遥感原理与应用复习题.doc

第一章1.遥感:广义：泛指从远处探测、感知物体或地物的技术。 狭义：指从空中和地面的不同工作平台上，通过传感器，对地球表面地物的电磁波反射或发射信息进行探测，并经传输、处理和判读分析，对地球的资源与环境进行探测和监测的综合性技术。2.遥感分类：按平台：地面遥感 航空遥感 航天遥感按波段：紫外遥感 可见光遥感 红外遥感 微波遥感 多光谱（高光谱）遥感按工作方式：主动式遥感 被动式遥感3.遥感探测的特点：1）宏观观测，大范围获取数据资料。2）动态监测，快速更新监控范围数据。3）技术手段多样，可获取海量信息。4）应用领域广泛，经济效益高。4.遥感技术在测绘中的应用：制作卫星影像地图；修测地形图；地形测绘；制作专题图5.电磁波：在真空或物质中通过电磁场的振动而传输电磁能量的波。（电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。根据麦克斯韦电磁场理论，空间任何一处只要存在着场，也就存在着能量，变化着的电场能够在它的周围激起磁场，而变化的磁场又会在它的周围感应出变化的电场。这样，交变的电场和磁场相互激发并向外传播，闭合的电力线和磁力线就象链条一样，一个接一个地套连着，在空间传播开来，形成了电磁波。） 6.电磁波的特性：（1）电磁波具有波粒二象性，即波动性和粒子性。（2）光的波动性形成了光的干涉、衍射、偏振等现象（3）电磁波是一种横波，电场和磁场的振动方向是相互垂直的，且垂直于波的传播方向。（4）电磁波的波长l（wavelength) 和频率f（frequency) 及波速v（velocity）之间的关系： lvf（5）电磁波在真空中以光速c(=2.998108m/s）传播，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。7.电磁波谱：将电磁波在真空中传播的波长或频率按递增或递减顺序排列制成的图表叫做电磁波谱。 射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。8.遥感常的电磁波波谱段：（1）紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面，且能量很小。主要用于探测碳酸盐岩的分布和油污染的监测。（2）可见光：波长范围：0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。（3）红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。红外遥感是采用热感应方式探测地物本身的辐射（如热污染、火山、森林火灾等），所以不仅白天可以进行，夜间也可进行，能进行全天时遥感。（4）微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响，所以能进行全天时全天候的遥感探测。另外，微波对某些物质具有一定的穿透能力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物。8.黑体：入射的全部电磁波被完全吸收，既无反射也没有透射的物体。自然界中，黑体是不存在的。9.基尔霍夫辐射定律：一定温度下的物体，对某一波长的电磁波辐射的吸收能力和发射能力相对应。吸收能力越强，发射能力也越强。10.地物发射波谱：地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光谱。11.地物发射波谱曲线 ：同种地物，因发射的电磁波波长不同，发射率也不同。某物体电磁波的发射率随波长而变化的曲线，称为该物体的发射波谱曲线。12.地物发射光谱特征的特点：（1）任何温度大于AZ的物体，都能发射红外线和微波，高温物体，还能发射可见光；（2）T恒定时，物体吸收和发射的电磁波波长一致；（3）任何物体发射红外线的强度与温度有关，而发射微波的差别与物体性质有关；（4）不同性质的物体具有不同的发射波谱曲线；（5） 一般而言，粗糙的物体发射系数较大。13.地物对电磁波的反射有三种形式：镜面反射 漫反射 方向反射 14.