遥感地质学基础

遥感地质学基础

某大学精品课程

目录

第一章概述...............................................................2

1.1学习本门课程的基本原则............................................2

1.2本门课程的教学目标................................................2

1.3遥感机理及系统介绍................................................2

1.4遥感图像处理流程简介..............................................3

1.5遥感应用..........................................................6

第二章电磁波谱及地物波谱特征.............................................8

2.1电磁波谱与电磁辐射................................................8

2.2太阳辐射及大气对辐射的影响.......................................10

2.3地球的辐射与地物波谱............................................12

第三章遥感图像的恢复....................................................17

3.1遥感图像畸变.....................................................17

3.2遥感图像的辐射校正...............................................18

3.3遥感图像的儿何校正.............................................19

第四章遥感图象的数字镶嵌与融合........................................22

4.1遥感图象数字镶嵌...............................................22

4.2遥感图象数字融合................................................29

第五章图像变换..........................................................33

5.1傅立叶变换......................................................33

5.2K-L变换......................................................39

5.3定向变换.........................................................41

5.4典型成分变换.....................................................41

5.5缨帽变换.........................................................41

5.6其它离散图像变换.................................................42

第六章图像增强..........................................................50

6.1点处理..........................................................50

6.2空间域滤波.......................................................53

6.3频域滤波.........................................................56

6.4彩色增强.........................................................61

6.5图像的代数运算...................................................64

第七章遥感图像分类......................................................68

7.1遥感图像分类概述.................................................68

7.2遥感图像的非监督分类.............................................71

7.3监督分类.........................................................75

7.4遥感图像分类中的若干问题........................................86

第一章概述

1.1学习本门课程的基本原则

由于遥感技术发展很快，就目前我们的学习而言，我们应着眼于基础理论和基本实

践。如果在以后的工作或学习中需要应用，则根据课程中所讲基本原理加上相应的技术

资料进行解决。

1.2本门课程的教学目标

（1）电磁波与地物的波谱特性；

（2）遥感传感器及其成像原理；

（3）遥感图像及其特征；

（4）离散图像变换；

（5）数字遥感图像的辐射度校正；

（6）遥感图像的儿何变换；

（7）遥感图像的儿何纠正与配准；

（8）数字图像增强；

（9）数字图像的计算机分数；

（10）数字图像的计算机分类；

（11）遥感数字图像处理系统。

1.3遥感机理及系统介绍

1.3.1遥感系统简介

D遥感的概念遥感（RemoteSensing）是通过某种传感器装置，在不直接接触研

究对象的情况下来测量、分析并判断目标性质的•门科学和技术。

心遥感的物理基础遥感的物理基础：（《遥感图像处理原理和方法》，杨凯，P9）

