遙感知識集錦

1、遙感知識集錦一. 遙感的基本概念1. 遙感的基本知識“遙感”一詞來自英語Remote Sensing，從字面上理解就是“遙遠的感知”之意。顧名思義，遙感就是不直接接觸物體，從遠處通過探測儀器接受來自目標物體的電磁波信息，經過對信息的處理，判別出目標物體的屬性。 實際工作中，重力、磁力、聲波、機械波等的探測被劃為物理探測（物探）的范疇，因此，只有電磁波探測屬于遙感的范疇。 根據遙感的定義，遙感系統(tǒng)包括：被測目標的信息特征、信息的獲取、信息的傳輸與記錄、信息的處理和信息的應用這五大部分。1. 目標物的電磁波特性 任何目標物體都具有發(fā)射、反射和吸收電磁波的性質，這是遙感探測的依據。2. 信息的獲取

2、接受、記錄目標物體電磁波特征的儀器，稱為“傳感器”或者“遙感器”。如：雷達、掃描儀、攝影機、輻射計等。3. 信息的接收 傳感器接受目標地物的電磁波信息，記錄在數字磁介質或者膠片上。膠片由人或回收艙送至地面回收，而數字介質上記錄的信息則可通過衛(wèi)星上的微波天線輸送到地面的衛(wèi)星接收站。4. 信息的處理 地面站接收到遙感衛(wèi)星發(fā)送來的數字信息，記錄在高密度的磁介質上，并進行一系列的處理，如信息恢復、輻射校正、衛(wèi)星姿態(tài)校正、投影變換等，再轉換為用戶可以使用的通用數據格式，或者轉換為模擬信號記錄在膠片上，才能被用戶使用。5. 信息的應用 遙感技術是一個綜合性的系統(tǒng)，它涉及到航空、航天、光電、物理、計算機和信

3、息科學以及諸多應用領域，它的發(fā)展與這些科學緊密相關。2. 遙感的分類1） 按遙感平臺分 地面遙感：傳感器設置在地面上，如：車載、手提、固定或活動高架平臺。 航空遙感：傳感器設置在航空器上，如：飛機、氣球等。 航天遙感：傳感器設置在航天器上，如：人造地球衛(wèi)星、航天飛機等。2） 按傳感器的探測波段分 紫外遙感：探測波段在0.050.38m之間。 可見光遙感：探測波段在0.380.76m之間。 紅外遙感：探測波段在0.761000m之間。 微波遙感：探測波段在1mm10m之間。3） 按工作方式分 主動遙感：有探測器主動發(fā)射一定電磁波能量并接受目標的后向散射信號。 被動遙感：傳感器僅接收目標物體的自身

4、發(fā)射和對自然輻射源的反射能量。4） 按遙感的應用領域分 外層空間遙感、大氣層遙感、陸地遙感、海洋遙感等。3. 遙感發(fā)展簡史 最早使用“遙感”一詞的是美國海軍研究所的艾弗林*普魯伊特。1961年，在美國國家科學院和國家研究理事會的支持下，在密歇根大學的威羅*蘭實驗室召開了“環(huán)境遙感國際討論會”，此后，在世界范圍內，遙感作為一門新興學科飛速發(fā)展起來。1）無記錄的地面遙感階段（1608-1838年） 1608年，漢斯*李波爾賽制造了世界第一架望遠鏡，1609年伽利略制作了放大倍數3倍的科學望遠鏡，從而為觀測遠距離目標開辟了先河。但望遠鏡觀測不能吧觀測到的事物用圖像記錄下來。2）有記錄的地面遙感階段（

5、1839-1857年） 對探測目標的記錄與成像始于攝影技術的發(fā)展，并與望遠鏡相結合發(fā)展為遠距離攝影。3）空中攝影遙感階段（1858-1956年） 1858年，G.F.陶納喬用系留氣球拍攝了法國巴黎的“鳥瞰”像片。 1860年，J.布萊克乘氣球升空至630m，成功的拍攝了美國波士頓的照片。 1903年，J.鈕布郎特設計了一種捆綁在飛鴿身上的微型相機。這些試驗性的空間攝影，為后來的實用化航空攝影打下了基礎。 在第一次世界大戰(zhàn)期間，航空攝影成了軍事偵探的重要手段，并形成了一定規(guī)模。與此同時，像片的判讀水平也大大提高。一戰(zhàn)以后，航空攝影人員從軍事轉向商務和科學研究。美國和加拿大成立了航測公司，并分別出

6、版了攝影測量工程及類似性質的刊物，專門介紹有關技術方法。 1924年，彩色膠片出現，使得航空攝影記錄的地面目標信息更為豐富。 二戰(zhàn)中，微波雷達的出現及紅外技術應用于軍事偵查，使遙感探測的電磁波譜段得到了擴展。4）航空遙感階段（1957-） 1957年10月4日，蘇聯第一顆人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功，標志著人的空間觀測進入了新紀元。此后，美國發(fā)射了“先驅者2號”探測器拍攝了地球云圖。真正從航天器上對地球進行長期探測是從1960年美國發(fā)射TIROS-1和NOAA-1太陽同步衛(wèi)星開始。 此外，多宗探測技術的集成日趨成熟，如雷達、多光譜成像與激光測高、GPS的集成可以同時取得經緯度坐標和地面高程數據，由于

7、實時測圖。 總之，隨著遙感應用向廣度和深度發(fā)展，遙感探測更趨于實用化、商業(yè)化和國際化。4. 遙感應用的一個簡單例子大興安嶺森林火災發(fā)生的時候，由于著火的樹木溫度比沒有著火的樹木溫度高，它們在電磁波的熱紅外波段會輻射出比沒有著火的樹木更多的能量，這樣，當消防指揮官面對著熊熊烈火擔心不已的時候，如果這時候正好有一個載著熱紅外波段傳感器的衛(wèi)星經過大興安嶺上空，傳感器拍攝到大興安嶺周圍方圓上萬平方公里的影像，因為著火的森林在熱紅外波段比沒著火的森林輻射更多的電磁能量，在影像著火的森林就會顯示出比沒有著火的森林更亮的淺色調。當影像經過處理，交到消防指揮官手里時，指揮官一看，圖像上發(fā)亮的范圍這么大，而消防

