摄影测量与遥感电子无第四章理工

1、第一章 电磁波及遥感物理基础.1 遥感(RS)一 、遥感概念:所谓 RS(Remote Sensing)，就是不直接接触有关目标物或现象，而能收集信息，并能对其进行分析，解译和分类等的一种技术。RS 所收集的信息是由目标物反射或发射的电磁波信息。收集电磁波信息的装置(如摄影机和扫描仪等)叫传感器，装载传感器的设备，如飞机和人造等称为运载工具或。二、分类：1. 按高度和类型分类地球同步RS(3600km)长轨道RS(500-1000km)(150-500km)同步载人飞船 RS(500km)航天飞机 RS(300km)探空火箭 RS(100-650km)漂浮汽球 RS(50km)系留汽球 RS(

2、5km)短BS航天 RS汽球 RS航空 RS飞机 RS高空飞机RS中空飞机 RS低空飞机 RS(300m)(30m)(30m) (15000m)(15000-9000m) (红光的红外，IR中红外，3-5um远红外，8-14um红外的是微波及无线电波电磁波一般按波长分类，也可按波数和频率分类。波数指在 1cm 内，所包含波的数目。频率则定 1 秒钟内所的波的数目用“”(HZ)为。频率=光速/波长=31010/cm1.3一、辐射、大气窗口和散射散射是地球的主要光源，“眼睛的存在归功于”(哥德)。光是唯一来自其它星球的信使()。光可看作近似于 5800k 的黑体（亦有 5900-6000 k，据有

3、关资料）。人类接受的各种信息中，70%来自光。常数辐射在大气上界处的垂射辐射通量密度，近日点与远日点不同，平均值为 140010-4 瓦/cm2，通过大气到达地面的有效辐射通量密度为 90310-4 瓦/cm2，只占辐射大于大气上界的 64.5%(47%)。辐射的峰值约 0.5um， 谱带宽从紫外 红外， 大约 99% 的辐射在0.15-4.0um 范围，目视解译 0.2-1.4 um)辐射能量30%反射(云或其它大气成份)17%大气吸收22%散射或漫射到地表31%达地表辐射还受日地距离，二、大气窗口高度角与纬度不同而变化。从飞机、物质。探测地表的传感器，它接收到的是通过大气层的电磁波大气的组

4、成，两种(1) 分子 CO2、O3 (臭氧)，N2 等粒径小的分子(2) 气溶胶；等水气、烟、尘埃电磁波通过大气时，由于受到分子和气溶胶的吸收、散射、透过的比例及波长各种，透过率大的波段称为“大气窗口”。大气窗口与 RS 通道见 P13 表 2-4三、散射电磁波大气时遇各种微粒散射性质和强度，取决于微粒半径 r 与波长的关系比值因子q=2/。1. 瑞利(Rayleigh)散射，q1，即 r3 时，即 ra 时，云雾呈白色目前所知，可以用作遥感的大气窗口大体有如下几个:(1)0.31.4m 大气窗口:这个窗口包括全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波段。这些波段通常只能以摄影和扫描的成像方式

5、在白天感测、收集目标信息，其中 0.30.4m近紫外窗口，透射率约为 70%;0.40.7m 可见光窗口，透射率约为 95%;0.71.1m 近红外窗口，透射率约为 80%。1.42.5m 近红外窗口，透射率在 60%一 95%之间。一般是以扫描的成像方式在白天感测、收集目标信息。3.55.5m 大气窗口:这个窗口属于中红外波段，透射率在 60%一 70%之间。白天夜间都可应用，是以扫描的成像方式感测、收集目标信息。8l4m 大气窗口，这个大气窗口属于远红外波段，透射率超过 80。 (5)1.4300大气窗口:这个大气窗口属于微波波段。远红外和微波都能在白天夜间应用，通常也是以扫描成像方式感测

6、，收集目标信息。1.4 电磁辐射源一、绝对黑体及其辐射定律任何高于绝对 0 K(-273.16C)的物体都存在着分子的热运动，并能产生中，远红外的电磁辐射。这种由物质粒子的热运动所引起的电磁辐射叫做热辐射。热辐射能量的绝对度量是温度。绝对黑体： 在任何温度下，对任何波长的入射辐射的吸收系数(率)(,T)恒等于 1，即(,T)=1 时的物体称绝对黑体，黑体反射率 r =0，透射率 c =0。定律：在同一温度下，任一物体发射某一波长电磁波的能力，与其对该波长电磁波的吸收能力成正比。热辐射的定量；(定律)黑体发射率为 1发射率1热扩散系数密度选择性吸收体公式(Planck law):M (,T)=2

7、hc2/ 5(ehc/1)黑体的总辐射出射度与温度的四次方成正比,温度有很小的变化,时,就会引起辐射出射度的很大变化。第二章 遥感及运行特点2.1 遥感技术系统组成一、空间信息A 遥感系统B 遥感器（一） 地面接收和预处理系统航空遥感获取的遥感信息航天遥感获取的遥感信息通过无线电的形式进行实时或者非实时地发送并被地面接收站接受和进行预处理（前处理、粗处理）。预处理主要作用：针对噪音和误差进行辐射纠正和几何纠正、图象分幅等，提供用户信息产品（光学图象和 CCT 磁带）（二）地面实况系统遥感信息获取之前：地物波谱测定设计遥感器和分析应用遥感信息的依据遥感信息获取同时：其它相关资料（区域环境和气象）

