遙感圖像的成像原理

遙感圖像的成像原理第1頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、課程總體要求掌握遙感圖像的各種處理方法的基本原理掌握常用的遙感圖像處理軟件擁有較強(qiáng)的遙感數(shù)字圖像處理能力解決實(shí)際問題第2頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識(shí)遙感圖像恢復(fù)（輻射校正，幾何校正）遙感圖像增強(qiáng)（圖像變換，圖像濾波等）遙感圖像分類（非監(jiān)督分類，監(jiān)督分類，面向?qū)ο蠓诸悾┻b感圖像融合遙感圖像分割二、課程內(nèi)容第3頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、相關(guān)參考書（一）遙感數(shù)字圖像處理與應(yīng)用遙感原理與應(yīng)用第4頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、相關(guān)參考書（二）遙感應(yīng)用分析原理與方法遙感精解第5頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月IEEETransactionsGeoscienceandRemoteSensingRemoteSensingofEnvironment遙感學(xué)報(bào)光譜學(xué)與光譜分析武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版四、相關(guān)刊物第6頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月開卷考試時(shí)間：11月17日地點(diǎn)：9A405五、考核方式第7頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月遙感圖像的成像原理任課教師：楊曉霞2016年9月數(shù)字圖像處理第8頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月20世紀(jì)60年代隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展，美國(guó)科學(xué)家首先提出了RemoteSensing這個(gè)名詞——“遙遠(yuǎn)的感知”遙感的概念（廣義）第10頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月不直接接觸物體①，通過非接觸傳感器②接收來自目標(biāo)地物的電磁波信息③，遙測(cè)目標(biāo)地物的幾何與物理特性④特征手段——傳感器：收集、記錄和傳輸目標(biāo)信息的裝置。目前主要的傳感器有：攝影機(jī)、攝像儀、掃描儀、光譜輻射計(jì)等對(duì)象——包括γ射線、χ射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波等目的遙感的概念（狹義）第11頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波遙感過程碧空慧眼第12頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月遙感——人類眼睛的延伸空間的延伸地面-航空-航天-外太空第13頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月波譜的延伸可見光-近紅外-短波紅外-熱紅外-微波遙感——人類眼睛的延伸第14頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月正射校正點(diǎn)位自動(dòng)匹配多節(jié)點(diǎn)、并行化連接點(diǎn)密集匹配控制點(diǎn)自動(dòng)提取智能平差處理嚴(yán)格的精度控制第15頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月影像勻光勻色第16頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月有效處理地物接邊痕跡，改善圖片質(zhì)量影像鑲嵌第17頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月不同目標(biāo)所固有的電磁波特性受到太陽及大氣等環(huán)境條件的影響后，通過遙感傳感器觀測(cè)并經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理或人工圖像判讀，最終應(yīng)用于各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)流程遙感數(shù)據(jù)流程目標(biāo)物的電磁波特性影響因子太陽位置大氣狀態(tài)氣象季節(jié)地表狀態(tài)地球自轉(zhuǎn)傳感器性能傳感器位置等遙感數(shù)據(jù)采集膠片數(shù)字圖像……遙感數(shù)據(jù)處理和信息提取計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理（預(yù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像分類）及人工判讀應(yīng)用農(nóng)林地質(zhì)海洋環(huán)境等第18頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波譜特性電磁波譜與電磁輻射黑體輻射太陽輻射典型地物的波譜特征內(nèi)容大綱第19頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電磁波譜特性思考：白天我們可以看到眼前的各種事物，在沒有燈光的黑夜什么都看不見。這是為什么？思考：遙感能夠根據(jù)收集到的電磁波來判斷地物目標(biāo)和自然現(xiàn)象。這是為什么？第20頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月遙感：對(duì)電磁波能量的測(cè)定變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，以有限的速度由近及遠(yuǎn)在空間內(nèi)傳播的過程稱為電磁波電磁波可以用兩種模型來描述：波模型（Wavemodel）粒子模型（Particletheory）電磁波（EM：Electro-Magnetic）惠更斯牛頓第21頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家，介于伽利略與牛頓之間一位重要的物理學(xué)先驅(qū)，是歷史上最著名的物理學(xué)家之一惠更斯（1629.4.14—1695.7.8）對(duì)力學(xué)的發(fā)展和光學(xué)的研究都有杰出的貢獻(xiàn)在數(shù)學(xué)和天文學(xué)方面也有卓越的成就建立向心力定律，提出動(dòng)量守恒原理進(jìn)了計(jì)時(shí)器第22頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月英國(guó)著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家，百科全書式的“全才”牛頓（1643.1.4—1727.3.31）萬有引力定律力學(xué)三大定律白光由各色光組成的理論開創(chuàng)了微積分學(xué)第23頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月遙感：對(duì)電磁波能量的測(cè)定變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，以有限的速度由近及遠(yuǎn)在空間內(nèi)傳播的過程稱為電磁波電磁波可以用兩種模型來描述：波模型（Wavemodel）粒子模型（Particletheory）電磁波（EM：Electro-Magnetic）惠更斯（1629.4.14—1695.7.8）牛頓（1643.1.4—1727.3.31）1689年6月到9月，惠更斯訪問英格蘭，在那里遇到了牛頓。牛頓的《原理》引起了惠更斯的仰慕之情但也激起了強(qiáng)烈的分歧第24頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波以正弦曲線傳播電磁波由相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E和磁感強(qiáng)度矢量M總是同步變化且相互垂直，同時(shí)垂直于電磁波傳播方向波模型（Wavemodel）E=電場(chǎng)矢量M=磁場(chǎng)矢量C=光速波以光速傳播，c=3×108ms-1第25頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率（或波長(zhǎng)）傳播方向振幅：表示電磁場(chǎng)振動(dòng)的強(qiáng)度，振幅的平方與電磁波具有的能量大小成正比偏振面：包含電場(chǎng)方向的平面叫偏振面電磁波的四個(gè)要素第26頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波由被稱為光子的粒子所組成粒子理論在描述被傳感器所測(cè)度的電磁波能量大小時(shí)非常有用Q=h×vQ=每個(gè)光子的能量(J)h=普朗克常數(shù)6.3×10-34J?s粒子模型（Particletheory）第27頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波具有波動(dòng)性和粒子性兩種性質(zhì)波動(dòng)性質(zhì)電磁波是一種伴隨電場(chǎng)和磁場(chǎng)的橫波電磁波的波長(zhǎng)λ和頻率ν及速度V之間的關(guān)系為λ=V/ν粒子性質(zhì)當(dāng)把電磁波作為粒子對(duì)待時(shí)，又叫光子或者光量子，其能量E的公式為E=hν（h為普朗克常數(shù)，ν為頻率）電磁波的波粒二象性愛因斯坦第28頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種理論的聯(lián)系Q與λ成反比，與v成正比（h和c均為常數(shù)）第29頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月λ,v,Q三者關(guān)系第30頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波譜按電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)或頻率，遞增或遞減排列，就構(gòu)成電磁波譜第31頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波譜第32頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月可見光紅0.62~0.76μm