8、隊員只是集中在一個很小的地點上，說明火情逼人，必須馬上調遣更多的消防員到不同的地點參加滅火戰(zhàn)斗。5. 中國遙感技術的發(fā)展 我國自1970年4月24日發(fā)射“東方紅1號”人造衛(wèi)星后，相繼發(fā)射了數十顆不同類型的人造地球衛(wèi)星，使得我國開展宇宙探測、通訊、科學實驗、氣象觀測等研究有了自己的信息源。1999年10月14日中國-巴西地球資源衛(wèi)星CBERS-1的成功發(fā)射，使我國擁有了自己的資源衛(wèi)星。 在遙感圖形處理方面，已開始從普遍采用國際先進的商品化軟件向國產化邁進。在科技部、信息產業(yè)部的倡導下，國產圖像處理軟件從研制走向了商品化，并占有一定的市場份額，如photomapper等。 在遙感應用方面，國家將遙

9、感列入重點攻關項目和“863”工程。二. 電磁輻射與地球的光譜特征1. 電磁波譜與電磁輻射（1）基本概念1）波：振動的傳播。如：水波、聲波、地震波等。2）機械波：振動的是彈性介質中的位移矢量。3）電磁波：電磁振源產生的電磁振蕩在空間中的傳播。4）電磁波的特點 不需要傳播介質 電磁波是橫波，在真空中以光速傳播 滿足波粒二象性 波長與頻率成反比，且兩者之積為光速：f=c。 傳播遇到氣體、固體、液體介質時，會發(fā)生反射、投射、折射、吸收等現象。5）電磁波譜：按照電磁波波長的長短，依次排列成的圖表稱為電磁波譜。（2）電磁輻射的量度1）輻射源：任何物體都是輻射源，既能吸收其它物體的輻射，也能向外輻射電磁波

10、。2）輻射能量：電磁輻射的能量，單位：J（焦耳）。3）輻射通量：單位時間內通過某一面積的輻射能量，單位：W。4）輻射通量密度：單位時間內通過表面單位面積上的輻射通量。5）輻照度：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量。6）輻射出射度：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量。7）輻射亮度：輻射源在某一方向，單位投影表面，單位立體角內的輻射通量。8）黑體輻射定律 普朗克公式：描述黑體輻射出射度與溫度、波長等的關系 斯蒂芬玻爾茲曼定律： 維恩位移定律： 9）實際物體的輻射 物體的發(fā)射率是溫度和波長的函數，且與種類、物理狀況（如粗糙度、顏色等）等有關。按照發(fā)射率和波長的關系，輻射源可分為： 黑體： = =1

11、 灰體： =常數1 選擇性輻射體： 1,且隨波長而變基爾霍夫定律： 即物體的發(fā)射率等于該物體的吸收率2. 太陽輻射及大氣對輻射的影響1）太陽輻射源：太陽是太陽系唯一的恒星，它集中了太陽系99.865%的質量。太陽是一個熾熱的氣體星球，沒有固體的星體或核心。太陽能量的99%是由中心的核反應區(qū)的熱核反應產生的。太陽中心的密度和溫度極高。太陽大氣的主要成分是氫（質量約占71%）與氦（質量約占27%）。2）大氣成分組成：永久氣體：氮氣、氧氣、CO2、惰性氣體、氫氣、甲烷等。 濃度可變的氣體：水蒸氣、臭氧、SO2、氨氣等。 固體和液體微粒。3）大氣垂直分層(大氣結構)：電離層：距地面85km直到幾百千米

12、的范圍均為熱電離層，溫度范圍為500K到2000K平流層：在平流層最下面直到20km的高度之內，溫度幾乎為常數對流層：厚約為10km，溫度隨高度的增加而降低4）大氣輻射衰弱的原因：反射、吸收、散射。 大氣吸收17， 散射22，反射30，其余31太陽輻射到達地面。5）散射：瑞利（Rayleigh） 散射：當大氣中粒子的直徑比輻射波長小得多時發(fā)生的散射；散射強度與波長的四次方成反比。 米氏散射：當大氣中粒子的直徑與波長相當時發(fā)生的散射；散射強度與波長的二次方成反比。 非選擇性散射：當大氣中粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射；散射強度與波長無關6）吸收作用：大氣吸收電磁輻射的主要物質是：水、二氧化碳

13、和臭氧7）反射作用：云量越多、云層越厚， 反射越強8）折射作用：折射率與大氣密度有關，密度越大折射率越大。3. 地球的輻射與地物波譜特征1）太陽輻射與地表的相互作用溫度為300K的黑體，其電磁輻射的波長范圍是：2.550(0.3-2.5um)。地球表面的發(fā)射輻射能量集中于近紅外波段和熱紅外波段；在熱紅外波段，地球的發(fā)射輻射能量遠遠大于太陽的電磁輻射能量，通常稱地球的發(fā)射輻射為熱輻射地球表面的熱輻射（能量）與自身的發(fā)射率、波長、溫度有關：2）地物波譜特征 在可見光與近紅外波段，地表物體自身的熱輻射幾乎等于零。所以地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。 到達地面的太陽輻射能量=反射能量+吸收能量+

