遥感复习总结.doc

第一章1.遥感-是一种远距离的、非接触的目标探测技术。通过对目标进行探测，获取目标的观测数据，然后对获取的观测数据进行加工处理，从而实现对目标的定位、定性、定量和变化规律的描述（即认识观测对象）。2.遥感技术系统-将遥感技术和方法应用到某个专业领域所构成的技术系统。（从空间分布的角度：、空间部分（空基系统）；、地面部分（地基系统）；从功能的角度：、观测系统；、数据传输与接收系统。、数据处理系统；、应用系统。）1.1 遥感( Remote Sensing )概念1）主动遥感： 传感器主动发射一定电磁波能量并接受目标物的后向散射信号。 2）被动遥感： 传感器不向目标物发射电磁波，仅被动接受目标物自身发射和对自然辐射的反射能量。1.2 遥感过程1）遥感信息源；2）空间信息的获取；3）遥感数据传输与接受；4）遥感图像处理；5）遥感信息提取、分析与应用1.3 遥感技术分类1）按遥感平台分： 地面遥感、航空遥感、航天遥感、宇航遥感。2） 按电磁波段分： 紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多波段遥感等。3） 按传感器的工作方式分：主动遥感、被动遥感数据（光学摄影、扫描成像）。4） 按遥感信息获取方式分：成像方式、非成像方式。5） 按遥感应用领域分： 从大的研究领域分为：外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感和海洋遥感。 从具体应用领域可分为：资源环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、灾害遥感、军事遥感等。1.4 遥感技术的特点1）宏观特性，大范围获取数据资料：居高俯视，探测范围大2）动态监测：获取资料速度快、周期短、 能反映动态变化3）技术手段多样，可获取海量数据：进行探测的波段包括可见光、红外光、微波等，雷达遥感可以全天时、全天候工作、穿透地下一定深度，多级分辨率、多时相、多波段、高光谱遥感图像的获取4）应用领域广泛，经济效益高5）局限性：第二章电磁波谱-（电磁波是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波）将电磁波在真空中按照波长或频率依大小顺序划分成波段，排列成谱即称为电磁波谱。1、黑体辐射的三个特性： 1.辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。 2.温度愈高，辐射通量密度也愈大，不同温度的曲线是不相交的。 3.随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。2、地物光谱发射率：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。3、地物在不同波段上发射的辐射通量密度不同，即其光谱发射率不同，以光谱发射率为纵轴，以波长为横轴，将光谱发射率和波长的对应关系在平面直角坐标系中绘制成曲线，该曲线称为地物的发射光谱特性曲线。4、依发射率与波长的关系，将地物分为三种类型 1.黑体或绝对黑体，其发射率=1，即黑体发射率对所有波长都是一个常数，并且等于1。 2.灰体，其发射率=常数1（因吸收率 1）。即灰体的发射率始终小于1，不随波长变化。 3.选择性辐射体，其发射率随波长而变化，而且1（因吸收率也随波长而变化并且1）。5、 地物的反射光谱特性1）地物的反射率（反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。2）地物光谱反射率随波长变化而变化的特性称之为地物的反射光谱特性。3）地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮，蓝、哄光波段的光辐射被叶绿素全部吸收而进行光合作用，绿光大部分也被吸收，但仍有一部分被反射，所以叶子呈现绿色。