无人机航测技术与应用课件：遥感基础知识

遥感基础知识

2.2遥感基础知识2.2.1遥感概述2.2.2遥感图像处理2.2.3遥感图像融合2.2.4遥感图像解译2.2.1遥感概述—（1）遥感和电磁波遥感的定义遥感（RemoteSensing，RS）是不接触被探测的目标，利用传感器获取目标数据，通过对数据进行分析，获取被探测目标、区域和现象的有用信息。遥感获取的目标数据一般是指传感器探测得到的物体辐射、反射的电磁波。2.2.1遥感概述—（1）遥感和电磁波电磁波的特性电磁波示意图1）电磁波的传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，故为横波；2）在真空中传播的电磁波，其速度等于光速c（3×108m/s）；3）电磁波在波动中传递能量，其能量E与频率f成正比，即电磁波频率越高，波长越短，能量越大；4）电磁波具有波粒二象性的特征。2.2.1遥感概述—（1）遥感和电磁波电磁波的特性γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波都是电磁波。将这些电磁波按照波长或频率、波数、能量的大小顺序进行排列，这形成了电磁波谱。波段名称波长范围γ射线小于0.01nmX射线0.01nm—10nm紫外线10nm—0.38μm可见光紫0.38μm—0.43μm蓝0.43μm—0.47μm青

0.47μm—0.50μm绿0.50μm—0.56μm黄0.56μm—0.59μm橙0.59μm—0.62μm红062μm—0.76μm红外线近红外0.76μm—3.0μm中红外3.0μm—6.0μm远红外6.0μm—15.0μm超远红外15μm—1000μm微波1mm—1m无线电波大于1m电磁波谱构成2.2.1遥感概述—太阳辐射及大气对太阳辐射的影响太阳辐射太阳常数是描述太阳辐射能流密度的一个物理量，它指在平均日地距离处，太阳在单位时间内投射到地球大气顶外垂直于射线方向的单位面积上的全部辐射能。太阳常数的数值为1.36×103瓦/米2(W/m2)。太阳辐照度分布曲线2.2.1遥感概述—太阳辐射及大气对太阳辐射的影响太阳辐射太阳辐射的大部分能量集中于近紫外—中红外区内，并且以可见光和近红外为主。对于遥感而言，被动遥感主要利用可见光、红外等相对比较稳定的辐射，它是被动遥感最主要的辐射源。太阳辐射能量百分比波段百分比(%)X射线、γ射线0.02远紫外线中紫外线1.95近紫外线5.32可见光43.50近红外36.80中红外12.00远红外0.41微波2.2.1遥感概述—太阳辐射及大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响

大气组成成分对太阳辐射的吸收作用和大气的散射作用，会大大削弱太阳辐射。吸收太阳辐射的主要大气成分有N2、O2、O3、CO2、H2O等。大气对太阳辐射的主要吸收作用吸收分子主要吸收带N2、O2小于0.24μm几乎全部吸收、0.6μm和0.76μm可见光窄吸收带O30.2~0.32μm紫外线强吸收带、9.6μm红外吸收带CO22.8μm、4.3μm、14.5μm红外吸收带H2O2.5~3.0、5~7μm、大于24μm几乎全部吸收、0.94mm、1.63mm、1.35cm微波吸收带2.2.1遥感概述—太阳辐射及大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响

太阳辐射在传播过程中遇到小微粒使传播方向改变，并向各个方向散开的现象即为散射。根据遥感数据获取过程可知，二次通过大气，其中散射朝向传感器方向的部分，将增加反射的辐射能量；两外散射朝向地物方向部分，散射光将混入反射光进而进入传感器。整个过程增加了传感器接收信号中的噪声成分，导致遥感图像质量下降。2.2.1遥感概述—太阳辐射及大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响

太阳辐射在传播过程中遇到小微粒使传播方向改变，并向各个方向散开的现象即为散射。根据遥感数据获取过程可知，二次通过大气，其中散射朝向传感器方向的部分，将增加反射的辐射能量；两外散射朝向地物方向部分，散射光将混入反射光进而进入传感器。整个过程增加了传感器接收信号中的噪声成分，导致遥感图像质量下降。瑞利散射米氏散射无选择性散射2.2.1遥感概述—太阳辐射及大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响