8、遥感信息校正和应用的辅助信息（三）信息分析应用系统。遥感信息的使用者为了自己的应用目的而采取的各种技术，主要包括：遥感信息的选择技术遥感信息的处理技术专题信息提取技术制图技术参数量算技术数据统计技术等等2.2 遥感一、 遥感的分类空间运载工具宇宙飞船（航天遥感）航天飞机空中运载工具飞机气球遥感用汽车（航空遥感）地面运载工具遥感用艇船二、 地面遥感和航空遥感（一）地面遥感汽车三角架、遥感吊车：5 米50 米遥感塔：30 米400 米滑翔机，飞机：50 米500 米气球：500 米800 米用途：地物波谱测量，近距离摄影测量，大气辐射纠正等。（二） 遥感飞机低空：航空摄影测量Near-Infrea

9、rd Near-InfraredThermal-InfreardThermal-InfraredChannel 2: 0.721.1 umChannel 3: 3.55-3.93 um Channel 4: 10.311.3 um Channel 5: 11.512.5 um第三章 遥感传感器及其成像原理3.1 遥感地面：三角架、遥感塔、遥感车和遥感船等与地面接触的称为地面或近地面。它通过地物光谱仪或传感器来对地面进行近距离遥感，测定各种地物的波谱特性及影像的实验研究。三角架：0.75-2.0 米；对测定各种地物的波谱特性和进行地面摄影。遥感塔：固定地面右。；用于测定固定目标和进行动态监测；高

10、度在 6 米左遥感车、船：高度的变化；测定地物波谱特性、取得地面图像；遥感船除了从空中对水面进行遥感外，可以对海底进行遥感。航空：包括飞机和气球。飞机按高度可以分为低空、中空和高空。低空中空高空：2000 米以内，对流层下层中。：2000-6000 米 ，对流层中层。：12000 米左右的对流层以上。气球：低空气球：凡是到对流层中去的气球称为低空气球；高空气球：凡是到平流层中去的气球称为高空气球。可上升到 12-40 公里的高空。填补了高空飞机升不到，低轨降不到的空中的空白。航天：包括、火箭、航天飞机、宇宙飞船。系列概述一、气象（一）气象的“泰”(TIROS)系列：第一代实验气象。，从 60

11、年-65 年A.共发射了 10 颗，极轨气象的的（Nimbus）（ESSA）系列： 64-78 年共发射了 7 颗，系列：66-69 年共发射了 9 颗。同步轨道。B.C.D. 1960 年 4 月的 NOOA系列：70-94 年共发射了 16 颗。同步轨道。也相继发射了自己发射了第一颗气象-1(Tiros-1)。随后，前的气象。目前，在轨道上运行的大多数气象是由和俄罗斯发射的，其中很大一部分为极地轨道1966 年，简称极轨。发射第一颗业务气象(ESSA)是极轨，主要提供可见光云图。1970 年、1978 年都属于极轨气象行高度低，因此又相继发射诺阿(NOAA）和N 系列业务气象。这些。极轨气

12、象的飞行高度一般在 8001500 公里左右。由于的飞分辨率高，图象清晰。1974 年，成功地研制了第一颗业务环境监测(GOES)。业务环境监测在赤道的某一经度、约 36000 公里高度上，它环绕地球一周约需 24 小时，几乎与地球自转同步。从地球上看好象是相对气象的，故又称为地球、俄罗斯的 GOMES。、欧盟 METEOSAT-3目前，GMS 系列、印度的 INSAT 以及的两颗(GOES-E 和 GOES-W)共 6 颗组成地球气象。监测网。这些位于赤道上空约 36000 公里高，每向地球发送一次中国也先后成功地发射了 6 颗气象（3 颗风云1 和 3 颗风云2）。依靠这些，了自己的天气预

13、报和监测系统。风云1 是一种极地轨道气象。风云2是一种气象。我国气象情况：1、2、3、1988 年 9 月 7 日1990 年 9 月 3 日1997 年 6 月 10 日A 星发射 B 星发射 A 星发射试验星试验星FY-1FY-1 FY-24、 1999 年 5 月 10 日5、 2000 年 6 月 25 日C 星发射B 星发射业务星FY-1FY-2（二）气象的特点 轨道：低轨和高轨。 成像面积大，有利于获得宏观同步信息，减少数据处理容量。 短周期重复观测：态监测。气象30 分钟一次；极轨半天一次。利于动 资料来源连续、实时性强、成本低。观测的优势和特点（三）气象1、空间覆盖优势2、时间

14、取样优势3、资料一致性优势4、综合参数观测优势3、气象的应用领域 天气分析与气象预报 气候研究与气候变迁的研究 资源环境领域：海洋研究、森林火灾、水污染FY-1CD 通道、波长范围及其主要用途通道 1、2 的探测波段分别处于植被反射的低谷和区，利用二者的差值可以计算各种植被指数，植被指数能反映作物、森林、草场的生长情况，病虫害及作物缺水状况，并能进行作物估产，这个通道还可以做判识水陆边界，河口泥沙等。通道 3 处在红外短波窗区，它对检测地面高温热源，比如，森林和草场的火灾特别有效。通道 4、5 处于红外窗区，用以测量地面温度，这两个通道相结合的目的在于对海面温度反演中对大气削弱进行订正，计算的

15、地表和海表温度在农业、渔业、洋流、城市热岛等方面有广泛的应用。通道 6 对雪的反射率较低，与其它通道结合有助于云、雪的判识，同时此通道对土壤湿度比较敏感，有助于干旱监测。通道 7-9 是海洋水色通道，海洋水色反映海洋中浑浊度和海洋污染以及赤潮等情况。的含量，他还可以反映海洋通道10 是低层水汽通道，用于大气修正和大气透过率的计算。系列二、陆地（一） LandsatSpot像对轨道旁向倾斜，像对最短时间差为 0.5 小时自动相关生成 DEM，高程精度为 7-11 米 (VirtuoZo)SPOT 的倾斜观测功能重复观测能力成像装置 HRS：23 天/次，多星：1 天/次Spot 5 HRS像对生

