遥感数字图像处理_13遥感影像的判读基础

1、第12讲课 题 ：遥感影像的判读目的要求：熟悉景物特征和判读标志，尤其是光谱特征及空间特征。重 点 ：掌握目视判读的一般过程和方法难 点 ：影响景物特征及其判读的因素教学课时：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：遥感影像的解译 第第12讲讲 遥感图像判读遥感图像判读 “判读判读”（Interpretation）是对遥）是对遥感图像上的各种特征进行综合分析、比感图像上的各种特征进行综合分析、比较、推理和判断，最后提取出你所较、推理和判断，最后提取出你所感兴感兴趣趣的信息。的信息。 这是一种这是一种人工提取信息人工提取信息的方法，使用的方法，使用眼睛目视观察，借助一些光学仪

2、器或在眼睛目视观察，借助一些光学仪器或在计算机显示屏幕上，凭借丰富的判读经计算机显示屏幕上，凭借丰富的判读经验，扎实的专业知识和手头的相关资料，验，扎实的专业知识和手头的相关资料，通过人脑的分析、推理和判断，提取有通过人脑的分析、推理和判断，提取有用的信息。用的信息。101 景物特征和判读标志一景物特征一景物特征: 光谱特征 空间特征 X, Y,Z 时间特征 t 偏振特性(在微波区 ) 景物的这些特征在图像上以灰度变化灰度变化的形式表现出来，因此图像的灰度是以上特征的函数： 1 光谱特征及其判读标志光谱特征及其判读标志 (1)光谱特性曲线光谱特性曲线用反射率与波长的关系表示，用反射率与波长的关

3、系表示，(2)波谱响应曲线波谱响应曲线用密度或亮度值与波段的关系用密度或亮度值与波段的关系表示，如果不考虑传感器光谱响应及大气等的表示，如果不考虑传感器光谱响应及大气等的影响，则波谱响应值与地物在该波段内光谱反影响，则波谱响应值与地物在该波段内光谱反射亮度的积分值相应射亮度的积分值相应(3)地物的波谱响应曲线与其光谱特性曲线的变地物的波谱响应曲线与其光谱特性曲线的变化趋势是一致的化趋势是一致的。地物在多波段图像上特有的。地物在多波段图像上特有的这种波谱响应就是地物的光谱特征的判读标志。这种波谱响应就是地物的光谱特征的判读标志。 光谱特性曲线波谱响应曲线波谱响应曲线反射率亮度值用反射率与波长的关

4、系表示用反射率与波长的关系表示用密度或亮度值与波段的关系表示用密度或亮度值与波段的关系表示2 空间特征及其判读标志空间特征及其判读标志 景物的各种几何形态为其空间特征，景物的各种几何形态为其空间特征，它与物本的空间坐标它与物本的空间坐标X、Y、Z密切相关，密切相关，这种空间特征在像片上也是由不同的色这种空间特征在像片上也是由不同的色调表现出来。它包括通常目视判读中应调表现出来。它包括通常目视判读中应用的一些判读标志：用的一些判读标志：形状、大小、图形、形状、大小、图形、阴影、位置、纹理、类型阴影、位置、纹理、类型等等 形状形状 指各种地物的外形、轮廓。从高空观察地面物体形状是在XY平面内的投影

5、；不同物体显然其形状不同，其形状与物体本身的性质和形成有密切关系。大小大小 地物的尺寸、面积、体积在图像上按比例缩小后的相似性记录。图形图形 自然或人造复合地物所构成的图形 五角大楼QuickBird 影像影像阴影 由于地物高度Z的变化，阻挡太阳光照射而产生的阴影。它既表示了地物隆起的高度，又显示了地物侧面形状。位置 地物存在的地点和所处的环境。图像上除了地物所在的位置还与它所处的背景有很大关系。例如处在阳坡、阴坡的树，可能长势不同或品种不同。纹理纹理 图像上细部结构以一定频率重复出现，图像上细部结构以一定频率重复出现，是单一特征的集合。实地为同类地物聚是单一特征的集合。实地为同类地物聚集分布

6、。集分布。 图像上的纹理包括光滑的、波纹的、图像上的纹理包括光滑的、波纹的、斑纹的、线性及不规则的纹理特征。斑纹的、线性及不规则的纹理特征。 如树叶丛和树叶的阴影，单个地看是如树叶丛和树叶的阴影，单个地看是各叶子的形状、大小、阴影、色调、图各叶子的形状、大小、阴影、色调、图形。当它们聚集在一起时就形成纹理特形。当它们聚集在一起时就形成纹理特征。征。2003. 2. 11麦加QuickBird-2 影像影像类型类型 各大类别组成类型。如水系类型、地各大类别组成类型。如水系类型、地貌类型、地质构造类型、土壤类型、土貌类型、地质构造类型、土壤类型、土地利用类型等。在各自类型中，根据其地利用类型等。在

