遥感与地理信息系统.doc

1.遥感的含义：广义：泛指各种非接触的、远距离的探测技术。遥感是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。2.遥感技术系统的构成遥感系统包括：被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用五大部分。3.电磁波谱区间段，遥感探测区间段波段波长长波中波和短波超短波大于3000m103000m110m微波1mm1m红外波段超远红外远红外中红外近红外0.761000um151000um615um36um0.763um可见光红橙黄绿青蓝紫0.380.76um0.620.76um0.590.62um0.560.59um0.500.56um0.470.50um0.430.47um0.380.43um紫外线10-33.8x10-1umX射线10-610-6um射线小于10-6um遥感中较多地使用可见光、红外和微波波段。4大气对太阳辐射的影响，对遥感成像的影响【大气的层次与成分：大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合物。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。大气厚度约为1000km，可垂直分为四层：对流层：温度随高度的增加而降低，空气明显垂直对流，上界随季节和纬度而变化；平流层：对流层顶50km，包括下部的等温层和暖层，几乎没有对流和天气现象；中间层：50km80km，温度随高度增加而降低；电离层：包括下部的热层和上部的散逸层，温度激增，大气中的氧气、氮气等气体呈电离状态。】大气吸收：u 对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层。u 太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，引起这些波段太阳辐射强度的衰减，或完全不能通过大气。u 太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些缺失带。u 对太阳辐射起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有水汽、二氧化碳、臭氧和甲烷。 大气中的氮气对太阳辐射的吸收都集中在紫外光以外的范围内。 臭氧对0.20.3微米的电磁波(紫外线)具有极强的吸收能力，到达地面的太阳辐射中已不存在小于0.3微米的短波辐射。 CO含量较少，主要在红外区：1.352.85微米之间有3个弱吸收带，2.8、4.3微米为强吸收带。 水汽在可见光、红外及微波都有明显的吸收波段，水汽对太阳辐射的吸收与反射是大气效应纠正的重要内容，也是探测大气中水汽含量垂直分布的基本依据。大气散射：瑞利散射又称分子散射。当大气中微粒的直径比波长小得多( )时发生的散射，主要由大气中的原子和分子对可见光的散射引起。散射强度与波长的四次方成反比。米氏散射当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射，主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引起。散射强度与波长的二次方成反比，方向性比较明显，在光线前进方向比向后方的散射更强。无选择性散射当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射，与波长无关，任何波长散射强度相同。太阳辐射的衰减主要是大气散射作用造成大气散射作用与波长的关系：u 瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段，米氏散射从近紫外到红外波段都有影响，在红外波段米氏散射的影响超过瑞利散射；u 云层中雨滴的直径相对其他微粒最大，对可见光属无选择性散射；u 对微波来说，云层中水滴的直径远小于微波波长，因而属于瑞利散射类型，由于瑞利散射强度与波长的四次方成反比，所以微波波段散射强度相对很弱，透射能力很强，故微波具有穿云透雾的能力。大气折射：电磁波穿过大气时，传播方向发生改变，即折射。