14、透射能量反射率：物體反射的輻射能量占總入射能量的百分比物體的反射：鏡面反射、漫反射和實際物體的反射。三. 遙感成像原理與遙感圖像特征 遙感平臺是搭載傳感器的工具。在遙感平臺中，航天遙感平臺目前發(fā)展最快、應用最廣。根據航天遙感平臺的服務內容，可以將其分為氣象衛(wèi)星系列、陸地衛(wèi)星系列和海洋衛(wèi)星系列。1. 氣象衛(wèi)星概述第一代：20世紀60年代 TIROS、ESSA、Nimbus、ATS第二代：1970-1977年 ITOS-1、SMS、GOES、GMS、Meteosat第三代：1978年以后 NOAA系列我國的氣象衛(wèi)星發(fā)展較晚。“風云一號”氣象衛(wèi)星（FY-1）是中國發(fā)射的第一顆環(huán)境遙感衛(wèi)星。其主要任務

15、是獲取全球的晝夜云圖資料及進行空間海洋水色遙感實驗。2. 氣象衛(wèi)星特點1）軌道 氣象衛(wèi)星的軌道分為兩種：低軌和高軌。 高軌氣象衛(wèi)星：軌道高度：36000公里信息采集時間周期：約20分鐘分辨率：1.25 5公里主要應用領域：全球性大氣環(huán)流；全球性天氣過程 低軌氣象衛(wèi)星：軌道高度：36000公里信息采集時間周期：約20分鐘分辨率：1.25 5公里主要應用領域：全球性大氣環(huán)流；全球性天氣過程2）短周期重復觀測3）成像面積大，有利于獲得宏觀同步信息，減少數據處理容量4）資料來源連續(xù)、實時性強、成本低3. 陸地衛(wèi)星系列1）陸地衛(wèi)星（Landsat）軌道:太陽同步的近極地圓形軌道重復覆蓋周期:16 18天

16、圖象覆蓋范圍：185 * 185 km（Landsat 7 185*170 km）。Landsat上攜帶傳感器空間分辨率不斷提高，從80 m到 30 m到 15 m2）法國SPOT衛(wèi)星系列地球觀察衛(wèi)星系統(tǒng)。由瑞典、比利時等國家參加，由法國國家空間研究中心（CNES）設計制造。1986年發(fā)射第一顆，到2002年已發(fā)射5顆。特點：太陽同步圓形近極地軌道高度830 km覆蓋周期26天掃描寬度: 60 (60 ) 公里主要傳感器:2臺HRV空間分辨率: 全色10m; 多光譜20m能滿足資源調查、環(huán)境管理與監(jiān)測、農作物估產、地質與礦產勘探、土地利用、測制地圖及地圖更新等多方面需求SPOT 衛(wèi)星系列優(yōu)勢特

17、征：衛(wèi)星搭載的傳感器具有傾斜（側視）能力信息獲取的重復周期：一般地區(qū)35天；部分地區(qū)達到1天3）中巴地球資源衛(wèi)星CBERS： 1999.10.14，我國第一顆地球資源遙感衛(wèi)星（又稱資源一號衛(wèi)星）在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射 CBERS衛(wèi)星特點：太陽同步近極地軌道，軌道高度778 km，衛(wèi)星重訪周期26天攜帶的傳感器的最高空，間分辨率是19.5 m4）高空間分辨率陸地衛(wèi)星(IKONOS、QUICKBIRD等)4. 攝影成像 數字攝影是通過放置在焦平面的光敏元件，經過光電轉換，以數字信號來記錄物體的影像。依據探測波長的不同，可分為近紫外攝影、可見光攝影、紅外攝影、多光譜攝影等。1）攝影機分類分幅式：

18、一次曝光得到目標物一幅像片；鏡頭:常角、寬角和特寬角全景式: 分為縫隙式和鏡頭轉動式對可見光遙感，攝影機外殼只需是不透光材料，對紅外攝影，只能用金屬材料。鏡頭則需根據攝取的波段選擇材料。多光譜攝影機：多相機組合、多鏡頭組合、光束分離型 可同時直接獲取可見光和近紅外范圍內若干個分波段影像2）攝影像片的幾何特征 根據攝影機主光軸與地面的關系，可分為垂直攝影和傾斜攝影。垂直攝影像片的幾何特征:1.像片的投影：中心投影中心投影與垂直投影的區(qū)別（1）投影距離的影響（2）投影面傾斜的影響（3）地形起伏的影響攝影膠片的物理特性感光度：指膠片的感光速度。膠片感光度高，在光線較弱時也能方便攝影。反差：指膠片的明

19、亮部分與陰暗部分的密度差。灰霧度：未經感光的膠片，顯影后仍產生輕微的密度，呈淺灰色，故稱灰霧。寬容度：指膠片表達被攝物體亮度間距的能力。解像力：通常稱為感光膠片的分辨力。常用的遙感攝影膠片：1. 黑白攝影膠片： 色盲片， 正色片， 分色片， 全色片， 紅外黑白片2. 天然彩色膠片3. 紅外彩色片5. 掃描成像 掃描成像是依靠探測元件和掃描鏡對目標物體以瞬時視場為單位進行的逐點、逐行取樣，以得到目標地物電磁輻射特征信息，形成一定譜段的圖像。其探測波段可包括紫外、紅外、可見光和微波波段。1）光/機掃描成像光機掃描的幾何特征:取決于瞬時視場角、總視場角 進行掃描成像時，總視場角不宜過大，否則圖像邊緣

20、的畸變太大。通常在航空遙感中，總視場角取70120光機掃描儀可分為單波段和多波段兩種。多波段掃描儀的工作波段范圍很寬，從近紫外、可見光至遠紅外都有。多波段掃描儀：地面物體的輻射波束-掃描-反射-聚焦-分光-再聚焦到感受不同波長的探測元件上。2）固體自掃描成像 固體掃描是用固定的探測元件，通過遙感平臺的運動對目標進行掃描的一種成像方式。 用固定的探測元件，通過遙感平臺的運動對目標地物進行掃描的成像方式。 目前常用的探測元件是電荷耦合器件CCD3）高光譜成像掃描 對遙感而言，在一定波長范圍內，被分割的波段數愈多，即波譜取樣點愈多，愈接近于連續(xù)波譜曲線，因此可以使得掃描儀在取得目標地物圖像的同時也能

