力环境卫星:进一步提高微波传感器的性能,实现多种传感器的集成
    • 一个注意
      • 对三维海洋结构及其物理化学和生态过程的了解,仍需要结合传统的观测手段,形成以卫星为主体的立体海洋观测体系

    遥感图像处理

    遥感图像处理是对遥感图像进行辐射校正和几何校正、图像整饰、投影变换、镶嵌、特征提取、分类以及各种专题处理等一系列操作,以求达到预期目的的技术

    • 光学处理:利用光学和电子学的方法对遥感模拟图像(照片、底片)进行处理,简称光学处理
    • 遥感数字图像处理:利用计算机对遥感数字图像进行一系列操作,从而获得某种预期结果的技术

    数字图像

    • 采样
      • 把时间上和空间上连续的图像变换成离散点(采样点即像元,pixel)的集合的一种操作
      • 即空间、时间的离散化处理
    • 量化
      • 把连续的灰度值变换为离散值(整数值)的操作
      • 真实值和灰度值的差,称为量化误差
    • 数字图像优点
      • 便于计算机处理与分析
      • 图像信息损失低(模拟方法表现的遥感图像会因多次复制而使图像质量下降)。
      • 抽象性强(便于建立分析模型,进行计算机解译和运用遥感图像专家系统)

    灰度直方图

    • 在平面直角坐标系中,对应于每个灰度值,表示具有该灰度值的像元个数占总像元数百分比的图形叫做灰度直方图
      直方图
    • 直方图的应用
      • 直方图表示数字图像中每一灰度出现频率的统计关系。直方图能给出该图像的概貌性描述,如图像的灰度范围、每个灰度的频度和灰度的分布、整幅图像的平均明暗和对比度等
      • 因此,直方图可以反映出一幅图像的质量,是进一步处理图像的重要依据。通过直方图调整可以改变图像灰度的概率分布,提高图像的视觉效应,达到增强图像的目的
        图像性质与直方图分布

    遥感数字图像校正

    几何特征、辐射能量和亮度分布存在差异,存在几何变形和辐射失真
    需要几何校正、辐射校正和去除噪声

    几何校正

    • 内部几何变形
      • 由遥感系统本身引起的系统性变形
      • 有一定的规律性,大小事先可以预测
      • 通过分析传感器特性和星历表数据等来进行校正
    • 外部几何变形
      • 外部因素造成的变形
      • 获取图像后几何校正
    • 术语
    • 配准:同一区域内两幅图像之间的相互对准,一般以一幅标准图像去校正另一幅图像,以使两幅图像中的同名像元几何位置匹配。
    • 校正:图像对地图的对准,使图像像地图一样平面化,这也称为地理参考过程
    • 地理编码:是校正的一个特例,还包括比例尺的归一化和像元尺寸和坐标的标准化,以使来自不同传感器的图像或地图能够方便地进行不同图层间的互操作。
    • 正射校正:对图像的逐个像元进行地形校正,使图像符合正射投影的要求
    • 两个层次
      • 对单一遥感原始图像的几何校正
      • 应用不同传感方式、不同光谱范围以及不同成像时间的同一区域的多种遥感图像时,需要对每幅图像进行几何校正后进行图像间的几何配准保证不同图像间的几何一致性

    用户拿到的遥感图像,已经经过系统校正,但仍存在几何形变,因此需要地面控制点(GCP)和多项式校正模型进一步几何校正

    地面控制点的选取

    • 几何控制点数目
      • n(n+1)/2
    • 控制点选择要求
      • 地面控制点应具有高对比度,即有明显的、清晰的定位识别标志
      • 特征尺度较小
      • 控制点上的地物不随时间变化,以使不同时段的两幅图像或地图上的同一控制点在几何校正时可以同时识别出来
      • 所有的控制点处在同一高程,除非已考虑过地形起伏的影响

    多项式校正模型

    • 共线模型
      • 严密且精确,但计算复杂
      • 需要控制点具有高程值,应用受到限制
    • 多项式模型
      • 地面平坦的图像具有足够高的校正精度
      • 对各类传感器的校正具有普遍适用性
      • 注意的问题
        • 多项式校正的精度与地面控制点的精度、分布、数量及校正的范围有关。地面控制点的精度越高、分布越均匀、数量越多,几何校正的精度就越高。
        • 采用多项式校正时,在地面控制点处的拟合较好,但在其他点的误差可能会较大。
          平均误差较小,并不能保证图像各点的误差都小。
        • 多项式阶数的确定,取决于对图像中几何形变程度的认识。并非多项式的阶数越高,校正精度就越高。但多项式的阶数越高,需要地面控制点的数量就越多,如三阶校正模型需要至少10个地面控制点

    重采样

    • 空间和亮度值的插值计算
    • 重采样方法
      • 最近邻方法:计算简单,计算速度快,对于新图像用于分类的情况非常适用
      • 双线性内插法:具有一定的精度,但该方法具有低通滤波的性质,会损失图像的一些边缘或线性信息,导致图像模糊
      • 三次卷积内插方法:非常精确,可以得到更接近高分辨率图像的放大效果,产生图像较光滑,但计算量较大

    辐射校正

    辐射校正包括传感器校正、大气校正、太阳高度和地形校正

    • 传感器校正
      • 对光学系统特性引起的失真校正
      • 对光电转换系统特性引起的失真校正
    • 大气校正
      • 野外波谱测试回归分析法:野外实地波
        谱测试获得的无大气影响的辐射值与卫星传感器同步观测结果进行分析计算,以确定校正量
      • 辐射传递方程计算法:测量大气参数,按理论公式求得大气干扰辐射量
      • 波段对比法:在特殊条件下,利用某些不受大气影响或影响很小的波段来校正其他波段。在实际工作下,常采用波段对比法
        • 理论依据:大气散射具有选择性,对短波影响大,对长波影响小
        • 方法:回归分析法、直方图法
    • 太阳高度和地形校正(水平面上的太阳垂直照射)
      - 太阳高度角:将太阳光线倾斜照射时获取的图像,校正为太阳光线垂直照射时获取的图像,通过调整一幅图像内的平均灰度来实现
      - 倾斜的地形:经过地表散射、反射到传感器的太阳辐射量会依赖倾斜度而变化。进行地形校正就是把倾斜面上获得的图像校正到平面上获取的图像‘

    去除噪声

    噪声会干扰从图像中提取地物信息的能,会以各种形式出现,而且很难模型化

    • 全局噪声
      • 由每个像元亮度的随机变量确定
      • 低通空间滤波器能够去除这样的噪声,特别是在相邻像元不相关的情况下通过平均化相邻像元可以去除
      • 但信号内在具有空间相关,能够同时保
        持图像锐化信息并抑制噪声的算法称为边缘保持算法
    • 局部噪声
      • 单个坏像元和环线
      • 去除步骤:噪声像元的检测和用期望较好的像元替代它
    • 周期噪声
      • 全局周期噪声(一致性噪声))在整个图像中表现为重复性的虚假模式且具有一致性
      • 来源
        • 数据传输或接收系统中的电子干扰
        • 摆扫或推扫扫描器中各个探测像元的定标差异
      • 去除办法
        • 如果噪声尖峰离图像谱有足够的距离(如噪声是相对高频的),则可以通过设置傅里叶幅度为0将噪声去除。滤波后的谱再采用傅里叶逆变换就能生成无噪声的图像
        • 空间卷积滤波器也可以产生同样的结果;然而它需要大空间域窗口,以得到局部化频域的滤波。
    • 探测器条纹
      - 在摆扫扫描器图像中,不一致的探测元件灵敏性和其他电子因素会导致扫描线之间出现条纹
      - 去条纹需要在几何校正前进行,此时数据阵列仍与扫描方向一致