大气的折射率与大气密度有关，密度越大折射率越大。因而，电磁波(太阳辐射)在大气中的传播轨迹是一条曲线。大气反射：主要发生在云层顶部，并与云量密切相关，削弱了电磁波到达地面的强度。5.大气窗口概念及其主要光谱段的应用大气对太阳辐射具有削弱作用，我们把太阳辐射通过大气层较少被反射、吸收和散射的那些波段范围，称为大气窗口。大气窗口的光谱波段主要有：0.31.3 紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。1.51.8、2.03.5 近、中红外波段，是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，用以测探植物含水量以及云、雪，或用于地质制图等。3.55.5 中红外波段，白天夜间，扫描成像记录814 远红外波段，主要通透来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。 0.82.5cm 微波波段，全天候观测，而且是主动遥感方式，扫描记录。6. 立体像对、立体观察7. 中心投影与垂直投影的区别第一，投影距离的影响：垂直投影图像的缩小和放大与投影距离无关，并有统一的比例尺。中心投影则受投影距离（遥感平台高度）影响，像片比例尺与平台高度H和焦距f有关。第二，投影面倾斜的影响：当投影面倾斜时，垂直投影的影像仅表现为比例尺有所放大，在中心投影的像片上，比例关系有显著的变化，各点的相对位置和形状不再保持原来的样子。第三，地形起伏的影响：垂直投影时，随地面起伏变化，投影点之间的距离与地面实际水平距离成比例缩小，相对位置不变。中心投影时，地面起伏越大，像上投影点水平位置的位移量就越大，产生投影误差。8 像片比例尺即像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比。像片比例尺大小取决于H和f在地形平坦、镜头主光轴垂直于地面时，像片的比例尺1/m为9. 像点位移的含义及其计算方法、推导过程含义：在中心投影的像片上，地形的起伏除引起像片比例尺变化外，还会引起平面上的点位SHfohahbOT0AB在像片位置上的移动，这种现象称为像点位移。或即为位移量因 得又因 又因式中，为位移量；为地面高差；为像点到主像点的距离；为摄影高度10. 瞬时视场角瞬时视场角（）：扫描镜在一瞬间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。11微波遥感的特点 能全天候、全天时工作 可见光遥感只能在白天工作，红外遥感可克服夜障，但不能穿透云雾。 对某些地物具有特殊的波谱特征 对不同地物，微波辐射能力差别较大，可以较容易的分辨出可见光和红外线所不能区别的某些目标的特性。 对冰、雪、森林、土壤(尤其对干燥、松散物质)等具有一定穿透能力 对海洋遥感具有特殊意义微波对海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况的观测。 分辨率较低，但特性明显 因为波长较长衍射现象显著，微波传感器的分辨率一般比较低。 观测精度与取样速度的平衡通常是牺牲精度来提高取样速度。12。遥感图像的特征(空间、波谱、辐射、时间)遥感图像的空间分辨率：像素所代表的地面范围的大小(瞬时视场角)或地面物体能分辨的最小单元。摄影成像地面分辨率：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( Rs )以及摄影机焦距( f )和航高( H )。遥感图像的波谱分辨率：传感器所能分辨的最小波长间隔，即传感器各个波段的宽度。在一定波段区间内，波长间隔越短，波谱分辨率越高。遥感图像的辐射分辨率 传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。图像上表现为像元的辐射量化级。传感器辐射分辨率越高，越容易探测到反射或辐射电磁波中的细微差异。遥感图像的时间分辨率l 对同一地点进行遥感采样的时间间隔、时间频率、重访周期。l 遥感的时间分辨率范围较大，有1次/0.5小时(静止气象卫星)，也有1次/26天(中巴地球资源卫星)。l 时间分辨率对动态监测尤为重要。