遥感数字图像处理_02遥感数字图像的获取和存储

1、第2讲课 题： 遥感数字图像的获取和存储目的要求：了解遥感图像的获取过程、遥感的应用及其发展趋势、遥感的物理基础教学重点：遥感图像的获取过程教学难点：遥感的物理基础教学课时：2课时教学方法：授课为主、鼓励课堂交流本次课涉及的学术前沿：遥感技术的发展方向一一 什么是什么是遥感遥感 (REMOTE SENSING) 遥感即遥远感知，是在不直接接触的情况下，遥感即遥远感知，是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术 1 遥感系统遥感系统：是一个从地面到空中乃至整个空间，是一个从地面到空中乃至整个空间，从信息收集、存储、传输、处理到分析

2、、判读、从信息收集、存储、传输、处理到分析、判读、应用的技术体系，应用的技术体系，主要包括遥感试验、信息获取主要包括遥感试验、信息获取（传感器、遥感平台）、信息传输、信息处理、（传感器、遥感平台）、信息传输、信息处理、信息应用等信息应用等5个部分。个部分。 2 遥感的过程遥感的过程 发射率发射率= W/ W 发射率发射率 为实际物体与同温度的黑体在相同为实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比条件下辐射功率之比 物体温度的振幅取决于物体热惯物体温度的振幅取决于物体热惯量量P,可以通过热红外影像、测量地可以通过热红外影像、测量地物物 的周日变化和辐射特性、借助的周日变化和辐射特性、借助热模

3、型计算出来。热模型计算出来。 应用应用: 用用MODIS影像白天和夜间影像灰度影像白天和夜间影像灰度- 热惯量热惯量P-裸露土壤含水量裸露土壤含水量-干旱干旱监测监测 热红外影像热红外影像-城市城市热岛热岛监测监测 NDVI=(NDVI=(热红外热红外-红波段红波段)/ ( (热红外热红外+红波段红波段) 植被植被检测检测 B:地物的反射辐射地物的反射辐射 物体的反射波谱限于物体的反射波谱限于紫外、可见光和近紫外、可见光和近红外，红外，尤其是后两个波段。尤其是后两个波段。 物体对入射辐射的选择性作用受物体的物体对入射辐射的选择性作用受物体的组成成分、结构、表面状态以及物体所处组成成分、结构、表

4、面状态以及物体所处环境环境的控制和影响。在漫反射的情况下，的控制和影响。在漫反射的情况下，组成成分和结构是控制因素。组成成分和结构是控制因素。 -同一地物的波谱特性相近同一地物的波谱特性相近 -不同地物的波谱特性相差很大不同地物的波谱特性相差很大 应用应用 : 利用地物的波谱特性利用地物的波谱特性 -波谱特性曲线波谱特性曲线- 地物分类识别地物分类识别大气的影响 吸收 + 散射 + 反射通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利的电磁辐射利的电磁辐射 波段通常称为波段通常称为“大气窗口大气窗口”. 研究大气对电磁波的影响 作用：作用： 确定大气窗

5、口确定大气窗口-波段选择波段选择( (用户用户) ) 感兴趣目标感兴趣目标 卫星传感器波段设计的依据卫星传感器波段设计的依据 不能透过的波段不能透过的波段-大气研究大气研究( (天气预报天气预报) 平台及平台及及传感器及传感器特点特点 三高三高(高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率) 5M以下以下 5-6nm,600波段波段 1-3d空间分辨率：指遥感图像上能够详细区分的最小目标的尺寸或大小。空间分辨率：指遥感图像上能够详细区分的最小目标的尺寸或大小。光谱分辨率：指传感器记录的电磁光谱中特定波长的范围和数量，波长范围越窄光谱分辨率：指传感器记录的电磁

6、光谱中特定波长的范围和数量，波长范围越窄 光谱分辨率越高，波段数越多光谱分辨率越高。光谱分辨率越高，波段数越多光谱分辨率越高。时间分辨率：对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔称为时间分时间分辨率：对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔称为时间分辨率。辨率。 三多三多(多平台、多传感器、多角度多平台、多传感器、多角度) (4) (4) 数据处理数据处理 A:遥感影像辐射处理遥感影像辐射处理 遥感图像的辐射误差主要包括：遥感图像的辐射误差主要包括： - 传感器本身的性能引起的辐射误差传感器本身的性能引起的辐射误差 -地形影响和光照条件的变化引起的地形影响和光照条件的变化引起的