7、各自类型中，根据其形状、结构、图形等又可分成许多种类。形状、结构、图形等又可分成许多种类。水系影像根据水系影像勾绘的图形4 时间特征及其判读标志时间特征及其判读标志 对于同一地区景物的时间特征表现在对于同一地区景物的时间特征表现在不同时间地面覆盖类型不同，地面景观不同时间地面覆盖类型不同，地面景观发生很大变化。发生很大变化。 景物的时间特征在图像上以景物的时间特征在图像上以光谱特征光谱特征及空间特征的变化表现出来。及空间特征的变化表现出来。 对于同一种类型对于同一种类型,尤其是植物，随着出尤其是植物，随着出芽、生长、茂盛、枯黄的自然生长过程，芽、生长、茂盛、枯黄的自然生长过程，景物及景观也在发

8、生巨大变化。景物及景观也在发生巨大变化。又如洪水期和枯水期，及不同时期水又如洪水期和枯水期，及不同时期水中含沙量变化都随时间而变。中含沙量变化都随时间而变。 同一春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线 二判读标志1 直接判读标志直接判读标志直接判读标志是指能够直接反映和表直接判读标志是指能够直接反映和表现目标地物信息的遥感影像的各种特征。现目标地物信息的遥感影像的各种特征。 它包括遥感摄影像片上目标地物大它包括遥感摄影像片上目标地物大小、形状、阴影、色调、纹理、图型和小、形状、阴影、色调、纹理、图型和位置及与周围的关系等。位置及与周围的关系等。 解译者利用直接解译标志可以直观解译者利用直接解译标

9、志可以直观地识别遥感像片上的目标地物。地识别遥感像片上的目标地物。2间接标志间接标志间接解译标志是指能够间接反映和表间接解译标志是指能够间接反映和表现目标地物信息的遥感影像的各种特征，现目标地物信息的遥感影像的各种特征，借助它可以推断与目标地物的属性相关借助它可以推断与目标地物的属性相关的其他现象。的其他现象。 如河流的流向，就常用一些判读的间如河流的流向，就常用一些判读的间接标志。接标志。三影响景物特征及其判读的因素三影响景物特征及其判读的因素 1地物本身的复杂性地物本身的复杂性 地物种类的繁多地物种类的繁多; ; 同一大的类别中有同一大的类别中有许多亚类、子亚类许多亚类、子亚类 ; ;各种

10、内在或外部因各种内在或外部因素的影响素的影响 . 不同类别不同类别出现相似或出现相似或相同相同的判读标志，的判读标志，而而同一类别同一类别又出现又出现不同不同的判读标志。的判读标志。 土地利用土地利用/覆盖（覆盖（LULC） USGS（美国地质局测量局）美国地质局测量局） LULC分类体系（三级）分类体系（三级）： 一级：一级：城市或围建的土地城市或围建的土地 农业用地农业用地 牧场地牧场地 森林地森林地水体水体湿地湿地贫瘠地贫瘠地冻土冻土常年降雪、冰川常年降雪、冰川 植物植物反射特性曲线主要由反射特性曲线主要由: 叶子的色素叶子的色素 细胞结构细胞结构 叶子的稠密程度叶子的稠密程度 含水量等

11、因素影响含水量等因素影响色素的影响主要在色素的影响主要在0.40.7m的可见光的可见光区域区域. 细胞结构的不同，使反射特性改变主要表现细胞结构的不同，使反射特性改变主要表现在红外部分。在红外部分。大豆和玉米的叶子内部构造 玉米与大豆叶子反射特性曲线16层叠置棉花叶的反射特性曲线近红外部分的反射还与叶子的稠密程度有关近红外部分的反射还与叶子的稠密程度有关 土壤土壤的光谱特性曲线与以下一些因素有关的光谱特性曲线与以下一些因素有关:与其所含水量与其所含水量 有机质含量有机质含量氧化铁含量氧化铁含量 粘土、砂、粉砂相对百分含量粘土、砂、粉砂相对百分含量土壤表面的粗糙度有关土壤表面的粗糙度有关三种低含

