遥感原理与方法

遥感原理与方法第一章绪论一、遥感的概念遥感(RemoteSensing)：从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身，从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输及其处理分析，来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。二、 遥感技术的特点宏观性、综合性覆盖范围大、信息丰富。一景TM影像为185*185平方公里；影像包含各种地表景观信息，有可见的，也有潜在的。多波段性波段的延长使对地球的观测走向了全天候多时相性重复探测，有利于进行动态分析三、 遥感的分类1、 按照遥感的工作平台分类：地面遥感、航空遥感、航天遥感2、 按照探测电磁波的工作波段分类：可将光遥感、红外遥感、微波遥感3、 按照遥感应用的目的分类：环境遥感、农业遥感、林业遥感、地质遥感4、 按照资料的记录方式分类：成像遥感、非成像遥感5、 按照传感器工作方式分类：主动遥感、被动遥感四、 遥感技术系统遥感技术系统：是一个从地面到空中直至太空，从信息采取、存储、传输、处理到分析判读和应用的完整技术体系。遥感技术系统的组成：遥感试验：对电磁波特性、信息获取、传输和处理技术的试验。遥感信息获取：中心工作。遥感平台和传感器。遥感信息处理：处理的原因遥感信息应用第二章遥感的物理基础第一节电磁波与电磁波谱一、 电磁波及其特性1、 波的概念：波是振动在空间的传播。2、 机械波：声波、水波和地震波3、 电磁波：由振源发出的电磁振荡在空气中传播。电磁波是通过电场和磁场之间的相互联系传播的。4、 电磁辐射：电磁能量的传递过程(包括辐射、吸收、反射和透射)二、 电磁波谱1、 电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是Y射线。电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。2、 遥感中常用的电磁波波段的特性紫外线（UV）：0.01-0.4ym，碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：0.4-0.76|im,鉴别物质特征的主要波段，是遥感最常用的波段。红外线（IR）：0.76-1000ym,近红外0.76-3.0ym（识别植被）；中红外3.0-6.0ym（探测高温）；远红外6.0-15.0ym（探测低温）；超远红外15-1000ym。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外）微波：1mm-1m，能全天候遥感，有主动与被动之分，具有穿透能力，发展潜力大。可用于探测地下水和矿物。三、电磁辐射源1、 自然辐射源太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用5900K的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中——短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。地球的电磁辐射：小于3ym的波长主要是太阳辐射的能量；大于6ym的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6ym之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。2、 人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。微波辐射源：0.8-30cm激光辐射源：激光雷达——测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。第二节地物的光谱特性任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。一、 地物的反射光谱特性地物的反射率、吸收率和透射率：对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。1、 地物的反射率（反射系数或亮度系数）地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。影响地物反射率大小的因素：入射电磁波的波长入射角的大小地表颜色与粗糙度2、 地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。1） 地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。2） 不同地物在不同波段反射率存在差异。3） 同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。（不同植物、植物病虫害）4） 地物的光谱特征具有时间特性和空间特性。二、 地物的发射光谱特性地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。1、 黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。2、 黑体辐射：黑体的热辐射3、 黑体辐射定律朗克热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。玻尔兹曼定律即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的基础。维恩位移定律随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。黑体辐射的三个特性：辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。4、 地物的发射率和基尔霍夫定律发射率：地物的辐射出射率(单位面积上发出的辐射总通量)W与同温度下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度(比热、热惯量)。比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1,常数。灰体：发射率小于1,常数。选择性辐射体：发射率小于1,且随波长而变化。基尔霍夫定律在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W黑。在给定的温度下，物体的发射率等于吸收率(同一波段)；吸收率越大，发射率也越大。地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。5、 黑体的微波辐射任何物体在一定的温度下，不仅向外发出红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。瑞里—金斯公式黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显的多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。6、 地物的发射光谱发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。亮度温度：衡量地物辐射特征的重要指标。指当物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。亮度温度总小于实际温度。三、地物的透射光谱特性透射率：入射光透过地物的能量与入射总能量的百分比。透射率随电磁波的波长和地物性质而不同。第三节大气和环境对遥感的影响一、大气的成分大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分有关。