遥感原理与应用 河南城建

9/9电磁波与地表的相互作用中存在三种反射漫反射镜面反射实际地物反射遥感遥远的感知,是一种远离目标地物，在与目标地物不直接接触的情况下,通过某种平台装载的传感器获取目标特征信息,并对获取的特征信息进行提取，判定，加工处理及应用分析的综合性技术。遥感对地观测特点空间特点全局与局部观测并举,宏观与微观信息兼取时相特点快速连续的观测能力光谱特点技术手段多样，可获取海量信息经济特点应用领域广泛，经济效益高局限性信息的提取方法不能满足遥感快速发展的要求。数据的挖掘技术不完善，使得大量的遥感数据无法有效利用遥感系统的组成目标地物的电磁波信息获取是遥感技术系统的中心工作记录与传输工作主要涉及地面控制系统信息处理通过各种技术手段对遥感探测所获得的信息进行各种处理信息应用是遥感的最终目的,包括专业应用和综合应用遥感分类按遥感平台分地面遥感、航空遥感和航天遥感按工作方式分主动式和被动式遥感按工作波段分紫外、可见光、红外、微波遥感、多光谱和高光谱遥感按记录方式分成像和非成像遥感按应用领域分外层空间、大气层、陆地、海洋遥感等，具体应用领域可分为城市遥感、环境、农业和林业遥感、地质、气象、军事遥感等传感器分类按工作方式分为主动方式传感器(侧视雷达（真实孔径雷达(RAＲ）和合成孔径雷达(ＳAR）)）、激光雷达、微波辐射计)、被动方式传感器(航空摄影机、多光谱扫描仪（MＳＳ）、红外扫描仪等）按波段分为可见光传感器、红外传感器、微波传感器按记录方式分为成像方式传感器、非成像方式传感器按成像方式分为摄影型（画幅式、缝隙式、全景式、多光谱式）、扫描型（光机扫描仪、推帚式扫描仪）、微波(侧视雷达、激光雷达)传感器质量空间分辨率，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。越大越模糊波谱分辨率：传感器能分辨的最小波长间隔.间隔越小,波谱分辨率越高.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，称为遥感图像的时间分辨率。越小越高辐射分辨率：热红外传感器分辨地表热辐射(温度)最小差异的能力.越小越高视场角: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。传感器组成收集器、探测器、处理器、记录与输出设备主动式和被动式遥感主动式遥感是指传感器自身带有能发射电磁波的辐射源,工作时向探测区发射电磁波,然后接收目标物反射或散射的电磁波信息。被动式遥感是传感器本身不发射电磁波，而是直接接受地物反射的太阳光线或地物自身的热辐射。微波的特点１、全天候、全天时工2、对某些地物具有特殊的波谱特性3、对地物具有一定的穿透能力4、对海洋遥感具有特殊的意义５、分辨率较低,但特性明显遥感过程是指遥感信息的获取、传输、处理,以及分析判读和应用的全过程第二章电磁波电磁振动在空间的传播电磁波谱将电磁波按照波长或频率递增或递减顺序排列，称为电磁波谱辐射通量电磁辐射单位时间内通过某一表面的能量，又称辐射功率。Φ表示辐射通量密度通过单位面积的辐射通量称为辐射通量密度。Ｗ表示辐照度投射到单位面积上的辐射通量称为辐射照度,简称辐照度.E表示辐照出射度单位面积发射出的辐射通量，称为辐射出射度。M表示太阳常数在距离地球一个天文单位内，太阳辐射在大气上界处的垂直入射的辐射通量密度称为太阳常数比辐射率指单位面积上地物发射的某一波长的辐射通量密度与同温度下黑体在同一波长上的辐射通量密度之比,又称发射率瑞利散射引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁波波长,称为瑞利散射,也称为分子散射。米氏散射引起散射的大气粒子的直径约等于入射波长,称为米氏散射，也称为大颗粒散射。