21、獲取該地物的光譜組成。這種既能成像又能獲取目標光譜曲線的“譜像合一”的技術稱為成像光譜技術。按該原理制成的掃描儀稱為成像光譜儀。 高光譜成像光譜儀： 圖像由多達數百個波段的非常窄的連續(xù)的光譜波段組成 光譜波段覆蓋了可見光，近紅外，中紅外和熱紅外區(qū)域全部光譜帶 多采用掃描式或推帚式，可以收集200或200以上波段的數據。圖像中的每一像元均得到連續(xù)的反射率曲線6. 微波遙感與成像在電磁波譜中，波長在1mm1m的波段范圍稱微波。微波遙感是指通過微波傳感器獲取從目標地物發(fā)射或反射的微波輻射，經過判讀處理來識別地物的技術。1）微波遙感的特點全天候、全天時的信息獲取能力對某些地物的特殊識別能力,如水和冰(

22、微波波段發(fā)射率的差異)對冰、雪、森林、土壤（尤其對干燥、松散物質）有一定的穿透能力適宜對海面動態(tài)情況(海面風、海浪）進行監(jiān)測2）微波遙感方式和傳感器主動微波遙感 是指通過向目標地物發(fā)射微波并接受其后向散射信號來實現對地觀測遙感方式。主要傳感器是雷達。 雷達意為無線電測距和定位。其工作波段大都唉微波范圍。雷達是有發(fā)射機通過天線在很短時間內，向目標地物發(fā)射一簇很窄的大功率電磁波脈沖，然后用同一天線接受目標地物反射的回波信號而進行顯示的一種傳感器。不同物體，回波信號的振幅、相位不同，故接收處理后，可測出目標地物的方向、距離等數據。被動微波遙感 是指通過傳感器，接收來自目標地物發(fā)射的微波，而達到探測目

23、地的遙感方式。3）遙感圖像的特征目標地物傳感器遙感圖像遙感圖像處理空間分辨率幾何特征目標地物的大小、形狀及空間分布光譜分辨率（輻射分辨率）物理特征目標地物的屬性特點時間分辨率時間特征目標地物的變化動態(tài)特點空間分辨率/地面分辨率 圖像的空間分辨率指像素所代表的地面范圍的大小 掃描成像-像元：掃描儀瞬時視場所對應的地面實際大小 攝影成像-線對/米。( 線對:能分辨的地物的最小距離)波譜分辨率 指傳感器在接收目標輻射的波譜時能分辨的最小波長間隔。 傳感器的波段選擇須考慮目標的光譜特征值，才能取得好效果。輻射分辨率 指傳感器接收波譜信號時，能分辨的最小輻射度差。在遙感圖像上表現為每一像元的輻射量化級。

24、時間分辨率衛(wèi)星的覆蓋周期、重訪周期。重復獲得同一地區(qū)的最短時間間隔。（注意和衛(wèi)星運行周期的區(qū)別）四. 遙感圖像處理1. 光學原理與光學處理 電磁波譜中0.380.76m波段能夠引起人的視覺。1）顏色視覺視覺特征：亮度對比（反差）：視場中對象與背景的亮度差與背景亮度之比。顏色對比（色差）：視場中相鄰區(qū)域的顏色差異。顏色性質的描述明度(lightness)：人眼對光源或物體明亮程度的感覺。（與物體的反射率有關）色調(hue)：指色彩的差異。（與視覺接收到的波長有關）飽和度(saturation)：指色彩純潔的程度。（與色光中是否混有白光以及白光占有的比例）顏色立體 為了形象的描述顏色特性之間的關系

25、，通常用顏色立體來表現一種理想化的示意關系。中間軸代表明度，從底端到頂端，由黑到灰再到白明度逐漸遞增。2）加色法與減色法 互補色：若兩種顏色混合產生白色或者黑色，這兩種顏色就稱為互補色。 三原色：若三種顏色，其中任一種都不能由其余兩種混合相加產生，這三種顏色按一定比例混合，可以形成各種色調的顏色，稱之為三原色。紅、綠、藍為最優(yōu)的三原色。2. 數字圖像 數字圖像是指能夠被計算機存儲、處理和使用的圖像。遙感數據的表示既有光學圖像也有數字圖像。光學圖像又稱為模擬量，數字圖像又稱為數字量，它們之間的轉換稱為模/數轉換，記做A/D轉換。1）數字圖像的來源遙感衛(wèi)星地面站（氣象衛(wèi)星接收站）提供計算機兼容的數

26、字磁帶，輸入計算機圖像處理系統(tǒng)，形成數字圖像。記錄在膠片上的影像（模擬圖象）在專用設備上進行數字化2）圖像的數字化 把模擬圖像分割成同樣形狀的小單元，進行空間離散化處理叫采樣（sampling）。 以各個小單元的平均亮度值或中心部分的亮度值作為該單元的亮度值，為亮度值的離散化處理，即量化（quantization）。3）遙感數字圖像表示方式數字圖像（數字化）圖像，是一種以二維數組（矩陣）形式表示的圖像。或者稱為相應區(qū)域內地物電磁輻射強度的二維分布。將地球表面一定區(qū)域范圍內的目標地物記錄在一個二維數組（或二維矩陣）中。像素（像元）是遙感數字圖像最基本的單位，成像過程的采樣點，計算機圖像處理的最小

27、單元。像素具有空間特征和屬性特征。 空間特征：地理位置的信息 屬性特征：采用亮度值來表達4）數字圖像的優(yōu)點便于計算機處理與分析：圖像信息損失低：抽象性強：5）按照波段數量，遙感數字圖象分類： 1. 二值數字圖象 2. 單波段數字圖象 3. 彩色數字圖象 4. 多波段數字圖象3. 數字圖像校正輻射校正 進入傳感器的輻射強度反映在圖像上就是亮度值（灰度值）。輻射強度越大，亮度值越大。該值主要受兩個物理量影響：一是太陽輻射照射到地面的輻射強度，二是地球的光譜反射率。當太陽輻射相同時，圖像上像元亮度值的差異直接反映了地物目標光譜反射率的差異。但實際測量時，輻射強度值還受到其它因素的影響而發(fā)生改變。這一