16、成的 10 米高程精度 DEM（二）IKONOSIKONOS:1 米全色4 米多光谱1 米全色-锐化（三） QuickBird三、海洋系列海洋遥感的特点：需要高空和空间的遥感以微波遥感为主；，以进行大面积同步覆盖的观测；电磁波与激光、声波的结合是扩大 海洋遥感探测海面实测资料的校正。2、主要的海洋简介的一条新路。的海洋SEASAT):1978 年发射；近极地同步轨道；扫描覆盖海洋的宽度 1900km；五种传感器，以微波为主。的海洋观测系列（MOS-1)：获取大陆架浅海的海洋数据。欧洲海洋的系列（ERS）：主要用于海洋学、学、海洋污染监测等领域。（RADARSAT）:加、美、德、英共同设计，19

17、95 年发射。3.2 摄影成像一 摄影机分幅式摄影机全景式摄影机多光谱摄影机数码摄影机压平线： 像片四边井字形直线叫压平线，框标压平线其弯曲度说明摄影时感光胶片未压平而产生的影像变形情况。.二 摄影像片的几何特征（一）像片的投影 、中心投影和垂直投影航片是中心投影，即摄影光线交于同一点地图是正射投影，即摄影光线平行且垂直投影面。 、中心投影和垂直投影的区别正射投影: 比例尺和投影距离无关；总是水平的，不存在倾斜问题；地形起伏对正射投影无影响。中心投影: 焦距固定，航高改变，其比例尺也随之改变；若投影面倾斜，航片各部分的比例尺不同；对中心投影引起投影差航片各部分的比例尺不同3、中心投影的规律 点

18、的像仍然是点。 与像面平行的直线的像还是直线；如果直线垂直于地面，有两种情况：第一；当直线与像片垂直并通过投影中 心时，该直线在像片上的像为一个点； 第二；直线的延长线不通过投影中心，这时直线的投影仍为直线，但该垂直线状目标的长度和变形情况则取决于目标在像片中的位置。 平面上的曲线，在中心投影的像片上一般仍为曲线。（二）航空像片比例尺航空像片上某一线段 长度与地面相应线段长度之比，称为像片比例尺。（1）平均比例尺：以各点的平均高起始面，并根据这个起始面计算出来的比例尺。（2）主比例尺：由像主点航高计算出来的比例尺，它可以概略地代表该张航片的比例尺。摄影比例尺：即航片上某线段 l 地面相应线段的

19、水平距离 L 之比，称之为摄影比例尺 1/m。平坦地区、摄影时像片处于水平状态（垂直摄影），则像片比例尺等于像机焦距（f）与航高之比。地面起伏，使得一张像片不同像点的比例尺变化。（三）像点位移位移量与地形高差成正比，即高差越大引起的像点位移量也越大。当高差为正时，像点位移为正，是背离像主点方移动；高差为负时，像点位移为负，是朝向像主点方向移动。位移量与像点距离像主点的距离成正比，即距像主点越远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小。像主点无位移。位移量与摄影高度（航高）成反比。即摄影高度越大，因地表起伏的位移量越小。三 摄影胶片的物理特性1、感光度：指胶片的感光速度。遥感需用感光度高的胶片。

20、2、光学密度：指胶片竟感光显影后，影像的深浅程度。、反差与反差系数：反差指胶片的明亮部分与阴暗部分的密度差。反差系数是指拍摄后负片影像与景物亮 度差之比。4、灰雾度：感光的胶片，显影后仍产生轻微的密度，呈浅灰色，故称灰雾度5、宽容度：指表达被摄物体亮度间距的能 力。遥感摄影希望用宽容度大胶片。6、解像力（感光胶片的分辨力）：解像力的大小以每毫米范围内分辨出的线条数表示。线对/毫米。四 遥感摄影胶片的类型黑白摄影胶片A. 色盲片：只能吸收短波段，对大于 0.5 微米的电磁波完全不感光。：片：感光范围可从蓝光扩大到绿光区。B.C. 分色片：感光范围扩大到 0.6 微米。对绿可区分且较敏感。D. 全

21、色片：能感受全部可见光。但在绿光部分感光度稍有降低。彩色片天然彩色片：能较红外彩色片：还原出被摄物体的自然色彩，又称真彩色。3.3 扫描成像照相技术的弱点：乳胶片感光技术本身存在着致命的弱点，它所传感的辐射波段仅限于可见光及其附近；其次，照相一次成型，图象一 光/机扫描成像、传输和处理都不方便。1.概念：依靠机械传动装置使光学镜头摆动，形成对目标地物逐点逐行扫描。探测元件把接受到的电磁波能量能转换成电信号，在磁介质上或再经电/光转换成为光能量，在设置于焦平面的胶片上形成影像 瞬时视场角：扫描镜在一瞬时时间可以视为状态，此时，接受到的目标物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时

22、视场角。即扫描仪的空间分辨率。 总视场角：扫描带的地面宽度称总视场。从遥感成的夹角，叫总视场角。到地面扫描带外侧所构2.工作原理：扫描镜在机械驱动下，随遥感的前进运动而摆动，依次对地面进行扫描，地面物体的辐射波束经扫描镜反射，并经透镜聚焦和分光分别将不同波长的波段分开，再聚焦到感受不同波长的 探测元件上。3.几种光机扫描一仪 红外扫描仪：接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。 多光谱扫描仪（MSS)：与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。 专题制图仪 TM：专题