大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。二、 大气的结构大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外层。对流层：航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。平流层：较为微弱。中气层：温度随高度增加而递减。热层：增温层，电离层。卫星的运行空间。大气外层：1000公里以外的星际空间。三、 大气对太阳辐射的影响太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。大气的透射公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。1、 大气的吸收作用氧气：小于0.2|im；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带，主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。2、 大气的散射作用散射作用：太阳辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。1）瑞利辐射（a<入）：当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍,0.4|im的蓝光是4|im红外线散射的1万倍。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光的原因。特点：散射强度与波长的四次方成反比，波长越长，散射越弱。对于可见光特别明显。例子：无云的晴空呈现蓝色，因为蓝色波长短，散射强度较大。2）米氏散射（aO入）：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。特点：散射强度与波长的二次方成反比，且散射在光线向前方向比向后方向更强，方向性较明显。例子：潮湿天气米氏散射影响较大，因为云雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。3）无选择性散射（a>入）：当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常发生无选择性散射。特点：散射强度与波长无关，即在符合无选择性散射的条件的波段中，任何波长的散射强度相同。例子：云、雾粒子直径虽然与红外线波长接近，但相比可见光段，云雾中水滴的粒子直径就比波长大很多，因而对可见光中各个波长的光散射强度相同，所以看到的云雾呈白色。四、大气窗口1、 大气窗口：电磁波通过大气较少而被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。2、 常见的大气窗口：紫外、可见光、近红外波段(0.3~1.3|im)：摄影成像的最佳波段，也是卫星传感器扫描成像的常用波段。近、中红外波段(1.5~1.8ym和2.0~3.5ym)：白天日照条件好时扫描成像的常用波段。中红外波段(3.5~5.5ym)：该波段除了反射外，地面物体也可以自身发射热辐射能量。远红外波段(8~14ym)：主要通过来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。微波波段(0.8~2.5cm)：穿云透雾能力强，可全天候观测，且是主动遥感方式。(侧视雷达)五、环境对地物光谱特性的影响1、 地物的物理性状2、 光源的辐射强度：纬度与海拔高度3、 季节：太阳高度不同4、 探测时间：时间不同，反射率不同5、 气象条件第三章遥感成像原理与遥感图像特征第一节遥感平台遥感平台：用于搭载传感器的工具，也称为载体。根据运载工具的类型，可分为航天平台、航空平台和地面平台。地面平台：三脚架、遥感塔、遥感车和遥感船等与地面接触的平台成为地面平台或近地面平台。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。航空平台:包括飞机和气球。飞机按高度可以分为低空平台、中空平台和高空平台。航天平台：包括卫星、火箭、航天飞机、宇宙飞船。航天遥感传感器搭载的主要平台是卫星。第二节遥感卫星平台的姿态与轨道参数一、 遥感卫星的姿态姿态对数据的质量有影响，必须测量、记录。1、 三轴倾斜滚动：横向摇摆俯仰：纵向摇摆偏航：偏移运行轨道2、 振动振动是指遥感卫星运行过程中除滚动、俯仰和偏航以外的非系统的不稳定振动。二、 遥感卫星的轨道参数轨道参数：表示遥感卫星轨道特征的数值组称为轨道参数。轨道面：遥感卫星在太空中的运行，是一种受到地球以及月球和太阳引力的规律性运动，它所在的包含地球在内的平面叫轨道面。遥感卫星也称地球观测卫星，是航天遥感平台的一种主要类型。1、 六个基本轨道参数1） 轨道倾角轨道平面与地球赤道平面的夹角。是由赤道平面逆时针旋转到轨道平面的夹角。当0°<i<90°时，卫星运动方向与地球自转方向一致，叫“正方向卫星”；当90°<i<180°时，卫星运动方向与地球自转方向相反，叫“反方向卫星”；当i=90°时，卫星绕过两极运行，叫“极轨”或“两极”卫星；当i=0°或180°时，卫星绕过赤道上空运行，叫“赤道卫星”。2） 升交点赤经卫星由南向北运行时与赤道平面相交处称为升交点。升交点赤经即为升交点与春分点的经度差Q。3） 近地点幅角地心与升交点连线和地心与近地点连线之间的夹角3。由于入轨后其升交点和近地点是相对稳定的，所以近地点幅角通常是不变的，它可以决定轨道长轴在轨道平面内的方位。轨道倾角、升交点赤经和近地点幅角共同决定卫星轨道平面相对于地球的空间位置4） 椭圆半长轴近地点和远地点连线的一半，它标志卫星轨道的大小。它确定了卫星距地面的高度。按照卫星高度的不同又将卫星分为低轨卫星（150-300公里）、中轨卫星（约1000公里）和高轨卫星（36000公里）。5）椭圆扁率椭圆轨道两个焦点间距离之半与半长轴的比值，用以表示轨道的圆扁程度。长半轴和扁率共同确定了轨道的形状。6） 近地点时刻卫星通过近地点的时间2、 其他一些常用的遥感卫星参数卫星高度：卫星距离地面的高程。运行周期：卫星绕地球一圈所需的时间，它与卫星的平均高度呈正相关。重复周期：卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，再回到该地上空时所需的天数。扫描宽度：当卫星沿一条轨道运行时其传感器所观测的地面带的横向宽度。三、 遥感卫星的轨道类型地球同步轨道：卫星运行周期等于地球的自转周期（如果从地面上各地方看过去，卫星在赤道上的一点是静止的，所以又称静止轨道卫星），如气象卫星、通讯卫星。太阳同步轨道：卫星的轨道面以与地球的公转方向相同方向而同时旋转的近圆形轨道。遥感卫星一般有两种绕地球飞行方式：静止轨道和近极地轨道。静止轨道可以定点观测，而极地轨道（圆形）则可以定期观测。四、 航天遥感对卫星轨道的参数有如下要求1、 卫星轨道应采用近圆形轨道为了使用遥感器在不同地区所获取的图像比例相差不大，或图像的分辨率不受卫星高度的影响，卫星轨道通常采用圆形轨道或近圆形轨道。2、 卫星轨道应采用太阳同步轨道太阳同步轨道能使卫星以同一地方飞过成像地区上空，成像地区在每次成像时都处于基本相同的光照条件，便于检测地物的变化情况。另外，采用太阳同步轨道对卫星工程设计及遥感仪器工作非常有利，如利用太阳同步条件，可以取得较准确的日照条件，简化太阳帆板的设计和提高星上能源系统的利用效果；卫星的日照面和背阳面基本保持不变，有利于温度控制系统的设计。3、卫星轨道应采用准回归轨道由于遥感器的视场角不能太大，为了获得全球覆盖，常采用准回归轨道。4、卫星轨道面倾角应在90°附近影响卫星全球覆盖能力的另一个因素是其轨道面夹角，近极地轨道可以获取包括南北在内的全球遥感图像。5、 升交点赤经的选取应满足良好的光照条件升交点赤经决定了太阳光线与卫星轨道面的夹角，也决定了星下点(成像地区)的太阳高度角，它保证了成像光照条件的一致性。