北京建筑大学 遥感基础 第六次课-遥感影像地学分析与应用课件

第七章遥感影像地学分析与应用3/27/20231本章内容7.1遥感影像地学分析方法7.2植被信息提取与应用7.3水体信息提取与应用7.4居民地特征提取7.5土壤信息提取与应用7.6高光谱遥感及应用3/27/20232本章要求本章主要讲述遥感影像在地学方面的应用，要求学生了解遥感技术在地学方面的主要应用领域，以及在该领域中遥感技术应用的一般原理和基本方法。3/27/202337.1遥感影像地学分析方法（续）地学（地理、地质、气象等）背景知识遥感影像的尺度特征混合像元光谱分辩率时间分辩率（影像获取时间）3/27/202357.2植被信息提取与应用植被光谱特征与影响因素不同植物类型信息的提取植物遥感应用3/27/202361）植被光谱特征与影响因素植被调查是遥感的重要应用领域。植被是环境的重要组成因子，也是反映区域生态环境的最好标志之一，同时也是土壤、水文等要素的解译标志。个别植物还是找矿的指示植物。植被解译的目的是在遥感影像上有效地确定植被的分布、类型、长势等信息，以及对植被的生物量作出估算，因而可以为环境监测、生物多样性保护、农业、林业等有关部门提供信息服务。3/27/20237叶子的颜色：植物叶子中含有多种色素，在可见光范围内，其反射峰值落在相应的波长范围内。叶子的组织构造叶子的含水量植物覆盖程度（2）影响植物光谱的因素3/27/20239不同植物类型的区分不同植被类型，由于组织结构不同，季相不同，生态条件不同，而具有不同的光谱特征、形态特征和环境特征，在遥感影像中可以表现出来。在0.8～1.1微米的近红外光影像上，可以有效地区分出针叶树、阔叶树和草本植物。2）不同植物类型信息的提取3/27/202310利用植物的物候期差异来区分植物，也是植被遥感重要方法之一。最明显的是冬季时，落叶树的叶子已经凋谢，叶子的色素组织都发生变化，在遥感影像上显示不出植物的影像特征，无论是可见光区和近红外光区，总体的反射率都下降，蓝光和红光的吸收谷都不明显。而常绿的树木仍然保持植物反射光谱曲线特征，两者很容易辨别。3/27/202311在高分辨率遥感影像上，可比较直接地确定乔木、灌木、草地等类型，还可以分出次一级的类型。草本植物在高分辨遥感影像上表现为大片均匀的色调，由于草本植物比较低矮因而看不出阴影。灌木：遥感影像呈不均匀的细颗粒结构，一般灌木植株高度不大，阴影不明显。乔木：形体比较高大，有明显的阴影，根据其落影可看到其侧面的轮廓。从乔木的树冠也可明显地识别出其阳面和阴面（本影）以及树冠的形状，并结合其纹理结构的粗细，明确区分出针叶树和阔叶树，甚至具体的树种。3/27/202313植物生长状况的解译健康的绿色植物具有典型的光谱特征。当植物生长状况发生变化时，其波谱曲线的形态也会随之改变。如植物因受到病虫害，农作物因缺乏营养和水分而生长不良时，海绵组织受到破坏，叶子的色素比例也发生变化，使得可见光区的两个吸收谷不明显，0.55微米处的反射峰按植物叶子被损伤的程度而变低、变平。近红外光区的变化更为明显，峰值被削低，甚至消失，整个反射光谱曲线的波状特征被拉平。健康植物轻微受损严重受损3/27/202314遥感植被解译有极为广泛的用途，资源卫星都把植被的探测作为重要的目标，无论是传感器波段的选择或是重复周期（时相分辨率）的选择都充分考虑植被的生长规律。植被制图城市绿化调查与生态环境评价草场资源调查林业资源调查……3）遥感植被解译的应用3/27/202315遥感植被解译的应用城市绿化调查与生态环境评价：改善城市的生态环境，提高城市绿化水平是我国城市生态建设的重要问题。近20年来，我国应用高分辨率遥感影像进行城市绿化调查已取得了显著的成效。我国的几个主要特大城市都进行过这方面的工作，上海市曾在航空遥感综合调查中，通过遥感影像解译与野外实测相结合找出遥感影像特征与植株高度、胸径的关系，提出“三维绿化指数”或“绿量”指标，以代替原先的“绿化覆盖率”指标来评价城市绿化水平。相同面积的草地、灌木和乔木具有相同的“绿化覆盖率”，但具有不同的“绿量”，其中，乔木具有最高的“绿量”，而草地的绿量最小，同样面积的乔木制氧和净化空气的效率为草地的4～5倍。这对改善城市生态建设和管理的理论和实践都有重要指导意义。3/27/202317遥感植被解译的应用草场资源调查：牧草的产量与长势的好坏直接相关，而产草量是载畜量的决定因素。我国在内蒙古草场、天山北坡草场等遥感综合调查中，应用遥感技术确定草场类型，进行草场质量评价。内蒙古草场资源遥感结合地面样点光谱测量数据，指出比值植被指数与产草量有良好的关系，计算草场总产草量。在具体工作中还可以划分出不同草场类型，不同产草量等级，分别确定合理的载畜量。3/27/202318遥感植被解译的应用林业资源调查：林业部门是我国采用遥感技术进行资源调查最早的部门之一，在我国的各大林区都应用过遥感影像制作森林分布图、宜林地分布图等。其中尤其是1987—1990年之间全面开展的“三北”防护林遥感综合调查的重点科技攻关项目，对横贯我国的东北、华北和西北已建的防护林网的分布、面积、保存率和有效性进行评估。在调查研究中采用陆地卫星TM影像，国土卫星影像和试点区的航空遥感影像进行解译，制作了林地分布、立地条件、土地利用、土地类型等多种专题图。3/27/202319水体遥感的主要任务水体遥感监测的主要任务是通过对遥感影像的分析,获得水体的分布、泥沙、有机质等状况和水深、水温等要素的信息，从而对一个地区的水资源和水环境等作出评价，为水利、交通、航运及资源环境等部门提供决策服务。3/27/2023211）水体的光谱特征太阳光照射到水面，少部分被水面反射回空中，大部分入射到水体。入射到水体的光，又大部分被水体吸收，部分被水中悬浮物（泥沙、有机质等）反射，少部分透射到水底，被水底吸收和反射。被悬浮物反射和被水底反射的辐射，部分返回水面，折回到空中。因此遥感器所接收到的辐射就包括水面反射光、悬浮物反射光、水底反射光和天空散射光。3/27/2023221）水体的光谱特征（续一）在可见光范围内，水体的反射率总体上比较低（一般为4%～5%），并随着波长的增大逐渐降低，到0.6微米处约2%～3%，过了0.75微米，水体几乎成为全吸收体。因此，在近红外的遥感影像上，清澈的水体呈黑色。为区分水陆界线，确定地面上有无水体覆盖，应选择近红外波段的影像。水体在微波1mm～30cm范围内的发射率较低，约为0.4%。平坦的水面，后向散射很弱，因此侧视雷达影像上，水体呈黑色。故用雷达影像来确定洪水淹没的范围也是有效的手段。3/27/2023231）水体的光谱特征（续二）含有泥沙的浑浊水体与清水比较，光谱反射特征差异：浑浊水体的反射波谱曲线整体高于清水，随着悬浮泥沙浓度的增加，差别加大；波谱反射峰值向长波方向移动（“红移”）。清水在0.75微米处反射率接近于零，而含有泥沙的浑浊水至0.93微米处反射率才接近于零；随着悬浮泥沙浓度的加大，可见光对水体的透射能力减弱，反射能力加强。有时，近岸的浅水区，水体浑浊度与水深呈一定的对应关系，浅水区的波浪和水流对水底泥沙的扰动作用比较强烈，使水体浑浊，故遥感影像上色调较浅。而深水处扰动作用较弱，水体较清，遥感影像上色调较深。这种情况下，遥感影像的色调间接地反映了水体的相对深度。