23、制图仪 TM 的成像原理与 MSS 一致，与 MSS 相比，空间分辨率由 80 米提高到 30 米；探测波段由 4 个增加到 7 个。特点：利用光电探测器解决了各种波长辐射的成像方法。输出的电学图象数据，、传输和处理方面十分方便。但装置射能量利用率低的致命弱点。，高速运动使其可靠性差；在成像机理上，存在着目标辐二固体自扫描成像1.固体自扫描是用固定的探测元件，通过遥感成像方式。的运动对目标地物进行扫描的一种2.电子藕合器件 CCD：是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件。具有感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、灵敏度高、动耗小、长、可靠性高等一系列优点。3.扫

24、描方式上具有刷式扫描成像特点：探测元件数目越多，体积越小，分辨率就越高。电子藕合器件 CCD 逐步替代光学机械扫描系统。高光谱成像光谱扫描成像光谱仪：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。特点：高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图象是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。光谱仪成像时多采用扫描式和推帚式，可以收集 200 或 200 以上波段的收据数据。使图象中的每一像元均得到连续的反射率曲线，而不像其他一般传统的成像谱光仪在波段之间存在间隔。线阵列 CCD 传感

25、器影像的几何处理三四每成像瞬间所获取的影像线条与遥感航向垂直，是线中心投影；必须考虑外方位元素随时间变化的影响（近似的线性变化）；方法：面中心投影改正；先将一幅影像当作框幅式中心投影影像处理；确定外方位元素与时间成近似的线性关系，按右式改正：1、几何纠正常用方法：共线方数学模型，进行数字微分纠正；同名点坐标：用 DEM 地面坐标通过共线方程计算同名点的影像坐标；象元点坐标：用 DEM 通过共线方程对象元点进行纠正；灰度重采样：线性内插法求象元的影像灰度值；使用的数据有：DEM外方位元素：6 个元素6 个元素的变化率等校主距 f、倾角0 或05.方法改进：影像坐标系的选择；象元点坐标的计算；影像

26、坐标系选择坐标转换：扫描坐标转换为影像坐标，只是原点的平移，没有旋转；影像坐标系：原点：像幅（像片）的中心；X 轴：遥感航向；Y 轴：扫描方向；右手法则：XY；SPOT 影像的像元阵：6,0006,0000原点：3,000，3,000X 轴：每条线第 3,000 个像元点的连线；Y 轴：第 3,000 条线；2、双像摄影测量因为是线中心投影，没有唯一的摄影基线； 解决方法：空间后方交会空间前方交会；光束法平差；空间后方交会已知至少 12 个 GCPs（Ground Control Pos）的地面坐标、影像坐标；利用共线方程的误差方程式；1.用公式 224 和 939 微分列改正数方程组，最小二

27、乘法平差叠代法，求6 个外方位元素及其变化率；2.每一条影像线的外方位元素均不同，有各自的旋转矩阵 R；空间前方交会由左、右影像的影像坐标、外方位元素求地面坐标；由后方交会法计算外方位元素；用公式 939，计算同名点在左、右影像上的外方位元素，得相应的旋转矩阵 R 左 、 R 右；用坐标系旋转公式计算空间辅助坐标；将影像平面二维坐标系转换为空间三维坐标系，但是没有放大到地面坐标系（乘以投影系数）；用公式 36，计算投影系数；用公式 35，计算地面坐标；光束法平差设定未知数：左、右影像的外方位元素值；左、右影像的外方位元素变化率；待定点的地面坐标；纳入平差系统，整体求解；1.由公式 945 导出

28、误差方程组；3、同名像点坐标测量像片：由 CCD 阵列影像制成的胶片可在数字影像：影像相关法；测图仪上两测量同名像点的坐标；二维影像相关法：同框幅式面中心投影影像；核线影像相关法：因为摄影基线不是唯一的；左核线：左影像的每一条瞬间摄影影像线；右核线：右影像上与左核线同名点的集合；核线确定方法方法一：由左影像点影像坐标，用共线方程、借助 DEM，求地面坐标；用共线方程反算右影像同名点影像坐标双线性内差法求影像同名点的灰度值；对左核线的像点逐点计算得到右核线；方法二：平坦区域，外方位元素变化不大；右核线 x 坐标是其 y 坐标的多项式函数；由同名像点，用多项式拟合法求算多项式函数。3.4微波遥感与

29、成像微波遥感：指通过传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来认识地物的技术。一、微波遥感的特点国际遥感技术发展的重要方向；能全天候、全天时工作；对某些地物具有特殊的特征波谱；对冰、雪、森林、土壤等具有一定对海洋遥感具有特殊意义；分辨率较低，但特性明显。二、微波遥感方式和传感器力；1、主动微波遥感：指通过向目标物发射微波并接收其后向散射信号来实现对地观测遥感方式。（1）Radar(Radio Direction And Range)的用途：用于测定目标的位置、方向、距离和运动目标的速度。的工作方式：由发射机通过天线在很短时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一

30、天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。（2）侧视（Side Looking Radar)侧视的分辨力可分为：距离分辨力（垂直于飞行的方向）俯角越大，距离分辨力越低；俯角越小，距离分辨力越大。要提高距离分辨力，必须降低脉冲宽度。但脉冲宽度过低则反射功率下降，实际应用采用脉冲压缩的方法。方位分辨力（平行于飞行方向）。要提高方位分辨力，只有加大天线孔径、缩短探测距离和工作波长。（3）孔径侧视孔径侧视（SAR）的方位分辨力与距离无关，只与天线的孔径有关。所以，可用于高轨。天线越小，方位分辨力越高。2、微波遥感通过传感器，接收来自目标地物发射的微波，而达到探测目的的遥感方式，称为微波遥感

