遙感原理與應用 河南城建

9/9電磁波與地表的相互作用中存在三種反射漫反射鏡面反射實際地物反射遙感遙遠的感知,是一種遠離目標地物，在與目標地物不直接接觸的情況下,通過某種平臺裝載的傳感器獲取目標特征信息,并對獲取的特征信息進行提取，判定，加工處理及應用分析的綜合性技術。遙感對地觀測特點空間特點全局與局部觀測并舉,宏觀與微觀信息兼取時相特點快速連續(xù)的觀測能力光譜特點技術手段多樣，可獲取海量信息經濟特點應用領域廣泛，經濟效益高局限性信息的提取方法不能滿足遙感快速發(fā)展的要求。數據的挖掘技術不完善，使得大量的遙感數據無法有效利用遙感系統的組成目標地物的電磁波信息獲取是遙感技術系統的中心工作記錄與傳輸工作主要涉及地面控制系統信息處理通過各種技術手段對遙感探測所獲得的信息進行各種處理信息應用是遙感的最終目的,包括專業(yè)應用和綜合應用遙感分類按遙感平臺分地面遙感、航空遙感和航天遙感按工作方式分主動式和被動式遙感按工作波段分紫外、可見光、紅外、微波遙感、多光譜和高光譜遙感按記錄方式分成像和非成像遙感按應用領域分外層空間、大氣層、陸地、海洋遙感等，具體應用領域可分為城市遙感、環(huán)境、農業(yè)和林業(yè)遙感、地質、氣象、軍事遙感等傳感器分類按工作方式分為主動方式傳感器(側視雷達（真實孔徑雷達(RAＲ）和合成孔徑雷達(ＳAR）)）、激光雷達、微波輻射計)、被動方式傳感器(航空攝影機、多光譜掃描儀（MＳＳ）、紅外掃描儀等）按波段分為可見光傳感器、紅外傳感器、微波傳感器按記錄方式分為成像方式傳感器、非成像方式傳感器按成像方式分為攝影型（畫幅式、縫隙式、全景式、多光譜式）、掃描型（光機掃描儀、推帚式掃描儀）、微波(側視雷達、激光雷達)傳感器質量空間分辨率，指像素所代表的地面范圍的大小，即掃描儀的瞬時視場，或地面物體能分辨的最小單元。越大越模糊波譜分辨率：傳感器能分辨的最小波長間隔.間隔越小,波譜分辨率越高.時間分辨率：對同一目標進行重復探測時,相鄰兩次探測的時間間隔，稱為遙感圖像的時間分辨率。越小越高輻射分辨率：熱紅外傳感器分辨地表熱輻射(溫度)最小差異的能力.越小越高視場角:傳感器對地掃描或成像的總角度,決定了一幅圖像對地面的覆蓋范圍。傳感器組成收集器、探測器、處理器、記錄與輸出設備主動式和被動式遙感主動式遙感是指傳感器自身帶有能發(fā)射電磁波的輻射源,工作時向探測區(qū)發(fā)射電磁波,然后接收目標物反射或散射的電磁波信息。被動式遙感是傳感器本身不發(fā)射電磁波，而是直接接受地物反射的太陽光線或地物自身的熱輻射。微波的特點１、全天候、全天時工2、對某些地物具有特殊的波譜特性3、對地物具有一定的穿透能力4、對海洋遙感具有特殊的意義５、分辨率較低,但特性明顯遙感過程是指遙感信息的獲取、傳輸、處理,以及分析判讀和應用的全過程第二章電磁波電磁振動在空間的傳播電磁波譜將電磁波按照波長或頻率遞增或遞減順序排列，稱為電磁波譜輻射通量電磁輻射單位時間內通過某一表面的能量，又稱輻射功率。Φ表示輻射通量密度通過單位面積的輻射通量稱為輻射通量密度。Ｗ表示輻照度投射到單位面積上的輻射通量稱為輻射照度,簡稱輻照度.E表示輻照出射度單位面積發(fā)射出的輻射通量，稱為輻射出射度。M表示太陽常數在距離地球一個天文單位內，太陽輻射在大氣上界處的垂直入射的輻射通量密度稱為太陽常數比輻射率指單位面積上地物發(fā)射的某一波長的輻射通量密度與同溫度下黑體在同一波長上的輻射通量密度之比,又稱發(fā)射率瑞利散射引起散射的大氣粒子直徑遠小于入射電磁波波長,稱為瑞利散射,也稱為分子散射。米氏散射引起散射的大氣粒子的直徑約等于入射波長,稱為米氏散射，也稱為大顆粒散射。絕對黑體如果一個物體對于任何波長的電磁輻射都全部吸收而毫無反射和透射,則稱其為絕對黑體。