绝对黑体如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收而毫无反射和透射,则称其为绝对黑体。简称黑体大气效应当太阳辐射经过大气层时与大气层中的离子、分子、颗粒、水汽等发生吸收、散射、反射和透射等物理过程，这个过程称为大气效应光谱反射率地物在某波段的反射通量与该波段的入射通量之比光谱反射曲线将地物的反射波谱特性与波长的关系在直角坐标系中描绘出的曲线地物光谱特性不同地物的表面性质和内部结构不同，对入射的电磁辐射能有不同程度的反射、吸收和透射,不同的地物也发射不同波长的电磁波,这就是地物的波谱特性AtmｏspｈeriｃWiｎｄoｗ（大气窗口）电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口.（≥６0％)电磁波的性质——波粒二象性波动性:干涉、衍射、偏振;粒子性:把电磁辐射能分解为非常小的微粒子,即离散化、量子化为光子。电磁波谱波段γ射线→X射线→紫外线→可见光→红外波段→微波→无线电波依据光谱发射率可将实际物体分为两类一类是选择性辐射体,发射率随波长变化;另一类是灰体(自然界大多数物体为灰体）,物体的发射率在各波段处基本不变斯蒂芬－玻尔兹曼定律W=σＴ四次方，计算物体的总辐射出射度Ｗ′＝εσT四次方ε为比辐射率（发射率）大气散射电磁波在传播过程中遇到微粒而使传播方向发生改变,并向各个方向散开,称为散射。包括：瑞利散射、米氏散射、无选择性散射辐射源分类辐射源分为天然辐射源:地球、太阳等；人工辐射源如雷达、闪关灯等遥感常用大气窗口（７个）1、０。30－—1．15μｍ大气窗口，包括全部可见光、部分紫外线和近红外波段。０。3-－０。４μm近紫外窗口透射率为7０％，0。4－-0．7μm可见光窗口透射率约为９5％，0．7-—1.10μm近红外窗口透射率约为８０%.【短波区】２、１。３--2。５μｍ大气窗口,属于近红外波段。1.40－—1。90μm和2．00—-２．50μm两个窗口透射率为60％——95％。3、3．０－－5.0μｍ大气窗口，属于中红外波段，透射率为60％--7０%。4、8—-14μm热红外窗口，透射率为80％左右。5、1．0mm－－1ｍ微波窗口,其中１．０—-1．8ｍm窗口透射率为３５%－—40%，２——5ｍm窗口透射率为50％—-70%，8--１00０mm窗口透射率为1０0%。绿色植物的光谱反射曲线的特点①在可见光波段在0.5５μm（绿光）处有反射率为10%—－20%的一个波峰,两侧在0。45μm（蓝光）和０．6７μm（红光)处则有两个吸收带,这是由于叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，对绿光反射作用强造成的。②在0。8－-1。0μm间有一个反射的陡坡，至１.1μm附近有一峰值，形成了植被独有的特征，这是由于受叶片细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率.③在1．３—-２.５μm波段由于植物含水量的影响,吸收率大增,反射率大大下降,特别是在1.45μｍ、1.95μm和2。７μm处是水的吸收带，反射特性曲线出现谷底。地球辐射特点短波辐射辐射以地球表面对太阳的反射为主,而长波辐射只考虑地表自身的热辐射,介于两者之间的中红外波段太阳辐射和地表热辐射的影响均有,不能忽略。地物反射光谱曲线测定的目的和原理目的：它是选择遥感探测波段、验证和设计传感器的重要依据。为遥感数据天气校正提供参考标准。建立地物的标准反射波谱数据,为计算机图像自动分类和分析提供光谱数据，为遥感图像解译提供依据。原理:用光谱测定仪器分别探测地物和标准版、测量、记录和计算地物对每个波普段的反射率,其反射率的变化规律即为该地物的波普特性.