    数字图像增强

    方法分为空间域增强和频率域增强

    • 空间域增强:改变单个像元及相邻像元的灰度值来增强图像
    • 频率域增强:是对图像进行傅里叶变换,然后对变换后的频率域图像的频谱进行修改,达到增强的目的。

    目的是改变灰度等级,提高图像对比度;消除边缘和噪声,平滑图像;突出边缘或线状地物,锐化图像;合成彩色图像;压缩图像数据量,突出主要信息等

    空间域增强

    • 在图像平面上直接针对每个像元
      点进行处理,处理后的像元位置不变
    • 点运算
      • 直方图变换、线性变换(含分段线性变换)和非线性变换
    • 领域运算
      • 强调像元与其相邻像元的关系
      • 可以突出特征或去除抑制某些特征(抑制图像在获取和传输过程中产生的各种噪声)
      • 包括图像平滑和图像锐化方法
      • 通常采用卷积运算
      • 图像平滑(积分过程使图像边缘模糊)
        • 均值平滑:在消除噪声的同时,图像中的一些细节变得模糊
        • 中值滤波:将每个像元在以其为中心的邻域内取中间灰度值来代替该像元值,以达到消除尖锐“噪声”的目的;消除“噪声”的同时,还能保持图像中的细节部分,防止图像边缘模糊
        • 总结
          - 图像亮度为阶梯状变化时,均值平滑效果比中值滤波要明显得多
          - 对于突出亮点的“噪声”干扰,从去“噪声”后对原图的保留看取中值要优于均值平滑
      • 图像锐化(微分过程使图像边缘更突出清晰)
        • 突出边缘和轮廓、线状目标信息
        • 边缘增强
        • 方法
          • 罗伯特梯度
          • 索博尔梯度
          • 拉普拉斯算子
          • 定向检测
      • 区别
        - 平滑:各系数符号为证(积分求和的性质)
        - 锐化:各系数符号相反,模板系数和正好为0(微分求差的性质)

    频率域增强

    图像像元的灰度值随位置变化的频繁程度可以用频率来表示
    频率域增强的过程

    • 傅里叶变换(FFT+IFFT)
    • 频率域平滑(低通滤波器)
      • 理想低通滤波器
      • Butterworth 低通滤波器
      • 指数低通滤波器
    • 频率域锐化(高通滤波器)
      • 理想高通滤波器
      • Butterworth 高通滤波器
      • 指数高通滤波器

    彩色增强

    背景:人的眼睛对灰度级的分辨能力较差,正常人的眼睛只能够分辨20级左右的灰度级,而对彩色的分辨能力远远大于对灰度级的分辨能力。因此,将灰度图像变为彩色图像以及进行各种彩色变换可以明显改善图像的可视性。

    • 伪彩色增强
      • 把一幅黑白图像的不同灰度按一定的函数关系变换成彩色,得到另一幅彩色图像的方法
      • 密度分割法是伪彩色增强中最简单的方法,是对单波段黑白遥感图像按灰度分层,对每层赋予不同的色彩,使之变成一幅彩色图像
      • 密度分割中彩色是人为赋予的,与地物的真实色彩毫无关系,只是为了提高对比度,可以较准确地区分出地物类别
    • 假彩色增强
      • 对于多波段遥感图像,选择其中的某三个波段,分别赋予红( R)、绿(G)、蓝(B)三种原色,即可在屏幕上合成彩色图像
    • HLS变换
      • HLS双圆锥模型
        彩色图像HLS变换

    图像运算

    • 加法运算:指两幅相同大小的图像对应像元的灰度值相加。相加后像元的值若超出了显示设备允许的动态范围,则需乘一个正数,以确保数据值在设备的动态显示范围之内。
      -

    • 减法运算:指两幅相同大小的图像对应像元的灰度值相减。相减后像元的值有可能出现负值,找到绝对值最大的负值,给每一个像元的值都加上这个绝对值,使所有像元的值都为非负数;再乘以某个正数,以确保像元的值在显示设备的动态显示范围内。
      -

    • 比值运算是指两个不同波段的图像对应像元的灰度值相除,相除以后若出现小数,则必须取整,并乘以某个正数,将其值调整到显示设备的动态显示范围内。
      在这里插入图片描述

      • 该算法对于增强和区分在不同波段的比值差异较大的地物有明显的效果
      • 该算法能去除地形坡度和方向引起的辐射量变化,在一定程度上消除同物异谱现象,是图像自动分类前常采用的预处理方法之一
    • 植被指数

      • 比值植被指数RVI(近红外波段的反射值/红光波段的反射值)
      • 归一化植被指数NDVI
      • 差值植被指数DVI
      • 正交植被指数PVI
      • 植被指数可以检测某一区域农作物长势,建立农作物估产模型

    多光谱增强

    采用对多光谱图像进行线性变换的方法,减少各波段信息之间的冗余,达到保留主要信息,压缩数据量,增强和提取更具有目视解译效果的新波段数据的目的。

    • K-L变换(主成分变换,霍林特变换)
    • K-T变换(缨帽变换)
      • 对原图像的坐标空间进行平移和旋转,变换后新的坐标轴具有明确的景观含义,可与地物直接联系
        在这里插入图片描述
      • K-T变换的实际意义
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  • 遥感基本知识