广义的辐射源包括所有绝对温度大于0°K的物体，这些物体在发射电磁辐射的同时也

被其它物体所发射的电磁辐射所辐照。地球上•切物体向空间辐射的电磁波中，,部分

是反射太阳辐射，一部分是物体自身的发射辐射（热辐射）。短波范围（0.3口m~2.5um）

主要是反射辐射，热辐射在大多数情况下可忽略不计；长波范围（6um以上）则以热辐

射为主，反射可以忽略不计；波长在2.5611m之间时，二者兼有。目前，遥感的主

要能源是太阳电磁辐射和地球的热辐射。图1T中的景物，也就是这里我们讨论的辐射

图。

心遥感平台携带遥感传感器的运输工具称之为遥感平台，按高度可分为地面、航

空和航天平台。“地面平台”包括三角架，遥感塔、遥感车（或船）、建筑物的顶部等,

主要用于在近距离上测量地物波谱和摄取供试验研究部等，主要用于在近距离上测量地

物波谱和摄取试验研究用的地物细节影像。“航空平台”包括在大气层以内E行的各类

飞行器，如气球，飞艇、飞机等。“航天平台”包括超出大气层的飞行器，如各种太空

飞行器和探空火箭。

◎遥感器遥感器就是远距离感测地物环境辐射或反射电磁波的仪器。（1）主动、

被动式；（2）成像、非成像；（3）扫描、非扫描式。常用的传感器：landsat上的RBV

（反束光导管摄像仪）；landsat上的MSS（多光谱扫描仪），4个波段；landsat上的

TM（专题制图仪），7个波段；SPOT上的HRV（高分辨率可见光扫描仪），3个波段。

心地面站地面站就是设置在地球上的进行太空通信的地面设备。Landsat地面站由

五部分组成：（1）地面测控中主；（2）地面接收中心；（3）地面数据处理中心；（4）

图像分析中心；（5）综合数据库。从中可以看出，遥感地面接收站的主要任务是监控

卫星运转情况，接收遥感和遥测数据，以及对信息进行数据处理和贮存等。

U遥感图象处理过程

1.3.2遥感新技术的应用

①1高光谱分辨率遥感：高光谱分辨率遥感技术的发展是上世纪未的最后二十年中

人类在对地观测方面所取得的重大技术突破之一，也是当前的遥感前沿技术。光谱分辨

率在10-2入（单位大约为10nm）的遥感信息称之为高光谱（HyperSpectral）遥感。

由于其光谱分辨率高达纳米（nm）数量级，往往具有波段多的特点，即在可见光到近12

外光谱区其充谱通道多达数十甚至超过100以上。已发射的高兴谱遥感卫星有美国EOS

计划中的中分辨率成像光谱仪（MODIS）和欧空局的中分辨率成像光谱仪（MERIS）等。

①1雷达微波遥感：雷达（Radar）意即无线电探测与测距（RadioDetectionand

Ranging）o雷达系统最早由军方研制使用，用来探测硬目标（一般为金属点目标）及

测距，但并不产生图像。真实孔经雷达（RAR）是最早的成像雷达系统，但其分辨率受

无线尺寸限制。SAR逐渐取代了RAR,SAR可装载在飞机上，也可装载在航天飞机或卫星

上。雷达工作在电磁波谱中可见光与热红外谱段之外的微波波段，通常1cm至100cm。

由于雷达是主动微波传感器，所以其具有不依赖光照和天气条件成像，可以全天时、全

天候地获取数据的优点，且长波和的微波还具有对地物的穿透性。

1.4遥感图像处理流程简介

I冬I像处理imageprocessing

图像处理的数学基础

1.4.1图像处理imageprocessing

指对于图像加工的各种技术方法的统称。处理手段包括光学处理、电子模拟处理（电

子光学处理）和数字处理等。遥感图像处理的内容主要有图像数字化、复原、几何校正、

增强、统计分析和信息提取、分类和识别等。

1.4.2图像处理的数学基础（见遥感大辞典之数学基础）

（1）线性代数：线性相关，线性空间，线性组合，线性变换，矩阵，酉空间，特

别征向量。

（2）图像变换：（离散）傅立叶变换，拉普拉斯算子，K-L变换。

（3）概率统计与误差：概率分布、分布密度、数学期望、方差、标准差、相关系

数、协方差矩阵、样本、直方图、权、回归分析、系统误差、随机误差。

（4）信息论：马尔可夫过程、嫡、信息量等。

1.4.3图像处理的地学基础

（1）天体与地球：太阳、地球、经纬度、时差。

（2）大气圈：对流层、平流层、中间层、电离层、逃逸区、热带、温带、寒带等。

（3）水圈：海、湖泊、水系、洪水、泛滥区。

（4）岩石圈：地质学、地层学、岩石学、地貌学、冰川、山系。

（5）生物圈：生态学、植被、土壤学、荒漠。

（6）地理圈：自然地理学，区划，地面控制点，地面实况调查。

1.4.4图像处理中的关键环节

◎遥感图像模型及函数表达

遥感图像是指通过检测和度量地物的电磁波辐射能所得到的图像，虽然它是多种多

样的，而且其所用的电磁波段可以不同，进而记录的辐射能、成像的方式以及摄像系统

等也会随之有差异或做不同的选择，但是还是可以从理论的角度归纳出•个具有普遍意

义的模型，即遥感图像的模型可以表示为某一时刻大，对于位于（x,y）坐标上的目标

物所收集到的在不同波长入和不同极化（偏振）方向6上的电磁波辐射能。一般，遥

感图像可用下式描述:L（x,y;t,X,4＞）=[l-p（x,y;t,X,4＞）],E（X）+p（x,y;t,入，

P）・I（x,y;t,入）式中：B（x,y;t,X,p）为目标的波谱反射率；E（入）是黑体

的波谱发射本领；I（x,y;t,X）为目标上的波谱辐射照度，即入射的辐射量；P表

示极化（偏振）方向；X代表波长；t为摄像时间。式中相加的前半部分用到了基尔

霍夫定律：对于不透时材料（半无穷浓度材料）发射率等于吸收率。

心遥感图像的信息内容：

遥感图像反映的信息内容主要有波谱信息、空间信息和时间信息等，它是遥感研究

的重要内容。遥感图像中每个像元的亮度值代表的是该像元中地物的平均辐射值，它是

随地物的成分、纹理、状态、表现特征及所使用电磁波段的不同而变化的，这种随上述

因素变化的特征称为地物的波谱特征。遥感图像不仅反映了地物的波谱信息，而且还反

映了地物的空间信息和形态特征，一般包括空间频率信息，边缘和线性信息、结构或纹

理信息以及几何信息等。空间信息是通过图像亮度值在空间上的变化反映出来的。遥感

影像是成像瞬间地物电磁波辐射信息的记录，图像的时间信息指的是不同时相遥感图像

的光谱信息与空间信息的差异。

心图像的数字化：