6、卫星轨道周期与遥感器的视场角应匹配卫星轨道周期决定了星下点轨迹之间的间隔，为了获取卫星所经整个区域的地面覆盖，遥感器视场角对应的地面宽度应大于星下点轨迹之间的距离，以使获取的图像有一定的旁向重叠率。第三节卫星系列一、气象卫星系列1、 气象卫星概述2、 气象卫星的特点轨道：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：静止气象卫星30分钟一次；极轨卫星半天一次。利于动态监测。资料来源连续、实时性强、成本低。气象卫星观测的优势空间覆盖优势时间取样优势资料一致性优势综合参数观测优势3、气象卫星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、水污染二、陆地卫星系列 LandsatLANDSAT-8LANDSAT-7波段名称波段(ym)空间分辨率(m)波段名称波段(ym)空间分辨率(m)BandlCoastal0.433-0.45330Band2Blue0.450-0.51530Band1Blue0.450-0.51530Band3Green0.525-0.60030Band2Green0.525-0.60530Band4Red0.630-0.68030Band3Red0.630-0.69030Band5NIR0.845-0.88530Band4NIR0.775-0.90030Band6SWIR11.560-1.66030Band5SWIR11.550-1.75030Band7SWIR22.100-2.30030Band7SWIR22.090-2.35030Band8Pan0.500-0.68015Band8Pan0.520-0.90015Band9Cirrus1.360-1.39030Band10TIRS10.6-11.2100Band6LWIR10.40-12.5060Band11TIRS11.5-12.51001、Landsat-7数据的特点：>TM10.45-0.52，蓝波段。主要增加水下信息。该波段位于水体衰减系数最小，散射最弱的部位（0.45-0.55），对水的穿透力最大（对清水可达30m），可获得更多水下细节，用于判别水深、浅海水下地形、水体浑浊度、沿岸水、地表水等，进行水系及浅海水域制图。同时它位于绿色植物叶绿素的吸收区（0.45-0.50），对叶绿素与叶绿素浓度反映敏感，有助于判别水中叶绿素分布以及水中是否有水华等。还可用于识别常绿与落叶植被、森林类型制图以及土壤与植被的区分，也有助于植物胁迫的识别。TM20.52-0.60，绿波段。该波段位于健康绿色植物的绿色反射区（0.54-0.55）附近，对植物的绿反射敏感，可用以识别植物类别和评价植物生产力。对水体有一定穿透力（一般10-20m），可反映水下特征、水体浑浊度、沿岸泥沙流、水下地形、沙洲、沿岸沙地等，并对水体污染特别是金属和化学污染的研究效果好。TM30.63-0.69，红波段。该波段位于叶绿素的主要吸收带（吸收谷0.67-0.69）,可根据对不同植物叶绿素的吸收来区分植物类型、覆盖度，判断植物生长状况、健康状况等。位于含沙度不同的水体辐射峰值（0.58-0.68）附近，对水中悬浮泥沙反映敏感，用于研究泥沙流范围及迁移规律。对水体的穿透力约为2m左右。此外，该波段对裸露地表、植被、土壤、岩性、地层、构造、地貌、人文特征等可提供丰富的信息，为可见光最佳波段。TM40.76-0.90，近红外波段。该波段位于植物的高反射区，光谱特征受植物细胞结构控制，反映大量植物信息，故对植物的类别、密度、生长力、病虫害等的变化最敏感。用于植物识别分类、生物量调查及作物长势测定，为植物通用波段。同时，处于水体强吸收区，水体轮廓清晰，用于勾绘水体，区分土壤湿度及寻找地下水、识别与水有关的地质构造、地貌（潮间带、潮水沟、古河道、边滩等）、土壤岩石类型等。TM51.55-1.75，短波红外波段。该波段位于水的吸收带（1.4、1.9）之间，受两个吸收带的控制。反映植物和土壤水分含量敏感，利于植物水分状况研究和作物长势分析等，从而提高了区分不同作物的能力。对岩性及土壤类型的判定也有一定作用。此外，该波段雪比云反射率低，色调暗而形成较大反差，易于区分雪和云，特别是那些可见光、近红外、热红外波段难以区分的小而薄的云。一般来说，TM5信息量大，利用率高。TM72.08-2.35，短波红外波段。该波段位于水的吸收带（1.9、2.7）之间，受到两个吸收带的控制。对植物水分敏感。包含了黏土化蚀变矿物吸收谷（2.2附近）及碳酸盐化蚀变矿物吸收谷（2.35附近），对岩石、特定矿物反映敏感，用于区分主要岩石类型、岩石的水热蚀变、探测与交代岩石有关的黏土矿物等，为地质学家追加的波段，以增加地质探矿方面的应用。TM610.4-12.5，热红外波段。探测常温的热辐射差异。根据辐射响应的差异，可进行植物胁迫分析、土壤湿度研究、农业森林区分、水体、岩石等地表特征识别以及检测与人类活动有关的热特征，进行势测定与热制定。可监测水温、海温，探测热污染。2、通过对TM7个波段数据的分析，可获得5个具有明确物理意义的特征变量：亮度。构成亮度的主要成分是可见光波段oTM1-3的灰度值各代表可见光中蓝、绿、红光的亮度。TM4、5对亮度也有贡献。亮度主要反映地物的辐射水平，用以监测地物的反射辐射强度。它可以是几个波段之和、平均值等。绿度。对绿度贡献最大的是对植物高反射的TM4，而TM3与之呈负相关。它们的组合反映红外与红光辐射强弱的对比关系，提供更多植被信息，TM5、7对绿度也有一定作用。最常用的绿度值为标准植被指数NDVI=(TM4-TM3)/(TM4+TM3),还有比值、差值等各种组合。湿度。构成湿度的主要是TM5、7,它们均处于两个水的强吸收带之间，受到水吸收带的控制,对湿度反应最灵敏。它可以是TM5、TM7独立构成,也可以两波段比值、差值、标准差等。透射度(深度)。透射度主要对透射可见光的水体而言，由TM1、TM2构成，对研究水深、水下地形、水体浑浊度等有用。热度。构成热度的主要是热红外波段的TM6。热度主要反映物体常温下的热辐射差异，也可反映高温的“热度”，它与湿度也有一定相关性。三、海洋卫星系列海洋遥感的特点：需要高空和空间的遥感平台，以进行大面积同步覆盖的观测；以微波遥感为主；电磁波与激光、声波的结合是扩大海洋遥感观测手段的一条新路；海面实测资料的校正。第四节扫描成像一、 光/机扫描成像1、 概念：依靠机械传动装置使镜头摆动，形成对目标地物的逐点逐行扫描。探测元件把接受到的电磁波能量转换成电信号，在磁介质上记录或再经电/光转换成为光能量，再设置于焦平面的胶片上形成影像。瞬时视场角：扫描仪在一个瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标地物的电磁波辐射，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，从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角，也叫总扫描角。2、 工作原理：扫描镜在机械驱动下，随遥感平台的前进运动而摆动，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记录相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。专题制图仪(TM)：专题制图仪的成像原理与MSS—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。4、 特点：利用光电探测器解决了各种波长辐射的成像方法。输出的电学图像，存储、传输和处理方面十分方便。但装置庞杂，高速运动使其可靠性差；在成像机理上，存在着目标辐射能量利用率低的致命弱点。二、 固体自扫描成像1、 固体自扫描是用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的一种成像方式。