遙感影像地學分析與應用

第七章遙感影像地學分析與應用主要內容遙感影像地學分析方法植被信息提取地質地貌信息提取水體信息提取土壤信息提取人造地物信息提取高光譜遙感及其應用1遙感影像地學分析方法遙感影像反映的是某一區(qū)域特定地理環(huán)境中的綜合信息，它綜合地反映了地球系統(tǒng)各要素的相關性。遙感地學相關分析，指的是充分認識地物間的相關性，在遙感圖像上尋找目標識別的相關因子，建立直接解譯標志和間接解譯標志，推斷和識別目標本身。遙感影像地學分析方法地學〔地理、地質、氣象等〕背景知識遙感影像的尺度特征混合像元光譜分辨率時間分辨率〔獲取時間〕2植被信息提取〔植被遙感〕 植被遙感的目的是在遙感影像上有效地確定植被的分布、類型、長勢等信息，以及對植被的生物量作出估算，因而，它可以為環(huán)境監(jiān)測、生物多樣性保護、農業(yè)、林業(yè)等有關部門提供信息效勞。植物的光譜特征不同植物類型的區(qū)分植物生長狀況的解釋遙感植被解譯的應用2.1植物的光譜特征健康植物的反射光譜特征

健康植物的波譜曲線有明顯的特點：在可見光0.55μm附近有一個反射率為10％～20％的小反射峰。在0.45μm和0.65μm附近有兩個明顯的吸收谷。在0.7～0.8μm是一個陡坡，反射率急劇增高。在近紅外波段0.8～1.3μm之間形成一個高的，反射率可達40％或更大的反射峰。在1.45μm，1.95μm和2.6～2.7μm處有三個吸收谷。影響植物光譜的因素