大气的反射作用主要发生在云层顶部，各波段均受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的强度。因此，应尽量选择无云的天气接收遥感信号。2.2.1遥感概述—太阳辐射及大气对太阳辐射的影响大气窗口通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射，透过率较高的波段称为大气窗口。①0.3～1.155μm，包括部分紫外光、全部可见光和部分近红外，透过率约为70%~95%。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星遥感器扫描成像的常用波段。②1.4~1.9μm和2.0~2.5μm，近红外窗口，透过率为60%~95%，其中1.55~1.75μm透过率较高。适用于探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。2.2.1遥感概述—太阳辐射及大气对太阳辐射的影响大气窗口③3.5~5.0μm，中红外窗口，透过率为60%~70%。该波段物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射太阳辐射外，地面物体自身也有长波辐射。可用于探测海面温度，获得昼夜云图。④8.0~14.0μm，热红外窗口，透过率约80%。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标地物温度。⑤0.8~2.5cm，微波波段。由于微波穿透能力强，可以全天后观测，是一种主动遥感方式，如侧视雷达。2.2.1遥感概述—典型地物的反射波谱特征①镜面反射：发生在光滑物体表面，物体反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，入射角等于反射角。②漫反射：发生在非常粗糙的表面，不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向上都是一致的。③方向反射：介于镜面反射和漫反射之间，各个方向都有反射能量，但大小不同。自然界绝大多数地物都属于这种类型的反射。2.2.1遥感概述—典型地物的反射波谱特征植被的反射波谱特征健康绿色植被反射波谱特征曲线2.2.1遥感概述—典型地物的反射波谱特征植被的反射波谱特性由于叶绿素吸收作用影响，在可见光波段0.55μm(绿光)附近有反射率为10%~20%的一个波峰，0.45μm(蓝光)和0.67μm(红光)则有2个吸收带；由于植被叶的细胞结构的影响，在近红外波段0.8~1.01μm间有一个反射的陡坡，至1.1μm附近有一峰值，形成植被的独有特征；中红外波段(1.3~2.5μm)受到绿色植被含水量的影响，吸收率大增，反射率下降，形成了以1.45μm、1.95μm和2.7μm为中心的吸收低谷。2.2.1遥感概述—典型地物的反射波谱特征土壤的反射波谱特征土壤反射波谱特征曲线2.2.1遥感概述—典型地物的反射波谱特征土壤的反射波谱特性自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值(图2-15)，反射波谱特性曲线较平滑。一般来讲土壤的光谱特性曲线与土壤特性有关，如土壤质地越细反射率越高，有机质含量越高反射率越低；土壤含水量越高，土壤的反射率越低，在水的各个吸收带，反射率的下降尤为明显。2.2.1遥感概述—典型地物的反射波谱特征水体的反射波谱特征水体反射波谱特征曲线2.2.1遥感概述—典型地物的反射波谱特征水体的反射波谱特性水反射也主要在蓝、绿波段，其他波段吸收率很强，特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为零。当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化，如水含泥沙时，由于泥沙的散射作用，可见光波段发射率会增加，峰值出现在黄、红波段；如水中含有叶绿素时，近红外波段明显抬高，这些都是非常重要的分析依据2.2.1遥感概述—典型地物的反射波谱特征岩石的反射波谱特征岩石反射波谱特征曲线2.2.1遥感概述—典型地物的反射波谱特征水体的反射波谱特性石的反射波谱曲线无统一的特征，反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构、风化程度、含水状况、矿物颗粒大小、表面光滑程、岩石色泽等决定。2.2.2遥感图像预处理—遥感图像属性与特征1）空间分辨率：图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小。尺寸越小，图像表达地物细节信息的能力越强，分辨率越高。空间分辨率是评价传感器性能和遥感信息的重要指标之一，也是识别地物形状大小的重要依据。2）光谱分辨率：遥感器接受目标辐射时能分辨的最小波长间隔。间隔越小，分辨率越高。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，利于提高识别和提取信息特征的概率和精度。2.2.2遥感图像预处理—遥感图像属性与特征3）辐射分辨率：探测器的灵敏度——遥感器感测元件在接收光谱信号时能分辨的最小辐射度差，或指对两个不同辐射源的辐射量的分辨能力。