3/27/2023251）水体的光谱特征（续三）波长较短的可见光，如蓝光和绿光对水体穿透能力较强，可反映出水面下一定深度的泥沙分布状况。在洪泽湖的试验表明，0.5～0.6微米的影像可反映2.5m水深的泥沙；0.6～0.7微米的影像可反映1.5m水深的泥沙；0.7～0.8微米影像反映0.5m泥沙；0.8～1.l微米仅能反映水面0.02mm厚水层的泥沙分布状况。因此，以不同波段探测泥沙可构成水中泥沙分布的立体模式。3/27/202326

水体遥感（或水环境遥感）的内容（1）水资源调查与预测－水文要素提取、水质、水系变化提取；（2）水污染监测；（3）水环境监测－叶绿素、水色、泥沙、污染物；（4）洪涝旱灾害监测－淹没面积以及损失评估、洪水演进；（5）水土流失调查－强度分级、及其动态变化；（6）河口河道湖泊水库淤积调查；（7）大型工程和环境效益评估。3/27/202329

确定各水质变化水质指标水生物变量应用颜色植物基、藻、可溶性化学物质食物供给、食物链研究混浊度入口处水的运动水体动力学、测深泥沙悬移质泥沙浓度湖泊泥沙研究、侵蚀源营养状态颜色、混浊度、温度氮形态、生产率热污染温度热污染源、热分布图、工程结构评价3/27/202330