7、 辐射误差辐射误差 -大气的散射和吸收引起的辐射误差大气的散射和吸收引起的辐射误差 辐射处理辐射处理 B: 遥感图像的几何处理 遥感图像构像方程遥感图像构像方程 遥感图像的几何变形遥感图像的几何变形 -传感器成像方式引起的图像变形传感器成像方式引起的图像变形 -传感器外方位元素变化的影响传感器外方位元素变化的影响 -地形起伏引起的像点位移地形起伏引起的像点位移 -地球曲率引起的图像变形地球曲率引起的图像变形 -地球自转的影响地球自转的影响 :遥感图像的几何处理遥感图像的几何处理 - 遥感图像的遥感图像的粗加工粗加工处理处理 -遥感图像的遥感图像的精纠正精纠正处理处理 -图像间图像间的的自动配准

8、和数字镶嵌自动配准和数字镶嵌(5) 信息提取信息提取 特征特征-光谱特征、空间特征、时间特征和光谱特征、空间特征、时间特征和 极化特征极化特征 特征变换特征变换 特征选择特征选择 目标提取与分类 (6) 应用应用 在测绘中的应用在测绘中的应用 在环境和灾害监测中的应用在环境和灾害监测中的应用 在地质调查中的应用在地质调查中的应用 在农林牧等方面的应用在农林牧等方面的应用1、发展过程 1962年年 密执安大学密执安大学第一届第一届遥感讨论会遥感讨论会 1971年第一届年第一届国际国际遥感讨论会遥感讨论会 1972年年ERTS-1（Landsat-1)发射成功发射成功 20世纪世纪80年代年代第二

9、代第二代遥感卫星上天遥感卫星上天 Landsat-4/5 SPOT1 20世纪世纪90年代至今年代至今第三代第三代 Landsat-7 SPOT2-5 RadarSat CBERS IRS-1B/C/D IRS-P 2 为什么上世纪为什么上世纪60年代年代迅速发展迅速发展?2、20世纪60年代遥感技术迅速发展的原因 （1）传感器的发展 摄影: 紫外波段-可见光-近红外波段 黑白影像-多光谱影像 扫描仪:多光谱-中远红外-微波 雷达:微波 被动式-主动式（2） 空间技术的发展 卫星-宇宙飞船(航天飞机)-空间站 -小卫星群（3）计算机技术的发展 （4）数学、物理及专业理论的发展 3、 遥感技术的

10、主要发展趋势遥感技术的主要发展趋势遥感技术从上世纪遥感技术从上世纪60年代提出至今，经年代提出至今，经历了历了40年的发展后，已成为一门集空间科年的发展后，已成为一门集空间科学技术、通信技术、计算机技术等技术以学技术、通信技术、计算机技术等技术以及跨地球科学、电子科学、物理学等学科及跨地球科学、电子科学、物理学等学科的新兴科学与技术。的新兴科学与技术。(1). 概念的发展概念的发展 a). 摄影测量（摄影测量（photogrammetry，150年前）年前）遥感（遥感（remote sensing，40年前）年前） 摄影测量与遥感（摄影测量与遥感（remote sensing & photog

11、rammetry，20年年前）前） 遥感科学与技术（遥感科学与技术（remote sensing science and technology，当代）当代）b). 狭义地，遥感科学与技术属于对地观狭义地，遥感科学与技术属于对地观测（测（Earth observation）体系的组成）体系的组成部分部分(2). 平台与观测技术的发展平台与观测技术的发展 三多（多平台、多传感器、多角度）三多（多平台、多传感器、多角度） 三高（高空间分辨率、高光谱分辨率和三高（高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率）高时相分辨率） 民用空间分辨率可高达0.62m，军用的高 达10cm； 光谱分辨率可达nm级； 小