动态监测目标的时间尺度与遥感信息时间分辨率的一致性，可根据实际研究的需要选择不同的时间分辨率。13遥感影像辐射畸变的原因，辐射校正的原理及方法遥感影像辐射畸变的原因：传感器仪器本身的误差、大气对辐射的影响大气影响的粗略校正(辐射校正)目的：消除程辐射的影响，增强图像对比度，提高图像质量基本原理：在同一幅图像的有限面积内，程辐射度是一个近似于常数的值，其值的大小只与波段有关。方法：直方图最小值去除法、回归分析法直方图(亮度值、像元数)最小值去除法： 洁净水体的反射率为零；阴影部分的反射率接近于零。如果，这些位置上像元亮度值不为零，则是程辐射的作用，这个值就是大气散射导致的程辐射增值。将每一波段中每个像元的亮度值都减去本波段的最小值，使图像对比度增强。回归分析法： 假定波段a存在程辐射为主的大气影响，亮度增值最小，接近于0，波段b最小亮度值肯定比波段a大，以波段a、b的像元亮度值为坐标轴，建立二维光谱空间，对应像元用一个点表示，建立回归方程，回归直线的截距即为波段b的程辐射增值。14. 遥感图像的几何校正(原因、思路、步骤、方法及控制点的选取，教材P103-112)遥感图像几何畸变几何畸变的种类：平移、旋转、缩放、偏扭、弯曲等。 传感器本身引起的畸变 外部因素引起的畸变影响图像变形的外部因素：1）遥感平台位置和运动状态变化航高、航速、俯仰、翻滚、偏航8位移变化高度变化速度变化偏航变化俯仰变化侧翻变化(d) (d ) (d ) 遥感平台位置与运动状态变化对图像的影响2）地形起伏像点位移3）地球的曲率像点位移和地面宽度不等地球曲率的影响4）大气折射像点位移5） 地球自转影像变形 处理过程中引起的畸变 遥感图像在处理过程中产生的误差，主要是由于处理设备产生的噪声引起的1）光学2）传输、复制几何畸变校正：基本思路：校正前的图像看起来是由行列整齐的等间距像元点组成的，但实际上，由于某种几何畸变，图像中像元点间所对应的地面距离并不相等。校正后的图像亦是由等间距的网格点组成的，且以地面为标准，符合某种投影的均匀分布，图像中格网的交点可以看作是像元的中心。校正的最终目的是确定校正后图像的行列数值，然后找到新图像中每一像元的亮度值。具体步骤：找到一种数学关系，建立变换前图像坐标（x,y）与变换后图像坐标（u,v）的关系，通过每一个变换后图像像元的中心位置计算出变换前对应的图像坐标点（x,y）。计算每一点的亮度值。一般来说，新点的亮度值介于邻点亮度值之间。方法：找到一种数学关系，建立变换前图像坐标（x,y）与变换后图像坐标（u,v）的关系，通过每一个变换后图像像元的中心位置计算出变换前对应的图像坐标点（x,y）。确定新图像的边界：校正后图像和原始图像的形状、大小、方向都不一样，所以在校正过程正式实施之前，必须确定新图像的大小范围。求出原始图像四个角点(a, b, c, d)在校正后图像中的对应点(a, b, c, d)的坐标(Xa,Ya)，(Xb,Yb)，(Xc,Yc)，(Xd,Yd)求出新图像边界的最大、最小值。X1 = min (Xa, Xb, Xc, Xd)X2 = max (Xa, Xb, Xc, Xd)Y1 = min (Ya, Yb, Yc, Yd)Y2 = max (Ya, Yb,Yc, Yd)确定新图像的分辨率 根据精度要求，在新图像的范围内，划分网格，每个网格点就是一个像元。 新图像的行数 M(Y2-Y1)/Y+1; 新图像的列数 N(X2-X1)/X+1; 新图像的任意一个像元的坐标由它的行列号唯一确定。亮度值重采样l 纠正后的新图像的每一个像元，根据变换函数，可以得到它在原始图像上的位置。如果求得的位置为整数，则该位置处的像元亮度就是新图像相应位置亮度值。l 一般情况下，原图像上该位置不为整数，用内插法计算该位置的亮度值：k=Integer(x+0.5)l=Integer(y+0.5)最近邻法：被计算点的4个相邻像元中，距离最近的像元的亮度值作为该点的亮度值；设该最近邻点的坐标为（k,l）f(x,y)=f(k,l)双线性内插法：取实际位置临近的4个像元，在y方向(或x方向)内插两次，再在x方向(或y方向)内插一次，确定输出像元的亮度值。设4个相邻点分别为（i,j）,(i,j+1),(i+1,j),(i+1,j+1)设，过(x,y)做直线与x轴平行，与4邻点组成的边相交于点(i,y)和点（i+1,y）。