28、改變的部分就是需要校正的部分，故稱為輻射畸變。1）引起輻射畸變有兩個原因：傳感器儀器本身產生的誤差大氣對輻射的影響2）傳感器儀器本身產生的誤差 儀器引起的誤差是由于多個檢測器之間存在差異，以及儀器系統(tǒng)工作產生的誤差，這導致了接收的圖像不均勻，產生條紋和“噪聲”。一般來說，這種畸變應該在數據生產過程中，有生產單位根據傳感器參數進行校正，而不需要用戶自己校正，所以用戶應該考慮的是大氣影響造成的畸變。3）大氣對輻射的影響大氣影響的定量分析 進入大氣的太陽輻射會發(fā)生反射、折射、吸收、散射和透射。其中對傳感器接收影響較大的是吸收和散射。 假設無大氣存在時，設E0為波長的輻照度，為入射方向的天頂角，地面上

29、單位面積的輻照度為： 假定地面是郎伯體，其表面是漫反射，則某方向物體的亮度為：式中，R是地球反射率；是球面度。 傳感器接收信號時，受儀器影響還有一個系統(tǒng)增益系數因子S，這時進入傳感器的亮度值為： 由于大氣的存在，在入射方向有與入射天頂角和波長有關的透過率T;反射后，在反射方向上有與反射天頂角和波長有關的透過率T。因此進入傳感器的亮度值為： 大氣對輻射散射后，來自各個方向的散射又重新以漫入射的形式照射地物，其輻照度為ED，經過地物的反射及反射路徑上大氣的吸收進入傳感器，其亮度值為：相當部分的散射光向上通過大氣直接進入傳感器，這部分輻射稱為程輻射度，亮度為p?？梢?，由于大氣影響的存在，實際到達傳感

30、器的輻射亮度是前面所分析的三項之和，即 比較以下兩個公式： 可以看出，大氣的主要影響是減少了圖像的對比度，使原始信號和背景信號都增加了因子。大氣影響的粗略校正去掉公式：中的LP，即程輻射度，從而改善圖像質量?？梢哉J為程輻射度在同一幅圖像的有限面積內是一個常數，其值的大小只與波段有關。校正方法A. 直方圖最小值去除法 直方圖以統(tǒng)計圖的形式表示圖像亮度值與像元數之間的關系。最小值去除法的基本思想在于一幅圖像中總可以找到某種或某幾種地物，其輻射亮度或發(fā)射率接近0。這時在圖像中對應位置的像元亮度值應為0。實測表明,這些位置上的像元亮度不為0。這個值就應該是大氣散射導致的程輻射度值。 校正方法很簡單，首

31、先確定條件滿足，即該圖像上確有輻射亮度或反射亮度應為0的地區(qū)，則亮度最小值必定是這一地區(qū)受大氣影響的呈輻射度增值。校正時，將每一波段中每個像元的亮度值都減去本波段的最小值，使圖像亮度動態(tài)范圍得到改善，對比度增強，從而提高圖像質量。B. 回歸分析法 假定某紅外波段，存在程輻射為主的大氣影響，且亮度增值最小，接近于0，設為波段a?，F需要找到其他波段相應的最小值，這個值一定比a波段的最小值大一些，設為波段b，分別以a，b波段的像元亮度值為坐標，作二維光譜空間，兩個波段中對應像元在坐標系內用一個點表示。由于波段之間的相關性，通過回歸分析在眾多點中一定能找到一條直線與波段b的亮度Lb相交，且：Lb=L

32、+， 為斜率式中：，分別為a，b波段亮度的平均值。 a=Lb-La ；式中a為波段a中的亮度為零處在波段b中所具有的亮度?？梢哉J為a就是波段b的程輻射度。 校正方法是將波段b中每個像元的亮度值減去a，來改善圖像，去掉程輻射。4. 幾何校正幾何畸變: 當遙感圖像在幾何位置上發(fā)生了變化，產生諸如行列不均勻，像元大小與地面大小對應不準確，地物形狀不規(guī)則變化等.遙感影像的總體變形（相對于地面真實形態(tài)而言）是平移、縮放、旋轉、偏扭、彎曲及其他變形綜合作用的結果。產生畸變的圖像給定量分析及位置配準造成困難。遙感影像變形的原因： 遙感器的內部畸變：由遙感器結構引起的畸變。 遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響

33、地形起伏的影響 地球表面曲率的影響 大氣折射的影響 地球自轉的影響1）遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響 航高：衛(wèi)星運行的軌道本身就是橢圓的。航高始終發(fā)生變化，而傳感器的掃描視場角不變，從而導致圖像掃描行對應的地面長度發(fā)生變化。航高越向高處偏離，圖像對應的地面越寬。 航速：衛(wèi)星的橢圓軌道本身就導致了衛(wèi)星飛行速度的不均勻，其他因素也可導致遙感平臺航速的變化。航速快時，掃描帶超前，航速慢時，掃描帶滯后，由此可導致圖像在衛(wèi)星前進方向上（圖像上下方向）的位置錯動。 俯仰：遙感平臺的俯仰變化能引起圖像上下方向的變化，即星下點俯時后移，仰時前移，發(fā)生行間位置錯動。 翻滾：遙感平臺姿態(tài)翻滾是指以前進方向為軸旋

