资源科学概论第五章

第二节资源探测的主要传感器

第一节遥感的物理基础第四节资源遥感的应用第五章资源遥感与制图第三节遥感图像处理与分析

6.1遥感的物理基础一、遥感的概念使用某种与被研究目标非接触性的设备获得数据，经过传输、处理，从中提取人们感兴趣的有关信息的科学和技术。遥感系统的组成传感器接收系统图像处理视觉分析、解译用户大气光源地表覆盖遥感系统（RemoteSensingSystem）目标物的电磁波特性_遥感信息源任何目标物都具有发射、反射、吸收电磁波的性质。

信息的获取信息的接收接收、处理、存档、分发各类地球资源遥感卫星数据并进行相关技术研究，为遥感应用提供数据服务。信息的处理—遥感卫星地面站信息的应用按照波段及辐射源来划分：

可见光和近红外遥感，所观测的电磁波的辐射源是太阳，该波长范围内的遥感数据对地表目标物的反射率有很大影响，即根据反射率的差异来获得有关目标物的信息，可以用摄影方式和扫描方式成像。二、遥感的分类热红外遥感，所观测的电磁波的辐射源是目标物，由于大气吸收的影响，主要观测目标物的反射辐射和热辐射。热红外遥感具有昼夜工作的能力。微波遥感，所观测的电磁波的辐射源有目标物（被动）和雷达（主动）两种。被动微波遥感观测目标物的微波辐射；而主动微波遥感观测的是目标对雷达发射的微波信号的散射强度即后向散射系数。微波遥感的特点是对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天候工作。被动式传感器主动式传感器大气吸收地表云云直接射线衍射散射反射可见光近红外热辐射反向散射微波雷达热红外按遥感平台的高度分类：