固体扫描仪立体成像的工作原理在卫星上安置两台以上的线阵传感器，一台垂直指向天底方向，其余的则指向前进方向的前方或后方，并使传感器之间的光轴保持一定的夹角,随着平台的移动，三台传感器就可以获取同一地区的立体影像.SAR合成孔径雷达的设计思路及工作原理利用雷达与目标的相对运动，将一个小孔径的天线安装在平台侧方，以代替大孔径的天线，它在空中沿直线匀速运动过程中，每个特定位置的天线元接收特定位相的目标反射回波.将它们储存起来进行合成相干处理就得到相当于由多个天线元构成的长天线操作的结果。这种合成天线的原理,可以制成高分辨率的成像雷达。雷达图像的地面分辨率特点真实孔径侧视雷达地面分辨率:(1)距离向地面分辨率随探测角度的增大而提高，越靠近星下点分辨率越低,在星下点出不能分辨任何地物.（2）方位向分辨率是指在飞行方向上能够分辨的地物最小尺寸合成孔径雷达的方位向分辨率有如下特点：①方位向分辨率与探测角度无关②方位向分辨率与探测波长无关③方位向分辨率与平台高度无关④理论上天线孔径越小,方向分辨率越高合成孔径距离向分辨率与真实孔径雷达相同。SAＲ／INSAＲ/DINＳAＲ的概念及工作原理ＳAR:合成孔径雷达技术是干涉雷达和差分干涉雷达技术的基础,而干涉雷达和差分干涉雷达技术则是合成孔径雷达技术的应用延伸和扩展。工作原理见上题。INSAR:干涉雷达测量技术(INSAR)是以同一地区的两张ＳAR图像为基本处理数据,通过求取两幅ＳAＲ图像的相位差，获取干涉图像，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测新技术。原理见课本５7页DIＮSAＲ：差分干涉雷达测量技术（D-ＩＮSAR）是指利用同一地区的两幅干涉图像，其中一幅是通过形变事件前的两幅ＳAR获取的干涉图像,另一幅是通过形变事件前后两幅SＡR图像获取的干涉图像,然后通过两幅干涉图差分处理（除去地球曲面、地形起伏影响)来获取地表微量形变的测量技术。（侧视）雷达遥感的几何特征ﻫ①测试雷达图像的比例尺②高于地面目标的影像移位③阴影卫星影像优缺点优点：①像幅面积大、宏观性强②多波段性③多时相性④近似垂直投影,误差小、比例尺一致⑤时间统一，便于影像分析⑥信息资料数字化，便于处理⑦不受地区、国界限制⑧成本低//////／／缺点:①分辨率低②立体观察效果不好遥感平台用于搭载传感器的工具统称为遥感平台，也称为载体。按平台距地面的高度可分为地面平台、航空平台和航天平台.数字影像（图像）数字影像是一个离散的数字矩阵或阵列，矩阵中的每一个元素代表一个像元(或像素），其行和列号代表像元的位置，其值的大小则代表对应地物辐射电磁波的强弱.数字影像的特点①数字影像不是一个连续函数,是对地物电磁波辐射特性和地物空间分布的离散化采样.②由于采用光电探测器件,数字影像光谱表达范围很宽,可反映地物从紫外、可见光到远红外所有波段的反射和发射特性.③数字影像不但能用于目视分析和手工量测，而且也特别适合计算机分析和处理。数字影像存储格式解释ＢＳQ和BIL数据排列方式常用的串符型数据排列格式有三种,BＩP格式、BＩL格式、BSQ格式.)其他格式：HＤF格式、TIFF格式(GｅoTIFF）BMP格式、ＪPEＧ格式；BIＰ逐像元按波段次序记录；BＩL逐行按波段次序记录；BSQ逐波段次序记录。色的三要素三要素：色调、明度、饱和度