一般用灰度的分级数来表示，即最暗——最亮灰度值(亮度值)间分级的数目——量化级数。它对于目标识别是一个很有意义的特征。4）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。遥感探测器按一定的时间周期重复采集数据，这种重复周期，又称回归周期。它是关于遥感影像间隔时间的一项性能指标，能提供地物动态变化的信息可用来对地物的变化进行监测，也可以为某些专题要素的精确分类提供附加信息。2.2.2遥感图像预处理—遥感图像辐射校正消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程就称为辐射较正。1）实验室定标：在遥感器发射之前对其进行的波长位置、辐射精度、空间定位等的定标，将仪器的输出值转换为辐射值。有的仪器内有内定定标系统。但是在仪器运行之后，还需要定期定标，以监测仪器性能的变化，相应调整定标参数。2）辐射定标：绝对定标—通过各种标准辐射源，在不同波谱段建立成像光谱仪入瞳处的光谱辐射亮度值与成像光谱仪输出的数字量化值之间的定量关系；相对定标—确定场景中各像元之间、各探测器之间、各波谱之间以及不同时间测得的辐射量的相对值。2.2.2遥感图像预处理—遥感图像辐射校正3）机上和星上定标：机上定标用来经常性的检查飞行中的遥感器定标情况，一般采用内定标的方法，即辐射定标源、定标光学系统都在飞行器上，在大气层外，太阳的辐照度可以认为是一个常数，因此也可以选择太阳作为基准光源，通过太阳定标系统对星载成像光谱仪器进行绝对定标。4）场地定标：场地定标指的是遥感器处于正常运行条件下，选择辐射定标场地，通过地面同步测量对遥感器的定标，场地定标可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，并考虑到了大气传输和环境的影响。2.2.2遥感图像预处理—遥感图像辐射校正采用基于大气传输模型的绝对大气校正方法和基于波段特征的相对大气校正方法校正。绝对大气校正方法采用的参数模型是对现实的抽象，一个逼真的模型可能非常复杂，包含大量的变量，例如6s模型，Mortran模型等。相对大气校正方法是指通过波段运算实现大气校正的目的，例如最小值去除法。图像中如山地的阴影，深海水体等地物的反射率极低，接近零。但图像实测结果显示，这些位置的像元亮度不为零，这时这个值就应该是大气散射导致的辐射度值。2.2.2遥感图像预处理—遥感图像几何校正几何精校正是利用控制点进行的几何校正，它是用一种数学模型来近似描述遥感图像的几何畸变过程，并利用畸变的遥感图像与标准地图之间的一些对应点(即控制点(GCP))求得这个几何畸变模型，然后利用此模型进行几何畸变校正。几何精校正的步骤大致如下：1）选择控制点：在遥感图像和地形图上分别选择同名控制点，以建立图像与地图之间的投影关系，这些控制点应该选在能明显定位的地方，如河流交叉点等；2）建立整体映射函数：根据图像的几何畸变性质及地面控制点的多少来确定校正数学模型，建立起图像与地图之间的空间变换关系，如多项式方法、仿射变换方法等；2.2.2遥感图像预处理—遥感图像几何校正几何精校正是利用控制点进行的几何校正，它是用一种数学模型来近似描述遥感图像的几何畸变过程，并利用畸变的遥感图像与标准地图之间的一些对应点(即控制点(GCP))求得这个几何畸变模型，然后利用此模型进行几何畸变校正。几何精校正的步骤大致如下：1）选择控制点；2）建立整体映射函数；3）重采样内插。2.2.2遥感图像预处理—遥感图像增强将原来不清楚的图像变清晰或将原来不够突出的特定图像信息和特征显现出来的图像处理方法称为图像增强。图像增强则把重点放在使分析者能从视觉上便于识别图像内容上。空间域增强辐射增强光谱增强傅里叶变换2.2.2遥感图像预处理—遥感图像镶嵌和裁剪遥感影像镶嵌是将两幅或多幅遥感图像(这些图像可能是在不同的成像条件下获取的)拼接在一起构成一幅整体图像的过程。这个过程通常要对每幅图像进行几何纠正，并将它们划归到统一的坐标系，然后把多幅图像镶嵌在一起，消除色彩差异后，形成一幅宽幅的图像。影像镶嵌主要过程如下：1）影像定位2）色彩平衡3）接缝线处理2.2.2遥感图像预处理—遥感图像镶嵌和裁剪在实际工作中，经常需要根据研究工作范围对图像进行分幅裁剪，通常将图像分幅裁剪分为规则分幅裁剪和不规则分幅裁剪两种类型。规则分幅裁剪是指裁剪图像的边界范围是一个矩形，通过左上角和右下角两点的坐标，就可以确定图像的裁剪位置，整个裁剪过程比较简单。不规则分幅裁剪是指裁剪图像的边界范围是任意多边形，无法通过左上角和右下角两点的坐标确定裁减位置，而必须事先生成一个完整的闭合多边形区域。2.2.3遥感图像融合—融合前预处理在实际工作中，经常需要根据研究工作范围对图像进行分幅裁剪，通常将图像分幅裁剪分为规则分幅裁剪和不规则分幅裁剪两种类型。规则分幅裁剪是指裁剪图像的边界范围是一个矩形，通过左上角和右下角两点的坐标，就可以确定图像的裁剪位置，整个裁剪过程比较简单。不规则分幅裁剪是指裁剪图像的边界范围是任意多边形，无法通过左上角和右下角两点的坐标确定裁减位置，而必须事先生成一个完整的闭合多边形区域。2.2.3遥感图像融合—常用融合方法