因为计算机是进行数字或逻辑运算的工具，它只允许一个个地接受并处理它事先约

定的有限个数的符或码字。因此，在图像处理之前，要设法将连续的图像函数变成一组

能代表它的数字，这一变换过程称为图像数字化，所得到的图像称为安数字图像。采取

的数字化方式分两步进行，分别是采样和量化。

心遥感图像的存储模式

了使遥感数据能够为用户所使用、建立种通用的存储格式是必不可少的。目前，

遥感图像数据主要是记录在磁带、磁盘或光盘上的，其中乂以记录在磁带上为最多，即

计算机兼容磁带（CCT）,但是随着光盘技术的发展，将会有越来越多的遥感数据存储

在光盘上。在遥感平台上（如飞机、卫星）的记录系统或卫星地面接收站的记录系统所

用的一般都是高密度磁带（HDT）。记录在各种介质上的遥感数据，除了有遥感的影像

数据处，还有与遥感图像成像条件有关的其它数据，如成像时间、光照条件等。对于CCT

的三种存储格式：BIP2,BIL,BSQ应了解。

心数字图像处理中包含的方法与内容

I.遥感图像的退化与恢复

遥感图像的降质主要可以归结为两大类：即遥感图像的辐射失真和几何畸变。出现

了图像的降质，我们必然要进行图像恢复，对于整个数字图像处理过程也可叫图像预处

理。为了使图像得到较好地恢复，所处理的图像必须经过儿何校正（儿何粗校正和儿何

精校正），车辐射校正以及噪声压抑等处理。

II.图像变换

图像变换指的是将图像从空间域转换到变换域的过程，它在图像处理中起着关键的

解晕行图像变换的目的就是为了使图像的处理过程简化。对于遥感图像的变换处理，在

以下两方面起着十分重要的作用：第一，（由于）图像在变换域进行增强处理要比在空

间域进行增强处理简单易行；第二，通过图像变换可以对较像进行特征抽取。目前，常

用的变换有：傅立叶变换，K-L变换，典型成分变换，余弦变换等。

III.图像增强

图像增强是数字图像处理的最基本的方法之一，在数字图像处理中受到广泛重视，

是具有重要实用价值的技术。其目的在于突出图像中的有用信息，扩大不同影像特征之

间的差别，从而提高对图像的解译和分析能力。需要注意的是，图像增强是个相对的

概念，一部分内容的增强也同时意味着另一部分内容的减弱。目前比较成功的方法有：

反差增强、空间域滤波、频率域滤波，代数过算增强，彩色增强等。

IV.遥感图像的分类

用计算机对遥感力像进行分类是模式识别技术在遥感技术领域中的具体应用，是遥

感数字图像处理的一个重要内容。遥感图像分类就是利用计算机通过对遥感图像中各类

地物的光谱信息和空间信息进行分析，选择特征，并用一定的手段将特征空间划分为互

不重叠的子空间，然后将图像中的各个像元划归到各个子空间区去。在遥感图像分类中，

按照是否有已知训练样本的分类数据，分类方法又分为两大类：即监督分类与非监督分

类。

V.图像的分割和描述

把一幅图像按一定规则划分出感兴趣的部分或区域叫做分割。分割的目的是把图像

分成一些带有某种专业信息意义的区域，这样可以满足科学应用。但是分割方法只能把

图像中具有不同平均灰度或结构特征的区域分离开。这时我们就需要对区域进行描述，

也就是对图像各组成部分的性质和彼此间的关系再进行描述和说明。

VI.纹理分析

纹理分析在计算机视觉、模式识别以及数字图像处理中起着重要的作用。纹理可以

用来探测和辨别不同的物体和区域、推断物体的表面方向、研究物体的形状、辨别各种

物体所具有的不同的纹理类型。因此，对图像纹理的描述、分割以及分类等，不仅是图

像处理的重要理论研究课题，而且也有着广泛的应用前景。

I.遥感图像的退化与恢复

II.图像变换

III.图像增强

IV.遥感图像的分类

V.图像的分割和描述

VI.纹理分析

1.5遥感应用

遥感应用大致可分为八个方面，它们分别是：农业与林业应用、地貌应用、地质与

矿产应用、气象与气候应用、海岸海洋与陆地水文应用、生态环境应用、社会文化应用、

军事应用。

以上八个方面的应用为政府正确的决策，为科学家进行深入而广泛的研究提供了丰

富的资料和详实的数据，使科学研究和政府决策的方向性更加明确。随着科学技术的发

展，为了更好地研究我们所处的地球，又引入了新的技术，也就是“3S”集成技术，这

使得我们的研究水平又向前跨了一大步。所谓“3S”技术即遥感(RemoteSensing)>

地理信息系统(GeographicInformationSystem)>全球定位系统(GlobalPositioning

System)的总称。在“3S”中，地理信息系统(GIS)具有采集、存贮、管理、分析和

描述整个或部分地球上与空间和地理分布有关的数据的重要作用。而全球定位系统

(GPS)则是利用多颗导航卫星的无线电信号，对地球表面某地点进行定位、报时或对

地表移动称体进行导航的技术系统。它主要表现为精确的定位能力和准确定时及测速能

力。遥感(RS)技术由于能动态地、周期性地获取地表信息，而成为了GIS数据库的数

据源，同时也可以利用遥感数的影像获取地面高程，更新GIS中的高程数据。

单元小结

本章就课程的教学原则和教学目标以及课程梗概作了概要的说明，需要让大家对整

个课程有个全面的了解。对于课程的教学原则和教学目标，我们应该在学习的时候有所

印象，这样对于学习的主动性和计划性都有所帮助。

而遥感系统简介及遥感新技术应用的介绍则是由于在未学习遥感课前，有的同学往

往会有一种神秘感，不太理解整个遥感系统的工作原理，觉得图象的获取、存储、管理、

处理、应用等过程比较神奇。所以需要同学们弄清楚遥感的物理、数学以及地学基础，

这样才会祛除学生对遥感的神秘感，以利于以后的进一步教学。同时由于我校地理信息

系统专业的课程安排中涉及遥感的课程只有这门课，所以在讲授中必然要讲到有关的

基础知识，以起到入门的作用。

关于遥感图像处理流程的简介主要是为了让大家对本课程的主要内容有所了解，从

总体上知道本课程的讲述脉络。最后的遥感应用则是为了让同学们知道遥感在现实生活

中的广泛应用，增加同学们的学习兴趣和热情。

巩固练习

1.遥感的基本概念是什么？(answer)

2.简要说明什么叫数字图象与模拟图象及其区别。(answer)

3.遥感探测系统包括哪儿个部分，及各部分的作用？(answer)

4.遥感平台可以分为儿种，并说明各自的特点。(answer)

5.查阅资料，介绍儿种遥感新技术。(answer)