图像校正原因辐射校正由于遥感检测系统、大气散射和吸收等原因引起的图像模糊失真、分辩率和对比度下降等辐射失真；几何校正是由于搭载传感器的遥感平台飞行资态变化、地球自传、地球曲率等原因引起的图像几何畸变。辐射校正相应的辐射处理包括传感器的定标和辐射误差的校正、大气校正（指消除主要由大气散射引起的辐射误差的处理过程，校正方法:公式法、回归分析法、直方图校正法）绝对定标：对目标作定量的描述，要得到目标的辐射绝对值；相对定标：只得出目标中某一点辐射亮度与其他点的相对值。几何畸变遥感图像在获取过程中由于多种原因导致景物中目标物相对位置的坐标关系图像中发生变化，即像点位移。分为外部误差、内部误差或者动态误差、静态误差原因传感器成像几何形态影响、传感器外方位元素变化畸变、地形起伏、地球曲率影响、大气折射、地球自转的影响几何粗校正:这种校正是针对引起几何畸变的原因进行的几何精校正：利用地面控制点进行的几何校正称为几何精校正遥感图像校正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地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)。数字校正多项式纠正卫星遥感图像的原理和步骤原理：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。步骤:利用已知控制点求解多项式系数遥感图象的纠正变换灰度重采样纠正结果评价特点：１、模型简单2、不需要已知方位元素3、效率高缺点:没有考虑地形起伏引起的投影差，适用于平坦地区，否则效果不理想。数字图像灰度值的重采样的方法最近邻法、双线性内插法和双三次卷积重采样原理和优缺点。1)最近邻法用距离采样点最近像元亮度值代替输出像元亮度值。优点：简单，辐射保真度较好缺点:造成像点在一个像素范围内的位移，几何精度较其他两种方法差。2)双线性内插法取周围4个相邻像元亮度值，内插计算输出像元亮度值。优点：计算简单,具有一定的亮度采样精度缺点:图像模糊3）双三次卷积法获取与采样点邻近的1６个像元亮度值计算输出像元这度值.优点:精度高缺点:计算量大图像配准实质就是遥感图像的几何纠正，是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统一的坐标系中的过程。图像镶嵌当感兴趣的研究区域在不同的图像文件时，需要将不同的图像文件合在一起形成一幅完整的包含感兴趣区域的图像,这就是图像镶嵌。图像之间配准和数字镶嵌的过程。图像之间配准：①在多源图像上确定分布均匀,足够数量的图像同名点；②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。数字镶嵌：图像的几何纠正→搜索镶嵌边→亮度和反差调整→平滑边界线。数字镶嵌注意事项１、镶嵌要有足够宽的重叠区，最好不少于图像的1／5。２、相邻的图像色调或灰度值应一致（通过“直方图匹配”等方法）3、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。图像增强遥感图像增强是为了突出相关的专题信息，提高图像的视觉效果，使分析者更容易地识别图像内容，更可靠地提取更有用的定量化信息。直方图增强直方图均衡化、直方图正态化、直方图匹配密度分割将原始图像灰度值分割成等间隔的离散灰度级，对每一层赋予新的灰度值的过程。图像直方图反应一副图像中灰度级与其出现的概率之间的关系。图像平滑消除各种干扰噪声，使图像高频成分消退，平滑掉图像的细节，使其反差降低,保存低频成分。图像锐化增强图像的高频成分,突出图像的边缘信息,提高图像细节反差。低通滤波是用滤波方法将频率域中一定范围的高频成分滤掉，而保留低频成分达到平滑图像的目的。高通滤波保留高频成分滤掉低频成分,将图像中的边缘和灰度变化突出部分,以达到图像锐化的目的。图像融合是将多源遥感数据在统一地理坐标系中,采用一定的算法生成一组新的信息或合成图像的过程.对比度拉伸通过伸展各像元的亮度的取值范围来提高一幅图像的反差，从而改善图象质量。HIＳ变换将图像常用的RGB彩色空间转换到HＩＳ空间。