12、卫星群的重访周期为13天； 机载、星载SAR卫星日益普及，提供全天候、全天时的观测能力(3). 定位技术的发展（）定位技术的发展（）a)利用机载和地面利用机载和地面GPS接收机进行载波相接收机进行载波相位差分位差分GPS定位以确定传感器的空间位定位以确定传感器的空间位置，实现摄影测量与遥感定位。可大量置，实现摄影测量与遥感定位。可大量免除野外作业。免除野外作业。b) 利用利用DGPS(差分全球定位系统差分全球定位系统Differential Position System)与与INS惯导系统，可以惯导系统，可以获得航空航天影像传感器的位置与姿获得航空航天影像传感器的位置与姿态，实现定点摄影和无

13、地面控制的高精态，实现定点摄影和无地面控制的高精度对地观测和三维重建。度对地观测和三维重建。c) 将将DGPS、INS和和LIDAR集成，可实集成，可实现无地面控制的实时三维测量。现无地面控制的实时三维测量。 a) ：利用三轴稳定装置，星相仪，GPS等辅助下，无地面控制点的定位精度：1723米b) ：法国在全球设54个站点（中国设在南京紫金山天文台），利用Doppler频移以精确解求卫星的空间坐标，对Topes/Poseidon卫星的高度测量，精度达3cm，对SPOT5直接进行无地面控制的正射影像制作，精度可以达到15m，完全满足国家安全的要求。(4). 处理技术的发展处理技术的发展a) 影像

14、识别和分类不再限于统计分影像识别和分类不再限于统计分类，基于结构和纹理的分析方法类，基于结构和纹理的分析方法正被引入；正被引入；b) 目标识别从传统的目视判读到目前常用目标识别从传统的目视判读到目前常用的人机交互判读，正在向自动化和智能的人机交互判读，正在向自动化和智能化方向发展；化方向发展；d) 影像融合技术、数据压缩技术继续影像融合技术、数据压缩技术继续成熟；成熟；e) 大规模影像库的建设带来影像检索大规模影像库的建设带来影像检索技术和无缝影像库的发展；技术和无缝影像库的发展；f) 空间数据挖掘用于遥感图象解译空间数据挖掘用于遥感图象解译(5). 遥感应用领域的拓展遥感应用领域的拓展a）利

15、用多时相影像发现土地利用变化、农）利用多时相影像发现土地利用变化、农业作物估产、林业资源调查、自然灾害监业作物估产、林业资源调查、自然灾害监测、全球和局部环境监测；测、全球和局部环境监测； b）利用高分辨率影像提取城市信息）利用高分辨率影像提取城市信息(交通交通道路网络道路网络)； c）军事应用越来越重要：重要目标定位与）军事应用越来越重要：重要目标定位与侦察、导航与武器制导、侦察、导航与武器制导、 打击效果评估、打击效果评估、战场环境监测等等；战场环境监测等等；d）高光谱遥感在精准农业中的应用）高光谱遥感在精准农业中的应用e）在建设数字城市、数字省区和数字中国）在建设数字城市、数字省区和数字

16、中国中的应用：，和。中的应用：，和。(6).遥感基础理论的发展遥感基础理论的发展a) 从影像的几何与物理方程出发，开展从影像的几何与物理方程出发，开展全定量化，遥感反演遥感正经历着由全定量化，遥感反演遥感正经历着由定性定性定量的发展；定量的发展；b) 研究成象机理、地物波谱特性、各研究成象机理、地物波谱特性、各大气层和气溶胶对电磁波谱的吸收和大气层和气溶胶对电磁波谱的吸收和散射特征、不同地物对电磁波的吸收、散射特征、不同地物对电磁波的吸收、发射和散射特征等发射和散射特征等 三、遥感的应用三、遥感的应用 测绘测绘: 快速成图快速成图 地图修测地图修测 困难地区测图困难地区测图 农业农业: 作物长

17、势监测作物长势监测(病虫害病虫害) 估产估产 林业林业: 森林火灾森林火灾 森林调查、管理森林调查、管理 森林病虫害森林病虫害 水水: 水灾水灾 水资源水资源 水土流失水土流失 海洋: 海岸带滩涂 海温、海流 导航 水产资源 赤潮 环境: 两极环境(冰雪融化、o3) 全球环境(大气、水、陆地污染) 气象: 台风、天气预报、大气环境 地质: 找矿 地震 考古: 古遗址 军事: 揭露伪装 卫星定位 情报快速获取 思考题: 1:什么是遥感及主动遥感?什么是遥感系统?名词解释：论述题：2:遥感的发展趋势.四、电磁波四、电磁波 变化的电场和磁场交替产生，以有限的变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近