6.简述遥感图象处理的流程。(answer)

7.写出遥感图象的函数表达式，并对之进行说明。(answer)

8.遥感图象的信息内容有哪几种，它们对地物探测有何作用？(answer)

9.简述遥感图象的存储模式。(answer)

10.结合所查资料•，介绍遥感在实际工作中的应用。(answer)

11.简述“3S”集成技术，并说明遥感在其中的作用。(answer)

第二章电磁波谱及地物波谱特征

本讲主要介绍遥感物理基础的电磁学部分。包括电磁波谱和黑体的概念，太阳辐射

和地球辐射特征，大气对电磁辐射的影响，地物反射波谱特征与测量。由此理解地物反

射对遥感数据产生的影响和用遥感数据反演地物特征的原理；理解大气吸收，散射、透

射特征，大气窗口形成原因及遥感数据校正的必要性。

2.1电磁波谱与电磁辐射

电磁波谱

电磁辐射的度量

黑体辐射

2.1.1电磁波谱

心波振动的传播称为波，电磁振动的传播叫电磁波。如果质点的振动方向与波的

传播方向相同，称为纵波。如果质点运动方向与波的传播方向垂直，则称为横波。

3电磁波当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激了

了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。

心电磁波谱（动画）按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，则构

成了电磁波谱。该波谱以频率从高到低排列，可以划分为丫射线，X射线、紫外线，可

见光、红外线、无线电波。

心电磁波性质

①是横波；

②在真空中以光速传播；

③满足：f•入=C,E=h・f,式中，E为能量，单位为J；h为普朗克常数，

h=6.626X10-34J«S；f为频率；X为波长；C为充速；

④电磁波具有波粒二象性。

2.1.2电磁辐射的度量

口辐射源任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其它物体对它的辐射，也能够向外

辐射。电磁波传递其实就是电磁能量的传递。因此，遥感探测实际上是辐射能量的测定。

①1辐射测量

辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J；

辐射通量（小）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，4>=dw/dt,单位是W；

辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，E=d6/ds,单位为W/m2；

辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，I=d6ds,单位是W/m2；

辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=de/ds,单位是W/m2;