（通过调整色调(Hｕe),亮度（Intｅnsity),饱和度（Saｔurａtｉon)的色彩模式,使影像在ＨＩS空间坐标系中进行有目的的处理,然后再变换到RＧＢ空间进行显示，使影像彩色增强获得最佳的效果。)传感器接收的电磁波能量1)太阳经大气衰减后照射到地面，经地面反射后,又经大气第二次衰减进入传感器；2）地面本身辐射的能量经大气后进入传感器的能量；3）大气散射、反射和辐射的能量。遥感图像增强的目的和意义.突出用户感兴趣的相关信息,提高图像的视觉效果，消除原始图像中的各种噪声，使分析者更容易地识别图像内容，更可靠地提取更有用的定量化信息。图象增强有哪几个方面？分别有几种方法？１直方图增强：直方图正态化、直方图均衡化、直方图匹配2对比度增强：线性变换、分段线性变换、非线性变换3彩色增强：假彩色合成、伪彩色合成、彩色变换４空间滤波增强：图像卷积运算、平滑、锐化平滑、锐化的原理平滑原理:利用低频滤波器滤去高频分量，使低频通过,既减弱图像中高频分量的影响,以此消弱图象中不该有的亮点，或使亮度变化过大的区域趋于平滑。锐化原理:利用高频虑波器滤去低频分量，让高频分量待以保持和加强，以此突出图像的边缘、线状目标和某些亮点变化极大的地方。多源信息复合(融合）的目的是什么？不同的遥感数据具有不同的空间分辨率、波谱分辨率和时相分辨率，如果能将它们各自的优势综合起来，可以弥补单一图像上信息的不足,这样不仅提高了解译效果，更在定量分析中大大提高了精度，扩大了各自信息的应用范围，具有很大的实际意义图像直方图灰度直方图是灰度级的函数，它表示图像中每个灰度级像元的个数,反映图像中每种灰度出现的频率。用途：修正数字化参数、选择边界阈(ｙù）值、综合光密度.统计分析功能：图像灰度均值、图像灰度中值、图像灰度众数、图像灰度方差、图像灰度数值域、图像灰度反差、协方差、相关系数信息提取依据遥感图像上的地物特征，识别地物类型、性质、空间位置、形状、大小等属性的过程叫信息提取。信息提取的方法有目视判读法(指专业人员通过直接观察或借助辅助判读仪器在遥感影像上获取目标地物信息的过程）

特点：解译者的学识和经验在判读中起主要作用,精度高，但难以对海量空间信息的定量化分析计算机分类法（遥感数字图像处理，它是以计算机为支撑,利用模式识别和人工智能技术队图像进行识别、解译和理解的过程)：有监督分类、非监督分类、模式识别、神经网络分类、分形分类、模糊分类、人工智能等数据挖掘技术方法。特点：速度快,处理方式灵活多样，整个处理过程通常是以人机交互方式进行，对计算机技术和算法要求较高,识别的精度通常不及目视解译判读（解译）根据地物的成像规律和波谱特征,在遥感影像上识别出它的性质和数量指标的过程直接解译标志色调、阴影、形状、大小、位置、布局、图案、纹理或质地ＳPOＴ应用范围波段序号波段名称主要应用XS-１0。49-０。61ｕm(绿）是叶绿素反射的次高峰,区分植被类型和评估作物长势,对水体有一定的穿透深度，干净水域能穿透１0至20米,区分人造地物类型XS-２０.61-０。68um（红）是叶绿素反射的低谷区，据此可以识别农作物类别，对城市道路、大型建筑工地反映明显，可用于地质解译，辨识石油带、岩石与矿物等XS－3０。78—0。89ｕm（近红外)是叶绿素反射的高峰,检测作物长势,区分植被类型,绘制水体边界,探测土壤含水量ＸS－41．５８-1.75ｕm（短波红外）探测植物含水量及土壤湿度,区别云与雪PAN0。４9-０．69um（全色)2.５m分辨率,城市土地利用现状调查、城市道路动态更新，识别大型建筑物监督分类：如果已知样本区类别的信息，对非样本数据进行分类的方法称为监督分类.非监督分类：是指人们事先对分类过程不施加任何任何的先验知识,而仅凭地物光谱特征的分布规律,即自然聚类特性进行“盲目”分类，也称为聚类分类监督分类，非监督分类的区别与优缺点？