18、及远在空间内传播的过程称为电速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。磁波。 射线、射线、X射线、紫外线、可见光、红射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。外线、微波、无线电波等都是电磁波。 电磁波是一种横波电磁波是一种横波 电磁波具有波动性与粒子性电磁波具有波动性与粒子性 波动性波动性形成了光的形成了光的干涉、衍射、偏振干涉、衍射、偏振等现象等现象 (1)干涉干涉:由两个（或两个以上）频率、振动方向由两个（或两个以上）频率、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的电磁波在空相同、相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢间叠加时，合成波振幅为各个波的

19、振幅的矢量和。因此会出现交叠区某些地方振动加强，量和。因此会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。某些地方振动减弱或完全抵消的现象。 微波遥感中的雷达也是应用了干涉原理成像的,其影像上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。(2)衍射衍射:光通过有限大小的障碍物时偏离直光通过有限大小的障碍物时偏离直线线 路径的现象路径的现象 研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要意义。另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。 (3)偏振偏振:指电磁波传播的方向性指电磁波传播的方向性 电磁波有偏振、部分偏振

20、和非偏振波，电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，许多散射光、反射光、透射光都是部分偏许多散射光、反射光、透射光都是部分偏振光。振光。 偏振在微波技术中称为“极化”。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。 五、 电磁波谱 按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱 射线射线、X射线射线、紫外线紫外线、可见光、可见光、红外线红外线、微波微波、无线电波无线电波 低低 能量能量 高高 红 0.62 0.76m 可见光 绿 0.50 0.56m 蓝 0.43 0.47m 远红外处 6 15m 红外波段 中红外 3 6m 近红外 0.76 3m 微波 1 mm

21、 1m（一）黑体辐射黑体辐射 1 绝对黑体绝对黑体: 对任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体对任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体 绝对黑体的吸收率绝对黑体的吸收率 (,T)1 反射率反射率（,T）0 绝对白体则能反射所有的入射光绝对白体则能反射所有的入射光 反射率反射率（,T）1，吸收率，吸收率(,T)0 与温度和波长无关与温度和波长无关2黑体辐射定律 W 分谱辐射通量密度 h 普朗克常数 C 光速 K 玻耳兹曼常数 T 绝对温度3 黑体辐射波谱曲线 黑体辐射的三个特性黑体辐射的三个特性 :(1)总辐射通量密度总辐射通量密度W是随温度是随温度T的增加而迅速增加的增加而迅速增加 斯忒藩玻耳兹曼公式

22、斯忒藩玻耳兹曼公式:单位面积发出的总辐射能单位面积发出的总辐射能与与绝对温度的四次方成正比绝对温度的四次方成正比 (2）分谱辐射能量密度的峰值波长）分谱辐射能量密度的峰值波长 随温度的增加向随温度的增加向短波方向移动短波方向移动 维恩位移定律维恩位移定律 :若知道了某物体温度，就可以推若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段算出它所辐射的波段 (3)每根曲线彼此不相交每根曲线彼此不相交 温度温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大 （二）一般物体的发射辐射（二）一般物体的发射辐射 发射率发射率= W/ W 是一个介于是一个介于0和和1的数的数 即

23、：发射率即：发射率就是实际物体与同温度的黑体就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。在相同条件下辐射功率之比。绝对黑体 1灰 体 但01选择性辐射体 ()理想反射体（绝对白体） 0大多数物体可以视为灰体大多数物体可以视为灰体 为了便于分析，常常用一个最接近灰体辐射曲线为了便于分析，常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度），写为为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度），写为T等效等效 式中 为实际物体的辐射温度 （一）地物的反射类别（一）地物的反射类别(三种形式三种形式)

24、1:镜面反射镜面反射 2:漫反射漫反射 3:方向反射方向反射 从空间对地面观察时，对于平面地从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以看成区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射漫反射； 对于地形起伏和地面结构复杂的地对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。区，为方向反射。（二）光谱反射率以及地物的反射光谱特性（二）光谱反射率以及地物的反射光谱特性 1 1 光谱反射率光谱反射率: 物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比 物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。 一个物体的反射波谱的特征主要取决于该物体与入射辐射相互作用