綠0.50~0.56μm藍(lán)0.43~0.47μm紅外波段遠(yuǎn)紅外6~15μm中紅外3~6μm近紅外0.76~3μm微波1mm~1m遙感主要利用的電磁波波段第33頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

遙感主要利用的電磁波波段

——可見光波段第34頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

遙感主要利用的電磁波波段

——紅外波段近紅外和短波紅外合起來又叫做反射紅外熱紅外波段來自地表的輻射占大部分能量，多用于溫度調(diào)查短波紅外多用于地質(zhì)判讀第35頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

遙感主要利用的電磁波波段

——微波波段第36頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射源：任何物體都是輻射源不僅能夠吸收其他物體對(duì)它的輻射，也能夠向外（發(fā)出）輻射輻射能量(W)：電磁輻射的能量，單位J輻射通量(Ф)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量，單位W輻射通量密度(E)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積的輻射能量，單位W/m2電磁輻射的度量第37頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月輻照度：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量，單位W/m2——接收的能量輻射出射度：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，單位W/m2——發(fā)出的能量輻射亮度(L)：輻射源在某一方向，單位投影表面，單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位W/(sr·m2)電磁輻射的度量第38頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月黑體輻射所有溫度超過0K的物體向外輻射電磁能量0K=-273℃0℃=273K地表溫度：27℃=?K27℃+273=300K太陽溫度：6000K=?℃6000K-273=5763℃1860年，基爾霍夫得出了好的吸收體也是好的輻射體這一定律第39頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月絕對(duì)黑體對(duì)任何波長(zhǎng)的電磁輻射都全部吸收的物體吸收率α(λ,

T)≡1反射率ρ(λ,

T)≡0絕對(duì)白體反射所有波長(zhǎng)的電磁輻射吸收率α(λ,

T)≡0反射率ρ(λ,

T)≡1黑體輻射第40頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月普朗克公式，普遍適用于絕對(duì)黑體輻射Ｍλ——輻射出射度ｈ——普朗克常數(shù)ｃ——光速ｋ——玻耳茲曼常數(shù)Ｔ——絕對(duì)溫度黑體輻射規(guī)律第41頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月絕對(duì)黑體表面上，單位面積發(fā)出的總輻射能與絕對(duì)溫度的四次方成正比

σ是Boltzmann常數(shù)，σ＝5.6697x10-8W·m-2·K-4T=黑體表面的絕對(duì)溫度（K）對(duì)于一般物體，傳感器檢測(cè)到它的輻射能后就可以用此公式概略推算出物體的總輻射能量或絕對(duì)溫度T斯忒藩－玻耳茲曼定律熱紅外遙感就是利用這一原理探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)物第42頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月維恩位移定律波譜輻射能量密度的峰值波長(zhǎng)隨溫度的增加向短波方向移動(dòng)