五、典型地物的反射波谱特性水体波谱特性水体的反射率在整个波段范围内都很小，从蓝光段的15降至红光段的，进入红外波段后几乎等于零。影响水体反射率的主要因素是水的混浊度、水深、以及波浪起伏、水面污染、水中生物等。洁净的水对蓝紫光有一些反射，其余波段大部分被吸收；蓝紫光也能穿透一定深度的水层（20）。如果水较深，逐渐被吸收，如果水较浅，部分光线可反射返回地面。水中的悬浮沙粒径大于太阳光谱波长，结果产生米氏散射，使水的反射率在各波段都有所提高，尤其在黄红波段，增加更大。水中的浮游生物由于其含叶绿素，所以在红外波段有较高的反射率，水面因石油污染形成的油膜通常在紫外波段有较高的反射率。水面波浪起伏也可增加反射率。土壤土壤对电磁辐射的反射状况很复杂，许多可变因素，如土壤类型、表面粗糙度、矿物成份、太阳高度角和水分含量等，都影响土壤的反射波谱特性。一般在可见光区土壤的反射率高于植物，而在近红外波段则相反。1）土壤类型不同，反射波谱相异 如半沙漠地区的土壤，反射率较高，在近红外波段和植物的反射率几乎相当，而在红光波段相差很大；黑土的反射率在所有波段都很低。2）土壤颗粒小的表面反射率大，大的反射率小。3）含水量 干燥土壤具有较高的反射率，如果土壤中所含水分不超过某一湿度界线时，潮湿土壤的反射率几乎不变；当土壤中所含水量大于某一湿度界线时，反射率显著降低；当土壤被一薄水层包围时，反射率再次上升。4）矿物成份 石英含量高时，土壤有较高的反射率，黑云母的含量高时，则反射率低。土壤中腐殖质与铁的氧化物之比较小时，光谱曲线在红光段有一个最大的反射值。如果土壤表面形成一层盐壳，在可见光波段具有相当高的反射率(6085)。雪 雪的反射光谱和太阳光谱很相似，在0.40.6m波段有一个很强的反射峰，反射率几乎接近100%，因而看上去是白色，随着波长的增加，反射率逐渐降低，进入近红外波段吸收逐渐增强，而变成了吸收体。雪的这种反射特性在这些地物中是独一无二的。 沙漠 在橙光波段0.6m附近有一个强反射峰，因而呈现出橙黄色，在波长达到0.8m以上的长波范围，其反射率比雪还强。 湿地 潮湿地在整个波长范围内的反射率均较低，当含水量增加时，其反射率就会下降，尤其在水的各个吸收带处，反射率下降更为明显。因而，在黑白像片上，其色调常呈深暗色调。 小麦 (植被) 其反射光谱曲线主要反映了小麦叶子的反射率，在蓝光波段（中心波长为0.45m）和红光波段（中心波段为0.65m）上有两个吸收带，其反射率较低，在两个吸收带之间，即在0.55m附近有一个反射峰，这个反射峰的位置正好处于可见光的绿光波段，故而叶子的天然色调呈现绿色。大约在0.7m附近，由于绿色叶子很少吸收该波段的辐射能，其反射率骤然上升，至1.1m近红外波段范围内反射率达到高峰。小麦反射率的这一特性主要受到叶子内部构造的控制。这种反射光谱曲线是含有叶绿素植物的共同特点（即叶绿素陡坡反射特征）。大气和环境对遥感的影响1）大气的吸收作用：A. 氧气：小于0.2 m；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。B. 臭氧：数量极少，但吸收很强。对航空遥感影响不大。0.2-0.36 m, 0.6 mC. 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水气对红外遥感有极大的影响。D. 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。2）散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。6、瑞利散射-由尺寸远远小于电磁波波长（半径a小于波长的1/10以下）的微粒引起的散射。（其散射能力与波长的关系： 1/4 ，其散射能力与波长有关，属于选择性散射。波长愈短，散射能力愈强。）7、米氏散射-由半径a大于波长（尺寸与波长相当）的微粒引起的散射。