簡稱黑體大氣效應當太陽輻射經過大氣層時與大氣層中的離子、分子、顆粒、水汽等發(fā)生吸收、散射、反射和透射等物理過程，這個過程稱為大氣效應光譜反射率地物在某波段的反射通量與該波段的入射通量之比光譜反射曲線將地物的反射波譜特性與波長的關系在直角坐標系中描繪出的曲線地物光譜特性不同地物的表面性質和內部結構不同，對入射的電磁輻射能有不同程度的反射、吸收和透射,不同的地物也發(fā)射不同波長的電磁波,這就是地物的波譜特性AtmｏspｈeriｃWiｎｄoｗ（大氣窗口）電磁波輻射在大氣傳輸中透過率較高的波段稱為大氣窗口.（≥６0％)電磁波的性質——波粒二象性波動性:干涉、衍射、偏振;粒子性:把電磁輻射能分解為非常小的微粒子,即離散化、量子化為光子。電磁波譜波段γ射線→X射線→紫外線→可見光→紅外波段→微波→無線電波依據光譜發(fā)射率可將實際物體分為兩類一類是選擇性輻射體,發(fā)射率隨波長變化;另一類是灰體(自然界大多數物體為灰體）,物體的發(fā)射率在各波段處基本不變斯蒂芬－玻爾茲曼定律W=σＴ四次方，計算物體的總輻射出射度Ｗ′＝εσT四次方ε為比輻射率（發(fā)射率）大氣散射電磁波在傳播過程中遇到微粒而使傳播方向發(fā)生改變,并向各個方向散開,稱為散射。包括：瑞利散射、米氏散射、無選擇性散射輻射源分類輻射源分為天然輻射源:地球、太陽等；人工輻射源如雷達、閃關燈等遙感常用大氣窗口（７個）1、０。30－—1．15μｍ大氣窗口，包括全部可見光、部分紫外線和近紅外波段。０。3-－０。４μm近紫外窗口透射率為7０％，0。4－-0．7μm可見光窗口透射率約為９5％，0．7-—1.10μm近紅外窗口透射率約為８０%.【短波區(qū)】２、１。３--2。５μｍ大氣窗口,屬于近紅外波段。1.40－—1。90μm和2．00—-２．50μm兩個窗口透射率為60％——95％。3、3．０－－5.0μｍ大氣窗口，屬于中紅外波段，透射率為60％--7０%。4、8—-14μm熱紅外窗口，透射率為80％左右。5、1．0mm－－1ｍ微波窗口,其中１．０—-1．8ｍm窗口透射率為３５%－—40%，２——5ｍm窗口透射率為50％—-70%，8--１00０mm窗口透射率為1０0%。綠色植物的光譜反射曲線的特點①在可見光波段在0.5５μm（綠光）處有反射率為10%—－20%的一個波峰,兩側在0。45μm（藍光）和０．6７μm（紅光)處則有兩個吸收帶,這是由于葉綠素對藍光和紅光吸收作用強，對綠光反射作用強造成的。②在0。8－-1。0μm間有一個反射的陡坡，至１.1μm附近有一峰值，形成了植被獨有的特征，這是由于受葉片細胞結構的影響，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率.③在1．３—-２.５μm波段由于植物含水量的影響,吸收率大增,反射率大大下降,特別是在1.45μｍ、1.95μm和2。７μm處是水的吸收帶，反射特性曲線出現谷底。地球輻射特點短波輻射輻射以地球表面對太陽的反射為主,而長波輻射只考慮地表自身的熱輻射,介于兩者之間的中紅外波段太陽輻射和地表熱輻射的影響均有,不能忽略。地物反射光譜曲線測定的目的和原理目的：它是選擇遙感探測波段、驗證和設計傳感器的重要依據。為遙感數據天氣校正提供參考標準。建立地物的標準反射波譜數據,為計算機圖像自動分類和分析提供光譜數據，為遙感圖像解譯提供依據。原理:用光譜測定儀器分別探測地物和標準版、測量、記錄和計算地物對每個波普段的反射率,其反射率的變化規(guī)律即為該地物的波普特性.固體掃描儀立體成像的工作原理在衛(wèi)星上安置兩臺以上的線陣傳感器，一臺垂直指向天底方向，其余的則指向前進方向的前方或后方，并使傳感器之間的光軸保持一定的夾角,隨著平臺的移動，三臺傳感器就可以獲取同一地區(qū)的立體影像.SAR合成孔徑雷達的設計思路及工作原理利用雷達與目標的相對運動，將一個小孔徑的天線安裝在平臺側方，以代替大孔徑的天線，它在空中沿直線勻速運動過程中，每個特定位置的天線元接收特定位相的目標反射回波.