λmax=輻射最強(qiáng)部分波長(zhǎng)（μm）b=2898μm·KT=黑體表面的絕對(duì)溫度（K）若知道了某物體溫度，就可以推算出它所輻射的波段假定太陽為6000K黑體,它的主要波長(zhǎng)是0.48um第43頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月維恩位移定律溫度T越高，所有波長(zhǎng)上的波譜輻射通量密度也越大第44頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月地球表面溫度（27℃），λmax為9.7μm，屬于熱紅外波段太陽表面溫度（6000K），λmax范圍為0.4μm-0.7μm，屬于可見光部分輻射最強(qiáng)部分波長(zhǎng)加熱后λmax的范圍在0.5μm-0.7μm的鐵棒一般來說，火焰中藍(lán)色區(qū)域部分的溫度要高于黃色區(qū)域部分第45頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽是一個(gè)比較接近黑體的物體，也是地球能量的主要來源太陽輻射第46頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽輻射太陽輻射的光譜是連續(xù)的，它的輻射特性與絕對(duì)黑體的輻射特性基本一致太陽輻射從近紫外到中紅外這一波段區(qū)間能量最集中而且相對(duì)來說較穩(wěn)定在X射線、γ射線、遠(yuǎn)紫外及微波波段，能量小但變化大各波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射能量大小不同，太陽能量約99%集中在0.2~4μm間第47頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月光譜范圍波長(zhǎng)（μm）%能量比例γ射線和X射線<0.010.02遠(yuǎn)紫外0.01-0.2中紫外0.2-0.31.95近紫外0.3-0.45.32可見光0.4-0.743.50近紅外0.7-1.536.8中紅外1.5-5.612.00遠(yuǎn)紅外5.6-1,0000.41微波及無線電波>1,000總量100.00太陽輻射各波段的百分比第48頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波譜特性典型地物的波譜特征光譜反射率地物的反射波譜特性影響地物光譜反射率變化的因素地物波譜特性的測(cè)定內(nèi)容大綱第49頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽輻射與地表的相互作用太陽輻射到達(dá)地表后吸收：被目標(biāo)地物吸收的輻射透射：通過目標(biāo)地物的輻射反射：被目標(biāo)地物表面反射的輻射對(duì)于遙感而言，反射的電磁波能告訴我們地表的特性第50頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽輻射與地表的相互作用能量守恒反射、透射和吸收的能量總和與接收到的能量一致第51頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月物體表面狀況不同，反射率狀況也不同鏡面反射漫反射方向反射粗糙度是相對(duì)概念，由入射波的波長(zhǎng)和地表微地貌的垂直高度決定對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的無線電波，粗糙巖石構(gòu)成的地表是光滑的（鏡面）對(duì)于可見光，細(xì)砂構(gòu)成的地面也顯得粗糙（漫反射）對(duì)于地形起伏和地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，為方向反射地物的反射類別(三種形式)第52頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月入射波與反射波在同一個(gè)平面內(nèi)，入射角與反射角相等鏡面反射第53頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月鏡面反射的例子第54頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月不論入射方向如何，把反射出來的能量分散到各個(gè)方向漫反射第55頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月大部分地球物體的反射既不是鏡面反射，也不是漫反射其反射介于鏡面反射與朗伯面反射之間各個(gè)方向都有反射，但反射的輻射亮度不同實(shí)際物體的反射第56頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月光譜反射率物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比一個(gè)物體的反射波譜的特征主要取決于該物體與入射輻射相互作用的波長(zhǎng)選擇第57頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月光譜反射率根據(jù)能量守恒定律，反射率高的地物，其吸收率就低；吸收率高的地物，其反射率就低傳感器記錄的亮度值是地物反射率大小的反映反射率大，傳感器記錄的亮度值就大，遙感圖像上表現(xiàn)為色調(diào)淺反射率低，則表現(xiàn)為色調(diào)深遙感圖像色調(diào)的差異是識(shí)別地物類別和目視判讀的重要標(biāo)志第58頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月多光譜遙感第59頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月指地物反射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律通常用平面坐標(biāo)曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示反射率。稱為反射波譜曲線同種地物在不同波段，不同地物在同一波段反射率不同地物反射率隨波長(zhǎng)變化有規(guī)律可循，從而為遙感影像判讀提供了依據(jù)反射波譜第60頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月四種地物的反射波譜特性曲線不同地物的反射波譜曲線不同從曲線圖可以看出0.4-0.5μm波段，可以把雪與其他地物區(qū)分開0.5-0.6μm波段，可以把沙漠與小麥、濕地區(qū)分開0.7-0.9μm波段，可以把小麥與濕地區(qū)分開第61頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月綠色植物葉子結(jié)構(gòu)及其反射第62頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月可見光波段有一個(gè)小的反射峰，位置在0.55μm處，兩側(cè)則有兩個(gè)吸收帶原因：葉綠素的影響在近紅外波段有一反射陡坡，至1.1μm處有一峰值，形成植物獨(dú)有特征原因：植被細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響在中紅外波段反射率大大下降原因：綠色植物含水量的影