（水滴、烟尘、花粉、气溶胶）（ 散射强度几乎与波长无关，各波段基本一致，为非选择性的散射； 较强的向前散射能力，散射强度受气候影响大。）8、无选择性散射：当大气中例子的直径比波长大得多是发生的散射。这种散射的强度与波长无关。9、晴朗的天空为什么呈蓝色？答：瑞利散射是由尺寸远远小于电磁波波长（半径a小于波长的1/10以下）的微粒引起的散射，因此大气分子对可见光的散射为瑞利散射，并且波长越短，散射能力越强，而可见光中蓝光波长较短，散射能力较强。在晴天，天空呈蓝色就是这个原因。10、云、雾为什么呈白色？答：米氏散射是由由半径a大于波长（尺寸与波长相当）的微粒引起的散射。米氏散射与波长几乎无关，是一种非选择性的散射。大气中的晶粒、水滴、尘烟、气溶胶等，半径a都大于波长，使得太阳光中各波段的散射强度几乎相等。正是这种非选择性散射，使云、雾表现为白色。11、微波的全天全时：微波波长在1mm-1m之间，微波波长比粒子的直径大得多，属于瑞利散射的类型，散射强度与波长的四次方成反比，波长越长散射强度越小，所以微波才有可能有最小散射、最大透射，具有穿云透雾的能力。（由于其波长比可见光红外线要长，受大气层中云，雾的散射干扰要小），因此能全天候进行遥感。微波遥感采用主动方式进行遥感成像，不受光照等条件的限制，白天晚上均可进行地物的 微波特性成像，因此微波是一种全天时的遥感技术。12、大气窗口-电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段。第三章13、传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。是遥感技术的核心部分。它的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。14、传感器的分类1）按工作方式分为：主动方式传感器：侧视雷达、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）、TM、ETM、HRV、红外扫描仪等。2）传感器按照记录方式： 非成像方式：探测到地物辐射强度，以数字或者曲线图形表示。成像方式： 地物辐射（反射、发射或两个兼有）能量的强度用图象方式表示。 3）按成像原理和获取图像的性质不同可以分为：1、摄影类传感器：单镜头框幅式摄影机、缝隙式摄影机、全景式摄影机、多光谱摄影机2、扫描类传感器：1、对物面扫描的：红外扫描仪、MSS多光谱扫描仪、TM专题制图仪、ETM+增强型专题制图仪 2、HRV线阵列扫帚式扫描仪、成像光谱仪3、雷达红外扫描仪的瞬时视场由探测器尺寸d和扫描仪焦距f的关系为：=d/f; 红外扫描仪的空间分辨率由瞬时视场和行高决定，即=H，故=dH/f15、 传感器的组成收集器：收集地物的辐射能量。探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。处理器：将探测后的化学能或电能等信号进行处理。输出器：将获取的数据输出。16、缝隙式摄影机：卷片速度与景物在相机焦平面内移动的速度Wi相等。Wp=Wi=W.fH。W飞机或卫星的地速，H平台高度，f相机焦距。17、全景式相机：全景畸变：由于全景相机在成像过程中焦距保持不变，而物距随扫描角的增大而增大，因此在图像上会出现两边比例尺逐渐缩小的现象。简要说明LANDSAT卫星七个波段的主要特点。（注：各波段波长范围，TM1 0.45 0.52 m，TM2 0.52 0.60 m，TM3 0.63 0.69 m，TM4 0.76 0.90 m，TM5 1.55 1.75 m，TM6 10.4 12.5 m，TM7 2.08 2.35 m）答：TM1，蓝波段。对水体穿透力强，对叶绿素与叶色素浓度反映敏感。 TM2，绿波段。对健康茂盛植物绿反射敏感，对水的穿透力较强。TM3，红波段。为叶绿素的主要吸收波段。TM4，近红外波段。对绿色植物类别差异最敏感。TM5，中红外波段。处于水的吸收带。TM6，热红外波段。它记录的是地物自身的热辐射信息。TM7，短波红外。