辐射亮度（L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则L

定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即1=心皿），

L的单位为W/（Sr*m2）。

立体角定义为："・$/足，S为与球半径垂直的某小面页的面积，R为小辐射面页

中心与球面上面页S的距离。球心对全球面所张立体角o立体角单位球面度，

无量纲。

2.1.3黑体辐射

□绝对黑体

如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。绝对

黑体不仅具有最大的吸收率，也具有最大的发射率，却丝毫不存在反射。黑色的烟煤被

认为是最接近绝对黑体的自然物质。恒星和太阳的辐射也被看和是接近黑体辐射的辐射

源。（同解说词）

口黑体辐射规律

普遍适用于绝对黑体辐射的公式，叫做普朗克公式，表达式为：

产1r_i,式中：c为光速，R为波尔赤曼常数，J/K；h

为普朗克常数；M为辐射出射度。这一公式对遥感理论的重要意义还不在于这一公式本

身，而在于它的普遍适用性，可以推导出以下重要的已被实验证明的黑体辐射公式。

（1）斯忒藩-玻尔兹曼定律

整个电磁波谱的总辐射出射度M,为某一单位波长的辐射出射度与对波长上做

o到无穷大的积分，即："・也即，利用普朗克公式可知：，丁为斯忒

藩-玻尔兹曼常数，下=5.67X10-8W«m2«K-4,T为温度，单位为K。

（2）维恩位移定律

黑体辐射光谱中最强辐射的波长乜与黑体绝对温度T成反比：储才-5,b为

常数,b=2.898X10-3m*ko

口实际物体的辐射

（1）基尔霍夫定律

基尔霍夫证明10=11=12=1,仅与波长和温度有关，与物体本身的性质无关，且对

多个物体1=0,1,2,…，n都成立，假如物体B0是绝对黑体，则吸收系数因

此有：M0=I0=Io得到：■•',此式就是基尔霍夫定律。对于不透时材料

（半无穷浓度材料）而言，依）-4"）。

（2）实际物体的辐射

基尔霍夫定律表现了实际物体的辐射出射度Mi与同一温度、同一波长绝对黑体辐

射出射度的关系，-是此条件下的吸收系数（0<a<l=o有时也称为比辐射率或发

射率，记作总，表示实际物体辐射与黑体辐射之比，M=-MOo

口黑体辐射动画演示

心实际物体与黑体辐射的关系（动画）

□绝对黑体（动画）

2.2太阳辐射及大气对辐射的影响

太阳辐射

大气吸收

大气散射

大气窗口及透射分析

2.2.1太阳辐射

心1.太阳常数

太阳是被动遥感最主要的辐射源。太阳常数是指不受大气影响，在距太阳个天文

单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量，

ie=1.360X103W/m2,这可以认为太阳常数是在大气顶端接受的太阳能量。

心2.太阳光谱

太阳的光谱通常光球产生的光谱，光球发射的能量大部分集中于可见光波段。太阳

辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本-致。但是用高分辨率光

谱仪观察太阳光谱时，会发现连续光谱的明亮背景上有许多离散的暗谱线、叫做夫琅和

费吸收线。大约有26000条，由这些吸收线可知太阳光球层中存在的69种元素及它们

所占比例。就遥感而言，被动遥感主要利用可见光，红外等稳定辐射，使太阳活动对遥

感的影响减至最小。

U太阳能随波长的分布（动画）

2.2.2大气吸收

（1211.大气层次与成分

地球被大气圈所包围，大气圈上界无明显界线，离地面越高大气越稀薄，逐步过渡

到太阳系空间。一般认为大气厚度约1000km,且在垂直方向自下而上分为对流层，平流

层，中间层，热层（增温层），散逸层。这些层中对太阳辐射影响最大的是对流层和平

流层。大气的主要成分为分子（如N2,02等）和其他微粒（如烟、尘埃等）。

心2.大气对辐射的吸收作用

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。吸收作用使辐

射的能量转变为分子的内能，从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至某些波段的

电磁波完全不能通过大气。

2.2.3大气散射

辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射。

散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加其他各方向的辐射。由于太阳辐射需二次通

过大气至传感器，且二次影响增加了信号中的噪声成分，造成遥感图像的质量下降。

散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象。因此，这种现

象只有当大气中的分子或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生。大气散射有

三种情况：

1.瑞利散射

当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射。这种散射主要由大气中的厚子和

分子，如N2,C02,03和02分子等引起的。这种散射的特点是散射强度与波长的四次

方（入4）成反比，laA-4,即波长越长，散射越弱。瑞利散射对可见光的影响很大。

例如无云的晴空呈现蓝色，就是因为蓝色光波长短，散射强度较大。

2.米氏散射

当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。这种散射主要由大气中的微

粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米氏散射的强度与波长的二次方（入2）成

反比，即laX-2,并且散射在光线向前方向比向后方向更强，方向性比较明显。如云

雾的粒子大小与红外线（0.76^15um）的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米

氏散射。因此，潮湿天气米氏散射影响较大。

3.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。这种散射的特点是散射强度与波

长无关，即对发生无选择性散射的波段，任何波长的散射强度都相同。由于云雾中滴直

径比可见光波长大很多，所以无论从哪个角度看，云都是白色的。

由以上分析可知，微波波长比粒子的直径大得多，则属于瑞利散射，而其la入-4,波

长越长散射越弱，所以微波才可能有最小散射，最大透射，而被称为具有穿云透雾的能

力。

一大气对辐射的散射作用（动画）

2.2.4大气窗口及透射分析

1.折射现象

大气的折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大。离地面越高，空气越稀薄折

射也越小。

2.大气的反射

气体、尘埃的反射作用很小，反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量，而且各

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。

3.大气窗口

因为折射并不改变辐射强度，所以太阳辐射经过大气传输后，主要是反射、吸收和

散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。对遥感传感器而言，只能

选择透过率高的波段，才对观测有意义。

通常把电磁波通过大气层时较少被反射，吸收或散射的，透过率较高的波段称为大

气窗口。

大气窗口的光谱段主要有：

表2.1大气窗口的不谱段

紫外、可见光、

波段名近、中红外波段中红外波段远红外波段微波波段

近红外波段

1.5〜1.8um

波长0.3〜1.3Mm3.5〜5.5um8〜14um0.8〜2.5cm

2.0〜3.5um

自身热辐射

摄影成像的最佳白天日照好时扫反射及自身热辐射穿透能力强，全天候

特点为主，夜间成

波段描成像常用波段都较强，昼夜成像成像

像

遥感LandsatTM1〜4NOAA的AVHRR探海RadarSat主动卫星

TM5.7波段

(I)波段SPOTHRV面温度雷达影像

此时的光谱辐射量可按(1-2-18)式的推导方式得

BS'W(1-2-28)

式中为处，太阳光谱辐射能量。当能量由太阳辐射向地球传输时，大气

外界为1=0；当地球向外层空间辐射时，地面为1=0o

如果太阳辐射以任意太阳高度角后入射(见图1-2-9),则,通过垂

直厚度为1的倾斜入射太阳辐射能量/®为：

-CSCf

^CO-4cd>(1-2-24)

式中工,-1/■♦称为大气质量，通常用表示，它的几何意义是倾斜入射的光

程长度与垂直入射光程长度之比；Ge称为垂直光学厚度，用r表示。

大气衰减作用的另一种表示方法是大气透过率T：通过大气厚度1后所剩下的电

磁辐射能量E与1=0时大气外界的能量E0之比定义为大气透过率。垂直方向的大气透

过率记为T(x)；倾斜方向的透过率记为％)。

(1-2-25)

口大气窗口(动画)

2.3地球的辐射与地物波谱

遥感探测中被动遥感的辐射源主要来自于与人类最密切相关的两个星球，即太阳和

地球。本节主要讨论地球作为辐射源的辐射特性和地球作为太阳辐射的接收者，它的反

射特性。

太阳辐射与地表的相互作用

地表自身热辐射

地物反射波谱特征

地物波谱特性的测量

2.3.1太阳辐射与地表的相互作用

太阳辐射近似于温度为6000K的黑体辐射，而地球辐射则接近于温度为300K的黑

体辐射。最大辐射的对应波长分别为眄和加芦》。

表2.2地球辐射的分段特性

波段名称可见光与近红外中红外远红外

波长0.3〜2.5um2.5〜6um>6um

地表反射太阳辐射为地表反射太阳辐射和地表物体自身热辐射

辐射特性

主自身热辐射为主

2.3.2地表自身热辐射

据黑体辐射规律及基尔霍夫定律，,可根据上和m作出曲线，称为物体

的发射波谱曲线。曲线的形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体，尤其在夜间，

太阳辐射消失后，地面发出的能量以发射光谱为主，探测其红外辐射及微波辐射并与同

样温度条件下的发射率曲线比较，是识别地物的重要方法之一。

♦地球辐射(动画)