水污染监测水污染的类型和遥感表征3/27/202331水污染监测的物理基础

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水污染监测的物理基础（2）3/27/202333

水环境监测利用航空热红外扫描图像确定热电厂排水口处水体的热污染；利用SAR图像确定海面油污染的范围及用红外扫描仪确定油膜的厚度；利用TM图像确定水生物（藻类）、赤潮的范围等等都是遥感技术应用的例子。采用高光谱对水体所含化学要素的定量研究正在官厅水库和太湖进行，为进行大面积的水环境监测提供先进而价廉的方法，从而取代传统的水样化验方法。3/27/202334

洪涝灾害监测TM和MSS探测器必须在晴朗无云的条件下才能正常工作，但在洪水泛滥的时候这些天气条件很少见，卫星探测的云层下的洪水数据是不可信的。机载和星载孔径雷达（SAR）凭借其能穿透云层和全天候探测的能力显示出探测洪水范围的潜力。1998年长江和松花江洪水的遥感监测。3/27/2023353/27/202336水土流失调查土壤侵蚀量的大小受自然因素和人类活动的综合影响。除了与降雨、径流过程有关外，还与土壤、岩性、地质、地貌、植被、地形、土地利用、水系分布等因素有密切关系，而遥感技术在获取这些宏观信息方面具有独特的优势。根据动力作用类型，土壤侵蚀可分为水蚀、风蚀和融冰侵蚀三大类型；根据侵蚀强度，土壤侵蚀可分为剧烈、极强、强、中、轻及微6个等级；而根据侵蚀的危险程度，可分为毁坏、极险、危险、较险和无险5等。3/27/202337

水土流失调查（续）全国第一次土壤侵蚀遥感普查；全国第二次土壤侵蚀遥感普查；通过这次普查，除了可以了解目前全国土壤侵蚀的现状外，还应该了解近10年来各种水土保持措施所取得的效果，比较治沟、治坡等工程措施以及生物措施的效果。由遥感技术获取的下垫面信息，是研制流域产沙汇沙模型的基础资料。3/27/202338河口河道湖泊和水库泥沙淤积调查采用跨年代多时相遥感影像，分析冲淤的空间和时间变化。遥感资料与水文及其他测量资料的互补是必要的。利用多时相(包括建库后水位较低时)遥感影像及建库前的DEM，可以确定水库库容和库容曲线。与用GPS定位结合回声测深仪测量的方法相比，该方法快捷和成本低，但精度相对较差，其关键在于是否有水位足够低时的遥感影像。鉴于我国目前多数大、中型水库建库后没有进行过库容测量而淤积情况又比较严重，这种方法虽然精度稍差，仍不失为一种简捷有效的方法。3/27/202339对于湖泊而言，用以前的水下地形测量成果作DEM，也可以采用类似的技术途径测定湖泊蓄水容量的变化和蓄水量与水位的关系曲线。载有雷达测高仪的卫星的出现（如地球卫星、海洋卫星，ERS—1和最近美国/法国的TOPEX/Poseidon型卫星）使对湖泊和大型河流的水位测量成为现实，且精度可推至厘米级。TOPEX/Poseidon型卫星的任务是获得地球各大洋外貌的全球视图。提供充分准确的数据来改进预测大洋循环运动的模型。3/27/202340大型工程选址和环境效益评估大型工程的建设对拟建地的自然条件特别是工程地质条件有许多严格的要求，还需要从技术经济的角度对不同方案进行评价，遥感技术可以提供各种所需的信息，提高工作的效率和质量。在三峡、小浪底、万家寨、二滩、东风及龙滩等水电站，以及引沁入汾和珠澳供水等工程中都广泛利用了遥感资料，这些资料在区域稳定性评价和选择规划方案等方面起了重大作用。3/27/202341