处于水的强吸收带，水体呈黑色。卫星的相关参数见课堂笔记地球资源卫星数据 1）Landsat数据：陆地卫星的运行特点： （1）近极地、近圆形的轨道；（2）轨道高度为700900 km；（3）运行周期为99103 min/圈；（4）太阳同步卫星。 MSS数据：以64级辐射亮度来描述不同地物的光谱特性。 TM数据(Landsat-4,5)：以256级辐射亮度来描述不同地物的光谱特性。地面分辨率30米。 ETM数据：是第三代推帚式扫描仪，是在TM基础上改进和发展而成的一种遥感器。 2）spot数据：数据按8bit记录，被有效编码为256个量化级。探测器的灵敏度高、辐射分辨率高。重复周期26天。3）IKONOS数据：具有太阳同步轨道，轨道周期为98.3 min，重复周期l3 d。 4）QuickBird数据：目前是世界上分辨率最高的商业遥感数据之一，为0.61 m，幅宽16.5 km。 5）CBERS数据：CBERS采用太阳同步极轨道。卫星重访地球上相同地点的周期为26天。WFI的分辨率可达256m，IR-MSS可达78m和156m，CCD为19.5m。 6）JERS数据：日本地球资源卫星。地面距离向和方位向的分辨率均为18 m。 7）IRS数据：印度遥感卫星1号。地面分辨率高达5.8m，带宽70km遥感图像的特征：空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率、时间分辨率1）空间分辨率：又称地面分辨率，前者针对传感器或图像而言，指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小，或指遥感器区分两个目标的最小角度或线性距离的度量；后者针对地面而言，指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小。 空间分辨率的三种表示方法：像元（pixel）、线对数（line pairs）、瞬时视场2）图象的光谱分辨率：波谱分辨率是指传感器在所选用的波段数量的多少、各波段的波长位置，波长间隔的大小。即选择的通道数、每个通道的中心波长、带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率。最小波长间隔越小，分辨率越高。3）辐射分辨率：辐射分辨率是指传感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力。即探测器的灵敏度-遥感器感测元件在接受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。 辐射分辨率一般用灰度的分级数来表示，即最暗最亮灰度值间分级的数目量化级数。4）图象的时间分辨率：时间分辨率指对同一地点进行采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。遥感图像处理的主要内容：1、几何处理2、辐射处理3、图像滤波与增强4、图像变换5、特征提取6、遥感分类7、信息融合8、专题信息提取与目标识别色调：全色遥感图像中从白到黑的密度比例，也叫灰度。是识别目标地物的基本依据。遥感图像的存储格式：BSQ band sequential 波段交叉式，处理一个波段式最为方便；BIP band interleaved by pixel 像元交叉式 适于提取典型地物光谱曲线，分析遥感图像光谱特征，依据光谱特征进行合成、增强以及自动识别分类处理；BIL 行交差式，比较节省存储空间确定图像像元的灰度值范围，以适当的灰度间隔为单位将其划分为若干等级，以横轴表示灰度级，纵轴表示每一灰度级具有的像元个数或该像元占总像元数的比例值，作出的条形统计直方图即为灰度直方图。图像直方图描述图像中每个亮度值（DN）的像元数量的统计分析。遥感数字图像预处理：图像校正是从具有畸变的图像中消除畸变的处理过程，消除几何畸变的称为几何校正，消除辐射是真的成为辐射校正。