34、轉了一個角度?？蓪е滦窍曼c在掃描線方向偏移，使整個圖像的行翻滾角引起偏離的方向錯動。 偏航：指遙感平臺在前進過程中，相對于原前進航向偏轉了一個小角度，從而引起掃描行方向的變化，導致圖像的傾斜畸變。 地形起伏的影響當地形存在起伏時，會產生局部像點的位移，由于高差的原因，實際像點P距像幅中心的距離相對于理想像點P0距像幅中心的距離移動了r。 地表曲率的影響地球是橢球體，地球表面是曲面。這一曲面的影響主要表現在兩個方面，一是像點位置的移動，當選擇的地圖投影平面是地球的切平面時，使地面點P0相對于投影平面點P有一高差h。 地表曲率的影響：全景畸變：當傳感器掃描角度較大時，影響更加突出，造成邊緣景物在圖

35、像顯示時被壓縮。 大氣折射的影響，折射后的輻射傳播不再是直線而是一條曲線，從而導致傳感器接收的像點發(fā)生位移。 地球自轉的影響，例如：衛(wèi)星自北向南接收圖像運動，這時地球自西向東自轉。相對運動的結果，使衛(wèi)星的星下位置逐漸產生偏離。2）遙感數字圖像的幾何校正 幾何校正方法：控制點校正法 校正步驟：、原始圖像與校正圖像統(tǒng)一坐標系、投影、確定GCP（Ground Control Point），即在原始畸變圖像空間與標準空間尋找對應的控制點對C、選擇畸變數學模型，并利用GCP數據求出畸變模型的未知參數，然后利用此畸變模型對原始畸變圖像進行幾何精校正D、再采樣計算，得到校正后的新圖像基本思路：校正的最終目的

36、是確定校正后圖像的行列數，然后找到新圖像中每一像元的亮度值。具體步驟1）象素坐標變換（空間上的重采樣） 找到一種數學關系，建立變換前圖像坐標（x，y）與變換后圖像坐標（u，v）的關系計算校正后圖像中的每一點所對應原圖中的位置（x，y）。計算時按行逐點計算，每行結束后進入下一行計算，直到全圖結束。 多項式的項數（即系數個數）N與其階數n有著固定關系：N=(n+1)(n+2)/2 多項式系數ai，bj（i,j，N-1）一般利用已知控制點的坐標值按最小二乘法求解。計算方法：內插計算（灰度值重采樣） 計算每一點的亮度值。糾正后的新圖像的每一個像元，根據變換函數，可得到它在原始圖像上的位置。如果求得的位

37、置為整數，則該位置處的像元灰度就是新圖像的灰度值。 計算方法：如果位置不為整數，新點的亮度值介于鄰點亮度值之間，常用內插法計算。有幾種方法：最近鄰法雙線性內插法三次卷積內插法。 最近鄰法：距離實際位置最近的像元的灰度值作為輸出圖像像元的灰度值。 雙線性內插法：?。▁，y）點周圍4鄰點，在y方向（或x方向）內插二次，再在x方向（或y方向）內插一次，得到（x，y）點的亮度值f(x，y），該方法稱雙線性內插法。 三次卷積內插法：取與計算點（x，y）周圍相鄰的16個點，先在某一方向上內插，每4個值依次內插4次，求出f （ x ， j-1 ） ，f(x,j) ，f(x,j+1),f(x,j+2)，再根據

38、這四個計算結果在另一方向上內插，得到f(x，y）。控制點的選取幾何校正的第一步便是位置計算，對所選取的二元多項式求系數?？刂泣c選取原則:1)特征變化大的地區(qū)應多選些。2)圖像邊緣部分要選取控制點，以避免外推。3) 表征空間位置的可靠性，道路交叉點，標志物，水域的邊界，山頂，小島中心，機場等。4）同名控制點要在圖像上均勻分布；5）清楚辨認；6）數量應當超過多項式系數的個數（(n+1)*(n+2)/2）。5. 數字圖像增強 當一副圖像的目視效果不太好，或者有用的信息突出不夠時，就需要作圖像增強處理。例如，圖像對比度不夠，或者希望突出的某些邊緣看不清，就可以用計算機圖像處理技術改善圖像質量。這樣可以

39、提高圖像質量和突出所需信息，有利于分析判讀或作進一步的處理。1）對比度變換 通過改變圖像像元的亮度值來改變圖像像元的對比度，從而改善圖像質量的處理方法。因為亮度值是輻射強度的反映，所以也稱之為輻射增強。 常用的方法是：對比度線性變換和非線性變換。假定像元亮度隨機分布時，直方圖應是正態(tài)分布的。峰值偏向亮度坐標軸左側，圖像偏暗。峰值偏向坐標軸右側，圖像偏亮，峰值提升過陡、過窄，圖像的高密度值過于集中以上情況均是圖像對比度較小，圖像質量較差的反映。線性變換A. 線性變換變換函數是線性的或分段線性的，這種變換就是線性變換。線性變換是圖像增強處理最常用的方法。B. 亮度值015圖像拉伸為030，要設計一

40、個線性變換函數，橫坐標xa為變換前的亮度值，縱坐標xb為變換后的亮度值。當亮度值xa從015變換成xb從030，變換函數在圖中是一條直線，方程式為： 線性變換前圖像亮度范圍xa為a1a2，變換后圖像亮度范圍xb為b1b2，變換關系是直線，則變換方程為：通過調整參數a1，a2，b1，b2，即改變變換直線的形態(tài)，可以產生不同的變換效果：a2-a1b2-b1，亮度范圍縮小，圖像被壓縮。對于a2與a1 ，是取在圖像亮度值的全部或部分，偏亮或偏暗處，均可根據對圖像顯示效果的需要而人為地設定。 有時為了更好的調節(jié)圖像的對比度，需要在一些亮度段拉伸，而在另一些亮度段壓縮，這種變換稱為分段線性變換。非線性變換