31、。1侧视传感器：由发射机通过天线在很短时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器，是主动式遥感；侧视：在遥感航向垂直方向上，向一侧或两侧发射微波，再接收由目标反射或散射回来的微波信号的遥感技术；：振幅、相位、极化、时间差等；获取：距离、方位、地物特征等；分类：真实孔径，孔径（SAR：Syntheticrture Rarar）；2真实孔径侧视原理（图 922）：沿距离向发射宽度很窄的脉冲电磁波，然后接收从目标返回的后向散射波；扫描线与遥感航向垂直；根据后向散射波的时间排列进行距离向扫描；随遥感前进，扫描面扫过地表，进行方位向扫

32、描； 方位向：遥感航向； 距离向：与方位向相垂直的方向；分辨率分辨率： 距离分辨率：同一方位角上能识别的目标间的最小距离；斜距分辨率： R c2地距分辨率： c(2cosd)降低脉冲宽度可提高距离分辨力。但脉冲宽度过低则反射功率下降，实际应用采用脉冲压缩的方法 方位分辨率： LS R(/D)R加大天线孔径、缩短探测距离和工作波长，可提高方位分辨力。通常采用孔径的方法；3孔径距离向：与真实孔径相同，采用脉冲压缩实现高分辨率；增加虚拟天线的孔径，实现高分辨率；方位向：通过 将孔径前进一段时间内的回波信号修正到同一个接收时间上，便到一个天线阵列的效果，从而增加了天线的尺寸； 方位向分辨率：LSD2

33、侧视分辨率与遥感图像几何特性的高度（目标距离）无关；收缩：斜距差地距差时，影像上目标间距的缩短现象；顶底位移：起伏的地表顶点斜距90时，阴影长 hsec 影像上产生的阴影；3SAR 图像几何处理1）SAR 图像几何纠正目的：消除像点位移：收缩、顶底位移、阴影等；对地形的起伏很敏感；相同侧视角下，位移量是 SPOT 影像的 4 5 倍；必须根据地面高程逐点纠正；方法一：利用距离条件和的 Radarsat；条件；已知数据：成象参数（高度、侧视角、航向方位角、参考点坐标）；地面控制点（GCPs）或者 DEM；计算航行路线参数；建立正射纠正变换公式；如果使用 DEM，则利用其模拟图像为参考，建立纠正变

34、换公式；方法二：利用共线方程；与 CCD 线阵列影像的几何纠正过程相似； 用共线方程式 938 第二式和 936 为约束条件，计算像元点相对于起始时刻扫描线的影像纵坐标 y；y 带入公式 938 第一式，计算其等校横坐标 x ，换算到与摄影成象等效的平面上；测量用公式 934，计算横坐标 x ，换算到灰度重采样，确定该坐标点的灰度值；方法一成象平面上；2）像对类型：同侧、异侧；方法一：利用距离条件（公式 933a）、 已知数据：条件（公式 933b） ；传感器位置（X 左 S、Y 左 S、Z 左 S）、 （X 右 S、Y 右 S、Z 右 S） ；传感器速度矢量（V 左 x、V 左 y、V 左

35、z）、 （V 右 x、V 右 y、V 右 z） ；扫描延迟 R 左 0 、 R 右 0 ；距离向比例因子左 x 、 右 x ； 左、右影像上 2 同名像点，共立 4 个方程式，解算（XA、YA、ZA）；测量方法二与 CCD 线阵列图像的处理方法相似，利用共线方程式 938；空间后方交会，分别求得左、右影像的外方位元素；空间前方交会，计算地面坐标（图 935）；以同侧像对为例，对高程变化的处理；根据公式 938，列反算方程式 4 个：公式 950，计算 P 点在平均地面（Z0）上对应左右影像的等效点地面坐标 P1（ XP1，YP1，Z0 ）和 P2（ XP2，YP2， Z0 ）中的 4 个未知量

36、；联合公式 933b（距离条件）2 个方程式，计算等效距离R 左、R 右;利用等效距离 R 左、R 右，联合公式 933b（距离条件）针对 P 点建立 2个方程式，求地面坐标（XP，YP，ZP）等 3 未知量；另外 2 个约束条件：2 个扫描线分别位于 2 个扫描平面中；3）测量 概念测量技术： SARerferometry（InSAR）复像对的获取；2 幅天线同一区域同时成象；1 幅天像隔一定时间同一区域重复成象；差分 发展；相位差：由于目标离两次成像的距离不等而引起同名象点间的相位差异；条纹图（ erferogram）：由相位差产生；相位：条纹图上的相位差值；基线距（Baseline）：两

37、次成象天线间的距离；测量技术：Differential SARerferometer（DInSAR），是 InSAR 的进一步基本原理InSAR：相位与地面目标的三位置之间存在严格的几何关系； 已知数据：天线高度、波束成象角、波长、基线距；测定地面目标的三维坐标，精度可达 5 10m； DInSAR 的用途有：地表水平与垂直运动的监测；提高 DEM 的分辨率与精度；精度达 cm mm 级。3.5 遥感图像的特征一、遥感图像的空间分辨率（Spatial resolution）图像的空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。对于摄影成像的图像来说，地面

38、分辨率取决于胶片的分辨率和摄影镜头的分辨率所的系统分辨率，以及摄影机焦距和航高。3.由公式所得的地面分辨率的是线对/m，而实际地面分辨的最小间隔（图像能够被分辨出来的地面上两个目标的最小距离）应为线/ m。即地面分辨率/2。二、图象的光谱分辨率波谱分辨率是指传感器在接受目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小，分辨率愈高。传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值。三、辐射分辨率辐射分辨率是指传感器接受波谱信号时，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。某个波段遥感图像的总信息量与空间分辨率（以像元数 n 表示）、辐射分辨率（以灰度量化级 D 表示）有关。在多波段遥感