遥感图像在获取过程中，因传感器、遥感平台以及地球本身等方面的原因导致原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与参照系统中的表达要求不一致时，就产生了图像几何畸变，这种畸变称为几何畸变。遥感图像几何畸变的来源：1、传感器成像方式引起的图像变形（全景畸变、斜距投影变形）2、传感器外方为元素变化的影响3、地形起伏的影响4、地球表面曲率的影响5、大气折射的影响6、地球自转的影响航空摄影像片投影误差规律。由于地面起伏，高于或低于基准面的地面点，在像片上的像点对于它在基准面上的垂直投影点的像点所产生的直线位移，叫做投影误差。(1)投影误差像点位移的路线和方向由地面起伏引起的像点位移是在像点与像底点的连线上。当h为正值时(即地面点高于基准面)，像点由原位置背离像底点方向移动，当h为负值时(即地面点低于基准面)，像点则由原位置向着像底点方向移动。(2)投影误差的计算公式 hh 式中：h表示投影误差，为像点至像底点的辐射距，h为地物点相对基准面的高差，为基准面航高，由上式可得：1)投影误差与辐射距成正比，即像点离像底点越远，投影误差越大，像片中心部位投影误差小，像底点处不存在投影误差。2)投影误差与航高成反比，航高愈大，引起的像点位移愈小。3)投影误差与高差成正比，高差越大，投影差越大，反之就小。己知：H0=2150m，ha=950m,Lo=291mm,La=219mm Lb=231mm，求B点海拔高度?解：hb-aHa （2150-950）1200-240(m) hb= ha+hb-a=950-240=710(m)答： B点海拔高度为710m遥感图像几何校正：目的是消除几何畸变的图像中的几何畸变，任务是定量的确定图像上的坐标与目标物的地理坐标的对应关系。遥感图像几何校正方法准备工作 输入原始数字影像 建立校正变换函数 确定输出范围 像元几何位置变换 像元灰度重采样 输出校正数字影像 1）图像配准：同一区域里一幅图像对另一幅图像的校准，以便两幅图像中的同名像元配准。 2）图像纠正：借助于一组地面控制点，对一幅图像进行地理坐标的校正。 3）图像地理编码：是一种特殊的图像纠正方式，把图像纠正到一种统一标准的坐标系。 4）图像正射投影校正：借助于地形高程模型(DEM)，对图像中每个像元进行地形变形的校正，使图像符合正射投影的要求。 5）基本思路：把存在几何畸变的图像，纠正成符合某种地图投影的图像，且要找到新图像中每一像元的亮度值。 6）具体步骤： 选取控制点； 建立整体应设函数，数据的空间变换：空间坐标的计算问题：向前映射法（直接法）g(x,y)=f(a(x,y),b(x,y)；向后映射法（间接法）f(a(x,y),b(x,y) = g(x,y) 。 像元灰度插值： 最近邻插值：在待求像素的四个邻近像素中，输出像素的灰度等于离它所映射位置最近的输入象素的灰度值。双线性插值：利用待求像素四个邻近像素的灰度在两个方向作线性内插。三次内插法（高阶插值）：利用待插值点周围的16个邻点像素值。内插方法的选择：内插方法的选择除了考虑图像的显示要求及计算量，还要考虑内插结果对分类的影响当纹理信息为主要信息时，最邻近采样将严重改变原图像的纹理信息但当灰度信息为主要信息时，双线性内插及三次内插法将减少图像异质性，增加图像同质性，其中，双线性内插方法使这种变化更为明显 7）图像间的自动配准：图像相关是利用两幅图像的相关函数，评价它们的相似性以确定同名点。首先取出待定为中心的小区域中的图像然后取出其在另一图像中相应区域的图像计算两者的相关函数，以相关函数最大值对应的相应区域中心点为同名点，即以图像分布最相似的区域为同名区域，其中心点为同名点。几何配准：不同类型传感器获得的遥感数据在分辨率、比例尺、投影方式等方面往往差异较大，在实际应用中又经常需要将同一地区的各种遥感数据“匹配”起来，一边利用各自优点。比值、边缘、彩色、反差增强的作用反差增强：改善影像密度的差异，提高地物影像的对比度，以利判读。