地物反射光谱曲线：将地物光谱反射率与波长的关系在直角坐标系中描绘出的曲线称为地物反射光谱曲线（以波长为横坐标，反射率为纵坐标）。影响地物反射率变化的因素：（1）太阳位置：太阳高度角和方位角；（2）传感器位置：传感器的观测角和方位角； （3）地理位置：太阳高度角和方位角；地理景观；海拔高度；大气透明度等都不同； （4）地物本身的变异：如植物病害； （5）地物的含水量 （6）时间的变化 （7）植物生长期的变化 （8）各种随机因素的影响 15.大气窗口：通常我们把太阳辐射通过大气层时较少被反射、吸收和散射的那些透射率较高的波段，称为大气窗口。 常用的大气窗口： （1）0.3 1.15mm 主要是反映地物对太阳光的反射。这个窗口对电磁波的透射率达90%以上。通常采用摄影或扫描的方式在白天感测、收集目标信息成像。（2）1.3 2.5mm 它们的透射率都近80%。大气窗口白天夜间都可应用，是以扫描的成像方式感测、收集目标信息，主要应用于地质遥感。（3）3.5 5.0mm 这个波段属于中红外波段。通过这个窗口的可以是地物反射光谱，也可以是地物发射光谱，属于混合光谱范围。中红外窗口应用很少，用来探测高温目标。目前只能用扫描方式。（4）8 14mm这个窗口属于地物的发射波谱。是常温下热辐射能量最集中的波段 ，所以对遥感地质有用。目前主要是利用扫描仪和热辐射计来获得地物发射的电磁波信息。（5）1.0mm 1m 微波窗口，属于发射光谱范围。遥感中常采用被动式遥感（微波辐射测量）和主动式遥感，前者主要测量地物热辐射，后者是用雷达发射一系列脉冲，然后记录分析地物的回波信号。16.大气的吸收大气对太阳辐射的吸收作用主要是臭氧、二氧化碳和水蒸气造成的。大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。17.大气的散射：电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开。 18.遥感的过程：第三章：主要卫星遥感系统：陆地卫星类 高分辨率陆地卫星 高光谱卫星 合成孔径雷达一、陆地卫星系列：航天遥感中应用最广、最深入的就是陆地卫星，其应用几乎涉及地学和国民经济的各个领域。陆地卫星：用于陆地资源和环境探测的卫星。陆地卫星系列：美国的Landsat系列。法国的SPOT卫星。印度IRS系列卫星。中国资源二号卫星。日本陆地观测卫星ALOS特点：多波段扫描，地面分辨率为530m。在现阶段，这类卫星仍然是陆地卫星的主体。1、美国Landsat系列卫星传感器： MSS：多光谱扫描仪，5个波段。w TM ：主题绘图仪，7个波段。w ETM+：增强主题绘图仪，8个波段。空间分辨率30m。w Landsat系列卫星的运行特点是近圆形、近极地、与太阳同步、可重复轨道等。w Landsat 5卫星参数：轨道高度：705公里；运行周期： 98.9分钟；24小时绕地球: 15圈；图像幅宽:185km;重复周期: 16天。2、法国SPOT系列卫星：由瑞典、比利时等国参加，由法国国家空间研究中心设计制造。传感器：w 高分辨率可见光扫描仪HRV（high resolution visible）， HRVIR (high resolution visible and infrared )w 植被测量仪VIw 高分辨力立体仪器HRS成像方式w 线阵列传感器w 采用推扫式扫描成像w 可以立体成像w SPOT系列卫星的轨道是太阳同步圆形近极地轨道，可重复轨道。w 卫星参数：轨道高度832km、运行周期101.4min、轨道倾角98.7、图像幅宽60km、重复周期26天。w 包括4个波段，全色图像分辨率2.5m，多光谱图像分辨率10米。3、印度IRS系列卫星w 1988年3月发射了第一颗IRS-1A系统。1991年发射第二个IRS-1B。w 第二代卫星1995年IRS-1C，1997年IRS-1D 。w 2005年5月5日发射IRS-P5，空间分辨率2.5m4、中国资源二号卫星w 主要用于国土资源勘查、环境监测与保护、城市规划、农作物估产、防灾减灾和空间科学试验等领域。 w 2000年9月首次发射，2002年10月和 2004年11月分别发射成功02、03号星。