39、中，遥感图像总信息量还取决于波段数 k。四、图象的时间分辨率时间分辨率指对同一地点进行采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。时间分辨率对动态监测很重要。Landsat 1、2、3：由 H925km，得 T 103.25min/周;由 n14 周/天、d1，得 D18 天/次；Landsat 4、5： D16 天/次；SPOT： D26 天/次；SPOT 的倾斜观测功能：23 天/次；多星：1 天/次；五 温度分辨率温度分辨率：热红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力；探测器的响应率有直接关系是传感器系统内的噪声的 26 倍；红外系统噪声的等效温度范围为：0.10.5K；系统的

40、温度分辨率则为：0.23.0K；TM6：0.5 K第 5 章 遥感图像的几何处理5.1 遥感传感器的构像方程遥感图像的构像方程是指地物点在图像上的图像坐标(x，y)和其在地面对应点的大地坐标(X、Y、Z)之间的数学关系。根据摄影测量原理，这两个对应点和传感器成像中心成共线关系，可以用共线方程来表示。这个数学关系是对任何类型传感器成像进行几何纠正和对某些参量进行误差分析的基础。其中主要的坐标系有：1传感器坐标系 SUVW，S 为传感器投影中心，作为传感器坐标系的坐标原点，U 轴的方向为遥感的飞行方向，V 轴垂直于 U，W 轴则垂直于 UV 平面，该坐标系描述了像点在空间的位置。地面坐标系 OXY

41、Z，主要采用地心坐标系统。当传感器对地成像时，Z 轴与原点处的天顶方向一致，XY 平面垂直于 Z 轴。图像(像点)坐标系 oxyf，（x，y）为像点在图像上的平面坐标，f 为传感器成像时的等效焦距，其方向与 SUVW 方向一致。上述坐标系统都是三坐标系，而最基本的坐标系统是图像坐标系统 oxy 和地图坐标系统 OmXm，Ym，它们是二维的平面坐标系统，是遥感图像几何处理的出发点和归宿。5.1.2 中心投影构像方程根据中心投影特点，图象坐标（x，y，-f）和传感器系统坐标(，)P 之间由如下关系：(52)p 为成像比例尺分母，f 为摄影机主距，中心投影像片坐标与地面点大地坐标的关系即构像方：(5

42、3)5.1. 全景摄影机的构像方程全景摄影机影像是由一条缝隙沿旁向扫描而成，对于每条缝隙图像的形成，其几何关系等效于中心投影沿旁向倾斜一个扫描角后，以中心线成像的情况，此时像点坐标为（x，0，f），所以其构像方：(58)5.1. 推扫式传感器的构像方程推扫式传感器是行扫描动态传感器。在垂直成像的情况下，每一条线的成像属于中心投影，在时刻 t 时像点 p 的坐标为（0、y、-f），因此推扫式传感器的方：(5-10)5.1.5 扫描式传感器的构像方程扫描式传感器获得的图像属于多中心投影，每个像元都有自己的投影中心，随着扫描镜的旋转和的前进来实现整幅图像的成像。由于扫描式传感器的光学聚焦系统有一个固

43、定的焦距，因此地面上任意一条线的图像是一条圆弧，整幅图像是一个等效的圆柱面，所以该类传感器成像亦具有全景投影成象的特点。任意一个像元的构像，等效于中心投影朝旁向旋转了扫描角后，以像幅中心（x0，y0）成像的几何关系。所以扫描式传感器的构像方:(5-15)5.1.6 侧视图像的构像方程侧视是主动式传感器，其侧向的图像坐标取决于波往返于天线和相应地物具有斜距投影的性质。点之间的时间，即天线至地物点的空间距离 R，所以侧视当侧视按侧向平面扫描方式工作时，其成像方式见图 56。图中 为往返脉冲与铅垂线之间的夹角，oy 为等效的中心投影图像，f 为等效焦距。因此，可以将侧视图像成像转换为旋转了角的中心投

44、影，可以得到侧视 ，等效焦距 f=rcos ，的构像方程，此时像点坐标为 x=0，y=rsin(517)5.2遥感图像的几何变形遥感图像的几何变形是指图像上像元在图像坐标系中的坐标与其在地图坐标系等参考坐标系统中的对应坐标之间的差异。研究遥感图像几何变形的前提是必须确定一个图像投影的参照系统，即地图投影系统。遥感图像的变形误差可分为静态误差和动态误差两大类。静态误差是在成像过程中，传感器相对于地球表面呈状态时所具有的各种变形误差。动态误差主要是在成像过程中由于地球的旋转等所造成的图像变形误差。变形误差又可分为误差和外部误差两类误差主要是由于传感器自身的性能技术指标偏移标称数值所造成的。误差随传

45、感器的结构不同而异，其数据和规律可以在地面通过检校的方式测定，其误差值不大，本书不予。外部变形误差是在传感器本身处在正常工作的条件下，由传感器以外的各种所造成的误差，如传感器的外方位元素变化，传感器介质不均匀，地球曲率，地形起伏以及地球旋转等引起的变形误差。本节主要外部误差对图像变形的影响。此外把某些传感器特殊的成象方式所引起的图像变形，如全景变形、斜距变形等也加以。5.2.1 传感器成像方式引起的图像变形传感器的成像方式有中心投影，全景投影，斜距投影以及平行投影等几种。中心投影可分为点中心投影、线中心投影和面中心投影三种。由于中心投影图像在垂直摄影和地面平坦的情况下，地面物体与其影像之间具有

46、相似性（并不考虑摄影本身产生的图像变形），不存在由成像方式所造成的图像变形，因此把中心投影的图像作为基准图像来图像的变形规律。1全景投影变形其他方式投影全景投影的影像面不是一个平面，而是一个圆柱面，如图 58 所示的圆柱面 MON，相当于全景摄影的投影面，称之为全景面。地物点 P 在全景面上的像点为 p，则 p 在扫描线方向上的坐标 yp：（图 58 全景投影 ）2斜距投影变形侧视属斜距投影类型传感器，如图 59 所示，S 为天线中心，Sy 为成像面，地物点 P 在斜距投影图像上的图像坐标为 yp，它取决于斜距 RP 以及成像比例。图 59斜距投影变形5.2.2 传感器外方位元素变化的影响传感