彩色增强：把以灰度显示的黑白图像变换为彩色图像，大大增强图像判读效果。比值增强：能扩大不同地物的微小差异，也可用于消除或减弱光照条件的影响。边缘增强：增强地面上具有线性特征的地物在影像上的显示。伪彩色密度分割：将一幅单波段黑白遥感图像按灰度的大小，划分为不同的层，并对每层赋予不同的颜色，使之变为一幅彩色图像的方法。在红外波段，水体的吸收很强，在图像上表现为接近黑色；沙地的反射率高，取较亮的分割点就可以以彩色分理处沙地。假彩色合成：根据假色法彩色合成原理，选择遥感影像的某三个波段，分别赋予红、绿、蓝三种原色，由于原色的选择与原来遥感波段所代表的真实颜色不同，因此生成的和成色不是地物真实的颜色，这种合成方法叫做假彩色合成发。在这种合成图像上，植被由于在近红外波段的光谱反射率远远高于在其他可见光波段的光谱反射，呈现出不同程度的品红到红色，易于识别，水在近红外波段的光谱反射率很低，表现为蓝到青色。植被指数：根据植被光谱反射率的差异作比值运算可以突出图像中植被的特征、提取植被类别、估算绿色生物量，通常这类能够提取植被信息的算法成为植被指数。多光谱变换 1）多光谱变换:针对多光谱影象存在的一定程度上的相关性以及数据冗余现象，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目的的方法。 K-L变换：离散变换的简称，又称主成分变换。它是对某一多光谱图像X.利用K-L变换矩阵A进行线性组合,而产生一组新的多光谱图像Y。变换后的主分量空间与变换前的多光谱空间坐标系相比旋转了一个角度。新坐标系的坐标轴一定指向信息量较大的方向。可实现数据压缩和图像增强。 K-T变换：也称缨帽变换.是一种坐标空间发生旋转的线性变换，旋转后的坐标轴指向与地面景物有密切关系的方向。训练样区指的是图像上那些已知其类别属性，可以用来统计类别参数的区域。3、遥感图像增强主要解决什么问题？答：改善图像的视觉效果，使图像易于判读、识别和理解。4、遥感图像变换主要解决什么问题？答：对多波段图像、多时相图像进行数学运算，生成新影像。5、遥感图像分类主要解决什么问题？答：将遥感图像上同类性质的像素进行归类（主要采用多光谱图像）。如：非监督分类；监督分类；分类后处理；类别合并、统计等；分类结果的评价。6、遥感图像几何处理主要解决什么问题？基本原理是什么？答：几何处理主要是指几何校正，主要用来消除倾斜误差、投影误差，规化比例尺。（1）系统性方法（成像模型法）：按照成像时的物像关系（共线方程关系），建立待校正图像与校正后的图像对应像点之间的对应关系，并以此进行图像上各像素的位置计算。（2）非系统性方法（近似法）：选取一定的函数关系式，模拟待校正图像与校正后的图像上对应像点之间的对应关系，并以此进行图像上各像素的位置计算。监督分类与非监督分类方法比较1）根本区别在于是否利用训练场地来获取先验的类别知识。监督分类的关键是选择训练场地。训练场地要有代表性，样本数目要能够满足分类要求。此为监督分类的不足之处。非监督分类不需要更多的先验知识，据地物的光谱统计特性进行分类。当两地物类型对应的光谱特征差异很小时，分类效果不如监督分类效果好。监督分类的优缺点： 主要优点：自主确定分类类别、控制训练区的选择、检测训练区的精度来控制分类精度、避免非监督分类中对光谱集群组的重新归类。 缺点：人为主观因素较强、同物异谱造成训练样本的代表性较差、训练样本的选取和评价较为费时费力、只能识别训练样本定义的类别非监督分类的优缺点： 主要优点：不需要预先对研究区广泛了解和熟悉、人为误差的机会减少、独特地、覆盖量小的类别均能被识别缺点：分类后的光谱集群组不一定对应于分析者想要的类别分析者较难对产生的类别进行控制、由于同物异谱造成分类后的同一地区不同图像间的对比困难 3S技术的概念及其作用1）地理信息系统的概念及功能：概念：地理信息系统（GIS）是在计算机硬件和软件支持下，运用地理信息科学和系统工程理论，科学管理和综合分析各种地理数据，提供管理、模拟、决策、规划、预测和预报等任务所需要的各种地理信息的技术系