    千次阅读 多人点赞 2018-05-10 09:44:45
     遥感的基本知识“遥感”一词来自英语Remote Sensing,从字面上理解就是“遥远的感知”之意。顾名思义,遥感就是不直接接触物体,从远处通过探测仪器接受来自目标物体的电磁波信息,经过对信息的处理,判别出目标...
    一. 遥感的基本概念
    1. 遥感的基本知识
    “遥感”一词来自英语Remote Sensing,从字面上理解就是“遥远的感知”之意。顾名思义,遥感就是不直接接触物体,从远处通过探测仪器接受来自目标物体的电磁波信息,经过对信息的处理,判别出目标物体的属性。
     实际工作中,重力、磁力、声波、机械波等的探测被划为物理探测(物探)的范畴,因此,只有电磁波探测属于遥感的范畴。
     根据遥感的定义,遥感系统包括:被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用这五大部分。
    1. 目标物的电磁波特性
    任何目标物体都具有发射、反射和吸收电磁波的性质,这是遥感探测的依据。
    2. 信息的获取
     接受、记录目标物体电磁波特征的仪器,称为“传感器”或者“遥感器”。如:雷达、扫描仪、摄影机、辐射计等。
    3. 信息的接收
     传感器接受目标地物的电磁波信息,记录在数字磁介质或者胶片上。胶片由人或回收舱送至地面回收,而数字介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线输送到地面的卫星接收站。
    4. 信息的处理
       地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息,记录在高密度的磁介质上,并进行一系列的处理,如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变换等,再转换为用户可以使用的通用数据格式,或者转换为模拟信号记录在胶片上,才能被用户使用。
    5. 信息的应用
       遥感技术是一个综合性的系统,它涉及到航空、航天、光电、物理、计算机和信息科学以及诸多应用领域,它的发展与这些科学紧密相关。
    2. 遥感的分类
    1) 按遥感平台分
        地面遥感:传感器设置在地面上,如:车载、手提、固定或活动高架平台。
        航空遥感:传感器设置在航空器上,如:飞机、气球等。
        航天遥感:传感器设置在航天器上,如:人造地球卫星、航天飞机等。
    2) 按传感器的探测波段分
        紫外遥感:探测波段在0.05~0.38μm之间。
        可见光遥感:探测波段在0.38~0.76μm之间。
        红外遥感:探测波段在0.76~1000μm之间。
        微波遥感:探测波段在1mm~10m之间。
    3) 按工作方式分
        主动遥感:有探测器主动发射一定电磁波能量并接受目标的后向散射信号。
        被动遥感:传感器仅接收目标物体的自身发射和对自然辐射源的反射能量。
    4) 按遥感的应用领域分
        外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等。
    3. 遥感发展简史
       最早使用“遥感”一词的是美国海军研究所的艾弗林*普鲁伊特。1961年,在美国国家科学院和国家研究理事会的支持下,在密歇根大学的威罗*兰实验室召开了“环境遥感国际讨论会”,此后,在世界范围内,遥感作为一门新兴学科飞速发展起来。
    1)无记录的地面遥感阶段(1608---1838年)
       1608年,汉斯*李波尔赛制造了世界第一架望远镜,1609年伽利略制作了放大倍数3倍的科学望远镜,从而为观测远距离目标开辟了先河。但望远镜观测不能吧观测到的事物用图像记录下来。
    2)有记录的地面遥感阶段(1839---1857年)
       对探测目标的记录与成像始于摄影技术的发展,并与望远镜相结合发展为远距离摄影。
    3)空中摄影遥感阶段(1858---1956年)
       1858年,G..F.陶纳乔用系留气球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰”像片。
       1860年,J.布莱克乘气球升空至630m,成功的拍摄了美国波士顿的照片。
       1903年,J.钮布郎特设计了一种捆绑在飞鸽身上的微型相机。这些试验性的空间摄影,为后来的实用化航空摄影打下了基础。
       在第一次世界大战期间,航空摄影成了军事侦探的重要手段,并形成了一定规模。与此同时,像片的判读水平也大大提高。一战以后,航空摄影人员从军事转向商务和科学研究。美国和加拿大成立了航测公司,并分别出版了《摄影测量工程》及类似性质的刊物,专门介绍有关技术方法。
       1924年,彩色胶片出现,使得航空摄影记录的地面目标信息更为丰富。
       二战中,微波雷达的出现及红外技术应用于军事侦查,使遥感探测的电磁波谱段得到了扩展。
    4)航空遥感阶段(1957---)
       1957年10月4日,苏联第一颗人造地球卫星的发射成功,标志着人的空间观测进入了新纪元。此后,美国发射了“先驱者2号”探测器拍摄了地球云图。真正从航天器上对地球进行长期探测是从1960年美国发射TIROS-1和NOAA-1太阳同步卫星开始。
       此外,多宗探测技术的集成日趋成熟,如雷达、多光谱成像与激光测高、GPS的集成可以同时取得经纬度坐标和地面高程数据,由于实时测图。
       总之,随着遥感应用向广度和深度发展,遥感探测更趋于实用化、商业化和国际化。
    4. 遥感应用的一个简单例子
    大兴安岭森林火灾发生的时候,由于着火的树木温度比没有着火的树木温度高,它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量,这样,当消防指挥官面对着熊熊烈火担心不已的时候,如果这时候正好有一个载着热红外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空,传感器拍摄到大兴安岭周围方圆上万平方公里的影像,因为着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的电磁能量,在影像着火的森林就会显示出比没有着火的森林更亮的浅色调。当影像经过处理,交到消防指挥官手里时,指挥官一看,图像上发亮的范围这么大,而消防队员只是集中在一个很小的地点上,说明火情逼人,必须马上调遣更多的消防员到不同的地点参加灭火战斗。
    5. 中国遥感技术的发展
    我国自1970年4月24日发射“东方红1号”人造卫星后,相继发射了数十颗不同类型的人造地球卫星,使得我国开展宇宙探测、通讯、科学实验、气象观测等研究有了自己的信息源。1999年10月14日中国---巴西地球资源卫星CBERS---1的成功发射,使我国拥有了自己的资源卫星。
    在遥感图形处理方面,已开始从普遍采用国际先进的商品化软件向国产化迈进。在科技部、信息产业部的倡导下,国产图像处理软件从研制走向了商品化,并占有一定的市场份额,如photomapper等。
    在遥感应用方面,国家将遥感列入重点攻关项目和“863”工程。
    二. 电磁辐射与地球的光谱特征
    1. 电磁波谱与电磁辐射
    (1)基本概念
    1)波:振动的传播。如:水波、声波、地震波等。
    2)机械波:振动的是弹性介质中的位移矢量。
    3)电磁波:电磁振源产生的电磁振荡在空间中的传播。
    4)电磁波的特点
       ①不需要传播介质
       ②电磁波是横波,在真空中以光速传播
       ③满足波粒二象性
       ④波长与频率成反比,且两者之积为光速:f×λ=c。
       ⑤传播遇到气体、固体、液体介质时,会发生反射、投射、折射、吸收等现象。
    5)电磁波谱:按照电磁波波长的长短,依次排列成的图表称为电磁波谱。
    (2)电磁辐射的量度
    1)辐射源:任何物体都是辐射源,既能吸收其它物体的辐射,也能向外辐射电磁波。
    2)辐射能量:电磁辐射的能量,单位:J(焦耳)。
    3)辐射通量:单位时间内通过某一面积的辐射能量,单位:W。
    4)辐射通量密度:单位时间内通过表面单位面积上的辐射通量。
    5)辐照度:被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。
    6)辐射出射度:辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。
    7)辐射亮度:辐射源在某一方向,单位投影表面,单位立体角内的辐射通量。
    8)黑体辐射定律
       ①普朗克公式:描述黑体辐射出射度与温度、波长等的关系
    ②斯蒂芬-玻尔兹曼定
    ③维恩位移定律 
    9)实际物体的辐射
    物体的发射率是温度和波长的函数,且与种类、物理状况(如粗糙度、颜色等)等有关。
    按照发射率和波长的关系,辐射源可分为:
     ①黑体:ελ = ε=1
     ②灰体:ελ =ε=常数<1
    ③选择性辐射体:ελ <1,且随波长而变
    2. 太阳辐射及大气对辐射的影响
    1)太阳辐射源:太阳是太阳系唯一的恒星,它集中了太阳系99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球,没有固体的星体或核心。太阳能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是氢(质量约占71%)与氦(质量约占27%)。

    2)大气成分组成:

    ①永久气体:氮气、氧气、CO2、惰性气体、氢气、甲烷等。

    ②浓度可变的气体:水蒸气、臭氧、SO2、氨气等。
    ③固体和液体微粒。
    3)大气垂直分层(大气结构):电离层:距地面85km直到几百千米的范围均为热电离层,温度范围为500K到2000K
    平流层:在平流层最下面直到20km的高度之内,温度几乎为常数
    对流层:厚约为10km,温度随高度的增加而降低
    4)大气辐射衰弱的原因:反射、吸收、散射。
       大气吸收17%, 散射22%,反射30%,其余31%太阳辐射到达地面。
    5)散射:①瑞利(Rayleigh) 散射:当大气中粒子的直径比辐射波长小得多时发生的散射;散射强度与波长的四次方成反比。
     ②米氏散射:当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射;散射强度与波长的二次方成反比。
     ③非选择性散射:当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射;散射强度与波长无关
    6)吸收作用:大气吸收电磁辐射的主要物质是:水、二氧化碳和臭氧
    7)反射作用:云量越多、云层越厚, 反射越强
    8)折射作用:折射率与大气密度有关,密度越大折射率越大。
    3. 地球的辐射与地物波谱特征
    1)太阳辐射与地表的相互作用
    ①温度为300K的黑体,其电磁辐射的波长范围是:2.5~50μm(0.3-2.5um)。
    ②地球表面的发射辐射能量集中于近红外波段和热红外波段;在热红外波段,地球的发射辐
    射能量远远大于太阳的电磁辐射能量,通常称地球的发射辐射为热辐射
    ③地球表面的热辐射(能量)与自身的发射率、波长、温度有关
    2)地物波谱特征
     在可见光与近红外波段,地表物体自身的热辐射几乎等于零。所以地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。
    到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量
    ①反射率:物体反射的辐射能量占总入射能量的百分比
    ②物体的反射:镜面反射、漫反射和实际物体的反射。
    三. 遥感成像原理与遥感图像特征
    遥感平台是搭载传感器的工具。在遥感平台中,航天遥感平台目前发展最快、应用最广。根据航天遥感平台的服务内容,可以将其分为气象卫星系列、陆地卫星系列和海洋卫星系列。
    1. 气象卫星概述
    第一代:20世纪60年代      TIROS、ESSA、Nimbus、ATS
    第二代:1970-1977年        ITOS-1、SMS、GOES、GMS、Meteosat
    第三代:1978年以后         NOAA系列
    我国的气象卫星发展较晚。“风云一号”气象卫星(FY-1)是中国发射的第一颗环境遥感卫星。其主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感实验。
    2. 气象卫星特点
    1)轨道
    气象卫星的轨道分为两种:低轨和高轨。
    高轨气象卫星:轨道高度:36000公里
    信息采集时间周期:约20分钟
    分辨率:1.25 ~ 5公里
    主要应用领域:全球性大气环流;全球性天气过程
    低轨气象卫星:轨道高度:36000公里
    信息采集时间周期:约20分钟
    分辨率:1.25 ~ 5公里
    主要应用领域:全球性大气环流;全球性天气过程
    2)短周期重复观测
    3)成像面积大,有利于获得宏观同步信息,减少数据处理容量
    4)资料来源连续、实时性强、成本低
    3. 陆地卫星系列
    1)陆地卫星(Landsat)
    轨道:太阳同步的近极地圆形轨道
    重复覆盖周期:16 18天
    图象覆盖范围:185 * 185 km(Landsat 7 185*170 km)。
    Landsat上携带传感器空间分辨率不断提高,从80 m到 30 m到 15 m
    2)法国SPOT卫星系列
    地球观察卫星系统。由瑞典、比利时等国家参加,由法国国家空间研究中心(CNES)设计制造。1986年发射第一颗,到2002年已发射5颗。
    特点:太阳同步圆形近极地轨道高度830 km
    覆盖周期26天扫描宽度: 60 (×60 ) 公里
    主要传感器:2台HRV
    空间分辨率: 全色10m; 多光谱20m
    能满足资源调查、环境管理与监测、农作物估产、地质与矿产勘探、土地利用、测制地图及地图更新等多方面需求
    SPOT 卫星系列优势特征:卫星搭载的传感器具有倾斜(侧视)能力
    信息获取的重复周期:一般地区3~5天;部分地区达到1天
    3)中巴地球资源卫星CBERS: 1999.10.14,我国第一颗地球资源遥感卫星(又称资源一号卫星)在太原卫星发射中心成功发射
       CBERS卫星特点:太阳同步近极地轨道,轨道高度778 km,卫星重访周期26天携带的传感器的最高空,间分辨率是19.5 m
    4)高空间分辨率陆地卫星(IKONOS、QUICKBIRD等)
    4. 摄影成像
    数字摄影是通过放置在焦平面的光敏元件,经过光电转换,以数字信号来记录物体的影像。依据探测波长的不同,可分为近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影等。
    1)摄影机分类
    ①分幅式:一次曝光得到目标物一幅像片;镜头:常角、宽角和特宽角
    ②全景式: 分为缝隙式和镜头转动式
    对可见光遥感,摄影机外壳只需是不透光材料,对红外摄影,只能用金属材料。镜头则需根据摄取的波段选择材料。
    ③多光谱摄影机:多相机组合、多镜头组合、光束分离型
      可同时直接获取可见光和近红外范围内若干个分波段影像
    2)摄影像片的几何特征
       根据摄影机主光轴与地面的关系,可分为垂直摄影和倾斜摄影。
    ①垂直摄影像片的几何特征:
    1.像片的投影:中心投影
    中心投影与垂直投影的区别
    (1)投影距离的影响
    (2)投影面倾斜的影响
    (3)地形起伏的影响
    ②摄影胶片的物理特性
    感光度:指胶片的感光速度。胶片感光度高,在光线较弱时也能方便摄影。
    反差:指胶片的明亮部分与阴暗部分的密度差。
    灰雾度:未经感光的胶片,显影后仍产生轻微的密度,呈浅灰色,故称灰雾。
    宽容度:指胶片表达被摄物体亮度间距的能力。
    解像力:通常称为感光胶片的分辨力。
    ③常用的遥感摄影胶片:
    1. 黑白摄影胶片: —色盲片, 正色片, 分色片, 全色片, 红外黑白片
    2. 天然彩色胶片
    3. 红外彩色片
    5. 扫描成像
    扫描成像是依靠探测元件和扫描镜对目标物体以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样,以得到目标地物电磁辐射特征信息,形成一定谱段的图像。其探测波段可包括紫外、红外、可见光和微波波段。
    1)光/机扫描成像
    光机扫描的几何特征:取决于瞬时视场角、总视场角
      进行扫描成像时,总视场角不宜过大,否则图像边缘的畸变太大。通常在航空遥感中,总视场角取70~120
    光机扫描仪可分为单波段和多波段两种。多波段扫描仪的工作波段范围很宽,从近紫外、可见光至远红外都有。
    多波段扫描仪:地面物体的辐射波束----扫描---反射-----聚焦---分光---再聚焦到感受不同波长的探测元件上。
    2)固体自扫描成像
      固体扫描是用固定的探测元件,通过遥感平台的运动对目标进行扫描的一种成像方式。
    ——用固定的探测元件,通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的成像方式。
    ——目前常用的探测元件是电荷耦合器件CCD
    3)高光谱成像扫描
      对遥感而言,在一定波长范围内,被分割的波段数愈多,即波谱取样点愈多,愈接近于连续波谱曲线,因此可以使得扫描仪在取得目标地物图像的同时也能获取该地物的光谱组成。这种既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术称为成像光谱技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。

      高光谱成像光谱仪:

    ——图像由多达数百个波段的非常窄的连续的光谱波段组成

    ——光谱波段覆盖了可见光,近红外,中红外和热红外区域全部光谱带
    —— 多采用扫描式或推帚式,可以收集200或200以上波段的数据。图像中的每一像元均
    得到连续的反射率曲线
    6. 微波遥感与成像
    在电磁波谱中,波长在1mm~1m的波段范围称微波。
    微波遥感是指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射,经过判读处理来识别地物的技术。
    1)微波遥感的特点
    ①全天候、全天时的信息获取能力
    ②对某些地物的特殊识别能力,如水和冰(微波波段发射率的差异)
    ③对冰、雪、森林、土壤(尤其对干燥、松散物质)有一定的穿透能力
    ④适宜对海面动态情况(海面风、海浪)进行监测
    2)微波遥感方式和传感器
    ①主动微波遥感
      是指通过向目标地物发射微波并接受其后向散射信号来实现对地观测遥感方式。主要传感器是雷达。
      雷达意为无线电测距和定位。其工作波段大都唉微波范围。雷达是有发射机通过天线在很短时间内,向目标地物发射一簇很窄的大功率电磁波脉冲,然后用同一天线接受目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。不同物体,回波信号的振幅、相位不同,故接收处理后,可测出目标地物的方向、距离等数据。
    ②被动微波遥感
      是指通过传感器,接收来自目标地物发射的微波,而达到探测目地的遥感方式。
    3)遥感图像的特征
    目标地物——传感器——遥感图像——遥感图像处理
    空间分辨率——几何特征——目标地物的大小、形状及空间分布
    光谱分辨率(辐射分辨率)——物理特征——目标地物的属性特点
    时间分辨率——时间特征——目标地物的变化动态特点
    ①空间分辨率/地面分辨率
     图像的空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小
     扫描成像----像元:扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小
     摄影成像----线对/米。( 线对:能分辨的地物的最小距离)
    ②波谱分辨率
     指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。
    传感器的波段选择须考虑目标的光谱特征值,才能取得好效果。
    ③辐射分辨率
     指传感器接收波谱信号时,能分辨的最小辐射度差。在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。
    ④时间分辨率
    卫星的覆盖周期、重访周期。
    重复获得同一地区的最短时间间隔。(注意和卫星运行周期的区别)
    四. 遥感图像处理
    1. 光学原理与光学处理
     电磁波谱中0.38~0.76μm波段能够引起人的视觉。
    1)颜色视觉
    ①视觉特征:
    亮度对比(反差):视场中对象与背景的亮度差与背景亮度之比。
    颜色对比(色差):视场中相邻区域的颜色差异。
    ②颜色性质的描述
    明度(lightness):人眼对光源或物体明亮程度的感觉。(与物体的反射率有关)
    色调(hue):指色彩的差异。(与视觉接收到的波长有关)
    饱和度(saturation):指色彩纯洁的程度。(与色光中是否混有白光以及白光占有的比例)
    ③颜色立体
      为了形象的描述颜色特性之间的关系,通常用颜色立体来表现一种理想化的示意关系。中间轴代表明度,从底端到顶端,由黑到灰再到白明度逐渐递增。
    2)加色法与减色法
       互补色:若两种颜色混合产生白色或者黑色,这两种颜色就称为互补色。
       三原色:若三种颜色,其中任一种都不能由其余两种混合相加产生,这三种颜色按一定比例混合,可以形成各种色调的颜色,称之为三原色。红、绿、蓝为最优的三原色。
    2. 数字图像
    数字图像是指能够被计算机存储、处理和使用的图像。遥感数据的表示既有光学图像也有数字图像。光学图像又称为模拟量,数字图像又称为数字量,它们之间的转换称为模/数转换,记做A/D转换。
    1)数字图像的来源
    ①遥感卫星地面站(气象卫星接收站)提供计算机兼容的数字磁带,输入计算机图像处理系统,形成数字图像。
    ②记录在胶片上的影像(模拟图象)在专用设备上进行数字化
    2)图像的数字化
    � 把模拟图像分割成同样形状的小单元,进行空间离散化处理叫采样(sampling)。
    � 以各个小单元的平均亮度值或中心部分的亮度值作为该单元的亮度值,为亮度值的离散化处理,即量化(quantization)。
    3)遥感数字图像表示方式
    数字图像(数字化)图像,是一种以二维数组(矩阵)形式表示的图像。或者称为相应区域内地物电磁辐射强度的二维分布。将地球表面一定区域范围内的目标地物记录在一个二维数组(或二维矩阵)中。
    ①像素(像元)是遥感数字图像最基本的单位,成像过程的采样点,计算机图像处理的最小单元。
    ②像素具有空间特征和属性特征。
    空间特征:地理位置的信息
     属性特征:采用亮度值来表达
    4)数字图像的优点
    便于计算机处理与分析:
    图像信息损失低:
    抽象性强:
    5)按照波段数量,遥感数字图象分类:
    1. 二值数字图象
    2. 单波段数字图象
    3. 彩色数字图象
    4. 多波段数字图象
    3. 数字图像校正——辐射校正
    进入传感器的辐射强度反映在图像上就是亮度值(灰度值)。辐射强度越大,亮度值越大。该值主要受两个物理量影响:一是太阳辐射照射到地面的辐射强度,二是地球的光谱反射率。当太阳辐射相同时,图像上像元亮度值的差异直接反映了地物目标光谱反射率的差异。但实际测量时,辐射强度值还受到其它因素的影响而发生改变。这一改变的部分就是需要校正的部分,故称为辐射畸变。
    1)引起辐射畸变有两个原因:
    传感器仪器本身产生的误差
    大气对辐射的影响
    2)传感器仪器本身产生的误差
      仪器引起的误差是由于多个检测器之间存在差异,以及仪器系统工作产生的误差,这导致了接收的图像不均匀,产生条纹和“噪声”。一般来说,这种畸变应该在数据生产过程中,有生产单位根据传感器参数进行校正,而不需要用户自己校正,所以用户应该考虑的是大气影响造成的畸变。
    3)大气对辐射的影响
    ①大气影响的定量分析
      进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、散射和透射。其中对传感器接收影响较大的是吸收和散射。
      传感器接收信号时,受仪器影响还有一个系统增益系数因子Sλ,这时进入传感器的亮度
    校正方法
    A. 直方图最小值去除法
      直方图以统计图的形式表示图像亮度值与像元数之间的关系。最小值去除法的基本思想在于一幅图像中总可以找到某种或某几种地物,其辐射亮度或发射率接近0。这时在图像中对应位置的像元亮度值应为0。实测表明,这些位置上的像元亮度不为0。这个值就应该是大气散射导致的程辐射度值。
      校正方法很简单,首先确定条件满足,即该图像上确有辐射亮度或反射亮度应为0的地区,则亮度最小值必定是这一地区受大气影响的呈辐射度增值。校正时,将每一波段中每个像元的亮度值都减去本波段的最小值,使图像亮度动态范围得到改善,对比度增强,从而提高图像质量。
    B. 回归分析法
      假定某红外波段,存在程辐射为主的大气影响,且亮度增值最小,接近于0,设为波段a。现需要找到其他波段相应的最小值,这个值一定比a波段的最小值大一些,设为波段b,分别以a,b波段的像元亮度值为坐标,作二维光谱空间,两个波段中对应像元在坐标系内用一个点表示。由于波段之间的相关性,通过回归分析在众多点中一定能找到一条直线与波段b的亮度Lb相交,且:Lb=βLα +α,    β为斜率