w 目前只提供3m全色影像，景幅为30km。周期94.45分，倾角94.41 ，重访周期，中国大陆2次/天，轨道高度，近地 484km，远地500km。5、日本陆地观测卫星ALOSw 2006年1月24日发射w 采用了先进的陆地观测技术，能够获取全球高分辨率陆地观测数据，定位精度1mw 主要应用目标为测绘、区域环境观测、灾害监测、资源调查等领域。二、高分辨率陆地卫星：特点：地面分辨率高。 美国的IKONOS卫星 美国的QuickBird卫星 美国的GeoEye-1卫星1、美国QuickBird卫星w QuickBird卫星（美国，“快鸟” ）于2001年10月发射，全色图像分辨率0.61m，多光谱图像分辨率2.44m。w Quickbird传感器为推扫式成像扫描仪。w 卫星轨道高度450 km,倾角98,图像幅宽：16.5km;卫星重访周期16 d（与纬度有关）。2、美国GeoEye-1卫星w GeoEye卫星（美国，“地球之眼1” ）于2008年9月6日发射，全色图像分辨率0.41m，多光谱图像分辨率1.65m，成为目前世界上分辨率最高的商用卫星。w 太阳同步极地轨道，卫星轨道高度684 km,周期98 min，每天绕地球12或13圈，卫星重访周期Less than 3 days 。三、高光谱类卫星：美国的EOS-AM1系列卫星。背景：多光谱的波段有限，难以真实反映地物表面物质的光谱反射辐射特性的细微差异，无法用光谱的空间信息来直接识别地物的类别。特点：采用高分辨率成像光谱仪，波段数36256个，光谱分辨率510nm，这类卫星主要用于大气、海洋和陆地探测。12、EOS-AM1系列卫星w MODIS是EOS-AM1系列卫星的中分辨率成像光谱仪，其波段数36个，波谱范围宽，从0.4 mm （可见光）到14.4 mm （热红外）全光谱覆盖，最大空间分辨率250mw 轨道高度705km，每12天可覆盖全球一遍。四、合成孔径雷达： 加拿大的Radarsat系列卫星。欧洲空间局的ERS系列卫星小卫星特点：SAR是一种高分辨率、二维成像雷达，特别适于大面积的地表成像，主要用于海洋和陆地探测。1、欧洲空间局的ERS系列卫星w 圆形极地太阳同步轨道。ERS-1与ERS-2分别于91年和94年发射。 w 雷达地面分辨率可达30 m。 w 主要用于海洋、极地冰层、陆地生态、地质学、森林学、大气物理、气象学等。五、遥感图像的特征：获取的信息包括目标地物的大小、形状及空间分布特点，目标的属性特点，目标的运动变化特点。这些特点分为三个方面：几何，物理和时间特征。这三个方面特征的表现为：遥感图像的空间分辨力；遥感图像的光谱分辨力；遥感图像的辐射分辨力；遥感图像的时间分辨力1、 遥感图像的空间分辨力：指像素所代表的地面范围的大小，或地面物体能分辨的最小单元。2、 遥感图像的光谱分辨率:指传感器能分辨的最小波长间隔。间隔越小，光谱分辨率越高。3、遥感图像的辐射分辨力：指传感器能区分两种辐射强度最小差别的能力。即遥感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐射强度的最小变化量。 4、 遥感图像的时间分辨力：指像素是指对同一地区重复获取图像所需的时间间隔第四章一、遥感图像目视解译目的：遥感从遥感图像中获取需要的地学专题信息，它需要解决的问题是判读出遥感图像中有哪些地物，它们分布在哪里，并对其数量特征给予粗略的估计。遥感图像目标地物识别特征：遥感图像中目标地物特征是地物电磁辐射差异在影像上的反映和记录。按表现形式可以概括为：色，形，位。色：目标地物在遥感影象上的颜色，包括目标地物的色调、颜色和阴影。形：目标地物在影象上的形状，包括目标地物的形状、纹理、大小、图形等。位：目标地物在影象上的空间位置，包括目标地物分布的空间位置和相关布局。、时间：不同时间目标地物有变化。二、判读标志：又称 “图像判读要素 ”，指能帮助我们识别遥感图像上的某些制图物体和现象的影像特征。 判读标志可分为直接判读标志和间接判读标志。直接判读标志是目标的物理特征和几何特征在影像上的直接表现，主要包括影像的形状、大小、色调或色彩、阴影、影像的纹理、相关布局等。