2.3.3地物反射波谱特征

1.概述

到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量

2.反射率与反射波谱

(1)反射率

-夕■幺100%

物体反射的辐射能量三的百分比，称为反射率？：品o利用反射率

可以判断物体的性质。

(2)物体的反射

物体的反射状况分为三种：

镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。

漫反射：是指不论从何方向入射，虽然反射率与镜面反射一样，但反射方向却是“四

面八方”。其反射辐射亮度是一个常数，与方向无关，这种反射面又叫朗伯面。

实际物体反射：多数都处于两种模型之间，即介于镜面和朗伯面之间。其反射辐射

亮度与方向有关。

（3）反射波谱

地物的反射波谱指地物反射率随波长的变化规律。横坐标为波长上，纵坐标为反射率

0

3.地物反射波谱曲线

•地物波谱反射特征（动画）

2.3.4地物波谱特性的测量

一、辐射传输过程

传感器接收的幅射能量包括如下几个部分：物体反射太阳直接照射的能量、物体反

射天空光（大气向下散射）照射的能量、物体反射背景照射的能量、物体发射的能量和

大气向上散射的能量等。

影响传感器所接收能量大小的因素有：①太阳辐射能的光谱分布特性，②大气传输

特性，亦即大气对太阳辐射的衰减作用随波长变化的特性，③太阳高度角和方位角，它

们与水平面上的辐射照度和光程长度有关，④地物波谱特性，⑤传感器的高度和位置，

能量大小与传播距离的平方成反比，⑥传感器的性能和记录方式，即仪器的响应率，包

括光谱灵敏度和能量转换能灵敏度等。

二、地物波谱特性的测量

1.地物反射波谱测量理论

（1）双向反射分布函数（BROF）：'―一同）

（2）双向反射比因子R（BRF）：即目标的反射辐射通量与标准参考面通量之比

2.测量方法

（1）样品的实验室测量

（2）野外测量

a.垂直测量：电）■而'⑼，其由于忽略了一些因素，测量值有一定适用范围。

b.非垂直测量：它将地物所受辐射分为太阳直射和天空散射〜,

双向反射比因子喇*,冬礼）取其加权和：

3•"卜。鸟（依.川）+弘（纨）再■。（依力屈）。-%〃=）

其中：小）为太阳直射和漫入射光的总幅照度；4*分为太阳天顶角和方位角；

学和.分为观测仪的天顶角和方位角。

地物光谱的测试有三方面作用：①传感器波段选择、验证，评价的依据；②建立地

面、航空和航天遥感数据的关系；③将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析，并

建立应用模型。

具体测量方法略。

遥感光学合成原理

心彩色的特性

一光谱

◎互补色

♦三原色

心色立体

单元小结

本讲主要介绍遥感物理基础的电磁学部分，需要同学们对遥感的物理基础有个比较

全面的了解。

首先第一节电磁波谱与电磁辐射介绍了电磁波的产生及其性质和黑体辐射与实际

物体辐射的关系。我们应该明白遥感的基础就是利用我们肉眼看不见的电磁波，这是之

所以能够实现遥感的媒质和根本。其次，我们应该知道黑体辐射与实际物体辐射的关系,

也即对比辐射率的理解。

其次在第二节太阳辐射及大气对辐射的影响中，我们应该知道太阳是被动遥感的能

量源泉，没有太阳被动遥感就不可能完成。而在整个遥感过程中，由于地球大气圈的影

响，会对遥感的结果造成一定影响，所以要专门研究大气对辐射的影响，主要有大气吸

收，大气散射以及由此引出的大气窗口及透射分析，研究哪些波段范围能够有较大的透

射率。

最后需要研究地球的辐射与地物波谱，主要讨论地球作为辐射源的辐射特性和地球

作为太阳辐射的接收者，它的反射特性。主要是因为在有太阳和以反射占主的波段，我

们需要重点研究的是地面的反射，而在没有太阳和以地面自身热辐射占主的波段，我们

我们需要重点研究的是地面发射电磁波。

巩固练习

1.在真空中，电磁波速为3*108m/s。

(1)可见光谱的波长范围从约3.8*10-7m的紫色光到约7.6*10-7m的红色光，其

对应的频率范围为多少？(answer)

(2)X射线的波长范围约5*10-91.0*10Tlm,其对应的频率范围又是多少？

(answer)

(3)短波无线电的频率范围约为1.5MHz〜300MHz,其对应的波长范围又为多少？

(answer)

2.大气的散射现象有儿种类型？根据不同散射类型的特点分析可见光遥感与微波

遥感的区别，说明为什么微波具有穿云透雾能力而可见光不能。(answer)

3.参照卫星传感器波段与大气窗口的波段，理解大气窗口对于遥感探测的重要意

义。(answer)

4.综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回到遥感传感器这一整个过程中所发生

的物理现象。(answer)

5.从地球辐射的分段特性说明为什么对于卫星影象解译必须了解地物反射波谱特

性。(answer)

波段名称可见光与近红外中红外远红外

波长0.3---2.5um2.5---6口m>6pm

地表反射太阳辐射和自地表物体自身热辐射为

辐射特性地表反射太阳辐射为主

身热辐射主

6.查找资料，列出儿种可见光与近红外波段植被、土壤、水体、岩石的地物反射

波谱曲线实例，并解释其含义。(answer)