航天遥感，以人造地球卫星作为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。航空遥感，泛指从飞机、飞艇、气球等空中平台对地观测的遥感技术系统。卫星—航天遥感航空遥感地面遥感探测器——航宇遥感航天遥感轨道卫星载人飞船（<500km)航天飞机（<300km)探空火箭（100-650km)地球同步卫星太阳同步卫星长寿命(500-1000km)（36000km）短寿命(150-500km)航空遥感飞机气球飘浮气球（<50km）系留气球（<5km）高空飞机（>15km）中空飞机（9-15km）低空飞机（<9km）地面遥感高塔（<300m)车船（<30m)观测架（几米）高空机载遥感系统遥感飞机雷达天线多光谱扫描仪机载PHI扫描系统按研究对象分类：资源遥感，是以地球作为调查研究对象的遥感方法和实践，调查自然资源状况和监测再生资源的动态变化，是遥感技术应用的主要领域之一。环境遥感，指利用各种遥感技术，对自然与社会环境的动态变化进行监测或做出评价与预报的统称。6.2资源探测的主要传感器一、可见光-近红外传感器可见光-近红外遥感记录的是地球表面对太阳辐射能的反射辐射能，即其传感器记录的是目标物体的反射光谱特性。按照采集数据的方式，又可分为摄影系统和扫描系统两种类型。摄影系统采用的是光学摄影波段，即紫外-近红外波段的电磁波辐射能量。该系统把地物目标反射的太阳辐射能通过相机镜头投射到感光胶片上发生化学反应，先形成潜影，经显影、定影和放印等过程而获得图像。传统摄影依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像；数字摄影则通过放置在焦平面的光敏元件，经光/电转换，以数字信号来记录物体的影像；遥感摄影系统以航空摄影为主。扫描成像与相机成像的根本区别在于：整个图像不是依赖快门在曝光瞬间使胶片平面上发生光化学反应来记录成像，而是随着运载工具在向前移动的过程中，进行连续横向扫描来获取地物目标反射或自身发射出的电磁波谱信号，逐行记录成像。典型的扫描成像系统美国的陆地卫星Landsat/MSS、TM、ETM+和气象卫星NOAA/AVHRR法国的SPOT/HRV我国的CBERS-1和“风云”气象卫星等二、热红外传感器热红外遥感记录的是地球表面的发射辐射能。热红外遥感的成像是通过热红外探测器搜集地物辐射出来的热红外辐射通量，经过能量转换而变成人眼能看到的图像。热辐射计，是一种定量测定辐射温度的非成像装置，它用红外敏探测器和滤色镜来测定特定波长的辐射。热红外扫描仪，是热红外遥感中应用最多的成像仪器。地面辐射的热红外能量被反射镜聚焦在热红外探测器上，探测器将辐射能转换成正比于热红外辐射的电信号。用胶片记录的热红外扫描仪是将放大的信号调制一个小光源的亮度，然后用与扫描反射镜同步的反射镜，将被调制的光源的亮点扫描在记录胶片上记录胶片前进速率和飞行器的速率与高度之比成正比，这样地面上每一条扫描线在胶片上都有一条扫描线与其相对应，形成地物热辐射图像。常用的星载热辐射扫描图像有:TM6波段，AVHRR4、5波段，FY-2IR波段等。三、微波传感器微波遥感分为主动和被动遥感两类，二者有根本的差异。记录地球表面对人为微波辐射能的反射辐射能的遥感属于主动遥感，最具有代表性的主动遥感器为成像雷达。雷达成像系统主要包括发射器、雷达天线、接收器和记录器。由脉冲发生器产生高功率调频信号，经发射器以一定的时间间隔反复发射具有特定波长的微波脉冲这样“照射”到地面的连续微波条带就形成了一个类似于行扫描仪产生的连续视场条幅如果每个视场条幅照射到不同微波反射、散射特性的地物，那么被同一天线接收记录的雷达反射、散射回波的强弱就会发生变化。与此同时，视场条幅的两侧至天线距离不一，自左向右或自右向左逐渐增大，因此，其回波信号到达天线的时间就会有先后。这种强弱、先后都有差异的信号，与电子钟测定的时基信号相配合，经适当处理，记录下来，就可获得一张反映地面状况的雷达图像。已发射的主要航天合成孔径雷达系统有美国航天飞机成像雷达SIR，欧洲遥感卫星ERS-1携带的主动微波仪AMI，以及加拿大雷达卫星Radarsat等。记录地球表面发射的微波辐射能的遥感属于被动遥感。被动遥感是通过传感器，接收来自目标地物发射的微波从而达到探测目的的遥感方式。被动接收目标地物微波辐射的传感器为微波辐射计；被动探测目标地物微波散射特性的传感器为微波散射计，但是这两种传感器均不成像。传感器的多平台、多波段、多视场、多时相、多角度、多极化等造就了遥感数据的多维特征。这种多维特征可以通过不同的分辨率和特性来描述，主要包括空间分辨率、波谱分辨率和时间分辨率。遥感图像处理光学影像——光学原理和光学处理方法数字影像数字图像校正数字图像增强多源信息复合6.3遥感图像处理与分析一、遥感图像恢复与增强几何校正几何变形是指图像上的像元在图像坐标系中的坐标与其在地图坐标系等参考系统中的坐标之间的差异，消除这种差异的过程称为几何校正。遥感图像的几何变形可分为系统性和非系统性两大类。系统性几何变形是有规律和可以预测的，可以应用模拟遥感平台及遥感器内部变形的数学公式或模型来预测。非系统几何变形是不规律的，其原因一般很难预测。几何校正的母的就是要纠正这些系统及非系统因素引起的图像变形，从而使之实现于标准图像或地图几何整合。辐射校正辐射强度值受到大气对辐射的影响，太阳高度角和地形的误差，传感器本身引起的误差等因素的影响而发生改变，这一改变的部分就是需要校正的部分，即辐射校正。影响光谱信号的因素太阳高度（日期、时间）大气条件地形（阴影）地形（坡度）气候、植物的病变环境状况裸露土地在红波段高反射率（亮）在近红外低反射率（暗）绿色植被在红波段低反射率（暗）在近红外高反射率（亮）光谱信号在影像上的结果红色波段近红外波段LANDSATTM影像各个波段的特点波段号波长光谱位置特点10.45—0.52蓝针对水体；尤其是海岸水体，另外对于土壤、植被、森林的类别，以及人造地物（路、城市街道、建筑等）。20.52—0.60绿辨别水、绿色植被及对其生长能力的评估；人造地物（路、城市街道、建筑等）30.63—0.69红在叶绿素吸收范围，也用于区别植物的种类；人造地物（路、城市街道、建筑等）40.76—0.90近红外用于测定植被种类、活跃性、数量和内容；描述水体、鉴别土壤的湿度。（农作物）51.55-1.75中红外表示植被或者土壤的湿度。有利于区别雪和云610.4—12.5热红外（120m）植被分布分析，热辐射图绘制72.08—2.35中红外区别矿物或岩石类型；同时对植被湿气含量很敏感。人工建筑大气校正运用大气模拟模型校正；利用辐射传递方程校正；利用地面实况数据校正。传感器的校正镜头光学特性的非均匀性造成的边缘减光的校正传感器的输出的校正太阳高度角和地形校正太阳高度角引起的畸变校正是将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正为太阳光线垂直照射时获取的图像，通过调整一幅画像内的平均灰度来实现。进行地形校正就是把在倾斜面上获得的图像校正到平面上获取的图像。空域增强图像增强的目的是对大气对辐射的影响所造成的某些信息失真或降质图像进行补偿或增强，以提高图像的识别能力。图像增强处理的技术方法基本上包含两大类一是空间域的增强方法，二是频率域的增强方法。空间域的增强处理主要针对图像的灰度值进行增强处理。灰度增强，其主要目的是通过灰度拉伸处理，扩大图像灰度值动态变化范围，可加大图像像元之间的灰度对比度。遥感影像增强——反差增强例子原始增强后原始影像增强后影像边缘增强主要是通过空间滤波实现。图像滤波增强处理实质上就是运用滤波技术来增强图像的某些空间频率特征，以改善地物目标与邻域或背景之间的灰度反差。频域增强频域增强是在复频率域对图像进行处理，特别是对相乘性噪声（如云和雪）、运动模糊、散焦、纹理特征等信息的衰减作增强或恢复处理。二、遥感图像分类非监督分类，是依据每一类型地物具有的相似性，把反映各类型地物特征值的分布按相似分割和概率统计理论，归并成不同的空间集群，然后与地面实况进行比较来确定各集群的含义。此方法的出发点是：同一特性的多波段数据，将集群于多维空间的某一确定位置周围；而不同特性的多波段数据，将集群于这个多维空间中的不同位置的区域内。常见的非监督分类方法简单集群分类相似性距离分类