2、 电子耦合器件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、寿命长、可靠性高等一系列优点。3、扫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。电子耦合器件CCD逐步替代光学机械扫描系统。三、高光谱成像光谱扫描1、成像光谱仪：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。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。2、特点：1）高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图像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以上波段的数据。2）使图像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光谱仪在波段之间存在间隔。第五节微波遥感与成像微波遥感：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1、能全天候、全天时工作；2、对某些地物具有特殊的波谱特征；3、 对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透力；4、 对海洋遥感具有特殊意义；5、 分辨率较低，但特性明显。二、微波遥感方式和传感器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的遥感方式。1） 雷达雷达的用途：用于测定目标的位置、方向、距离和运动目标的速度。雷达的工作方式：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）侧视雷达侧视雷达的分辨力可分为：距离分辨力（垂直于飞行的方向）。俯角越大，距离分辨力越低；倍角越小，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） 合成孔径侧视雷达（SAR）合成孔径侧视雷达的方位分辨力与距离无关，只与天线的孔径有关。所以，可用于高轨卫星。天线越小，方位分辨力越高。2、被动微波遥感：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，称为被动微波遥感。第六节遥感图像的特征一、遥感图像的空间分辨率1、 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。2、 对于摄影成像的图像来说，地面分辨率取决于胶片的分辨率和摄影镜头的分辨率所构成的系统分辨率，以及摄影机焦距和航高。二、图像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。间隔越小，分辨率越高。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1、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。2、 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。3、 在多波段遥感中，遥感图像总信息量还取决于波段数k。四、图像的时间分辨率1、 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。2、 时间分辨率对动态监测很重要。第四章遥感图像处理第一节数字图像的校正遥感数字图像处理：利用计算机对遥感图像及其资料进行的各种技术处理，包括遥感图像辐射校正、几何校正。数字图像处理的优点：快捷、准确、客观的提取遥感信息；适应地理信息系统的发展。校正原因:辐射畸变是由于遥感检测系统、大气散射和吸收等原因引起的图像模糊失真、分辨率和对比度下降等辐射失真；几何变形是由于搭载传感器的遥感平台飞行姿态变化地球自转、地球曲率等原因引起的图像几何位置畸变。一、数字图像和图像数字化（一） 数字图像的概念早期的遥感技术通过摄影成像方法得到的相片称之为光学图像。能在计算机里存储、运算、显示和输出的图像称之为数字图像。光学图像可以看成是由无数个很小的单元点（像元）组成的，每个单元点的敏感程度记录了成像瞬间对应的物体的反射光强度（灰度），在遥感图像中其实质就是探测范围内电磁辐能量分布图。数字方法表示图像：（x,y）表示像元的位置；f（x,y）表示（x,y）位置上对应地物电磁辐射强度。对于模拟图像，x,y,f（x,y）的取值是连续的。要经过“离散化”取样才能变成计算机可存储和运算的数字图像。函数f（x,y）的取值：离散整数取样是根据需要，将灰度空间分成2n级（目前n的取值有1、4、7、8，甚至更多），然后根据方格内电磁辐射强弱取其平均值整数作为函数f（x,y）的值。一幅模拟图像表示为数字图像其实质是一个数字矩阵。数字矩阵可以在计算机里进行存储和计算。（二） 图像数字化一幅光学图像经过上述离散取样，转化为数字图像的过程即图像数字化。图像数字化的内容：①图像空间位置的数字化，即图像的空间取样；②图像灰度的数字化，即指从图像灰度的连续变化中进行离散的采样，目前经常使用的灰度量度有32级、64级、128级、256级。除光学图像可以数字化为数字图像外，更多的遥感图像源于传感器获得后直接的数字产品，如SPOT,MSS,TM,ETM等航天遥感数字。（三） 灰度直方图用平面直角坐标系表示一幅灰度范围为0-n数字图像像元灰度分布状态。横轴表示灰度级，纵轴『「m/M）表示灰度级为gi的像元个数mi占像元总数M的百分比。将2n个Pi绘于图上，所形成的统计直方图叫灰度直方图。 '通过灰度直方图可以直观的了解图像增强的效果。正态分布：反差适中，亮度分布均匀，层次丰富，图像质量高。偏态分布：图像偏亮或偏暗，层次少，质量较差。小结：图像直方图是描述图像质量的可视化图表。在图像处理中，可以通过调整图像直方图的形态，改善图像显示的质量，以达到图像增强的目的。二、 辐射校正1、 辐射畸变：地物目标的光谱反射率的差异在实际测量时，受到传感器本身、大气辐射等其他因素的影响而发生改变。这种改变称为辐射畸变。2、 影响辐射畸变的因素传感器本身的影响：导致图像不均匀，产生条纹和噪音。大气对辐射的影响。3、 图像辐射校正1） 系统辐射校正光学摄影机内部辐射误差的校正光学摄影机内部辐射误差主要是由镜头中心和边缘的透射光的强度不一致造成的，它使得在图像上不同位置的同一类地物有不同的灰度值。设原始图像灰度值g,校正的图像灰度g'，则有g'=g/cosaa为像点成像时光线与主光轴的夹角。光电扫描仪内部辐射误差的校正两类误差：光电转换误差；探测器增益变化引起的误差。2） 大气校正定义：指消除主要由大气散射引起的辐射误差的处理过程。①公式法与卫星扫描同步进行野外波谱测试，将地面测量结果与卫星影像对应像元亮度值进行回归分析，回归方程为：LAi=a+bRi式中，LAi为卫星观测值，Ri为地面反射率，a和b为回归系数。回归分析法用长波数据来校正短波数。在不受大气影像的波段（如TM5）和待校正的某一波段图像中，选择由最亮至最暗的一系列目标，将每一目标的两个待比较的波段灰度值提取出来进行回归分析。P=%+b/式中，X为TM5波段的亮度均值，Y为TM1亮度均值。直方图校正法通过灰度直方图对比找出校正量。注：由于辐射校正模型存在较大误差，所以多数模型争议较大。三、 几何校正1、几何畸变：遥感图像的几何位置发生变化，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变形。几何畸变是平移、缩放、旋转、偏扭、弯曲等作用的结果。2、遥感影像变形的原因：遥感平台位置和运动状态变化的影响：航高、航速、俯仰、翻滚、偏航。地形起伏的影响：产生像点位移。地球表面曲率的影响：一是像点位置的移动；二是像元对应于地面宽度不等，距星下点越远畸变越大，对应地面长度越长。大气折射的影响：产生像点位移。地球自转的影响：产生影像偏离。3、 遥感图像几何畸变来源：传感器一般的成像几何形态有中心投影、全影投影、斜距投影以及平行投影等几种不同类型。①全景投影变形红外机械扫描仪、CCD线阵推帚式传感器。②斜距投影变形侧视雷达传感器外方位元素变化畸变地球自转影响地球自转对于瞬时光学成像遥感方式没有影响，对于扫描成像则造成图像平行错动。地球曲率影响①在星下点视场角较小，曲率影响可忽略。②产生的误差原理与航空像片像点位移相同。4、 遥感图像几何校正原理遥感图像几何校正包括光学校正和数字纠正两种方法。数字纠正是通过计算机对图像每个像元逐个的解析纠正处理完成的，其包括两方面：一是像元坐标变换；二是像元灰度值重新计算(重采样)。坐标变换的两种方案首先要确定原始图像和纠正后图像之间的坐标变换关系。对其包括：直接法：从原始图像阵列出发，依次对其中每一个像元分别计算其在输出(纠正后)图像的坐标，即：{X=Fx(x,y)