12、水量土壤的反射特性曲线 五种主要土壤光谱类型五种主要土壤光谱类型土壤质地分类三角形 几种岩石的反射波谱曲线 各种建筑物屋顶的波谱特性 各种道路的波谱特性 水水 的反射特性变化取决于的反射特性变化取决于:水中悬浮泥沙的含量水中悬浮泥沙的含量 叶绿素浓度叶绿素浓度 天然的和人造物质的注入天然的和人造物质的注入 水的状态水的状态 水底物质水底物质(水深较浅时水深较浅时)水中悬浮泥沙含量增大，反射率增高。特别是在黄色和红色光区增高较大，另一现象是近红外区也在增高。泥沙含量高达100mg/L时的混浊水体，水深超过30cm时，从上方测定水的反射率，只与水体本身有关，而与水底的各种特性无关。 叶绿素浓度增加

13、时，蓝色光部分的反叶绿素浓度增加时，蓝色光部分的反射率显著下降，但绿色部分反射率上升射率显著下降，但绿色部分反射率上升,在近红外区的反射率也略有提高在近红外区的反射率也略有提高 。 不同叶绿素含量的海水的反射特性曲线 2 传感器特性的影响传感器特性的影响 传感器特性对判读标志影响最大的是分辨力（1）空间分辨力 瞬时视场内所观察到的地面的大小称空间分辨力。如Landsat MSS图像的空间分辨力（即每个像元在地面的大小）为57m79m；TM图像为30m30m；SPOT4图像，多光谱的为20m20m，全色的为10m10m。(2)几何分辨力几何分辨力 假定像元的宽度为假定像元的宽度为a，则地物宽度在

14、，则地物宽度在3a(海海拉瓦拉瓦)或至少在或至少在 （ 康内斯尼）时，能被分康内斯尼）时，能被分辨出来，这个大小称为图像的几何分辨力。辨出来，这个大小称为图像的几何分辨力。 (3)辐射分辨力（传感器的探测能力） 辐射分辨力是指传感器能区分两种辐射强度最小差别的能力。 传感器的输出包括信号和噪声两大部分。如果信号小于噪声，则输出的是噪声。 如果两个信号之差小于噪声，则在输出的记录上无法分辨这两个信号。 实际输入信号功率要大于或等于26倍等效噪声功率时，才能分辨出信号来。等效噪声功率 式中：P输入功率； S输出电压； N噪声电压； R探测率。 (4) 光谱分辨力光谱分辨力 为光谱探测能力为光谱探测

15、能力,它包括传感器总的它包括传感器总的探测波段的宽度、波段数、各波段的波探测波段的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。长范围和间隔。 实际使用中，波段太多，输出数据量太大，实际使用中，波段太多，输出数据量太大，加大处理工作量和判读难度。加大处理工作量和判读难度。有效的方法是根据被探测目标的特性选择有效的方法是根据被探测目标的特性选择一些最佳探测波段。一些最佳探测波段。 所谓最佳探测波段，是所谓最佳探测波段，是指这些波段中探测各种目标之间和目标与背景指这些波段中探测各种目标之间和目标与背景之间，有最好的反差或波谱响应特性的差别。之间，有最好的反差或波谱响应特性的差别。另一个有效方法是用影像融合

16、的方法，将另一个有效方法是用影像融合的方法，将多于三个以上波段的信息富集在一张彩色影像多于三个以上波段的信息富集在一张彩色影像上。上。（5）时间分辨力）时间分辨力 时间分辨力是指对同一地区重复获取时间分辨力是指对同一地区重复获取图像所需的时间间隔。图像所需的时间间隔。 各种传感器的时间分辨力，与卫星的各种传感器的时间分辨力，与卫星的重复周期及传感器在轨道间的立体观察重复周期及传感器在轨道间的立体观察能力有关。能力有关。时间分辨力愈短的图像，能更详细地观察地面物体或现象的动态变化。与光谱分辨力一样并非时间越短越好，也需要根据物体的时间特征来选择一定时间间隔的图像。从空间特征角度去判读时，应充分考

17、虑它们的投影特性。传感器成像的几何投影特性影响也很大。不同的传感器图像变形不同 3、目视能力的影响目视能力的影响 人眼目视能力包括对图像的空间分辨能力灰阶分辨能力色别与色阶分辨能力 人眼的空间分辨能力与人眼的空间分辨能力与:眼睛张角（分辨角）影像离人眼的距离照明条件图像的形状 反差等 实验证明: 正常人眼的分辨角为1，在明视距离250mm处，能分辨相距75m的两个点。相当于67线对/mm。解决人眼空间分辨能力的限制造成的判读困难，可通过放大图像的比例尺，使用光学仪器放大观察的方法来克服。 人眼对灰度（亮度）信息的分辨，主要人眼对灰度（亮度）信息的分辨，主要取决于视网膜上的取决于视网膜上的视杆细