K-Means分类

ISODATA分类算法等遥感图像监督分类工作流程选训练样区样本统计分析各类特征参数遥感图像判别规则像元归类输出结果监督分类监督分类的关键样本参数和特征函数的确定必须具有代表性，要有足够样本的统计数据作基础。判别规则的确定。常用的统计判别规则贝叶斯判别规则，以先验概率、条件概率和损失函数这三个特征量为依据。最大似然判别规则，若要把某个特征归入某一类，其条件概率应大于该特征相对于其他所有类别的条件概率。此规则应用较广泛，效果较显著。最小距离判别规则，以各类的均值作为类别空间的集结中心，搜索每个像元，将它归属到中心距本像元的空间距离最小的一类中去。这个规则精度略低，但运算速度快。三、资源遥感制图遥感制图是指利用航天或航空遥感图像资料制作或更新地图的技术。其具体成果包括遥感影像地图和遥感专题地图。遥感影像，因现势性强，可作为新编地形图的重要信息源。遥感卫星：美国的陆地卫星(Landsat)、气象卫星(NOAA)、海洋卫星(Seasat)法国的SPOT卫星日本的MOS卫星、JERS卫星、ADEOS卫星欧空局的ERS卫星和印度IRS卫星

中国常使用的信息源：美国的Landsat－TM、NOAA－AVHRR法国的SPOT－HRV主要信息源空间分辨率，是指传感器所能分辨的最小的目标大小，或指影像中一个像元点所表示的地面面积。空间分辨率越高，则目标和面积值越小。空间分辨率及制图比例尺的选择遥感图像的空间分辨率愈高，图像可放大的倍数愈大，地图的成图比例尺也愈大。图像所需放大的倍数，应以能否提供更多的有用信息为标志。根据这一指标所确定的最大放大倍数，称为这种图像的放大极限。一个像元所对应地面范围的大小即为遥感图像的分辨率。

航空影像(0.5m)

IKONOS(1.0m)

SPOT-4

(10m)QuickBird(0.61m)