    式中:
    分别为a,b波段亮度的平均值。

      a=Lb-βLa ;式中a为波段a中的亮度为零处在波段b中所具有的亮度。可以认为
    a就是波段b的程辐射度。
      校正方法是将波段b中每个像元的亮度值减去a,来改善图像,去掉程辐射。
    4. 几何校正
    几何畸变: 当遥感图像在几何位置上发生了变化,产生诸如行列不均匀,像元大小与地面大小对应不准确,地物形状不规则变化等.遥感影像的总体变形(相对于地面真实形态而言)是平移、缩放、旋转、偏扭、弯曲及其他变形综合作用的结果。产生畸变的图像给定量分析及位置配准造成困难。
    遥感影像变形的原因:
    • 遥感器的内部畸变:由遥感器结构引起的畸变。
    • 遥感平台位置和运动状态变化的影响
    • 地形起伏的影响
    • 地球表面曲率的影响
    • 大气折射的影响
    • 地球自转的影响
    1)遥感平台位置和运动状态变化的影响
    航高:卫星运行的轨道本身就是椭圆的。航高始终发生变化,而传感器的扫描视场角不变,从而导致图像扫描行对应的地面长度发生变化。航高越向高处偏离,图像对应的地面越宽。
    航速:卫星的椭圆轨道本身就导致了卫星飞行速度的不均匀,其他因素也可导致遥感平台航速的变化。航速快时,扫描带超前,航速慢时,扫描带滞后,由此可导致图像在卫星前进方向上(图像上下方向)的位置错动。
     俯仰:遥感平台的俯仰变化能引起图像上下方向的变化,即星下点俯时后移,仰时前移,发生行间位置错动。
    翻滚:遥感平台姿态翻滚是指以前进方向为轴旋转了一个角度。可导致星下点在扫描线方向偏移,使整个图像的行翻滚角引起偏离的方向错动。
     偏航:指遥感平台在前进过程中,相对于原前进航向偏转了一个小角度,从而引起扫描行方向的变化,导致图像的倾斜畸变。
    地形起伏的影响当地形存在起伏时,会产生局部像点的位移,由于高差的原因,实际像点P距像幅中心的距离相对于理想像点P0距像幅中心的距离移动了△r。
    地表曲率的影响地球是椭球体,地球表面是曲面。这一曲面的影响主要表现在两个方面,一是像点位置的移动,当选择的地图投影平面是地球的切平面时,使地面点P0相对于投影平面点P有一高差△h。
    地表曲率的影响:全景畸变:当传感器扫描角度较大时,影响更加突出,造成边缘景物在图像显示时被压缩。
     大气折射的影响,折射后的辐射传播不再是直线而是一条曲线,从而导致传感器接收的像点发生位移。
    地球自转的影响,例如:卫星自北向南接收图像运动,这时地球自西向东自转。相对运动的结果,使卫星的星下位置逐渐产生偏离。
    2)遥感数字图像的几何校正
    ①几何校正方法:控制点校正法
    校正步骤:
    A、原始图像与校正图像统一坐标系、投影
    B、确定GCP(Ground Control Point),即在原始畸变图像空间与标准空间寻找对应的控制点对
    C、选择畸变数学模型,并利用GCP数据求出畸变模型的未知参数,然后利用此畸变模型对原始畸变图像进行几何精校正
    D、再采样计算,得到校正后的新图像
    基本思路:校正的最终目的是确定校正后图像的行列数,然后找到新图像中每一像元的亮
    度值。
    ②具体步骤——1)象素坐标变换(空间上的重采样)
    找到一种数学关系,建立变换前图像坐标(x,y)与变换后图像坐标(u,v)的关系
    计算校正后图像中的每一点所对应原图中的位置(x,y)。计算时按行逐点计算,每行结
    束后进入下一行计算,直到全图结束。
     多项式的项数(即系数个数)N与其阶数n有着固定关系:N=(n+1)(n+2)/2
    多项式系数ai,bj(i,j=0,1,2,…N-1)一般利用已知控制点的坐标值按最小二乘法求解。
    ③计算方法:内插计算(灰度值重采样)
     计算每一点的亮度值。纠正后的新图像的每一个像元,根据变换函数,可得到它在原始图像上的位置。如果求得的位置为整数,则该位置处的像元灰度就是新图像的灰度值。
    计算方法:如果位置不为整数,新点的亮度值介于邻点亮度值之间,常用内插法计算。
    有几种方法:
    l 最近邻法
    l 双线性内插法
    l 三次卷积内插法。
    最近邻法:距离实际位置最近的像元的灰度值作为输出图像像元的灰度值。
    双线性内插法:取(x,y)点周围4邻点,在y方向(或x方向)内插二次,再在x方向(或y方向)内插一次,得到(x,y)点的亮度值f(x,y),该方法称双线性内插法。
     三次卷积内插法:取与计算点(x,y)周围相邻的16个点,先在某一方向上内插,每4个值依次内插4次,求出f ( x , j-1 ) ,f(x,j) ,f(x,j+1),f(x,j+2),再根据这四个计算结果在另一方向上内插,得到f(x,y)。
    ④控制点的选取
    几何校正的第一步便是位置计算,对所选取的二元多项式求系数。
    控制点选取原则:1)特征变化大的地区应多选些。2)图像边缘部分要选取控制点,以避免外推。3) 表征空间位置的可靠性,道路交叉点,标志物,水域的边界,山顶,小岛中心,机场等。
    4)同名控制点要在图像上均匀分布;5)清楚辨认;
    6)数量应当超过多项式系数的个数((n+1)*(n+2)/2)。
    5. 数字图像增强
      当一副图像的目视效果不太好,或者有用的信息突出不够时,就需要作图像增强处理。例如,图像对比度不够,或者希望突出的某些边缘看不清,就可以用计算机图像处理技术改善图像质量。这样可以提高图像质量和突出所需信息,有利于分析判读或作进一步的处理。
    1)对比度变换
       通过改变图像像元的亮度值来改变图像像元的对比度,从而改善图像质量的处理方法。因为亮度值是辐射强度的反映,所以也称之为辐射增强。
       常用的方法是:对比度线性变换和非线性变换。
    假定像元亮度随机分布时,直方图应是正态分布的。
    l 峰值偏向亮度坐标轴左侧,图像偏暗。
    l 峰值偏向坐标轴右侧,图像偏亮,
    l 峰值提升过陡、过窄,图像的高密度值过于集中
    以上情况均是图像对比度较小,图像质量较差的反映。
    ①线性变换
    A. 线性变换变换函数是线性的或分段线性的,这种变换就是线性变换。线性变换是图像增强处理最常用的方法。
    B. 亮度值0~15图像拉伸为0~30,要设计一个线性变换函数,横坐标xa为变换前的亮度值,纵坐标xb为变换后的亮度值。当亮度值xa从0~15变换成xb从0~30,变换函数在图中是一条直线。:
       有时为了更好的调节图像的对比度,需要在一些亮度段拉伸,而在另一些亮度段压缩,这种变换称为分段线性变换。
    ②非线性变换
    当变换函数是非线性时,即为非线性变换。非线性变换的函数很多,常用的是指数变换和对数变换。
     指数变换:其意义是在亮度值较高的部分扩大亮度间隔--属于拉伸,在亮度值较低的部分缩小亮度间隔--属于压缩
    对数变换:与指数变换相反,意义是在亮度值较低的部分拉伸,而在亮度值较高的部分压缩
    2) 空间滤波
       对比度扩展的辐射增强:通过单个像元的运算从整体上改善图像的质量。
    空间滤波:以重点突出图像上的某些特征为目地的采用空间域中的邻域处理方法。属于几何增强处理,主要包括平滑和锐化。
    ①图像卷积运算
    空间滤波是图象卷乘积运算的一种特殊应用。在空间域上对图像作局部检测的运算,以实现平滑和锐化。
    具体作法:选定一卷积函数(又称“模板”,实际上是一个M×N图像),二维的卷积运算是在图像中使用模板来实现运算的。
    ②平滑