18、胞视杆细胞的灵敏度的灵敏度,一一般人眼能分辨般人眼能分辨10多级灰阶。多级灰阶。 解决的办法是对图像进行解决的办法是对图像进行:反差拉伸进行密度分割黑白发色等 可借助密度计来分辨灰度差。人眼视网膜上的视锥细胞能感受蓝、绿、红三原色。上面讲到人眼颜色的分辨能力比对灰阶的分辨能力强得多,一般来讲能达50种左右。假如人眼借助密度仪能识别27128种灰阶，那么人眼借助仪器识别颜色的能力可达（27）216384种。 102 目视判读的一般过程和方法 一 判读前的准备判读前的准备1、判读员的训练 判读员的训练包括判读知识、专业知识的学习和实践训练两个方面。 训练包括野外实地勘察，多阅读别人训练包括野外实地

19、勘察，多阅读别人已判读过的遥感图像，以及遥感图像与已判读过的遥感图像，以及遥感图像与实地对照，并参与一些典型试验区的判实地对照，并参与一些典型试验区的判读和分类等，以读和分类等，以积累判读经验积累判读经验。2搜集充足的资料 需收集的资料包括历史资料、统计资料、各种地图及专题图，以及实况测定资料和其它辅助资料等等。 集中精力对变化的地区和原来资料上没有记载的地区进行判读。 3了解图像的来源、性质和质量 什么传感器获取的？什么日期和地点？哪个波段？比例尺、航高、投影性质?等等。大多卫星遥感像片上印有各种注记，能说明图像的来源、性质等。 应清楚了解的是图像的几何分辨力、辐射分辨力、光谱波段的个数和波

20、长区间、时间重复性、像片的反差、最小灰度和最大灰度等。 例如MSS4波段，对清澈的浅水透射能力较强，可用于1015m深的湖水和近海的水深探测，对于描绘浅滩和暗礁很有利MSS5波段用于人文方面的判读较有利，如城市、道路、新建区、采石场，因红色光散射较小，有这些地物的地区图像反差较好。MSS-5对混浊水，如泥沙注入清沏湖水现象显示也很清楚，还对地貌和地质体的显示较清楚。MSS6和MSS7强调植物、水和陆地的边界以及土地类型等。 4 判读仪器和设备 像片判读设备一般用于三个基本目的： 像片观察、像片量测和像片转绘像片观察、像片量测和像片转绘 像片观察设备比较简单，一般可用放大镜和各种立体镜，在彩色合

21、成仪和伪彩色密度分割判读分析仪上观察更好。 立体变焦缩放判读转绘仪 目视判读大多在计算机屏幕上进行，用影像合成、叠加、融合及增强等各种手段，使影像上的信息显示得特别清楚，在与地图叠加时可比较和分析，进行修测和更新，也可直接用鼠标在屏幕上绘图. 目前大多软件中可以建立注记层，矢量层或专题层，将影像放在背景上，直接利用工具箱中的各种功能将判读结果绘在透明的注记层、矢量层或专题层上 二二 判读的一般过程判读的一般过程 1、发现目标、发现目标 根据图上显示的各种特征和地物的判读标志，先大后小，由易入难，由已知到未知，先反差大的目标后反差小的目标，先宏观观察后微观分析等，并结合专业判读的目的去发现目标。

22、 有些地物或现象应通过使用间接判读有些地物或现象应通过使用间接判读标志的方法来识别。标志的方法来识别。直接的判读标志直接的判读标志+间接判读标志间接判读标志 识别。识别。例如:矿藏的遥感探测，要通过一些地质构造类型、地貌类型、土壤类型甚至植物生长的变异状态等间接标志来推断。 2、描述目标、描述目标 发现的目标，应从光谱特征、空间特征、时间特征等几个方面去描述。因为各种地物的这些特征都各不相同，通过描述，再与标准的目标特征比较，就能判读出来。 将描述的标准目标特征，分门别类地列记下来，形成一览表，即建立判读标志，作为判读的依据。 3、识别和鉴定目标、识别和鉴定目标 识别识别: 利用已有的资料、对描述的目标特征，结合判读员的经验，通过推理分析（包括必要的统计分析）将目标识别出来1）对比分析）对比分析 对比分析包括多波段、多时域图像、对比分析包括多波段、多时域图像、多类型图像的对比分析和各判读标志的多类型图像的对比分析和各判读标志的对比分析。对比分析。 2）综合分析）综合分析 综合分析主要应用间接判读标志、已有的综合分析主要应用间接判读标志、已有的判读资料、统计资料，对图像上表现得很不明判读资料、统计资料，对图像上表现得很不明显，或毫无表现