间接判读标志是用于推断与某些现象相关的其他现象的直接判读标志。直接判读的标志： 色调 （Tone）：全色遥感图象中从白到黑的密度比例。色调标志是识别目标地物的基本依据。在一些情况下，还可以识别出目标地物的属性。它是识别地物的主要标志，有时甚至是唯一的判读标志。目标地物和背景之间必需存在能被人的视觉所分辨的色调差异，目标才能被区分。 颜色 （Color ）是彩色遥感图象中目标地物识别的基本标志。日常生活中目标地物的颜色是地物在可见光波段对入射光选择性吸收与反射在人眼中的主观感受。遥感图象中目标地物的颜色是地物在不同波段中反射或发射电磁波能量差异的综合反映。有真彩色和假彩色组合。 阴影 （Shadow）是指一部分地面的反射或发射电磁波信息被地物自身所遮挡而不能达到传感器所构成的影像特征。根据阴影形状、大小可判读物体的性质或高度。 形状（shape） 目标地物在遥感图像上呈现的外部轮廓。由于成像方式的不同，飞行姿态的改变或者地形起伏的变化，都会造成同一目标物在图像上呈现出不同的形状。判读时必须考虑遥感图像的成像方式。 纹理（texture）是地物影像轮廓内的色调变化频率。物体的表面结构不同反映在图像上可能造成某些色调或细小纹形图案的差异。纹理可作为区别地物属性的重要依据。 大小（size）指遥感图像上目标物的形状、面积与体积的度量。它是遥感图像上测量目标地物最重要的数量特征之一。根据物体的大小可以推断物体的属性，有些地物如湖泊和池塘，主要依据它们的大小来区别。 判读地物大小时必须考虑图像的比例尺。 位置（site）指目标地物分布的地点。目标地物与其周围地理环境总是存在着一定的空间联系，并受周围地理环境的一定制约。位置：地理位置，相对位置。依据遥感图象周框注记的地理经纬度位置，可以推断出区域所处的温度带，依据相对位置，可以为具体目标地物解译提供重要依据。 图型（pattern）目标地物有规律的排列而成的图形结构。 相关布局（association）多个目标地物之间的空间配置关系。地面物体之间存在着密切的 物质与能量上的联系，依据空间布局可以推断目标地物的属性。 三、目视解译方法遥感影像目视判读方法是指根据遥感影像目视判读标志和判读经验，识别目标地物的办法与技巧。常用的目视判读方法有以下几种：直接判读法；对比分析法；信息复合法；综合推理法；地理相关分析法直接判读法：根据遥感图象目视判读直接标志，直接确定目标地物属性和范围。w 黑白图象：水，河流与湖泊。w 彩色图象：植被。w 直接判读标志：色调、颜色、大小、形状、阴影、纹理、图案等。w 对于边界特征清晰的目标，可以根据形状、图形等标志确定分布范围。目视解译步骤：遥感影像目视判读是一项认真细致的工作，判读者必须遵循一定行之有效的基本程序与步骤，才能够更好地完成判读任务。四 、遥感影像目视判读步骤：准备工作；初步判读与判读区的野外考察；室内详细判读；野外验证与补判；目视判读成果的转绘与制图。图像的表示形式：空间域；模拟图像；数字图像；频率域五、模拟图像和数字影像模拟图像：像普通像片那样的灰度及颜色连续变化的图像叫光学（模拟）图像。可观察的图像，一般为一个二维的连续的光强度函数f（x，y）。表示在像平面坐标（x，y）的地方，函数 f 的值就是该点上图像的光强度（亮度）。 0 f（x，y） 多光谱图像同一时间，在若干波段上测得的图像集合。多时相图像同一波段，在不同时间获得的图像集合。数字影像：用像素灰度值的二维矩阵表示的像片影像称为数字影像。像素：像片上一块可以看成是像点的极小的影像为像素。模拟图像转换为数字图像包括两步：采样；量化采样：对实际连续函数模型离散化的量测过程 样点：被量测的“点”是小的区域-像素量化含义：影像灰度的量化是把采样点上的灰度数值f (x,y)转换成为某一种等距的灰度级。阐述：通过上述采样过程得到每个点的灰度值不是整数，这对于计算很不方便，为此，应将各点的灰度值取为整数，这一过程称为影像灰度的量化。量化方法：是将像片有可能出现的最大灰度变化范围进行等分，等分的数目称为“灰度等级”；然后将每个点的灰度值在其相应的灰度等级内取整，取整的原则是四舍五入。由于数字计算机中数字均用二进制表示，因此灰度等级i一般都取为i=2m(m是正整数)。