從上圖植物的典型波譜曲線來看，控制植物反射率的主要因素有植物葉子的顏色、葉子的細胞結構和植物的水分等。葉子的顏色：不同顏色的葉子，其反射光譜曲線也不同。葉子的組織結構綠色植物的葉子是由上表皮、葉綠素顆粒組成的柵欄組織和多孔薄壁細胞組織構成。葉綠素對紫外線和紫色光的吸收率極高，對藍色光和紅色光也強烈吸收，以進行光合作用。對綠色光局部那么局部吸收，局部反射，所以葉子呈綠色，并形成在0.55μm附近的一個小反射峰，而在0.33～0.45μm及0.65μm附近有兩個吸收谷。葉子的多孔薄壁組織對0.8～1.3μm的近紅外光強烈地反射，形成光譜曲線上的最頂峰區(qū)，反射率達40～60％，吸收率不到15％。葉子的含水量：葉子在1.45μm，1.95μm和2.6～2.7μm處各有一個吸收谷，這主要是由于葉子的細胞液、細胞膜及吸收水分所形成。植物含水量 植物葉子含水量的增加，將使整個光譜反射率降低，反射光譜曲線的波狀形態(tài)更為明顯，尤其是在近紅外波段，幾個吸收谷更為突出。2.2不同植物類型的區(qū)別不同植物由于葉子的組織結構和所含色素不同，具有不同的光譜曲線特征。在可見光區(qū)，沒有柵狀組織和海綿組織的草本植物的反射率最低，沒有海綿組織的針葉樹次之，具有柵狀組織和海綿組織的闊葉樹的反射率最高；在近紅外區(qū)，那么草本植物的反射率迅速增高，而闊葉樹葉片中的海綿組織使得它在近紅外光區(qū)的反射明顯高于美歐海綿組織的針葉樹。因此，利用0.8～1.1μm的近紅外影像，可以有效地區(qū)分出針葉樹、闊葉樹和草本植物。根據(jù)植物的物候期差異來區(qū)分植物，例如，冬季落葉樹由于葉子凋謝而無影像，但常綠樹仍保持反射光譜曲線特征，易區(qū)分。美國華盛頓〔1米〕在高分辨率遙感影像上，不僅可以利用植物的光譜來區(qū)分植物類型，而且可以直接看到植物頂部和局部側面的形狀、陰影、群落結構等，可以直接地確定喬木、灌木和草地等類型。Quickbird衛(wèi)星西班牙馬德里體育場〔0.61m〕羅馬斗獸場〔0.7米，真彩色〕2.3植物生長狀況的解譯健康的綠色植物的光譜曲線具有明顯的特征，當植物生長狀況發(fā)生變化時，其波譜曲線的相態(tài)也發(fā)生很大的變化，如植物葉子枯黃凋落，受到病蟲害，缺乏營養(yǎng)和水分，葉子的組織結構受到破壞，葉子的色素發(fā)生變化等等，就使得光譜曲線的兩個吸收谷不明顯，0.55μm處的反射峰根據(jù)植物葉子被損傷的程度而變低、變平。近紅外光區(qū)的變化更為明顯，峰值被削低，甚至消失，整個反射光譜曲線的波狀特征被拉平。因此，根據(jù)受損植物與健康植物的光譜曲線的比較，可以確定植物受傷害的程度。2.4遙感植被解譯的應用植被制圖：利用遙感影像進行植被的分類制圖，尤其是大范圍的植被制圖，是一種非常有效而又節(jié)約人力物力的方法。城市綠化調查與生態(tài)環(huán)境評價：利用高分辨率遙感影像進行城市綠化調查，評價城市生態(tài)質量。草場資源的調查林業(yè)資源的調查總結 掌握健康植被的光譜曲線及其特征，把握影響植物光譜曲線的各種因素及其是如何影響的。了解不同植物，不同健康狀態(tài)的植物如何利用遙感影像來加以判別的方法。3、地質地貌信息提取〔地質遙感〕3.1巖性的識別所謂巖性就是根據(jù)巖石的礦物成分、結構構造來判斷巖石的種類。不同的巖石，由于其礦物成分、結構構造的不同，具有不同的電磁波輻射特性，在遙感影像上表現(xiàn)為不同的影像特征，巖性的識別就是根據(jù)各種巖石在遙感影像上特有的影像特征來判斷巖石種類的過程。不同巖石礦物的波譜曲線巖石大體上分為三大類：巖漿巖、沉積巖和變質巖，因此，我們要了解這三個巖類在遙感影像上的特征：巖漿巖的影像特征及其識別沉積巖的影像特征及其識別變質巖的影像特征及其識別三大巖類的影像特征及其識別沉