47、器的外方位元素，是指传感器成像时的位置（Xs,Ys,Zs）和姿态角（ ， ， ，）。当外方位元素偏离标准位置而出现变动时，就会使图像产生变形。这种变形一般是由地物点图像的坐标误差来表达的，并可以通过传感器的构像方程推出。图 511各单个外方位元素引起的图像变形。5.2.3 地形起伏引起的像点位移投影误差是由地面起伏引起的像点位移，当地形有起伏时，对于高于或低于某一基准面的地面点，其在像片上的像点与其在基准面上垂直投影点在像片上的构像点之间有直线位移。如图 514。图 514垂直摄影时地形起伏的影响转的影响5.2.4地球曲率引起的图像变形图 520地球自地球曲率引起的像点位移与地形起伏引起的像点

48、位移类似。只要把地球表面（把地球表面看成球面）上的点到地球切平面的正射投影距离看作是一种系统的地形起伏，就可以利用前面介绍的像点位移公式来估计地球曲率所引起的像点位移。5.2.5 大气折射引起的图像变形大气层不是一个均匀的介质，它的密度是随离地面高度的增加而递减，因此电磁波在大气层中时的折射率也随高度而变化，使得电磁波的路径不是一条直线而变成了曲线，从而引起像点的位移，这种像点位移就是大气层折射的影响。5.2.6地球自转的影响在常规框幅摄影机成像的情况下，地球自转不会引起图像变形，因为其整幅图像是在瞬间一次当成像的。地球自转主要是对动态传感器的图像产生变形影响，特别是对遥感图像。由北向南运行的

49、同时，地球表面也在由西向东自转，由于图像每条扫描线的成像时间不同，因而造成扫描线在地面上的投影依次向西平移，最终使得图像发生。5.3遥感图像的几何处理5.3.1 遥感图像的粗加工处理遥感图像的粗加工处理也称为粗纠正，它仅做系统误差改正。当已知图像的构像方式时，就可以把与传感器有关的测定的校正数据，如传感器的外方位元素等代入构像公式对原始图像进行几何校正，如多光谱扫描仪。如多光谱扫描仪，其成像的公式为：对其图像的纠正就需要得到成象时投影中心的大地坐标X、Y、Z，扫描仪姿态角以确定旋转矩阵 At，扫描角以及焦距 f。粗加工处理对传感器畸变的改正很有效。但处理后图像仍有较大的残差（偶然误差和系统误差

50、）。因此必须对遥感图像做进一步的处理即精加工处理。5.3.2遥感图像的精纠正处理遥感图像的精纠正是指消除图像中的几何变形，产生一幅符合某种地图投影或图形表达要求的新图像。它包括两个环节：一是像素坐标的变换，即将图像坐标转变为地图或地面坐标；二是对坐标变换后的像素亮度值进行重采样。数字图像纠正主要处理过程如下：根据图像的成像方式确定影像坐标和地面坐标之间的数学模型。根据所采用的数字模型确定纠正公式。根据地面控制点和对应像点坐标进行平差计算变换参数，评定精度。4.对原始影像进行几何变换计算，像素亮度值重采样。目前的纠正方法有多项式法，共线方程法和随机场插值法等。一、遥感图像的多项式纠正。多项式纠正

51、回避成像的空间几何过程，直接对图像变形的本身进行数字模拟。遥感图像的几何变形由多种引起，其变化规律十分复杂。难以用一个严格的数字表达式来描述，而是用一个适当的多项式来描述纠正前后图像相应点之间的坐标关系。本法对各种类型传感器图像的纠正是适用的。利用地面控制点的图像坐标和其同名点的地面坐标通过平差原理计算多项式中的系数，然后用该多项式对图像进行纠正。常用的多项式有一般多项式、勒让德多项式以及双变量分区插值多项式等。操作步骤：1利用已知地面控制点求解多项式系数2、遥感图像的纠正变换纠正后数字图像的边界范围的确定直接法和间接法纠正方案直接法方案，是从原始图像阵列出发，按行列的顺序依次对每个原始像素点

52、位求其在地面坐标系（也是输出图像坐标系）中的正确位置。间接法方案，是从空白的输出图像阵列出发，亦按行列的顺序依次对每个输出像素点位反求原始图像坐标中的位置 。3数字图像亮度（或灰度）值的重采样多项式的系数 ai,bi (i,j=0，1，2，（N1）)一般可由两种办法求得： 用可的图像变形参数。 利用已知控制点的坐标值按最小二乘法原理求解。对参加计算的同名点的要求；在影像上为明显的地物点，易于判读。在影像上均匀分布。以间接法纠正方案为例，假如输出图像阵列中的任一像素在原始图像中的投影点位的坐标计算值不为整数时，原始图像阵列中该非整数点位上并无现成的亮度存在，于是就必须采用适当的方法把该点位周围邻

53、近整数点位上亮度值对该点的亮度贡献累积起来亮度值。这个过程即称为数字图像亮度（或图像灰度）值的重采样。（）最邻近像元采样法（ 2 ）双线性内插法（）双三次卷积重采样法 二、遥感图像的共线方程纠正该点位的新共线方程纠正是建立在图像坐标与地面坐标严格数学变换关系的基础上的，是对成像空间几何形态的直接描述。该方法纠正过程需要有地面高程信息（DEM），可以改正因地形起伏而引起的投影差。因此当地形起伏较大，且多项式纠正的精度不能满足要求时，要用共线方程进行纠正 。在航天摄影和遥感的情况下，由于每幅图像所覆盖的地面范围很大，图像地物在地球切平面上的投影与其在地图上的投影之间有着不可忽略的形变差异，因此需要