丫=©(3)式中，x,y为P点原始图像的行数和列数；X,Y为P在新图像中的坐标(即地面坐标系)，并把P(x,y)的灰度值重新计算后送到P(X,Y)位置上去。间接法：从空白图像阵列出发，依次计算每个像元P(X,Y)在原始图像中的位置P(x,y)，然后把该点的灰度值计算后返送给P(X,Y)。其纠正公式为：严=cx(x,r)

ky=Gyd输出图像的边界大小输出图像边界的地面坐标值是由包括纠正后图像在内的最小长方形范围来确定的。数字图像灰度值的重采样校正前后图像的分辨率变化、像元点位置相对变化引起输出图像阵列中的同名点灰度值变化。重采样：P'点的灰度值取决于周围列阵点上像元的灰度值对其所做的贡献，这就是灰度值重采样。最邻近法：将最邻近的像元值赋予新像元。双线性内插法：将临近的4个像元值，按其距离赋予不同的权重，进行线性内插。三次卷积：将邻近的16个像元值，按三次卷积函数，进行内插。5、 数字图像几何校正方法数字图像几何校正方法有多项式纠正法和共线方程纠正法。前者常用。多项式纠正法的基本思想：回避成像的空间几何过程，而直接对图像变形的本身进行数学模拟。常用的二元齐次多项式纠正变换方程为：严=%+(%X+叨)+(导2+导丫+螟2)+@6肝+驴2丫+僞XW+吓3)…J=%+(咕+即+梓2+打刃+导2)+龟肝+每&匕+刃2+哄3)…式中，x,y为某像元的原始图像坐标，X,Y为纠正后同名点的地面(或地图)坐标，at,bt为多项式系数(i=0,1,2.・.)。实际工作中，多项式系数求出后，根据上述公式可以求解原始图像任一像元的坐标，并对图像灰度进行内插，获得某种投影的纠正图像。一般选择最小控制点的数量为：(n+1)(n+2)/2，为多项式次数。6、 控制点的选取数目的确定：最小数目；6倍于最小数目。选取的原则：易分辨、易定位的特征点；道路的交叉口，水库坝址，河流弯曲点等。特征变化大的地区应多选些。尽可能满幅均匀选取。不随时间变化。四、数字图像镶嵌1、 数字镶嵌在理论和方法上与几何校正类似，有几点注意：镶嵌要有足够宽的重叠区，最好不少于图像的1/5。相邻的图像色调或灰度值应一致(通过“直方图匹配”等方法)。最好依据地图投影方式先分幅校正，后镶嵌，以保证较高的精度。2、 一般要经历以下工作过程：准备工作首先要根据研究对象和专业要求，挑选数据合适的遥感图像CCT。预处理工作包括：辐射校正；去条带和斑点；几何校正。确定实施方案首先应确定标准条幅，标准像幅往往选择处于研究区中央的图像，以后的镶嵌工作都以此图像作为基准进行，其次确定镶嵌的顺序，即以标准像幅为中心，由中央向四周逐步进行。重叠区确定遥感图像镶嵌工作的进行主要是基于相邻图像的重叠区，无论是色调调整，还是几何镶嵌，都是将重叠区作为标准进行的，重叠区确定的是否准确直接影响到镶嵌的效果。色调调整不同时相或成像条件存在差异的图像，由于要镶嵌的图像辐射水平不一样，图

像的亮度差异较大。①②③6） 图像镶嵌把两幅图像对应像元的平均值作为重叠区像元点的亮度值。把两幅待镶嵌图像中亮度值最大的值作为重叠区像元点的亮度值。取两幅图像对应像元亮度值的线性加权和，这样才能在镶嵌后的图像中无接缝存在。①②③第二节光学原理与光学处理一、颜色视觉1、 亮度对比和颜色对比1） 亮度对比：对象相对于背景的明亮程度。改变对比度，可以提高图像的视觉效果。2）颜色对比：在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响叫做颜色对比。两种颜色相互影响的结果，使每种颜色会向其影响色的补色变化。在两种颜色的边界，对比现象更为明显。因此，颜色的对比会产生不同的视觉效果。2、 颜色的性质所有颜色都是对某段波长有选择地反射而对其他波长吸收的结果。颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述。1） 明度：是人眼对光源或物体明亮程度的感觉。物体反射率越高，明度就越高。2）色调：是色彩彼此相互区分的特性。3）饱和度：是色彩纯洁的程度，即光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。3、 颜色立体彩色的特性常用颜色立体来表示。中间垂直轴表示明度，由下到上，明度越来越大；中间水平面的圆周表示色调；圆周的半径大小表示饱和度，半径越大，饱和度越高。二、加色法与减色法1、 颜色相加原理1） 三原色（RGB）：若三种颜色，其中的任一种都不能由其余二种颜色混合相加产生，这三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，则称之为三原色。红绿蓝2） 互补色：若两种颜色混合产生白色或灰色，这两种颜色就称为互补色。红和青、绿和品红、蓝和黄3） 色度图：可以直观的表现颜色相加的原理，更准确地表现颜色混合的规律。2、 颜色相减原理减色过程：白色光线先后通过两块滤光片的过程。颜色相减原理：当两块滤光片组合产生颜色混合时，入射光通过每一滤光片时都减掉一部分辐射，最后通过的光是经过多次减法的结果。A减法三原色：黄、品红、青第三节遥感数字图像增强一、彩色变换把数字图像组合转换成彩色图形，或者把各种增强或分类图像组合叠加，以彩色图像显示出来（彩色的视觉分辨能力比黑白高）。方法：假彩色密度分割；彩色合成1、 单波段彩色变换（假彩色密度分割）1） 概念：单波段黑白遥感图像可按亮度分层，对每层赋予不同的色彩，使之成为一幅彩色图像。这种方法又叫密度分割。2） 分层方案的确定：分层方案与地物光谱差异对应合适，可以较好的区分地物类别。3）处理过程输入图像T显示直方图T确定分割的等级数，并计算分割的间距T像元亮度值转换T为像元新值赋色4）效果分析以不同的色彩表示图像的色调变化，增强了图像的显示能力。同一地物或现象可能被分割成两种不同密度并以不同的颜色显示出来，或同一色彩却表示两种以上不同的地物，造成判读错误。2、 多波段色彩变换1） 概念：利用计算机将同一地区不同波段的图像存放在不同通道的存储器中，并依照彩色合成原理，分别对各通道的图像进行单基色变换，在彩色屏幕上进行重叠，从而构成彩色合成图像。2） 合成方案：彩色合成图像分为真彩色图像和假彩色图像。3） 方法演示3、 HIS变换RGB模式与HIS模式（色调Hue、亮度Intensity、饱和度Satuation）将RGB模式转换成HIS模式，对于定量的表示色彩特性，以及在应用程序中实现两种表达方式的转换具有重要意义。二、 对比度变换直方图与图像的质量概念：是一种通过改变图像像元的亮度值来改变图像像元对比度，从而改善图像质量的图像处理方法。将图像中过于集中的像元分布区域（亮度值分布范围）拉开扩展，扩大图像反差的对比度，增强图像表现的层次性。又叫辐射增强。方法：对比度线性变换和非线性变换。1、 线性变换：在改善图像对比度时，如果采用线性或分段线性的函数关系，那么这种变换就是线性变换。调整线性参数，改变变换效果>分段式线性变换2、 非线性变换：变换函数为非线性函数时，即为非线性变换。三、 空间滤波以重点突出图像上某些特征为目的。滤波增强的原理：任何一个复杂的波形曲线都可以分解成具有不同频率（波长）的较为简单的波形曲线。概念：根据需要，舍弃不需要的频率曲线，选择适宜和需要的频率波形曲线，重新构成新的图像，使一些地物或现象得到突出显示。空间滤波：以突出图像上的某些特征为目的，通过像元与周围相邻像元的关系，采取空间域中的邻域处理方法进行图像增强方法。图像卷积运算：在图像的左上角开一个与模板同样大小的活动窗口，图像窗口与模板像元的亮度值相乘再相加，得到新像元的灰度值。1、 平滑——图像中出现某些亮度值过大的区域，或出现不该有的亮点时，采用平滑方法可以减小变化，使亮度平缓或去掉不必要的亮点。比值平滑：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”和平滑图像的目的。中值滤波：将每个像元在以其为中心的领域内，取中间亮度值来代替该像元值，以达到去掉尖锐“噪声”和平滑图像的目的。