当m=1时，灰度只有黑白两级，当m=8时，则得256个灰度级，其级数是介于0与255之间的一个整数，0为黑，255为白，每个像元素的灰度值占一个字节。数字影像采样过程：在理论上，采样间隔-Dx应由采样定理确定 。当采样间隔能使在函数g(x)中存在的最高频率中每周期取有两个样本时，根据采样数据可以完全恢复原函数g(x)六、遥感图像处理软件简介：ERDAS IMAGINE ；ENVI ；PCI Geomatica；ER MAPPER；GeoImager；Titan Image；CASM ImageInfo；GEOWAY IS；IRSA第五章一、遥感图像几何校正1、几何校正：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。2方法：多项式校正法，共线方程式法。二、几何变形的原因：1)系统性内部误差，由于传感器自身的性能、结构等因素造成的。 2)随机性外部误差，由传感器以外的各种因素所造成的误差，如地球曲率，地形起伏、地球旋转以及飞行器姿态等因素引起的变形误差。三、多项式校正方法：1、过程：建立数学模型；控制点选取；输出图像的边界及大小；多项式校正包括：直接法和间接法纠正方案；一般采用间接法直接法： 间接法：四、1、影像配准：将同一地区的不同特性的相关影像(如不同传感器，不同日期，不同波段或传感器在不同位置获取的同一地区地物)在几何上互相匹配，即实现影像与影像间地理坐标及像元空间分辨率上的统一。影像配准方式可分为相对配准和绝对配准。 2、镶嵌：影像镶嵌是将两幅或多幅影像拼在一起，构成一幅整体影像的技术过程。3、裁剪：根据研究区域的大小或形状截取一部分图象五、遥感图像的统计分析1、统计分析包括：图像灰度均值；图像灰度中值；图像灰度峰值；图像灰度方差与标准差；图像灰度数值域；图像灰度反差；直方图；协方差；相关系数；2、直方图：用来表达一幅图像灰度级分布情况的统计表。横坐标：灰度r；纵坐标：为某一灰度值ri的像素个数ni或是灰度出现的概率P(r)3、直方图的性质：1）直方图反映了图像中的灰度分布规律，它描述了每个灰度级具有的像元的个数，但不包含这些像元在图像中的位置信息。2）任何一幅特定的图像都有唯一的直方图与之对应，但不同的图像可以有相同的直方图。3）如果一副图像有两个不相连的区域组成，并且每个区域的直方图已知，则整幅图像的直方图是该两个区域的直方图之和。 图像直方图与地物反射率的关系：图像直方图越靠近原点，地物反射率越； 图像反差的大小可以由图像（灰度级）直方图来形象的反映出来。直方图越窄，反差越小，图像质量越差；直方图越宽，反差越大，图像质量越好。六、对比度拉伸1）定义：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。2）对比度拉伸方法：线性变换；非线性变换；直方图调整；图像灰度反转七、彩色变换：1、定义：将多谱段黑白图像变成彩色图像，以及进行各种彩色变换可以明显改善图像的可视性，以增强对图像的判读能力。2、方法：1）彩色合成。包括：真彩色合成、假彩色合成；2）伪彩色密度分割；3）基于HIS变换的图像融合八、图像运算1、定义：针对多源遥感图像的特点，可以利用多源图像之间的四则运算来达到增加某些信息或消除某些影响的目的。2、常用方法：加法运算；差值运算；乘法运算；比值运算；植被指数比值运算：能压抑因地形坡度和方向引起的辐射量变化，消除地形起伏的影响；可增强某些地物之间的反差。消除地形阴影九、多光谱图像变换1、定义：空间通过函数变换，达到保留主要信息、降低数据量、增强或提取有用信息的目的。变换的实质是对遥感图像进行线性变换。2、主要：主成分变换和缨帽变换。主成分变换：也成为主分量分析或K-L变换。变换后前几个分量上集中了影像的主要信息。应用：数据压缩、图像增强、分类前预处理。缨帽变换（K-T变换）：是多光谱波段的一种线性变换，且该变换能消除多光谱图像的相对光谱响应相关性，并对全色图像可视化和自动特征提取都非常有用。应用：缨帽变换为植被研究特别是分析农业特征提供了一个优化显示的方法，同时实现了数据压缩。第六章一、从影像上提取信息方法：目视判读和计算机自动分类。计算机自动