54、通过更严密的变换来建立地物的图像坐标与地图坐标之间的关系。为此，提出了建立以地心坐标系为基础的共线方程。1.以地心直角坐标为基础的共线方程引进地心直角坐标系的作用是在于它既能够与传感器坐标系直接进行三线性变换，恢复成像光束的空间几何状态，又能借助于大地测量学和地图投影学的知识，方便地转换为地理坐标，进而转换为任意一种所需要的地图投影坐标。即它是把地物的图像与地图坐标严密地联系起来的重要中间媒介。2. 共线方程参数的确定（1）参数的选择共线方程中的待定系数主要指传感器的三个姿态参数和三个位置参数，总共为 6 个度。（）参数的解算共线方程参数的解算方法，与多项式变换函数的系数解求类似，分两种方法。

55、一是利用可的参数来直接；二是利用控制点通过最小二乘法原理解求。共线方程参数随时间变化的表征函数动态传感器成象是每一条扫描线图像（甚至每个像素）有自己的一套共线方程参数，整幅图像可能含有很多的共线方程参数，以至最后不可解。为解决这个问题，通常把整幅图像成象过程中的共线方程参数的变化看作是成象时间 t 的连续函数，用其来表达任一时刻传感器的位置和姿态。该连续函数即称为共线方程参数的表征函数。三、加入高差改正的 CCD 线阵影象的多项式纠正多项式纠正对地面相对平坦的地区具有足够好的纠正精度，计算方便，应用广泛。但对地形起伏较大的地区，尤其当传感器的倾斜角较大时，效果就不明显，甚至不能用多项式来进行纠

56、正。采用多项式纠正时要引入纠正地区的高程信息，即引入投影差改正的多项式纠。其基本是先改正因地形引起的变形，然后用一般多项式来拟合，改正其他的变形。重采样时则相反，先根据多项式参数求得未受高差影响的像点指标，然后加上投影差，从而获得真实的像点坐标。5.3.3侧视图像的几何校正图像几何纠正是在粗校正图像的基础上，消除由地形引起的几何位置的误差，生成地理编码的正射图像。对于 SAR 图像，由地形引起的几何位置误差要比摄影类型成像的图像严重，在相同观侧角的条件下，高程引起的 SAR 图像几何位置的误差是 SPOT图像的 45 倍，对于高差在 400500m 的地形，高程引起的视差将是主要的误差，而在同

57、等条件下的 Landsat和 SPOT 图像的误差主要是由系统误差引起的。这些几何畸变将引起与地形相关的当地入射角和距离压缩的变化，从而引起 SAR 图像的辐射变化。目前 SAR 图像几何校正方法可分为两类：由常规摄影测量的共线方程定向方法转化而来的；根据 SAR 本身的构像几何特点进行的校正。在第一类方法中有以下几种纠正方法： 动；工程兵测绘法：该法适用于理想状况，假定姿态不变，做匀速直线运erl F 法：根据像点距离方程和零条件建立的数学模型，它考虑了传感器外方位元素中的线元素变化，而未考虑角元素的变化引起的影响。y 法：将距离投影和侧视几何成像关系转化为多中心的几何关系，考虑了全部外方位

58、元素变化引起的影响。第二类方法是按 SAR 本身的构像几何特点进行的纠正，对于地面控制点容易得到的地区，则是利用 SAR 成像参数（如高角，波入射角，飞行路线的方位，航迹参考点，信号的延迟等）和地面控制点来精确估计飞行路线参数，并以此为基础建立正射校正变换公式。而对于地面控制点不易得到的地区，可利用 DEM 产生模拟图像，将模拟图像与原始图像配准，从而建立 DEM 坐标与原始图像间的变换关系。5.4 图像间的自动配准和数字镶嵌5.4.1 图像间的自动配准遥感传感器的分辨率包括空间分辨率、时间分辨率、辐射分辨率和光谱分辨率得到进一步的提高。在许多遥感图像处理中，需要对这些多源数据进行比较和分析，

59、如进行图像的融合、变化检测、统计模式识别等，都要求多源图像间必须保证在几何上是相互配准的。图像配准的实质就是前述的遥感图像的几何纠正，根据图像的几何畸变特点，采用一种几何变换将图像归化到的坐标系中。图像之间的配准一般有两种方式：图像间的匹配，即以多源图像中的一幅图像为参考图像，其他图像与之配准，其坐标系是任意的；绝对配准，即选择某个地图坐标系，将多源图像变换到这个地图坐标系以后来实现坐标系的。配准的过程分两步：在多源图像上确定分布均匀，足够数量的图像同名点；通过所选择的图像同名点确定几何变换的多项式系数，从而完成一幅图像对另一幅图像的几何纠正。多源图像间同名点的确定是图像配准的关键。图像同名点

60、的获取可以用目视判读方式和图像自动配准方式。本节介绍自动获取图像同名点的方法通过图像相关的方法自动获取同名点。多源图像之间存在变形，就局部区域而言，同一地面目标在每幅图像上都具有相应的图像结构，并且它们之间是十分相似的，这就可以采用数字图像相关的方法确定图像的同名点。图像相关是利用两个信号的相关函数，评价它们的相似性以确定同名点。首先取出以待定为中心的小区域中的图像信号，然后取出其在另一图像中相应区域的图像信号，计算两者的相关函数，以相关函数最大值对应的相应区域中心点为同名点，即以图像信号分布最相似的区域为同名区域，其中心点为同名点。5.4.2 基于小面元微分纠正的图像间自动配准该算法利用了摄