2、锐化——突出图像的边缘、线性目标或某些亮度变化率大的部分。①罗伯特梯度：找到了梯度较大的位置，也就找到了边缘，用不同的梯度值代替边缘处像元的值，也就突出了边缘。②③④索伯尔梯度②③④拉普拉斯算法定向检测四、图像运算概念：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，达到提取某些信息或去掉某些不必要信息的目的。原理：地物不同波段的光谱差异。1、 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）就是比值运算。该运算常用于突出遥感影像中的植被特征、提取植被类型或估算植被生物量，这种算法的结果称为植被指数。常用算法：近红外波段/红波段；（近红外-红）/（近红外+红）。对于区分和增强光谱亮度值虽不明显，而不同波段的比值差异较大的地物有明显效果。✓比值处理的方式：根据实际情况，采取加、减、乘、除四则运算。2、 差值运算：两幅同样行、列数的图像，对应像元的亮度值相减就是差值运算。五、多光谱变换多光谱变换：针对多光谱影像存在的一定程度上的相关性以及数据冗余现象，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目的的方法。其变换的本质：对遥感图像实行线性变换，使光谱空间的坐标按一定规律进行旋转。1、 K-L变换离散变换的简称，又称主成分变换。它是对某一多光谱图像X，利用K-L变换矩阵A进行线性组合，而产生一组新的多光谱图像Y。K-L变换的特点：变换后的主分量空间与变换前的多光谱空间坐标系相比旋转了一个角度。新坐标系的坐标轴一定指向数据量较大的方向。可实现数据压缩和图像增强。2、 K-T变换K-T变换也称缨帽变换，是一种坐标空间发生旋转的线性变换，旋转后的坐标轴指向与地面景物有密切关系的方向。K-T变换的应用：主要针对TM图像数据和MSS数据。对于扩大陆地卫星TM影像数据分析在农业方面的应用有重要意义。第四节多源信息复合多种信息源的复合：是将多种遥感平台，多时相遥感数据之间以及遥感数据与非遥感数据之间的信息组合匹配的技术。多源信息复合的意义：发挥不同遥感数据源的优势，弥补某种遥感数据的不足，提高遥感数据的应用性；还有利于综合分析和深入理解遥感数据。一、遥感信息的复合1、 不同遥感器的遥感数据复合1） 配准：采用几何校正，分别在不同数据源的影像上选取控制点，用双线性内插或三次卷积内插运算等分辨率较小的图像进行重采样，完成配准。2） 复合：彩色合成、代换法。2、 不同时相的遥感数据复合观测地物的类型、位置、轮廓及动态变化。1） 配准：利用几何校正的方法。2）直方图调整：将配准后的直方图调整成一致的直方图，使图像亮度值趋于协调，以便于比较。3）复合：彩色合成法、差值法、比值法。二、遥感与非遥感信息的复合主要步骤：1、地理数据的网格化：1）网格数据生成；2）与遥感数据配准。2、最优遥感数据的选取。3、配准复合：1）栅格数据与栅格数据；2）栅格数据与矢量数据。第五章遥感图像目视解译与制图遥感图像解译分为两种：>目视解译:指专业人员通过直接观察或借助判读仪器在遥感图像上获取特定目标地物信息的过程。>遥感图像计算机解译：以计算机系统为支撑环境，利用模式识别技术与人工智能技术相结合，根据遥感图像中目标地物的各种影像特征，结合专家知识库中目标地物的解译经验和成像规律等知识进行分析和推理，实现对遥感图像的理解，完成对遥感图像的解译。第一节遥感图像目视解译原理一、 目标地物的特征1、 色:指目标地物在遥感影像上的颜色，包括色调、颜色和阴影。2、 形:指目标地物在遥感影像上的形状，包括形状、纹理、大小、图形等。3、 位:指目标地物在遥感影像上的空间位置，包括目标地物分布的空间位置、相关布局等。二、 目标地物识别特征1、 色调:全色遥感图像中从白到黑的密度比例叫色调（也叫灰度）。2、 颜色:是彩色图像中目标地物识别的基本标志。3、 阴影:是图像上光束被地物遮挡而产生的地物的影子。据此可判读物体性质或高度。4、 形状:目标地物在遥感图像上呈现的外部轮廓。5、 纹理:也叫内部结构，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。6、 大小:指遥感图像上目标物的形状、面积与体积的度量。7、 位置:指目标地物分布的地点。8、 图形:目标地物有规律的排列而成的图形结构。9、 相关布局:多个目标地物之间的空间配置关系。三、 目视解译的生理与心理基础心理特点对遥感图像解译的影响:1、 同一时刻，只有一种地物是目标地物，图像的其余部分以目标地物的背景出现，此时判读者的注意力往往集中在目标地物上。2、 判读者的知识和经验对目标地物的确认有一定的导向作用，因此，不同的解译者可能得出不同的结论。3、 心理惯性对目标地物的识别有一定的影响。4、 观察的时效性。正确辨认目标地物，需要一个最低限度的时间才能完成。四、 目视解译的认知过程遥感图像知觉形成的客观条件:遥感图像存在颜色差异或色调的差异。遥感图像颜色差异或色调的差异达到一定程度时，目标地物就容易与背景产生对比，形成纹理和形状。概括来说，遥感图像的认知过程包括：1、自下向上的过程：图像信息获取、特征提取、识别证据选取。2、自上向下的过程：特征匹配、提出假设、图像辨识。第二节遥感图像目视解译基础一、遥感摄影像片的判读1、遥感摄影像片的种类1）可见光黑白全色像片2） 黑白红外像片3）彩色像片4）彩红外像片5）多波段摄影像片2、遥感摄影像片特点与解译标志1） 摄影像片的特点绝大部分为大中比例尺像片，各种人造地物的形状特征与图形结构清晰可辨。绝大部分采用中心投影，可以看到地物的顶部轮廓。2）摄影像片的解译标志解译标志又称判读标志，指能够反映和表现遥感影像上目标地物信息的各种特征，这些特征能够帮助判读者识别遥感图像上目标地物或现象。直接判读标志：形状：人造地物具有规则的几何外形和清晰的边界。自然地物具有不规则的外形和不规则的边界。大小：不知道比例尺时，可以比较两个物体的相对大小；已知比例尺，可直接算出地物的实际大小和分布规模。阴影：本影：是地物未被太阳照射到的部分在像片上的构象，有助于获得地物的立体感。落影：是阳光直接照射物体时，物体投在地面上的影子在像片上的构象。色调与颜色：是地物波谱在像片上的表现。在黑白像片上，据地物间色调的相对差异区分地物。在彩色像片上据地物不同颜色的差异或色彩深浅的差异来识别地物。纹理：通过色调或颜色变化表现的细纹或细小的图案。这种细纹或细小的图案在某一确定的图像区域中以一定的规律重复出现。可揭示地物的细部结构或内部细小的物体。图型：是目标地物以一定规律排列而成的图型结构。揭示了不同地物之间的内在联系。位置：指目标地物在空间分布的地点。间接解译标志指能够间接反映和表现地物信息的遥感图像的各种特征，借助它可推断与其地物属性相关的其他现象。目标地物与其相关指示特征地物及与环境的关系目标地物与成像时间的关系3、 遥感摄影像片的判读方法1）可见光黑白像片和黑白红外像片解译彩色像片与彩红外像片解译热红外像片的解译色调：地面温度的构象。