41、 當變換函數是非線性時，即為非線性變換。非線性變換的函數很多，常用的是指數變換和對數變換。 指數變換：其意義是在亮度值較高的部分擴大亮度間隔-屬于拉伸，在亮度值較低的部分縮小亮度間隔-屬于壓縮，數學表達式為：a，b，c為可調參數，可以改變指數函數曲線的形態(tài)，從而實現不同的拉伸比例。 對數變換：與指數變換相反，意義是在亮度值較低的部分拉伸，而在亮度值較高的部分壓縮，其數學表達式為： a，b，c仍為可調參數，由使用者決定其值。2） 空間濾波 對比度擴展的輻射增強：通過單個像元的運算從整體上改善圖像的質量?？臻g濾波：以重點突出圖像上的某些特征為目地的采用空間域中的鄰域處理方法。屬于幾何增強處理，主要

42、包括平滑和銳化。圖像卷積運算 空間濾波是圖象卷乘積運算的一種特殊應用。在空間域上對圖像作局部檢測的運算，以實現平滑和銳化。具體作法：選定一卷積函數（又稱“模板”，實際上是一個MN圖像），二維的卷積運算是在圖像中使用模板來實現運算的。從圖像左上角開始開一與模板同樣大小的活動窗口，圖像窗口與模板像元的亮度值對應相乘再相加。假定模板大小為M*N，窗口為(m,n)，模板為t(m，n)，則模板運算為:平滑圖像中某些亮度變化過大的區(qū)域，或出現不該有的亮點（“噪聲”），采用平滑的方法減小變化，使亮度平緩或去掉不必要的“噪聲”點。具體方法有： 均值平滑是將每個像元在以其為中心的區(qū)域內取平均值來代替該像元值，以

43、達到去掉尖銳“噪聲”和平滑圖像的目地。區(qū)域范圍取作MN時，求均值公式為：具體計算時常用的33的模板作卷積運算，其模板為： 中值濾波 是將每個像元在以其為中心的鄰域內取中間亮度值來代替該像元值，以達到去尖銳“噪聲”和平滑圖像目的的。 銳化（邊界增強）為了突出圖像的邊緣、線狀目標或某些亮度變化率大的部分，可采用銳化方法。銳化后的圖像已不再具有原遙感圖像的特征而成為邊緣圖像。常用幾種：羅伯特梯度索伯爾梯度拉普拉斯算法定向檢測3） 彩色變換不同的彩色變換可大大增強圖像的可讀性，常用的三種彩色變換方法。單波段彩色變換多波段彩色變換HSI變換單波段彩色變換（密度分割）單波段黑白遙感圖像按亮度分層，對每層賦

44、予不同的色彩，使之成為一幅彩色圖像。即按圖像的密度進行分層，每一層所包含的亮度值范圍可以不同。多波段彩色變換加色法彩色合成原理-選擇遙感影像的某三個波段-分別賦予紅、綠、藍三種原色-合成彩色影像。真彩色合成假彩色合成多波段影像合成時，方案的選擇決定彩色影像能否顯示較豐富的地物信息,或突出某一方面的信息。HSI變換HSI代表色調、飽和度和明度（hue，saturation,intensity）。色彩模式可以用近似的顏色立體來定量化。顏色立體曲線錐形改成上下兩個六面金字塔狀。4） 圖象運算兩幅或多幅單波段影像，完成空間配準后，通過一系列運算，可以實現圖像增強，提取某些信息或去掉某些不必要信息。差值

45、運算比值運算差值運算即兩幅同樣行、列數的圖像，對應像元的亮度值相減。兩個波段相減,反射率差值大的被突出來。圖像的差值運算有利于目標與背景反差較小的信息提取，如冰雪覆蓋區(qū)，海岸帶的潮汐線等。 差值運算還常用于研究同一地區(qū)不同時相的動態(tài)變化。如監(jiān)測森林火災發(fā)生前后變化和計算過火面積；監(jiān)測水災發(fā)生前后的水域變化和計算受災面積及損失；監(jiān)測城市在不同年份的擴展情況及計算侵占農田的比例等。比值運算兩幅同樣行、列數的圖像，對應像元的亮度值相除（除數不為0）植被指數，常用算法：近紅外波段紅波段或（近紅外-紅）/(近紅外+紅）5） 多光譜變換 多光譜變換通過函數變換，達到保留主要信息，降低數據量；增強或提取有用

46、信息的目的。其變換的本質：對遙感圖像實行線性變換，使多光譜空間的坐標系按一定規(guī)律進行旋轉。6. 多源信息復合1）信息復合的概念：定義：信息復合指同一區(qū)域內遙感信息之間或遙感信息與非遙感信息之間的匹配復合。內容：包括空間配準和內容復合目的：突出有用的專題信息，消除或抑制無關的信息，改善目標識別的圖像環(huán)境。多種遙感信息各具有一定的空間分辨率、波譜分辨率與時間分辨率信息復合:非多種信息源簡單疊加，而是可得到原來幾種單個信息所不能提供的新信息2）信息復合的發(fā)展同種遙感信息多波段、多時相的信息復合不同類型遙感數據的復合遙感與非遙感信息的復合3）遙感信息的復合遙感信息復合包括:不同傳感器的遙感數據和不同時

47、相的遙感數據復合方式的確定：根據目標空間分布、光譜反射特性及時相規(guī)律方面的特征選擇不同的遙感圖像；在空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率方面相互補充不同傳感器的遙感數據復合復合步驟： 配準先完成配準,使兩幅圖像所對應的地物吻合，分辨率一致。 復合彩色合成方法的效果比較明顯應盡可能生成三幅新圖像，分別賦予紅、綠、藍色，進行彩色合成不同時相的遙感數據復合步驟： 配準： 直方圖調整：圖像亮度值趨于協(xié)調，便于比較。 復合：用來研究時間變化所引起的各種動態(tài)變化。采用的復合方法主要有： 彩色合成方法 差值方法 比值方法五. 遙感圖像目視解譯原理1. 遙感圖像目視解譯原理遙感圖像解譯（Imagery Inte