第三章遥感图像的恢复

遥感是通过对反映地物电磁波信息的处理分析与解译来进行地物识别和专题研究

的。理想的遥感图像也就是能如实而毫不歪曲地反映地物的辐射能量分布和儿何特征的

图像，这种情况实际上是不存在的。实际工作中，我们所得到的图像都在不同程度上与

地物的辐射能量或亮度分布有差异，即存在着畸变和降质，如成像、感测、传输及显示

等过程都会造成图像的降质，如图3.1所示。

3.1遥感图像畸变

通常将造成图像质量下降的这类问题称为图像畸变，或称为退化（dgradetion）。

对一个退化的图像进行处理，使它恢复到原始目标的状态称为图像复原。显然图像复原

是退化的逆过程，但是由于噪音的存在并具有随机性质，加之对图像退化模型估计的返

似性，使得在求退化逆过程时存在非唯一解，所以需要附加某种判别准则，图像复原过

程也就在某种误差准则下的估值过程，最后确定一个使误差测度最小的最佳解。

概括起来图像复原的特点是：

（1）图像的退化关系是对整幅图像描述的，因而求解也是对整幅图像而言。

（2）为构造的模型解算一个最佳结果，数学上比较严谨。

（3）通过对原始目标比较来评价复原的结果。总的来说比较客观。

遥感图像的降质主要可以归结为两大类：辐射失真,儿何畸变。

3.1.1辐射失真

指遥感传感器在接收来自地物的电磁波辐射能时，电于电磁波在大气层中传输和传

感器测量中受到遥感传感器本身特性、地物光照条件（地形影响和太阳高度角影响）以

及大气作用等的影响，而导致的遥感传感器测量值与地物实际的光谱辐射率的不一致。

3.1.2几何畸变

人们在利用遥感图像提取信息的过程中，总是要求把所提取的信息表达在某一个规

定的图像参照投影系统中，以便进行图像信息的几何测量，相互比较以及图像复合分析

等处理。当原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的

表达要求不-一致时，就产生了所谓图像儿何变形问题。在常规的摄影测量处理中，通常

是把影像所覆盖的地表面按正射的方式投影在一个局部的地球切平面上，并以此来近似

地代替所要求的地图投影。在遥感处理中，儿何畸变是指由于遥感传感器方面的原因（例

如扫描线速度的不均匀等）、遥感平台方面的原因（例如卫星运行姿态的变化）以及地

球本身的原因（例如地球自转的影响）等而造成的图像在儿何位置上的失真。

图像恢复又称图像预处理，它是处理由于一个或多个质量降级原因而记录下来的影

像，使处理后的图像能最好地接近原始景物。在遥感数字图像处理中，为了取得良好的

处理效果，所处理的图像必须经过几何校正（几何粗校正和几何精校正）、辐射校正以

及噪声压抑等处理后，才能根据实际待研究问题的需要进行诸如图像增强、分类的处理。

3.1.3在校正中用到的几种数学方法

回归分析

最小二乘法

3.2遥感图像的辐射校正

传感器的辐射校正

大气校正

照度校正

条纹和斑点的判定和消除

3.2.1传感器的辐射校正

传感器的辐射校正主要校正由于传感器灵敏特性变化而引起的辐射失真，包括对光

学系统特性引起的失真的校正和对光电转换系统特性引起的失真的校正。

对于陆地卫星MSS传感器，用的较多的是“楔准楔”。此时检测器对校准楔进行采

样，输出检测值，并和遥感图像数据一起记录到磁带上，传感器的辐射校正就是根据这

些数据进行的。

具体的回归分析见课本P53。通过其可总结传感器辐射校正的三个步骤：第一步进

行回归运算；第二步为逐次滤波处理；第三步进行传感器辐射校正。

3.2.2大气校正

因为大气的散射作用对遥感图像影响最大，所以通常处理的大气校正是指大气散射

校正，即消除大气散射对辐射失真的影响。

一般可通过三种途径进行大气散射校正，即辐射传递方程式计算法、野外波谱测度

回归分析法及多波段图像的对比分析法。由于前两种方法实际操作较困难，因而一般少

用。

由于大气对电磁波的散射作用主要表现在短波上（在可见光遥感图像中以蓝绿波段

为最甚），对长波影响小。如图3.2所示，MSS4和MSS5影响最大，MSS6次之，MSS7

影响最小。所以对大气散射校正用的最多也最简单的方法就是多波段间的对比分析法。

其具体方法如下：

必I（图解1）

3.2.3照度校正

照度校正主要是校正不同太阳高度角所引起的辐射失真以及地形起伏引起的地形

阴影等的辐射失真。地形阴影常常可通过遥感图像间的比值处理加以抑制。书中主要介

绍了成像时间和地理位置不同引起的失真及其校正方法，也即：（1）太阳高度角校正;