形状：被探测地物与背景温度差异形成“热分布”形状。大小：地物的形状和热辐射特性影响影像的尺寸。阴影：目标地物与背景之间的辐射差异造成阴影。二、 遥感扫描影像的判读1、 遥感扫描影像特征宏观综合概括性强：空间分辨率越低，对地面景观概括性越强，对景物细节的表现力越差。信息量丰富：遥感扫描影像采用多波段记录地物的电磁波信息，每个波段都提供了丰富的信息。动态观测：资源卫星进入太空，就一刻不停地绕地球运转，以一定周期重复扫描地球表面，并及时向地面发送最新所获扫描影像。2、 遥感扫描影像解译方法先图外后图内：先了解影像图框外提供的各种信息。先整体后局部：先整体观察，综合分析目标地物与周围环境的关系。勤对比多分析：多个波段对比；不同时相对比；不同地物对比。三、 微波影像的判读1、 微波影像的特点侧视雷达采用非中心投影方式成像，与摄像机中心投影方式完全不同。微波影像中的分辨率是由成像雷达的斜距分辨率和方位向分辨率决定的，它们分别由脉冲的延迟时间和波束宽度来控制。比例尺在横向上产生畸变。地形起伏位移。2、 微波影像的应用范围海洋环境调查；地质制图和非金属矿产资源调查；洪水动态监测与评估；地貌研究与地图测绘；军事侦察。3、 影像解译标志及地物影像特征色调：雷达回波强度在微波影像上的表现。阴影：微波影像上出现的无回波区。形状：目标地物轮廓或外形的雷达回波在微波影像上的构象。自然地物外形不规则，人造地物外形规则。纹理：微波影像上的周期性或随机性的色调变化。图型：是某一群体各个要素在空间排列组合的形状。4、 微波影像的判读微波与目标地物相互作用规律随着地面由平滑表面向粗糙表面过渡，微波影像上的色调则逐渐由深变浅。目标地物几何特征对微波影像的构象具有重要影响。阴影给微波带来很强的反差和立体感。复介电常数是描述物体表面电性能的。微波影像的判读方法采用由已知到未知的方法；对微波影像进行投影纠正；对微波影像进行立体观察。四、目视解译方法与基本步骤1、目视解译方法1）直接判读法：使用的直接判读标志有色调、色彩、大小、形状、阴影、纹理、图案等。2）对比分析法：同类地物对比分析、空间对比分析、时相动态对比法。3）信息复合法：利用透明专题图或透明地形图与遥感图像复合，根据专题图或者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。2、目视解译基本步骤1）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。2）初步解译与判读区的野外考察初步解译的主要任务是掌握解译区域特点，确立典型解译样区，建立目视解译标志，探索解译方法，为全面解译奠定基础。野外考察：填写各种地物的判读标志登记表以作为建立地区性的判读标志的依据。在此基础上，制定出影像判读的专题分类系统，建立遥感影像解译标志。3） 室内详细判读统筹规划、分区判读；由表及里、循序渐进；去伪存真、静心解译。4） 野外验证与补判野外验证包括：检验专题解译中图斑的内容是否正确；检验解译标志。疑难问题的补判：对室内判读中遗留的疑难问题的再次解译。5）目视解译成果的转绘与制图一种是手工转绘成图；一种是在精确几何基础的地理地图上采用转绘仪进行转绘成图。第六章遥感数字图像的计算机解译计算机解译：又称遥感图像理解，它以计算机系统为支撑环境，利用模式识别技术与人工智能技术相结合，根据遥感图像中目标地物的各种影像特征（颜色、形状、纹理与空间位置），结合专家知识库中目标地物的解译经验和成像规律等知识进行分析和推理，实现对遥感图像的理解，完成对遥感图像的解译。第一节数字图像的性质与特点一、遥感数字图像遥感数字图像是以数字表示的遥感图像，其最基本的单元是像素。像素是成像过程的采样点，也是计算机处理图像的最小单元。像素具有空间特征和属性特征。像素的属性特征采用亮度值来表达。正像素：一个像素只包含一种地物的像素。混合像素：像素内包含两种或两种以上的地物。二、 遥感数字图像的特点>便于计算机处理与分析图像信息损失少抽象性强三、 遥感数字图像的表示方法1、遥感数字图像是以二维数组来表示的。2、遥感图像按照波段数量分为：单波段数字图像：SPOT的全色波段。多波段数字图像：TM的7个波段数据。3、多波段数字图像的三种数据格式BSO格式：按波段保存。BIP格式：按像元保存。BIL格式：按行保存。四、航空像片的数字化空间采样：将航空像片具有的连续灰度信息转换为每行有m个单元，每列有n个单元的像素集合。属性量化：可得到每个像元的数字模拟量，与航空像片中对应位置上的灰度相对应。第二节遥感图像的计算机分类一、分类原理与基本过程遥感图像计算机分类的依据是遥感图像像素的相似度。常使用距离和相关系数来衡量相似度。遥感图像计算机分类方法：监督分类法：选择具有代表性的典型实验区或训练区，用训练区中已知地面各类地物样本的光谱特性来“训练”计算机，获得识别各类地物的判别函数或模式，并以此对未知地区的像元进行分类处理，分别归入到已知的类别中。非监督分类：是在没有先验类别(训练场地)作为样本的条件下，即事先不知道类别特征，主要根据像元间相似度的大小进行归类合并(即相似度大的像元归为一类)的方法。遥感数字图像计算机分类基本过程：收集有关分类区的信息，包括地图、航空像片或实地资料等，以了解该区主要的分类类别及分布状况；对图像进行检查，对照已有的参考数据或者实地考察经验，评价图形质量，检查其直方图，决定是否需要别的预处理，如地形纠正、配准等，并确定其分类系统；在图像上对每一类别按照前面提到的标准选择训练样本，训练样本必须是容易识别的，均匀分布于全图。注意：如果在同一波段上不同类别的样本直方图互相重叠，则说明所选类别难以区分，需要重新选择或者确定类别；对每一类别的训练样本，显示和检查其直方图，计算和检查其均值、方差、协方差矩阵，以及其对应的特征空间相关波谱椭圆形图和不同的指示其分离度的统计指数等，从而评估其训练样本的有效性；根据4)中的检查和评估，修改训练样本，必要时可重新选择和评估训练样本；将训练样本的信息运用于合适的分类过程中。二、图像分类方法1、 监督分类最小距离分类法最近邻域分类法多级切割分类法通过设定在各轴上的一系列分割点，将多维特征空间划分成分别对应不同分类类别的互不重叠的特征字空间的分类方法。对于一个未知类别的像素来说，它的分类取决于它落入那个类别特征字空间中。特征曲线窗口分类法特征曲线是地物光谱特征曲线参数构成的曲线。以特征曲线为中心取一个条带，构造一个窗口，凡是落在此窗口内的地物即被认为是一类，反之，则不属于该类。最大似然比分类法通过求出每个像素对于各类别的归属概率，把该像素分到归属概率最大的类别中去的方法。假定训练区地物的光谱特征和自然界大部分随机现象一样，近似服从正态分布。监督分类的主要优点：可根据应用目的和区域，有选择的决定分类类别，避免出现一些不必要的类别；可控制训练样本的选择；可通过检查训练样本来决定训练样本是否被精确分类，从而能避免分类中的严重错误；避免了非监督分类中对光谱集群组的重新归类。监督分类的缺点人为主观因素较强，分析者定义的类别也许并不是图像中存在的自然类别，分析者所选择的训练样本也可能并不代表图像中的真实情形；由于图像中同一类别的光谱差异，如同一森林类，由于森林密度、年龄、阴影等的差异，其森林类的内部方差大，造成训练样本并没有很好的代表性；训练样本的选取和评估需花费较多的人力、时间；只能识别训练样本中所定义的类别，若某类别由于训练者不知道或者其数量太少未被定义，则监督分类不能识别。2、 非监督分类分级集群法>确定评价各样本相似程度所采用的指标；初定分类总数；计算样本间的距离，据距离最近的原则判定样本归并到不同类别；归并后的类别作为新类，与剩余的类别重新组合，然后再计算并改正其距离。分级集群方法的特点：是分级进行的，可能导致对一个像元的操作次序不同，得到不同的分类结果。这是该方法的缺点。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。ISODATA算法ISODATA需要分析者定义：最大的集群组数量Cma(如40个)，通常这个数量都应该比最后的分类图max中的类别多(3-5倍)；在循环中，最大的类别不变的像元百分比。