積

巖

的

條

帶

狀

影

像

特

征沉積巖最大的特點是具有成層性，具有明顯的層理構造。膠結良好的沉積巖，出露充分時，可在較大范圍內呈條帶狀延伸。在高分辨率影像上可以顯示出巖層的走向和傾向。巖漿巖影像巖漿巖因其生成的條件與沉積巖差異很大，因此，在巖漿巖發(fā)育的地區(qū)那么常常見到節(jié)理〔即巖石的破裂面〕，而根本上看不到層理；變質巖的影像特征及其識別變質巖的特征構造是具有葉理〔巖石中片狀結構或組織的通稱〕，和沉積巖的層理不同，它是變質作用的形成的。其中的礦物都呈定向排列。3.2地質構造的識別構造解譯是遙感圖像地質解譯的重點，也是遙感圖像用于地質上效果最好的領域。由于遙感圖像視域遼闊，概括性強，用它研究規(guī)模較大的構造以及一些隱伏構造和深部構造，效果常常優(yōu)于地面觀察，能將工作區(qū)內各種構造形態(tài)解譯出來。包括巖層產狀的判讀、褶皺、斷層、斷裂構造的判斷。水平產狀由于構造運動的侵蝕作用，水平巖層并不明顯或者被侵蝕破壞，圖上是水平巖層經被較硬巖層切割形成的地貌，較硬巖層與較軟巖層呈同心圓狀分布，軟巖的色調較淺。水流的痕跡褶皺的識別斷層的突出影像特征就是線性，在線形構造的兩側是巖性不同的巖石，通常巖石突然消失的地帶就是斷層。地質解譯圖地質遙感與地質災害分析地質災害分析地震災害損失評估滑坡、泥石流的影像判讀與分析總結4水體信息提取〔水體遙感〕 水體遙感的任務是通過對遙感影像的分析，獲得水體的分布、水中含泥沙、有機質的狀況，水深、水溫等信息，從而對一個地區(qū)的水資源和水環(huán)境等作出評價，為水利、交通、航運及資源環(huán)境等部門提供決策效勞。水體界限確實定〔水體的分布〕水體懸浮物質確實定水溫的探測水體污染的探測水深的探測4.1水體的光譜特征太陽光照射到水面，少局部〔約占3.5％〕被水面反射到空中，大局部入射到水體中，入射到水體中的光又大局部被吸收，局部被水中懸浮物質〔泥沙、有機質〕反射，少局部透射到水底，被水底吸收和反射。被懸浮物反射和被水底反射的輻射，局部返回水面，折回到空中。因此，遙感器所接收到的輻射包括水面反射光、懸浮物反射光、水底反射光和天空散射光。由于不同水體的水面性質、水體中懸浮物的性質和含量、水深和水底特性等不同，從而形成傳感器上接收到的反射光譜特征存在差異，為遙感探測水體提供了根底。4.2水體界線確實定由圖可見，在可見光范圍內，水體的反射率總體上比較低，不超過10％，一般為4％～5％，并隨著波長的增大逐漸降低，到0.6μm處約2％～3％，過了0.75μm，水體幾乎成為全吸收體。因此在近紅外影像上，清澈的水體呈黑色，即對近紅外光全吸收。未區(qū)分水陸界線，確定地面上有無水體覆蓋，應選擇近紅外波段的影像。4.3水體懸浮物質確實定 遙感能夠探測的水中懸浮物質主要有兩種：一種是無機的泥沙；一種是有機的葉綠素。泥沙確實定葉綠素確實定泥沙確實定隨著懸浮泥沙濃度的加大，可見光對水體的透射能力減弱，反射能力加強。因此，在近岸的淺水區(qū)，其波浪和水流對水底泥沙的擾動作用比較強烈，使水體混濁，故遙感影像上色調較淺。而深水處擾動作用較弱，水體較清，遙感影像上水體色調較深?；鞚崴w的反射波譜曲線整體高于清水，隨著懸浮泥沙濃度的增加，差異加大；波譜反射峰值向長波方向移動〔紅移〕，清水在0.75μm處反射率接近于零，而含有泥沙的混濁水至0.93μm處反射率才接近于零；波長較短的可見光，如藍光和綠光對水體的穿透能力較強，能反映出水面下一定深度的泥沙分布狀況；水體葉綠素的濃度增加，藍光波段的反射率下降，綠光波段的反射綠增高；葉綠素確實定水面葉綠素和浮游生物濃度高時，近紅外波段仍存在一定的反射率，該波段影像中水體不呈黑色，而是呈灰色，甚至是淺灰色。4.4水溫的探測白天成像夜間成像水體的熱容量大，在熱紅外波段影像上有明顯特征。白天，水體將太陽輻射大量地吸收儲存，增溫比陸地慢，在熱紅外遙感影像上表現(xiàn)為輻射度低，呈暗色調；在夜間，水溫比周圍地物溫度高，發(fā)射輻射強，在熱紅外影像上呈高輻射區(qū)，為淺色調。因此，夜間熱紅外影像可用于尋找泉水，特別是溫泉。根據(jù)熱紅外傳感器的溫度定標，可在熱紅外影像上反演出水體的溫度。熱紅外遙感影像4.5水體污染的探測目前遙感在探測水體污染方面的主要應用：水體污染物濃度較大且使水色顯著地變黑、變紅或變黃，并與背景水色有較大的差異時；水體高度富營養(yǎng)化，受到嚴重的有機污染，浮游生物濃度高時，與背景水體的差異也可以在近紅外波段影像上被識別；〔分析〕水體受到熱污染，與周圍水體有明顯溫差，也可在熱紅外波段影像上被識別；〔分析〕水體受到油溢污染時，水體在紫外波段和近紅外波段的反射率明顯增高。4.6水深的探測藍光波段對平靜、清澈的水體有較大的透射能力，并且水底的反射波也較強，這是藍光波段影像上的灰度可反映水深?！卜治觯夯叶戎荡笮∨c水深的關系〕云南騰沖地區(qū)的侍郎壩水庫，利用0.4～0.5μm遙感影像的灰度值與少量實測水深資料建立灰度－水深關系模型，作出該水庫的等深線圖?！策b感影像計算機分類的過程〕4.7洪災遙感監(jiān)測NormalWaterBodiesFloodAreasProvincesBoundaries淮河王家壩2次開閘蓄洪后濛洼蓄洪區(qū)洪水淹沒情況總結5土壤信息提取〔土壤遙感〕土壤遙感的任務是通過遙感影像的解譯，識別和劃分出土壤類型，制作土壤圖，分析土壤的分布規(guī)律，為改進土壤、合理利用土壤效勞。不同土壤類型之間的光譜差異不如水體、植被的差異明顯，而且土壤的性狀主要表現(xiàn)在剖面上，而光譜反映的是土壤外表，因此直接判讀困難。一般用間接判讀法，即根據(jù)土壤上生長的植被類型、地區(qū)的氣候條件等分析，推斷出土壤的類型。土壤的光譜特征土壤的反射波譜曲線與土壤的顏色有關：土壤顏色越淺，反射率越高 書上P249圖7.25與土壤的機械組成有關：土壤的有機質含量越高，反射率越低〔如圖〕與土壤的含水量有關：土壤的含水量越高，反射率越低〔如圖〕 當土壤外表有植被覆蓋時，如覆蓋度小于15％，其光譜反射特征仍與裸土相近，植被覆蓋度在15％～70％時，表現(xiàn)為土壤和植被的混合光譜，光譜反射率是兩者的加權平均，植被覆蓋度大于70％時，根本上表現(xiàn)為植被的光譜特征。