48、rpretation）:是從遙感圖像上獲取目標地物信息的過程： 目視解譯： 計算機解譯：即遙感圖像理解（Remote Sensing Imagery Understanding）1）遙感圖像目標地物的識別特征目標地物特征：色：顏色，色調、顏色和陰影等；形：形狀，形狀、紋理、大小、圖型；位：空間位置，目標地物分布的空間位置、相關布局等；目標地物識別特征 色調（tone）：全色遙感圖像中從白到黑的密度比例叫色調（也叫灰度）。如海灘的砂礫色調標志是識別目標地物的基本依據，依據色調標志，可以區(qū)分出目標地物。 顏色（colour）：是彩色遙感圖像中目標地物識別的基本標志。日常生活中目標地物的顏色:遙感圖

49、像中目標地物的顏色:地物在不同波段中反射或發(fā)射電磁輻射能量差異的綜合反映。彩色遙感圖像上的顏色:真假彩色 真彩色圖像上地物顏色能真實反映實際地物顏色特征，符合人的認知習慣。 目視判讀前, 需了解圖像采用哪些波段合成，每個波段分別被賦予何種顏色。 陰影（shadow）：遙感圖像上光束被地物遮擋而產生的地物的影子 根據陰影形狀、大小可判讀物體的性質或高度。不同遙感影像中陰影的解譯是不同的 形狀（shape）：目標地物在遙感圖像上呈現的外部輪廓。 遙感圖像上目標地物形狀:頂視平面圖 解譯時須考慮遙感圖像的成像方式。 紋理（texture）：內部結構，指遙感圖像中目標地物內部色調有規(guī)則變化造成的影像結

50、構。如航空像片上農田呈現的條帶狀紋理。紋理可以作為區(qū)別地物屬性的重要依據。 等等。2）目視解譯的認知過程遙感圖像的認知過程包括：自下向上的信息獲取、特征提取與識別證據積累過程自上向下的特征匹配、提出假設與目標辨識過程。自下而上過程：圖像信息獲取 特征提取 識別證據選取自上而下過程：特征匹配：指人腦利用記憶存儲中的地物類型模式與地物特征匹配的過程。地物類型模式與目標地物全局特征進行相似性測量，判別其相容性或不相容性。2. 遙感圖像目視解譯基礎1）遙感攝影像片的判讀常見的遙感掃描影像類型：MSS影像：多光譜掃描儀；TM圖像：為專題繪圖儀獲取的圖像；SPOT圖像：具有較高的地面分辨率；資源一號衛(wèi)星C

51、BERS影像攝影像片的特點遙感攝影像片絕大部分為大中比例尺像片遙感攝影像片絕大部分采用中心投影方式成像從航空像片上看到的是地物的頂部輪廓攝影像片的解譯標志解譯標志（又稱判讀標志）:解譯標志分為直接判讀標志和間接解譯標志。直接判讀標志指能夠直接反映和表現目標地物信息的遙感圖像的各種特征包括遙感攝影像片的色調、色彩、大小、形狀、陰影、紋理、圖型。間接解譯標志指能夠間接反映和表現目標地物信息的遙感圖像的各種特征，借助它可以推斷與某地物屬性相關的其他現象。遙感攝影像片上常用到的間接解譯標志：目標地物與其相關指示特征：地物與環(huán)境的關系：目標地物與成像時間的關系：2） 遙感掃描影像的判讀遙感掃描影像特征宏

52、觀綜合概括性強：信息量豐富：動態(tài)觀測：掃描影像的判讀遵循原則：“先圖外、后圖內”“先整體，后局部”“勤對比，多分析”遙感掃描影像的主要解譯方法1. 目視解譯方法:指根據遙感影像目視解譯標志和解譯經驗，識別目標地物的辦法與技巧。 (1)直接判讀法根據遙感影像目視判讀直接標志，直接確定目標地物屬性與范圍的一種方法。 (2)對比分析法包括同類地物對比分析法、空間對比分析法和時相動態(tài)對比法。同類地物對比分析法:在同一景遙感影像上，由已知地物推出未知目標地物的方法?？臻g對比分析法:由已知熟悉影像區(qū)域為依據判讀未知區(qū)域影像的一種方法。時相動態(tài)對比法:利用同一地區(qū)不同時間成像的遙感影像加以對比分析，了解同一

53、目標地物動態(tài)變化。 (3)信息復合法利用透明專題圖或地形圖與遙感圖像重合，根據專題圖或地形圖提供的多種輔助信息，識別遙感圖像上目標地物的方法。 (4)綜合推理法綜合考慮遙感圖像多種解譯特征，結合生活常識，分析、推斷某種目標地物的方法。 (5)地理相關分析法根據地理環(huán)境中各種地理要素之間的相互依存，相互制約的關系，借助專業(yè)知識，分析推斷某種地理要素性質、類型、狀況與分布的方法。3）目視解譯步驟目視解譯準備工作階段明確解譯任務與要求；收集與分析有關資料；選擇合適波段與恰當時相的遙感影像。初步解譯與判讀區(qū)的野外考察室內詳細判讀野外驗證與補判目視解譯成果的轉繪與制圖六. 遙感數字圖像計算機解譯1. 遙感數字圖像的計算機（自動識別）分類 遙感圖像計算機解譯的主要目地是將遙感圖像的地學信息獲取發(fā)展為計算機支持下的遙感圖像智能化識別，其最終目地是實現遙感圖像理解。其基礎工作就是遙感數字圖像的分類。 遙感圖像的計算機分類方法包括監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類。監(jiān)督分類：事先有類別的先驗知識，根據先驗知識選擇訓練樣本，由訓練樣本得到分類準則。監(jiān)督分類中常用的具體分類方法包括：最小距離分類法：classifier）：用特征空間中的距離表示像元數據和分類類別特征的相似程度，在距離最小時