先在y方向内插，计算交点的亮度f(i,y)和f(i+1,y)。 由梯形计算公式：故， 然后计算x方向，以f(i,y)和f(i+1,y)为边组成梯形内插f(x,y)值，综合三式： 其中 i=Integer(x)j=Integer(y)三次卷积法：以实际位置临近的16个像元值，确定输出像元的亮度值。 在x方向上，设计算公式为：令共计算4次，再用同样的方法计算y方向的值控制点的选取：l 表征空间位置的可靠性：道路交叉点，标志物，水域的边界，山顶，小岛中心，机场等。l 控制点要在图像上均匀分布，图像边缘变形大，一定要有控制点；l 清楚辨认；l 数量：应当超过多项式系数的个数(n+1)*(n+2)/2)。选取最少数目的控制点校正，实际效果往往不好，在条件允许下，控制点数的选取要大于最低数很多，一般为6倍。15. 真彩色合成、假彩色合成 利用数字技术合成真彩色图像时，是把红色波段的影像作为合成图像中的R分量、把绿色波段的影像作为合成图像中的G分量、把蓝色波段的影像作为合成图.像中的B分量进行合成真彩色图像上影像的颜色与地物颜色基本一致。假彩色合成即把红、绿、蓝波段与R、G、B分量进行交叉合成。遥感中最常见的标准假彩色图像是把近红外波段作为R分量、红色波段作为G分量、绿色波段作为B分量进行合成的结果，如TM432用RGB合成的图像为标准假彩色图像。假彩色图像上影像的色调与实际地物色调不一致。16遥感图像计算机分类方法及优缺点监督分类：l 最小距离分类法，原理简单，分类精度不高，但计算速度快，可以在快速浏览分类概况中使用。l 多级切割分类法，便于直观理解如何分割特征空间以及待分类像素如何与分类类别相对应。空间维数的减小，类似特征变量的提取。l 特征曲线窗口法：特征曲线：地物光谱特征参数构成的曲线。方法：以特征曲线为中心取一个带,构造一个窗口,落在此窗口范围内的地物即被认为是一类,反之,则不是。l 最大似然比分类法(maximum likelihood classifier) 是经常使用的监督分类方法之一，通过求出每个像素对于各类别归属概率，把该像素分到归属概率最大的类别中去。假定地物光谱特征服从正态分布,利用训练区求出特征参数,从而可求出总体的先验概率密度函数。当总体分布不符合正态分布时,其分类可靠性将下降,此时不宜采用该法。非监督分类： 分级集群法 动态聚类法：(ISODATA: Iterative -Orgnizing Data Analysize Technique，迭代自组织数据分析技术)17遥感数字图像计算机分类中存在的问题 图像分类仅利用了地物光谱特征，未能充分利用遥感图像提供的多种信息。 光谱：相似性、时相与环境、基于像元的分类 空间、结构信息未充分利用 提高遥感图像分类精度受到限制：大气状况的影响、下垫面的影响、其它因素的影响。地理信息系统概论部分1 GIS的概念、GIS的构成及各部分的功能在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界的各类空间数据及描述这些空间数据的属性数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和输出的技术系统，是为地学研究与决策服务的计算机技术系统。 GIS的构成：系统硬件（存储、处理和显示地理信息或空间数据）、系统软件（用于执行GIS功能的各种操作，包括数据输入、处理、数据库管理、空间分析和图形用户界面）、空间数据（地理信息系统的操作对象，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征）、应用人员（包括系统开发人员和GIS技术的最终用户，他们的业务素质和专业知识是GIS工程及其应用成败的关键）和应用模型（是客观世界中相应系统经由观念世界到信息世界的映射，反映了人类对客观世界利用改造的能动作用，并且是GIS技术产生社会经济效益的关键所在，也是GIS生命力的重要保证）。2 GIS的主要数据来源n 地图数据 地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源。 n 影像数据 各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据。 