例：深圳湾填海和河道整治3/27/202342水库建设环境效益评估中的重要内容之一是水库的淹没调查，它涉及到移民、安置和赔偿等一系列复杂而敏感的问题。遥感技术可以调查淹没损失，在三峡、二滩及黑龙江上中游梯级开发规划中和十几个水库都采用了这一技术方法。遥感技术还可以调查移民安置区的环境容量，确定安置区在水、土（坡度较小的可开垦耕地的面积）和其他资源方面承受移民的能力。3/27/2023437.4居民地特征提取研究意义AVHRR影像上的居民地识别提取TM图像上的居民地识别提取SAR图像上的居民地识别提取3/27/2023441）研究意义为灾害评估提供所需居民地空间分布信息为了解人地关系服务为社会、经济和人文等数据的空间化服务为居住用地监测以及人居环境建设服务3/27/2023452）AVHRR影像上的居民地识别提取AVHRR影像上居民地的影像特征分析在3（红）、2（绿）、1（蓝）假彩色合成图像上可以看出，特大城市、大城市、中等城市，无论是位于山区还是平原，都能在影像上识别出来。这些城市在影像上呈暗灰蓝色，当其周围为农田时，其周边呈灰蓝色，当为森林时，呈浅黄色，当为水体时，呈红色。3/27/2023463/27/2023473）TM图像上的居民地识别提取居民地在TM影像上的机理分析农村居民地其房屋宽度大部分不超过28.5m，长度有可能超过28.5m，影像记录的通常是房屋及其周围的空地、散生树木组成的混合像元。城市居民地在镇的核心区一般多为2～3层的楼房、平房等，房顶多为水泥平顶、瓦盖尖顶。一般房屋间有比较窄的空地，空地一般多为泥土面，部分为水泥面。居民地内也有一些散生的树木等绿地。3/27/2023483）TM图像上的居民地识别提取

图中粉红色的斑块即为乡镇级居民地，其内部有一定的纹理特征，基本可以识别到与其相连的道路。3/27/2023494）SAR图像上的居民地识别提取居民地与背景地物亮度值分析

对RadarsatSAR图像上的各种典型地类进行采样，并对采样数据进行统计，得到典型地物的亮度均值、中值、方差、最小值和最大值，地类均值中值方差最小值最大值样点数城镇13412157282552413集村979033252551110林地554921181522012农地4848112284774水体151536273085山坡1171122759218363总体56542302553/27/2023507.4土壤遥感及应用土壤遥感的任务是通过遥感影像的解译：识别和划分出土壤类型；制作土壤图；分析土壤的分布规律，为改良土壤、合理利用土壤服务。3/27/202351在地面植被稀少时，土壤的反射曲线与其机械组成和颜色密切相关。颜色浅的土壤具有较高的反射率，颜色较深的土壤反射率较低。黑土反射率远低于浅色的黄壤。1）土壤的光谱特征3/27/202352在干燥条件下同样物质组成的细颗粒的土壤，表面比较平滑，具有较高的反射率，而较粗的颗粒具有相对较低的反射率。有机质含量高，也使反射率降低。3/27/202353土壤水的含量增加，使反射率曲线平移下降，并有两个明显的水分吸收谷，但当土壤水超过最大毛管持水量时，土壤的反射光谱不再降低，而当土壤水处于饱和状态或过饱和状态，使土壤表面形成一层薄薄的水膜，在地表平坦时，接近于镜面反射，其反射率反而增高。含水量0-4%含水量5-12%含水量22-32%3/27/202354当土壤表面有植被覆盖时，如覆盖度小于15%，其光谱反射特征仍与裸土相近。植被覆盖度在15%～70%时，表现为土壤和植被的混合光谱，光谱反射值是两者的加权平均。植被覆盖度大于70%时，基本上表现为植被的光谱特征。此外，土壤的光谱特征还受到地貌、耕作特点等影响。3/27/2023553/27/202356土地覆盖变化监测3/27/202357土地覆盖变化监测3/27/202358土地覆盖变化监测3/27/2023593/27/2023603/27/2023613/27/2023623/27/2023633/27/2023643/27/2023653/27/2023667.5高光谱遥感与应用1）高光谱遥感高光谱遥感是高光谱分辨率遥感（Hyper-spectralRS）的简称。是在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，获取许多非常窄的光谱连续的影像数据的技术。其成像光谱仪可以收集到上百个非常窄的光谱波段信息。3/27/202367高光谱遥感与一般遥感的区别高光谱遥感的成像光谱仪可以分离成几十甚至数百个很窄的波段来接收信息；每个波段宽度仅小于10nm；所有波段排列在一起能形成一条连续的完整的光谱曲线；光谱的覆盖范围从可见光到热红外的全部电磁辐射波谱范围。一般的常规遥感不具备这些特点，常规遥感的传感器多数只有几个，十几个波段；每个波段宽度大于100nm；更重要的是这些波段在电磁波谱上不连续。3/27/202368例如：TM数据第三波段为0.63～0.69微米，而第四波段是0.76～0.90微米，中间0.69～0.76微米之间完全没有数据。所有波段加起来也不可能覆盖可见光到热红外的整个波谱范围。就第四波段而言，其宽度是140nm。如果换成10nm宽的高光谱数据，TM的一个波段在高光谱里对应14个波段，高光谱的信息量大大增加。3/27/2023692）高光谱遥感的应用