当达到这个百分比时，ISODATA算法停止。但对有些图像，这个百分比可能永远也达不到，因此需要其他参数来中断这个计算；最长的时间，当ISODATA算法执行的时间达到这个指定的最大值，不论②中的像元百分比是否达到，ISODATA算法即中断；每个集群串中最小的像元数量、最大的标准方差；最小的集群均值间距离，如果两个之间的距离小于这个值，则这两个组合并；集群分散值，这个值通常为0.ISODATA算法是个循环过程，其初始的集群组是随机的在整幅图像的特征空间选择C。其基本的步骤为：mac初始随机的选择c中心；max计算其他像元离这些中心的距离，按照最小距离规则划分到其对应的集群中；重新计算每个集群的均值，按照前面定义的参数合并或分开集群组；重复②和③，直到其达到最大不变像元百分比，或者最长支转时间。非监督分类的优点：非监督分类不需要预先对所要分类的区域有广泛的了解和熟悉；人为误差的机会减少。非监督分类只需要定义几个预先的参数，如集群组的数量，最大最小像元数量等，因此大大减少了认为误差。因此非监督分类产生的类别比监督分类所产生的更均质；独特的、覆盖量小的类别均能够被识别，而不会像监督分类那样被分析者的失误所丢失。非监督分类的主要缺点非监督分类产生的光谱集群组并不一定对应于分析者想要的类别；分析者较难对产生的类别进行控制；图像中各类别的光谱特征会随时间、地形等变化，不同图像以及不同时段的图像之间的光谱集群组无法保持其连续性，从而使其不同图像之间的对比变得困难。三、 图像分类中的有关问题1、 未充分利用遥感图像提供的多种信息只考虑多光谱特征，没有利用到地物空间关系图像中提供的形状和空间位置特征等方面的信息。统计模式识别以像素为识别的基本单元，未能利用图像中提供的形状和空间位置特征，其本质是地物光谱特征分类。水体的分类。2、 提高遥感图像分类精度受到限制大气状况的影响：吸收、散射。下垫面的影响：下垫面的覆盖类型和起伏状态对分类具有一定的影响。其他因素的影响：云朵覆盖；不同时相的光照条件不同，同一地物的电磁辐射能量不同；地物边界的多样性。四、 计算机解译的主要技术发展趋势1、 抽取遥感图像多种途径对高分辨率卫星图像的自动解译来说，一般分别对目标地物采取低、中、高三个层次进行特征抽取和表达。低层次的对象是像素，每个像素对应的数值是该地物波谱特征的表征；中层次主要抽取和描述目标的形态、纹理等空间特征；高层次主要抽取和描述识别目标与相邻地物之间的空间关系。2、 逐步完成GIS各种专题数据库的建设，利用GIS数据减少自动解译中的不确定性GIS数据库在计算机自动解译中发挥以下重要作用：对遥感图像进行辐射校正，消除或降低地形差异的影响；作为解译的直接证据，增加遥感图像的信息量；作为解译的辅助证据，减少自动解译中的不确定性；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需要从以下两个方面开展工作：①建立解译知识库和背景知识库。解译知识库是遥感图像解译认识和经验经形式化后记录在贮存介质上的。背景知识库是有关遥感解译背景知识与经验的集合，以地学知识为主。②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既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。5、计算机解译新方法的应用人工神经网络、小波分析、分形技术、模糊分类方法在遥感图像识别中的应用。第七章定量遥感一、遥感器定标遥感器定标是指建立遥感器每个探测元件所输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际地物辐射亮度值之间的定量关系。由于卫星运行时所获取的遥感信息受到诸多因素影响，如遥感器系统的畸变、大气传播的干扰、地形影响等都会造成遥感器采集到的辐射能量与目标地物实际的辐射能量之间存在较大偏差。遥感器定标是遥感数据定量化处理中的最基本环节,遥感器的定标精度直接影响到遥感数据的可靠性和精度。遥感器定标方式：遥感器实验室定标、遥感器星上内定标、遥感器场地外定标。1、 遥感器实验室定标是指对比分析与研究空中遥感器接受到的电磁波能量信号与地物光谱仪接收到的电磁波能量信号的定量关系，以及电磁波能量信号与地物的物理特性的关系，以便对获取的空中遥感器信号进行纠正。遥感器实验室定标主要包括光谱定标与辐射定标两大部分。光谱定标是测量遥感器随入射辐射波长变化的响应。辐射定标用以确定遥感器入瞳处的准确辐射数值。2、 遥感器星上内定标卫星发射后，探测器元件老化或者工作温度变化都会影响到遥感器的响应，因此需要遥感器星上内定标。星上内定标主要是绝对辐射定标，在可见光和反射红外区采用点光源（灯定标）和太阳光（太阳定标）作为高温的标准辐射源，在热红外区采用卫星上的标准黑体（黑体定标）作为高温的标准辐射源，以宇宙空间作为低温标准辐射源。3、 遥感器场地外定标是在遥感器飞跃辐射定标场上空时，在定标场选择若干像元区，测量遥感器对应的各波段地物的光谱反射率和大气光谱参量，并利用大气辐射传输模型给出遥感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与遥感器对应输出的数字量化的数量关系，求解定标系数，并进行误差分析。通过地面辐射场地外定标对于提高辐射定标精度具有重要意义，这因为场地外定标方法可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，并考虑到大气传输和环境的影响。该定标方法可以实现在遥感器运行状态下与获取地面图像完全相同条件下的绝对订正。二、大气校正大气校正是消除遥感图像在大气传输中所引起质量退化的一种图像处理方法。对于一个已经经过绝对辐射标定的遥感图像，还必须经过大气校正才可以得到地表目标的正确信息。由于遥感器在空中获取地表信息过程中，受到大气分子、气溶胶和云粒子等大气成分的吸收与散射的影响，以及大气中水汽和气溶胶含量具有很大的时空变化特性，其结果使目标反射辐射能量被衰减，空间分布被改变，部分和目标物无关的大气散射辐射进入遥感器视场。>大气校正方法实验方法：直方图调整法、黑暗目标法、固定目标法、对比减少法、查找表法LUT理论方法：LOWTRAN、MODTRAN、SHARC、ATCOR、6S1、 大气校正实验方法直方图调整(HistogramMatching)假设清楚目标和模糊目标反射率直方图是一样的，在图像中找到清楚的目标，用清楚目标的反射率直方图来调整模糊目标的反射率直方图。常用的图像处理软件PCI、EARDAS等使用了此方法。优点：简单、实用缺点：①对于由具有不同反射特征的目标物组成的混合像元，以上假设是不成立的；②气溶胶空间分布变化大时，此方法校正结果不正确。黑暗目标法(DarkObjectMethod)若图像中存在浓密植被或水体，它们在可见光(浓密植被)和红外(水体)具有低反射，根据其在此特征波段的反射率和其他波段反射率之间的相关关系，进行大气校正。比如，在ETM+/TM7波段(2.1um)左右水体反射率应该为零，但由于大气效应往往是非零，确定此差距，可以用来移除其他波段像元中的大气干扰。优点：此方法方便，目前在中分辨率成像光谱仪MODIS、MERIS等数据处理中广泛使用。缺点：图像中没有大范围分布的浓密植被或水体存在时，比如北半球冬天的图像或沙漠的图像，该方法无法使用。固定目标法(InvariantObject)假设图像中某像元反射率已知或“固定”，利用这些像元反射率和各波段光谱反射率之间的线性关系，可对整个图像进行校正和均一化。如果得到卫星同步的地面观测反射率数据，此方法是绝对大气校正方法。对比减少法(ContrastReduction)地表反射率稳定的区域，若不同时期获取的卫星信号发生变化，说明该地区大气光学特征发生了变化。这样，变化差值可用于反演大气气溶胶厚度。但由于地表反射率是一般随时间和空间变化的，稳定地表反射率假设限制了其广泛实用性。查找表法LUT(Look