Brovey变换对RGB图像和高分辨率数据进行数学合成，从而使图像融合，即RGB图像中的每一个波段都乘以高分辨率数据与RGB图像波段总和的比值。然后自动地用最近邻、双线性或三次卷积技术将3个RGB波段重采样到高分辨率像元尺寸。2.2.3遥感图像融合—常用融合方法HSV变换首先对RGB图像变换HSV颜色空间，用高分辨率的图像代替颜色亮度值波段，自动用最近邻或双线性或三次卷积技术将色度和饱和度重采样到高分辨率像元尺寸，然后再将图像变换回RGB颜色空间。2.2.3遥感图像融合—常用融合方法主成分（PC）变换第一步，先对多光谱数据进行主成分变换。第二步，用高分辨率波段替换第一主成分波段，在此之前，高分辨率波段已被匹配到第一主成分波段，从而避免波谱信息失真。第三步，进行主成分反变换得到融合图像。2.2.3遥感图像融合—常用融合方法Gram-Schmidt第一步，对高空间分辨率全色图像进行滤波。第二步，将高通滤波结果叠加到低分辨率影像各波段上。2.2.4遥感图像解译—遥感图像目视解译图像判读的基本方法是由宏观至微观，由浅入深，由已知到未知，由易到难，逐步展开。按照分析推理的观点一般有如下几条：1）直判法。直接应用判读标志，对遥感图像进行较有把握的判读。2）对比法。利用典型样片或多日期、多光谱的像片和彩色像片，进行对比分析判读。3）综合判认法。利用间接判读标志进行类比推理。如建筑物与道路等级之间的关系，水系与道路之间的关系，都是综合推理辨认地物的重要依据。4）历史比较法。也是做动态研究分析的好方法，采用不同时期拍摄的像片，例如做不同时期历史数据的比较，得出有害地质体随时间而变化的有关数据等。2.2.4遥感图像解译—遥感图像计算机解译1）监督分类和非监督分类非监督分类与监督分类都是以图像的灰度为基础，通过统计计算一些特征参数，如均值，协方差等进行分类。监督分类是遥感图像分类的一种