n 地形数据 已有的数字高程模型和其他实测的地形数据等。n 属性数据 各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等。n 元数据 有关数据的数据，如数据来源、权属、精度、产生的时间、分辨率、转换方法等。3 元数据与数据字典所有元数据的集合，可以对元数据进行管理。4拓扑结构的含义n 拓扑结构：定义空间结构关系的一种数学方法，在GIS中，不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中具有非常重要的意义。地理空间实体的拓扑关系：n 拓扑邻接：空间图形中同类元素之间的拓扑关系，如多边形与多边形、弧段与弧段等；n 拓扑关联：空间图形中不同类元素之间的拓扑关系，如结点与弧段、多边形与弧段等；n 拓扑包含：空间图形中同类、不同等级元素之间的拓扑关系；5 矢量GIS图形中，拓扑关系表的创建n 节点文件：每个节点记录包括节点的标识码、节点坐标及与该节点相连的弧段的标识码；n 弧段文件：每个弧段记录包括弧段标识码、起始节点、终止节点和左、右多边形标识码；n 弧段坐标文件：每个弧段记录包括弧段标识码和组成弧段的点的坐标；n 多边形文件：每个多边形记录包括多边形标识码，组成该多边形的弧段的标识码及相关属性(周长、面积)等；6 栅格数据结构中几何图形的表示方法点：一个栅格单元。线：在一定方向上连接成串的相邻栅格单元集合。面：聚集在一起的相邻栅格单元集合。7栅格数据压缩编码方法(原理、会应用) 栅格数据的压缩编码技术直接栅格编码最基本的栅格数据编码，以行为记录单位按行存贮地理数据。n 游程编码：将原始栅格阵列中属性值相同的连续若干个栅格单元映射为一个游程，每个游程的数据结构为(A, P)整数对，A代表属性值，P代表属性值相同的连续栅格的数量。n 链式编码：定义8个基本方向，从某一起点开始沿8个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。单位矢量的长度为一个栅格单元的边长或对角线的长度，每个后续点位于前继点的8个基本方向之一。n 四叉树编码：将空间区域以 的像元阵列按照四个象限进行逐步分割，直到子象限的属性值单调为止，属性呈单调的单元，无论单元大小，均作为最后的存储单元。原始阵列不是方阵时，可增加行和列，增加的栅格的属性值以0来表示。四叉树编码一直是比较热门的研究领域，是GIS中对栅格数据进行存储的非常有效和普遍的方法。按编码方式的不同：常规四叉树和线性四叉树四叉树的建立方式：自上而下和自下而上n 自上而下(top-down)： 先检测全区域，判断其是否单调，决定是否继续分割； 不单调时进行四分割，直到所有子象限数值单调为止，这种方式运算量巨大，运行速度比较慢；n 自下而上(down-top)： 按照一定顺序扫描栅格，若相邻4个栅格的属性值相同，则合并，不同，则作为4个叶节点记录下来。逐层向上检测合并，直到生成根节点。8“四库合一”新一代集成化的地理信息系统，要求能够统一管理图形数据、属性数据、影像数据和数字高程模型（DEM）数据，称为四库合一。9 矢量数据结构、栅格数据结构及比较n 矢量数据结构：基于矢量模型的数据结构，以记录地理实体坐标的方式表示点、线、面等实体的空间位置和形状，一般用户比较习惯使用；矢量数据 数据存储量小 空间位置精度高 用网络连接法能完整描述拓扑关系 输出简单容易，绘图细腻、精确、美观 可对图形及其属性进行检索、更新和综合 数据结构复杂 获取数据慢 数学模拟困难 多种地图叠合分析困难 不能直接处理数字图像信息 空间分析不容易实现 边界复杂、模糊的事物难以描述 数据输出的费用较高n 栅格数据结构：将空间分割成有规则的网格，并为每个网格赋予相应的属性值来表示地理实体。最简单最直观的空间数据结构。栅格数据数据存储量大空间位置精度低难于建立网络连接关系输出速度快，但绘图粗糙、不美观便于面状数据处理数据结构简单快速获取大量数据数学模拟方便多种地图叠合分析方便能直接处理数字图像信息空间分析易于进行容易描述边界复杂、模糊的事物技术开发费用低10投影转换的含义 当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换