（2）不同像幅的照度校正。

3.2.4条纹和斑点的判定和消除

在遥感影像中，有时因仪器的故障以及各种干扰会引起不正常的斑点或条纹，这些

斑点和条纹不仅可能造成直接引用时的信息错误，而且在统计处理过程中会引起不良的

结果，对于遥感图像处理来说，必须对此进行消除。

口斑点的判定和消除：

斑点是由传感器的噪声或磁带等部件的误码率造成的，其特点是孤立和分散的，因

此往往和周围的亮度值有明显的差别，并且彼此不相关。斑点可以通过将图像像元亮度

值同它的邻近像无亮度值进行比较来判定。但是在处理过程中，要把斑点和图像本身的

边缘信息区别开来,这可以通过恰当的选择阈值/或先进边缘检测而后进行斑点消除来

实现。

口条纹的判定和消除

条纹是指扫描图像（如MSS图像）中出现的与辐射信息无关的线条噪声，其表现为

图像上的部分扫描行或线段的亮度值不反映地物的辐射，并与上下的亮度截然不同。条

纹的特点是：（1）分布一般不规则，可密可稀，可长可短；

（2）亮度值一般趋于极端（或黑或白）；

（3）含有这种条纹的图像，其标准差往往显著增大。

条纹的消除方法分为两步，第一步是找出条纹，第二步是消除条纹。具体见课本

P63o

3.3遥感图像的几何校正

按照畸变的性质划分，几何畸变可分为系统性畸变和随机性畸变。系统性畸变是指

遥感系统造成的畸变，这种畸变一般有一定的规律性，并且其大小事先能够预测，例如

扫描镜的结构方式和扫描速度等造成的畸变。随机性畸变是指大小不能预测，其出现带

有随机性质的畸变，例如地形起伏造成的随地而异的几何偏差。

几何校正分为两种：

儿何粗校止:针对引起畸变原因而进行的校正。

儿何精校正:利用控制点进行的儿何校正，它是用一种数学模型来近似描述遥感图

像的儿何畸变过程，并利用畸变的遥感图像与标准地图之间的一些对应点（即控制点数

据对）求得这个儿何畸变模型，然后利用此模型进行儿何畸变的校正，这种校正不考虑

引直畸变的原因。

3.3.1遥感图像的几何粗校正

（一）儿何粗校正中基本概念的定义（MSS）P65

1.在扫描方向上的视场角*

2.扫描行方向上的地心张角与

3.扫描带序号L,扫描带内扫描行序号j、扫描行序号J

4.卫星前进方向上的视场角三

5.卫星前进方向上的地心张角?

（二）几何畸变分析及校正P67

1.平面扫描镜扫描线速不均的校正

2.地球曲率引起的几何畸变

3.卫星高度变化造成的畸变

4.卫星速度变化造成的儿何畸变

5.卫星前进造成的影像扭歪

6.地球自转引起的影像扭歪

7.卫星翻滚角二，造成的畸变

8.卫星俯仰角，造成的儿何畸变

9.卫星偏航角父造成的几何畸变

10.地面高程引起的几何畸变

11.全影畸变

12.非连续性畸变及校正

3.3.2遥感图像的几何精校正

（一）原理

几何精校正的原理是回避成像的空间几何过程，而直接利用地面控制点数据对遥感

图像的几何畸变本身进行数学模拟，并且认为遥感图像的总体畸变可以看作是挤压、扭

曲、缩放、偏移以及更高次的基本变形的综合作用的结果，因此校正前后的影像相应点

的坐标关系，可以用一个适当的数学模型来表示。

根据处理方式不同，儿何精校正又可分为直接成图法和重采样成图法。

（二）重采样成图法儿何精校正

1.儿何位置的变换

多采用二维多项式变换。

2.共趣位置亮度值的确定

a.最近邻点法重采样

b.双线性内插法重采样

c.三次褶积法重采样

（三）几何校正的步骤

1.建立原始图像与校正后图像的坐标系。

2.确定GCP（GroundControlPoint）,即在原始畸变图像空间与标准空间寻找控

制点对。

3.选择畸变数学模型，并利用GCP数据求出畸变模型的未知参数，然后利用此畸变

模型对原始畸变图像进行儿何精校正。

4.几何精校正的精度分析。

3.3.3遥感图像的匹配

匹配是产生一个空间校准的图像集合或校准某一景物图像的过程。这里涉及到两种

类型的图像匹配方式：

1.相对匹配：对不同来源的图像进行相互匹配

2.绝对匹配：针对某一标准空间(如地理制图空间)，将所有不同来源的图像与之

匹配。

单元小结

遥感是通过对反映地物电磁波信息的处理分析与解译来进行地物识别和专题研究

的。理想的遥感图像也就是能如实而毫不歪曲地反映地物的辐射能量分布和几何特征的

图像，这种情况实际上是不存在的。实际工作中，我们所得到的图像都在不同程度上与

地物的辐射能量或亮度分布有差异，即存在着畸变和降质。遥感图像的降质主要可以归

结为两大类：辐射失真，几何畸变。

辐射失真是指遥感传感器在接收来自地物的电磁波辐射能时，电于电磁波在大气

层中传输和传感器测量中受到遥感传感器本身特性、地物光照条件(地形影响和太阳高

度角影响)以及大气作用等的影响，而导致的遥感传感器测量值与地物实际的光谱辐射

率的不一致。主要分为传感器的辐射校正、大气校正、照度校正、条纹和斑点的判定和

消除。这里我们需要根据辐射失真的特点，用到一些数学方法，比如回归分析，最小二

乘法等，对这些数学知识了解，有些已经遗忘的需要复习，有些以前接触较少的知识需

要补上。

遥感图像的几何校正分为两种：几何粗校正、几何精校正。几何粗校正主要是针对

引起畸变原因而进行的校正。而几何精校正则是利用控制点进行的几何校正，它是用…

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(即控制点数据对)求得这个几何畸变模型，然后利用此模型进行几何

畸变的校正，这种校正不考虑引起畸变的原因。

巩固练习

1.试用框图说明在遥感成像过程中的图象降质模型，并就遥感图象降质的类别作

出说明。(answer)

2.结合第二章的有关物理知识说明辐射退化及其校正。