將它們儲存起來進行合成相干處理就得到相當于由多個天線元構成的長天線操作的結果。這種合成天線的原理,可以制成高分辨率的成像雷達。雷達圖像的地面分辨率特點真實孔徑側視雷達地面分辨率:(1)距離向地面分辨率隨探測角度的增大而提高，越靠近星下點分辨率越低,在星下點出不能分辨任何地物.（2）方位向分辨率是指在飛行方向上能夠分辨的地物最小尺寸合成孔徑雷達的方位向分辨率有如下特點：①方位向分辨率與探測角度無關②方位向分辨率與探測波長無關③方位向分辨率與平臺高度無關④理論上天線孔徑越小,方向分辨率越高合成孔徑距離向分辨率與真實孔徑雷達相同。SAＲ／INSAＲ/DINＳAＲ的概念及工作原理ＳAR:合成孔徑雷達技術是干涉雷達和差分干涉雷達技術的基礎,而干涉雷達和差分干涉雷達技術則是合成孔徑雷達技術的應用延伸和擴展。工作原理見上題。INSAR:干涉雷達測量技術(INSAR)是以同一地區(qū)的兩張ＳAR圖像為基本處理數據,通過求取兩幅ＳAＲ圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數據的空間對地觀測新技術。原理見課本５7頁DIＮSAＲ：差分干涉雷達測量技術（D-ＩＮSAR）是指利用同一地區(qū)的兩幅干涉圖像，其中一幅是通過形變事件前的兩幅ＳAR獲取的干涉圖像,另一幅是通過形變事件前后兩幅SＡR圖像獲取的干涉圖像,然后通過兩幅干涉圖差分處理（除去地球曲面、地形起伏影響)來獲取地表微量形變的測量技術。（側視）雷達遙感的幾何特征?①測試雷達圖像的比例尺②高于地面目標的影像移位③陰影衛(wèi)星影像優(yōu)缺點優(yōu)點：①像幅面積大、宏觀性強②多波段性③多時相性④近似垂直投影,誤差小、比例尺一致⑤時間統一，便于影像分析⑥信息資料數字化，便于處理⑦不受地區(qū)、國界限制⑧成本低//////／／缺點:①分辨率低②立體觀察效果不好遙感平臺用于搭載傳感器的工具統稱為遙感平臺，也稱為載體。按平臺距地面的高度可分為地面平臺、航空平臺和航天平臺.數字影像（圖像）數字影像是一個離散的數字矩陣或陣列，矩陣中的每一個元素代表一個像元(或像素），其行和列號代表像元的位置，其值的大小則代表對應地物輻射電磁波的強弱.數字影像的特點①數字影像不是一個連續(xù)函數,是對地物電磁波輻射特性和地物空間分布的離散化采樣.②由于采用光電探測器件,數字影像光譜表達范圍很寬,可反映地物從紫外、可見光到遠紅外所有波段的反射和發(fā)射特性.③數字影像不但能用于目視分析和手工量測，而且也特別適合計算機分析和處理。數字影像存儲格式解釋ＢＳQ和BIL數據排列方式常用的串符型數據排列格式有三種,BＩP格式、BＩL格式、BSQ格式.)其他格式：HＤF格式、TIFF格式(GｅoTIFF）BMP格式、ＪPEＧ格式；BIＰ逐像元按波段次序記錄；BＩL逐行按波段次序記錄；BSQ逐波段次序記錄。色的三要素三要素：色調、明度、飽和度

圖像校正原因輻射校正由于遙感檢測系統、大氣散射和吸收等原因引起的圖像模糊失真、分辯率和對比度下降等輻射失真；幾何校正是由于搭載傳感器的遙感平臺飛行資態(tài)變化、地球自傳、地球曲率等原因引起的圖像幾何畸變。輻射校正相應的輻射處理包括傳感器的定標和輻射誤差的校正、大氣校正（指消除主要由大氣散射引起的輻射誤差的處理過程，校正方法:公式法、回歸分析法、直方圖校正法）絕對定標：對目標作定量的描述，要得到目標的輻射絕對值；相對定標：只得出目標中某一點輻射亮度與其他點的相對值。幾何畸變遙感圖像在獲取過程中由于多種原因導致景物中目標物相對位置的坐標關系圖像中發(fā)生變化，即像點位移。