    图像中某些亮度变化过大的区域,或出现不该有的亮点(“噪声”),采用平滑的方法减小变化,使亮度平缓或去掉不必要的“噪声”点。具体方法有:
    均值平滑
    是将每个像元在以其为中心的区域内取平均值来代替该像元值,以达到去掉尖锐“噪声”和平滑图像的目地。
    中值滤波
    是将每个像元在以其为中心的邻域内取中间亮度值来代替该像元值,以达到去尖锐“噪声”和平滑图像目的的。
    锐化(边界增强)
    为了突出图像的边缘、线状目标或某些亮度变化率大的部分,可采用锐化方法。锐化后的图像已不再具有原遥感图像的特征而成为边缘图像。常用几种:
    l 罗伯特梯度
    l 索伯尔梯度
    l 拉普拉斯算法
    l 定向检测
    3) 彩色变换
    不同的彩色变换可大大增强图像的可读性,常用的三种彩色变换方法。
    单波段彩色变换
    多波段彩色变换
    HSI变换
    ①单波段彩色变换(密度分割)
    单波段黑白遥感图像按亮度分层,对每层赋予不同的色彩,使之成为一幅彩色图像。即按图像的密度进行分层,每一层所包含的亮度值范围可以不同。
    ②多波段彩色变换
    加色法彩色合成原理---选择遥感影像的某三个波段---分别赋予红、绿、蓝三种原色---合成彩色影像。
    真彩色合成
    假彩色合成
    多波段影像合成时,方案的选择决定彩色影像能否显示较丰富的地物信息,或突出某一方面的信息。
    ③HSI变换
    HSI代表色调、饱和度和明度(hue,saturation,intensity)。色彩模式可以用近似的颜色立体来定量化。颜色立体曲线锥形改成上下两个六面金字塔状。
    4) 图象运算
    两幅或多幅单波段影像,完成空间配准后,通过一系列运算,可以实现图像增强,提取某些信息或去掉某些不必要信息。
    l 差值运算
    l 比值运算
    ①差值运算
    即两幅同样行、列数的图像,对应像元的亮度值相减。两个波段相减,反射率差值大的被突出来。图像的差值运算有利于目标与背景反差较小的信息提取,如冰雪覆盖区,海岸带的潮汐线等。
      差值运算还常用于研究同一地区不同时相的动态变化。如监测森林火灾发生前后变化和计算过火面积;监测水灾发生前后的水域变化和计算受灾面积及损失;监测城市在不同年份的扩展情况及计算侵占农田的比例等。
    ②比值运算
    两幅同样行、列数的图像,对应像元的亮度值相除(除数不为0)
    植被指数,常用算法:近红外波段/红波段或(近红外-红)/(近红外+红)
    5) 多光谱变换
       多光谱变换通过函数变换,达到保留主要信息,降低数据量;增强或提取有用信息的目的。其变换的本质:对遥感图像实行线性变换,使多光谱空间的坐标系按一定规律进行旋转。
    6. 多源信息复合
    1)信息复合的概念:
    l 定义:信息复合指同一区域内遥感信息之间或遥感信息与非遥感信息之间的匹配复合。
    l 内容:包括空间配准和内容复合
    l 目的:突出有用的专题信息,消除或抑制无关的信息,改善目标识别的图像环境。
    l 多种遥感信息各具有一定的空间分辨率、波谱分辨率与时间分辨率
    l 信息复合:非多种信息源简单叠加,而是可得到原来几种单个信息所不能提供的新信息
    2)信息复合的发展
    l 同种遥感信息多波段、多时相的信息复合
    l 不同类型遥感数据的复合
    l 遥感与非遥感信息的复合
    3)遥感信息的复合
    遥感信息复合包括:不同传感器的遥感数据和不同时相的遥感数据
    l 复合方式的确定:根据目标空间分布、光谱反射特性及时相规律方面的特征选择不同的遥感图像;在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率方面相互补充
    ①不同传感器的遥感数据复合
    复合步骤:
     配准
    先完成配准,使两幅图像所对应的地物吻合,分辨率一致。
     复合
    彩色合成方法的效果比较明显应尽可能生成三幅新图像,分别赋予红、绿、蓝色,进行彩色合成
    ②不同时相的遥感数据复合
    步骤:
    配准:
    直方图调整:图像亮度值趋于协调,便于比较。
     复合:用来研究时间变化所引起的各种动态变化。采用的复合方法主要有:
    l  彩色合成方法
    l  差值方法
    l  比值方法
    五. 遥感图像目视解译原理
    1. 遥感图像目视解译原理
    遥感图像解译(Imagery Interpretation):是从遥感图像上获取目标地物信息的过程:
    目视解译:
    计算机解译:即遥感图像理解(Remote Sensing Imagery Understanding)
    1)遥感图像目标地物的识别特征
    目标地物特征:
    l 色:颜色,色调、颜色和阴影等;
    l 形:形状,形状、纹理、大小、图型;
    l 位:空间位置,目标地物分布的空间位置、相关布局等;
    目标地物识别特征
    色调(tone):全色遥感图像中从白到黑的密度比例叫色调(也叫灰度)。如海滩的砂砾色调标志是识别目标地物的基本依据,依据色调标志,可以区分出目标地物。
     颜色(colour):是彩色遥感图像中目标地物识别的基本标志。日常生活中目标地物的颜色:遥感图像中目标地物的颜色:地物在不同波段中反射或发射电磁辐射能量差异的综合反映。彩色遥感图像上的颜色:真\假彩色
    真彩色图像上地物颜色能真实反映实际地物颜色特征,符合人的认知习惯。
    目视判读前, 需了解图像采用哪些波段合成,每个波段分别被赋予何种颜色。
    阴影(shadow):遥感图像上光束被地物遮挡而产生的地物的影子
    根据阴影形状、大小可判读物体的性质或高度。不同遥感影像中阴影的解译是不同的
    形状(shape):目标地物在遥感图像上呈现的外部轮廓。
    遥感图像上目标地物形状:顶视平面图
    解译时须考虑遥感图像的成像方式。
    纹理(texture):内部结构,指遥感图像中目标地物内部色调有规则变化造成的影像结构。如航空像片上农田呈现的条带状纹理。纹理可以作为区别地物属性的重要依据。
    2)目视解译的认知过程
    遥感图像的认知过程包括:
    l 自下向上的信息获取、特征提取与识别证据积累过程
    l 自上向下的特征匹配、提出假设与目标辨识过程。
    ①自下而上过程:
    图像信息获取 → 特征提取 →识别证据选取
    ②自上而下过程:
    特征匹配:指人脑利用记忆存储中的地物类型模式与地物特征匹配的过程。
    地物类型模式与目标地物全局特征进行相似性测量,判别其相容性或不相容性。
    2. 遥感图像目视解译基础
    1)遥感摄影像片的判读
    ①常见的遥感扫描影像类型:
    l MSS影像:多光谱扫描仪;
    l TM图像:为专题绘图仪获取的图像;
    l SPOT图像:具有较高的地面分辨率;
    l 资源一号卫星CBERS影像
    ②摄影像片的特点
    遥感摄影像片绝大部分为大中比例尺像片
    遥感摄影像片绝大部分采用中心投影方式成像
    从航空像片上看到的是地物的顶部轮廓
    ③摄影像片的解译标志
    解译标志(又称判读标志):
    解译标志分为直接判读标志和间接解译标志。
    l 直接判读标志
    指能够直接反映和表现目标地物信息的遥感图像的各种特征包括遥感摄影像片的色调、色彩、大小、形状、阴影、纹理、图型。
    l 间接解译标志
    指能够间接反映和表现目标地物信息的遥感图像的各种特征,借助它可以推断与某地物属性相关的其他现象。