SPOT-5(2.5m)Landsat-7ETM+(15m)小街区：24,000m2在1/3000比例尺下，六种影象上提取的小块街区不同空间分辨率的影像比较不同规模的环境特征对地面分辨率的要求巨型环境特征地壳10km大陆架2km洋流2km自然地带2km大型环境特征区域地理400m矿产资源100m地势资源1km环境质量100m土壤水分140m中型环境特征植物群落50m作物估产50m洪水灾害50m污染监测50m森林病害50m交通规划50m作物长势25m天气状况20m城市用水20m土种识别20m小型环境特征航行设计50m水污染控制20m水库建设15m港口工程10m鱼群分布10m交通密度5m时间分辨率：是遥感影像间隔时间的一项性能指标。遥感探测器按一定的时间周期重复采集数据，重重重复周期，又称回归周期。它是由飞行器的轨道高度、轨道倾角、运行周期、轨道间隔、偏移系数等参数决定。时间分辨率对动态监测很重要。时间分辨率现有卫星日或小时NOAA月或旬Landsat-TM;SPOT光谱分辨率，是指传感器所选用的波段数量的多少、各波段的波长位置及波长间隔的大小。光谱分辨率越高，专题研究的针对性越强，对物体的识别精度越高，遥感应用分析的效果也就越好。波段号波段（mm）选择原理和主要应用TM10.45-0.52蓝对叶绿素和叶色素浓度敏感，用于区分土壤与植被、落叶林与针叶林、近海水域制图TM20.52-0.60绿对无病害植物叶绿素反射敏感TM30.63-0.69红对叶绿素吸收敏感，用于区分植物种类TM40.76-0.90近红对无病害植物红外反射敏感，用于生物量测定及水域判别TM51.55-1.75中红对植物含水量和云的不同反射敏感，可判断含水量和雪、云TM72.08-2.35中红对植物含水量和矿物氢氧根敏感，可用于地质制图，探测岩石的水热蚀变TM610.4-12.5远红作温度图，植物热强度测量TM的波段特性目视判读计算机自动识别与分类遥感图像的专题信息提取目视判读常用方法：直接判定法对比分析法逻辑推理法工作程序：判读前的准备工作建立判读标志室内判读及野外验证计算机自动识别与分类计算机自动识别，又称模式识别，是将经过精处理的遥感实验数据，根据计算机研究获得的图像特征进行的处理。具体的方法有：统计概率法：是根据物体的光谱特征进行自动识别。语言结构法：是根据物体的图形进行识别。模糊数学法：是根据物体最明显的本质特征（光谱的或图像的本质特征）进行识别。

卫星影像图和卫星影像地图

利用卫星影像编图，根据它的技术条件和线划的地理要素可分为：卫星影像镶嵌图：不另外进行影像的几何纠正，将多幅影像依像幅边框的经纬度位置，镶辑拼贴成的影像图。卫星影像图：经过影像的几何纠正和增强，图上绘制出较全面的地理要素，称卫星影像图。卫星影像地图：在卫星影像上能够根据数字地面模型，进行共线方程纠正，有详细的地理要素的影像图。从太空看中国陆地信息来源Landsat1\2\3;MSS高度900km标准假彩色合成584幅拼接陈述彭主编，中国卫星影像图，科学出版社，1991图1-8中国卫星影像图图1-9在西北干旱地区，冰川进退，沙漠扩张，湖泊和水系、绿洲的演变典型卫星影像图1-10在东部沿海地区，湖泊和水系及三角洲的演变典型卫星影像典型卫星影像图1-11淮河两岸的广大地域图1-12在青藏高原地区，巨大山系、冰川冻土的变化典型卫星影像从影像生成专题地图1.目视解译的专题制图2.数字图像处理的专题制图目视解译的专题制图（1）影像预处理：包括图像校正、图像增强，有时还需要实验室提供监督或非监督分类图像。（2）目视解译：经过建立影像判读标志，野外判读，室内解译，得到绘有图斑的专题解译原图。（3）地图概括：按比例尺及分类的要求，进行专题解译原图（图斑）的概括。（4）地图整饰：在转绘完专题图斑的地理底图上进行专题地图整饰工作。数字图像处理的专题制图(1)影像预处理：同目视解译类似。(2)按专题要求进行影像分类。(3)专题类别的地图概括：包括在预处理中消除影像的孤立点（噪声点），依成图比例尺对图斑尺寸的限制进行栅格影像的概括。(4)图斑的栅格/矢量变换。(5)与地理底图叠加，生成专题地图。遥感系列制图

提取遥感图像的专题信息构成类型图后，必须将类型界线转绘到具严格数学基础的地理底图上。遥感系列地图是根据共同的制图目的，利用同一的制图信息源，按照统一的设计原则，成套编制的遥感专题地图。系列地图是在内容上和时间上相关联的一组地图。地理底图编制要点地图投影的选择中小比例尺遥感专题制图的投影和影像投影一致。大中比例尺遥感专题制图的投影统一为高斯－克吕格投影。编图资料选择与地理基础更新大中比例尺遥感制图的地理底图，均以相应比例地形图作为底图编制的基本资料。地理底图的编制程序选择制图范围内相应比