25、的波长选择 四种地物的反射波谱特性曲线 四种地物的反射波谱特性曲线 （三）影响地物光谱反射率变化的因素 太阳位置、传感器位置、地理位置、 地形、季节、气候变化、地面湿度变化、 地物本身的变异、大气状况等 八、八、 地物波谱特性的测定地物波谱特性的测定 （一）地物波谱特性：（一）地物波谱特性：指各种地物各自所具指各种地物各自所具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射） （二）测定原理（二）测定原理 :用光谱测定仪器（置于不同用光谱测定仪器（置于不同波长或波谱段）分别探测地物和标准板，波长或波谱段）分别探测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段的测量、记录和

26、计算地物对每个波谱段的反射率，其反射率的变化规律即为该地反射率，其反射率的变化规律即为该地物的波谱特性。物的波谱特性。 （三）测定地物反射波谱特性的仪器分为: 分光光度计、光谱仪、摄谱仪等 302型野外分光光度计结构原理图 （四）测量的步骤：（四）测量的步骤：(1) 架设好光谱仪，接通电源并进行预热架设好光谱仪，接通电源并进行预热 (2) 安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝 宽度；宽度； (3)将照准器分别照准地物和标准板，并测量将照准器分别照准地物和标准板，并测量和记录地物、标准板在波长和记录地物、标准板在波长1 ，2，n处的观测值处的观测值I和和I0

27、A : 先测量地物的反射辐射通量密度先测量地物的反射辐射通量密度 物体的光谱反射辐射通量密度 物体的光谱反射率 太阳入射在地物上的光谱照度 大气光谱透射率 光度计视场角 光度计有效接收面积 单色光波长宽度 ( 经光电管转变为电流强度在电表上指示读数经光电管转变为电流强度在电表上指示读数 ，它与它与 关系为：关系为： B :测量标准板的反射辐射通量密度测量标准板的反射辐射通量密度 标准板为一种理想的漫反射体，它一标准板为一种理想的漫反射体，它一般由硫酸钡或石膏之类做成。般由硫酸钡或石膏之类做成。 C :地物的电流强度与标准板的电流强度相比地物的电流强度与标准板的电流强度相比 (4)绘制出地物的反

28、射特性曲线绘制出地物的反射特性曲线 根据所测结果，以根据所测结果，以为纵坐标轴，为纵坐标轴，为为横坐标轴画出地物反射波谱特性曲线横坐标轴画出地物反射波谱特性曲线 注注:由于地物波谱特性的变化与太阳和测试仪器的位置、地由于地物波谱特性的变化与太阳和测试仪器的位置、地理位置、时间环境（季节、气候、温度等）和地物本身有理位置、时间环境（季节、气候、温度等）和地物本身有关，所以应记录观测时的地理位置、自然环境（季节、气关，所以应记录观测时的地理位置、自然环境（季节、气温、温度等）和地物本身的状态，并且测定时要选择合适温、温度等）和地物本身的状态，并且测定时要选择合适的光照角，正因为波谱特性受多种因素的

29、影响，所测的反的光照角，正因为波谱特性受多种因素的影响，所测的反射率定量但不唯一射率定量但不唯一 （一）地球大气（一）地球大气 从垂直方向可划分成四层，对流层、平流层、从垂直方向可划分成四层，对流层、平流层、电离层电离层和外大气层和外大气层. 大气成分主要有大气成分主要有: 氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体在氮、氢（这些气体在80km以下的相对比例保持不以下的相对比例保持不变，称不变成分）变，称不变成分） 臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高雪、冰等）、盐粒、尘

30、烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变、称为可变成分）等。度、温度、位置而变、称为可变成分）等。 （二）大气对太阳辐射的吸收、散射及反射（二）大气对太阳辐射的吸收、散射及反射作用作用 (分子散射) 紫外线、 可见光、 红外线、 微波 (大气吸收)1 大气吸收大气吸收 大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等 氧气氧气(微波中微波中0.253cm，0.5cm ) 臭氧臭氧(0.3m以下的紫外区以下的紫外区) 水水 0.701.95m 2.5 3.0m 4.98.7m 15m1mm间的超远红外区间的超远红外区 二氧化碳二氧化碳(红外区红外区)2 大气散射大气散射 电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发