    遥感摄影像片上常用到的间接解译标志:
    目标地物与其相关指示特征:
    地物与环境的关系:
    目标地物与成像时间的关系:
    2) 遥感扫描影像的判读
    ①遥感扫描影像特征
    l 宏观综合概括性强:
    l 信息量丰富:
    l 动态观测:
    扫描影像的判读遵循原则:
    l “先图外、后图内”
    l “先整体,后局部”
    l “勤对比,多分析”
    ②遥感扫描影像的主要解译方法
    1. 目视解译方法:
    指根据遥感影像目视解译标志和解译经验,识别目标地物的办法与技巧。
     (1)直接判读法
    根据遥感影像目视判读直接标志,直接确定目标地物属性与范围的一种方法。
    (2)对比分析法
    包括同类地物对比分析法、空间对比分析法和时相动态对比法。
    l 同类地物对比分析法:在同一景遥感影像上,由已知地物推出未知目标地物的方法。
    l 空间对比分析法:由已知熟悉影像区域为依据判读未知区域影像的一种方法。
    l 时相动态对比法:利用同一地区不同时间成像的遥感影像加以对比分析,了解同一目
    标地物动态变化。
     (3)信息复合法
    利用透明专题图或地形图与遥感图像重合,根据专题图或地形图提供的多种辅助信息,识别遥感图像上目标地物的方法。
    (4)综合推理法
    综合考虑遥感图像多种解译特征,结合生活常识,分析、推断某种目标地物的方法。
     (5)地理相关分析法
    根据地理环境中各种地理要素之间的相互依存,相互制约的关系,借助专业知识,分析推断某种地理要素性质、类型、状况与分布的方法。
    3)目视解译步骤
    l 目视解译准备工作阶段
    明确解译任务与要求;
    收集与分析有关资料;
    选择合适波段与恰当时相的遥感影像。
    l 初步解译与判读区的野外考察
    l 室内详细判读
    l 野外验证与补判
    l 目视解译成果的转绘与制图
    六. 遥感数字图像计算机解译
    1. 遥感数字图像的计算机(自动识别)分类
     遥感图像计算机解译的主要目地是将遥感图像的地学信息获取发展为计算机支持下的遥感图像智能化识别,其最终目地是实现遥感图像理解。其基础工作就是遥感数字图像的分类。
      遥感图像的计算机分类方法包括监督分类和非监督分类。
    l 监督分类:事先有类别的先验知识,根据先验知识选择训练样本,由训练样本得到分类准则。
    监督分类中常用的具体分类方法包括:
    ①最小距离分类法:classifier):用特征空间中的距离表示像元数据和分类类别特征的相似程度,在距离最小时(相似度最大)的类别上对像元数据进行分类的方法。
    ②多级切割分类法:根据设定在各轴上的值域,分割多维特征空间的分类方法。
    ③特征曲线窗口法:特征曲线:地物光谱特征参数构成的曲线。以特征曲线为中心取一个条带,构造一个窗口,凡是落在此窗口范围内的地物即被认为是一类,反之则不属于该类。
    ④最大似然比分类法:求出像元数据对于各类别的似然度(likelihood),把该像元分到似然度最大的类别中去的方法。
    l 非监督分类:事先没有类别的先验知识,纯粹根据图像数据的统计特征和点群分布情况,根据相似性程度自动进行归类,最后再确定每一类的地理属性。
    非监督分类的常用方法:
    ①分级集群法:分级集群法采用“距离”评价每个像元在空间分布的相似程度,把它们的分布分割或者合并成不同的集群。每个集群的地理意义需要根据地面调查或者与已知类型的数据比较后方可确定。
    ②动态聚类法:在初始状态给出图像粗糙的分类,然后基于一定原则在类别间重新组合样本,直到分类比较合理为止,这种聚类方法就是动态聚类。
    2. 智能化识别分类的发展趋势
    1)提取遥感图像多种特征并综合利用这些特征进行识别。提取稳定、有效的特征是提高遥感图像自动解译精度的关键。遥感图像特征:图像色调、颜色、形状、大小、纹理、图型、阴影、位置和相关布局。
    2)利用GIS数据减少自动解译中的不确定性
    GIS专题数据库可以在计算机自动解译中发挥以下重要作用:
    l 对遥感图像进行辐射改正,消除或降低地形差异的影响
    l 作为解译的直接证据,增加遥感图像的信息量
    l 作为解译的辅助证据,减少自动解译中的不确定性
    l 作为解译结果的检验数据,降低误判率
    3)建立适用于遥感图像自动解译的专家系统,提高自动解译的灵活性
    从目前状况看,建立适用于遥感图像自动解译的专家系统,需要从以下方面开展工作:
    l 建立解译知识库和背景知识库。
    l 根据遥感图像解译的特点来构造专家系统。
    4)模式识别与专家系统相结合
    专家系统和模式识别方法相结合,可以发挥图像解译专家知识的指导作用,在一定程度上为模式识别提供经验性的知识,又可以利用数字遥感图像本身提供的特征,有助于提高计算机解译的灵活性。
    概括说来,遥感图像计算机解译具有探索性强,涉及的技术领域广,技术难度大等特点,需要采用模式识别、遥感图像处理、地理信息系统与人工智能(包括专家系统和人工神经网络)等多种技术综合研究。
    七. 遥感技术应用
    1. 资源调查与管理
    1)水体遥感
       水体遥感主要任务:通过遥感影像分析,获得水体的分布、泥沙、有机质等状况和水深、水温等要素的信息,对一个地区的水资源和水环境等作出评价,为水利、交通、航运及资源环境等部门提供决策服务。
       ①水体光谱特性
    遥感器所接收到的辐射:水面反射光、悬浮物反射光、水底反射光和天空散射光。
       ②水体界限确定
    水体反射率总体较低(4%~5%),并随波长的增大逐渐降低,0.6um处约2%~3%,过了0.75um,水体几乎成为全吸收体。在近红外的遥感影像:清澈的水体呈黑色。区分水陆界线,应选择近红外波段的影像。
    ③水体悬浮物的确定--泥沙
    l 浑浊水体的反射波谱曲线整体高于清水随着悬浮泥沙浓度的增加,差别加大;
    l 波谱反射峰值向长波方向移动(“红移”)。清水0.75um反射率接近零,而含有泥沙的
    浑浊水0.93um反射率才接近于零;
    ④水体悬浮物的确定—叶绿素
    水体叶绿素浓度增加,蓝光波段的反射率下降,绿光波段的反射率增高;
    水面叶绿素和浮游生物浓度高时,近红外波段仍存在一定的反射率,该波段影像
    中水体不呈黑色,而呈灰色甚至浅灰色
    2)植被遥感
       在高分辨率遥感影像上,不仅可以利用植物的光谱来区分植被类型,而且可以直接看到植物顶部和部分侧面的形状、阴影、群落结构等,可比较直接地确定乔木、灌木、草地等类型,还可以分出次一级的类型。
       健康的绿色植物具有典型的光谱特征。植物生长状况发生变化,波谱曲线形态也会改变。
    3)土壤遥感
       通过遥感影像的解译,识别和划分出土壤类型,制作土壤图,分析土壤的分布规律,为改良土壤、合理利用土壤服务。
       在地面植被稀少情况下,土壤的反射曲线与其机械组成和颜色密切相关。颜色浅的土壤具有较高的反射率,颜色较深的土壤反射率较低。在干燥条件下同样物质组成的细颗粒的土
    壤,表面平滑且具有较高反射率,而较粗的颗粒具有相对较低的反射率。
       土壤水的含量增加,会使反射率曲线平移下降,并有两个明显的水分吸收谷。当土壤水超过最大毛管持水量时,土壤的反射光谱不再降低。


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