分為外部誤差、內部誤差或者動態(tài)誤差、靜態(tài)誤差原因傳感器成像幾何形態(tài)影響、傳感器外方位元素變化畸變、地形起伏、地球曲率影響、大氣折射、地球自轉的影響幾何粗校正:這種校正是針對引起幾何畸變的原因進行的幾何精校正：利用地面控制點進行的幾何校正稱為幾何精校正遙感圖像校正遙感圖像幾何校正包括光學校正和數字糾正兩種方法。數字糾正是通過計算機對圖像每個像元逐個地解析糾正處理完成的，其包括兩方面：一是像元坐標變換;二是像元灰度值重新計算(重采樣)。數字校正多項式糾正衛(wèi)星遙感圖像的原理和步驟原理：利用地面控制點的圖像坐標和其同名點的地面坐標通過平差原理計算多項式中的系數，然后用該多項式對圖像進行糾正。步驟:利用已知控制點求解多項式系數遙感圖象的糾正變換灰度重采樣糾正結果評價特點：１、模型簡單2、不需要已知方位元素3、效率高缺點:沒有考慮地形起伏引起的投影差，適用于平坦地區(qū)，否則效果不理想。數字圖像灰度值的重采樣的方法最近鄰法、雙線性內插法和雙三次卷積重采樣原理和優(yōu)缺點。1)最近鄰法用距離采樣點最近像元亮度值代替輸出像元亮度值。優(yōu)點：簡單，輻射保真度較好缺點:造成像點在一個像素范圍內的位移，幾何精度較其他兩種方法差。2)雙線性內插法取周圍4個相鄰像元亮度值，內插計算輸出像元亮度值。優(yōu)點：計算簡單,具有一定的亮度采樣精度缺點:圖像模糊3）雙三次卷積法獲取與采樣點鄰近的1６個像元亮度值計算輸出像元這度值.優(yōu)點:精度高缺點:計算量大圖像配準實質就是遙感圖像的幾何糾正，是根據圖像的幾何畸變特點,采用一種幾何變換將圖像歸化到統一的坐標系中的過程。圖像鑲嵌當感興趣的研究區(qū)域在不同的圖像文件時，需要將不同的圖像文件合在一起形成一幅完整的包含感興趣區(qū)域的圖像,這就是圖像鑲嵌。圖像之間配準和數字鑲嵌的過程。圖像之間配準：①在多源圖像上確定分布均勻,足夠數量的圖像同名點；②通過所選擇的圖像同名點確定幾何變換的多項式系數,從而完成一幅圖像對另一幅圖像的幾何糾正。數字鑲嵌：圖像的幾何糾正→搜索鑲嵌邊→亮度和反差調整→平滑邊界線。數字鑲嵌注意事項１、鑲嵌要有足夠寬的重疊區(qū)，最好不少于圖像的1／5。２、相鄰的圖像色調或灰度值應一致（通過“直方圖匹配”等方法）3、最好依據地圖投影方式先分幅校正,后鑲嵌，以保證較高的精度。圖像增強遙感圖像增強是為了突出相關的專題信息，提高圖像的視覺效果，使分析者更容易地識別圖像內容，更可靠地提取更有用的定量化信息。直方圖增強直方圖均衡化、直方圖正態(tài)化、直方圖匹配密度分割將原始圖像灰度值分割成等間隔的離散灰度級，對每一層賦予新的灰度值的過程。圖像直方圖反應一副圖像中灰度級與其出現的概率之間的關系。圖像平滑消除各種干擾噪聲，使圖像高頻成分消退，平滑掉圖像的細節(jié)，使其反差降低,保存低頻成分。圖像銳化增強圖像的高頻成分,突出圖像的邊緣信息,提高圖像細節(jié)反差。低通濾波是用濾波方法將頻率域中一定范圍的高頻成分濾掉，而保留低頻成分達到平滑圖像的目的。高通濾波保留高頻成分濾掉低頻成分,將圖像中的邊緣和灰度變化突出部分,以達到圖像銳化的目的。圖像融合是將多源遙感數據在統一地理坐標系中,采用一定的算法生成一組新的信息或合成圖像的過程.對比度拉伸通過伸展各像元的亮度的取值范圍來提高一幅圖像的反差，從而改善圖象質量。HIＳ變換將圖像常用的RGB彩色空間轉換到HＩＳ空間。（通過調整色調(Hｕe),亮度（Intｅnsity),飽和度（Saｔurａt(yī)ｉon)的色彩模式,使影像在ＨＩS空間坐標系中進行有目的的處理,然后再變換到RＧＢ空間進行顯示，使影像彩色增強獲得最佳的效果。)傳感器接收的電磁波能量1)太陽經大氣衰減后照射到地面，經地面反射后,又經大氣第二次衰減進入傳感器；2）地面本身輻射的能量經大氣后進入傳感器的能量；3）大氣散射、反射和輻射的能量。遙感圖像增強的目的和意義.突出用戶感興趣的相關信息,提高圖像的視覺效果，消除原始圖像中的各種噪聲，使分析者更容易地識別圖像內容，更可靠地提取更有用的定量化信息。圖象增強有哪幾個方面？分別有幾種方法？１直方圖增強：直方圖正態(tài)化、直方圖均衡化、直方圖匹配2對比度增強：線性變換、分段線性變換、非線性變換3彩色增強：假彩色合成、偽彩色合成、彩色變換４空間濾波增強：圖像卷積運算、平滑、銳化平滑、銳化的原理平滑原理:利用低頻濾波器濾去高頻分量，使低頻通過,既減弱圖像中高頻分量的影響,以此消弱圖象中不該有的亮點，或使亮度變化過大的區(qū)域趨于平滑。銳化原理:利用高頻慮波器濾去低頻分量，讓高頻分量待以保持和加強，以此突出圖像的邊緣、線狀目標和某些亮點變化極大的地方。多源信息復合(融合）的目的是什么？不同的遙感數據具有不同的空間分辨率、波譜分辨率和時相分辨率，如果能將它們各自的優(yōu)勢綜合起來，可以彌補單一圖像上信息的不足,這樣不僅提高了解譯效果，更在定量分析中大大提高了精度，擴大了各自信息的應用范圍，具有很大的實際意義圖像直方圖灰度直方圖是灰度級的函數，它表示圖像中每個灰度級像元的個數,反映圖像中每種灰度出現的頻率。用途：修正數字化參數、選擇邊界閾(ｙù）值、綜合光密度.統計分析功能：圖像灰度均值、圖像灰度中值、圖像灰度眾數、圖像灰度方差、圖像灰度數值域、圖像灰度反差、協方差、相關系數信息提取依據遙感圖像上的地物特征，識別地物類型、性質、空間位置、形狀、大小等屬性的過程叫信息提取。信息提取的方法有目視判讀法(指專業(yè)人員通過直接觀察或借助輔助判讀儀器在遙感影像上獲取目標地物信息的過程）

特點：解譯者的學識和經驗在判讀中起主要作用,精度高，但難以對海量空間信息的定量化分析計算機分類法（遙感數字圖像處理，它是以計算機為支撐,利用模式識別和人工智能技術隊圖像進行識別、解譯和理解的過程)：有監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、模式識別、神經網絡分類、分形分類、模糊分類、人工智能等數據挖掘技術方法。特點：速度快,處理方式靈活多樣，整個處理過程通常是以人機交互方式進行，對計算機技術和算法要求較高,識別的精度通常不及目視解譯判讀（解譯）根據地物的成像規(guī)律和波譜特征,在遙感影像上識別出它的性質和數量指標的過程直接解譯標志色調、陰影、形狀、大小、位置、布局、圖案、紋理或質地ＳPOＴ應用范圍波段序號波段名稱主要應用XS-１0。49-０。61ｕm(綠）是葉綠素反射的次高峰,區(qū)分植被類型和評估作物長勢,對水體有一定的穿透深度，干凈水域能穿透１0至20米,區(qū)分人造地物類型XS-２０.61-０。68um（紅）是葉綠素反射的低谷區(qū)，據此可以識別農作物類別，對城市道路、大型建筑工地反映明顯，可用于地質解譯，辨識石油帶、巖石與礦物等XS－3０。78—0。89ｕm（近紅外)是葉綠素反射的高峰,檢測作物長勢,區(qū)分植被類型,繪制水體邊界,探測土壤含水量ＸS－41．５８-1.75ｕm（短波紅外）探測植物含水量及土壤濕度,區(qū)別云與雪PAN0。４9-０．69um（全色)2.５m分辨率,城市土地利用現狀調查、城市道路動態(tài)更新，識別大型建筑物監(jiān)督分類：如果已知樣本區(qū)類別的信息，對非樣本數據進行分類的方法稱為監(jiān)督分類.非監(jiān)督分類：是指人們事先對分類過程不施加任何任何的先驗知識,而僅憑地物光譜特征的分布規(guī)律,即自然聚類特性進行“盲目”分類，也稱為聚類分類監(jiān)督分類，非監(jiān)督分類的區(qū)別與優(yōu)缺點？