土壤類型確實定土壤類型確實定首先需要確定土類，土類是根據(jù)一個地區(qū)的生物氣候條件來決定的。因此，土壤解譯時，首先要確定研究區(qū)的水平地理地帶作為基帶。例如P250內蒙古草原遙感土壤解譯。其次，確定土壤亞類。土壤的亞類是在成土過程中受局部條件的影響使土類發(fā)生變化，形成的次一級類型。如不同的植被、地貌、水熱條件對土壤類型的影響。例如P251土屬的劃分主要以地區(qū)性條件為依據(jù)，如地貌、母質等，在亞類的根底上再分出土屬。如殘積坡積棕壤性土、黃土狀褐土化潮土、河湖積潮棕壤等；土種主要根據(jù)土壤剖面特征來劃分，遙感影像上較難發(fā)現(xiàn)，但可根據(jù)地形部位、母質等特征推斷土層厚薄，作為土壤分類參考。利用遙感進行土壤的解譯與常規(guī)方法制作的土壤圖相比總結不同分辨率、不同波段的遙感影像在土壤類型的解譯中有不同的作用。分辨率較低的遙感影像上對土類和亞類的劃分和識別可起到較大的作用，由于其視野廣，有利于區(qū)域的宏觀綜合分析，適合于進行小比例尺的制圖。高分辨的遙感影像，對地面的細節(jié)顯示的比較清楚，適合于中、大比例尺的土壤制圖。6城市人造地物信息提取〔城市遙感〕城鎮(zhèn)是人類居住最為集中的地域，又是一定地域的政治、經濟、文化活動的中心。遙感圖像能迅速、宏觀、動態(tài)地提供城鎮(zhèn)各種變換的信息，為城鎮(zhèn)的規(guī)劃和建設效勞。遙感在城市變換動態(tài)監(jiān)測中有著廣泛的應用。城鎮(zhèn)遙感應用城鎮(zhèn)遙感信息提取與分析城鎮(zhèn)的光譜特性是城市建筑物和建筑物之間其他各類用地的綜合反映。在TM圖像標準假彩色合成圖像上，城鎮(zhèn)常呈現(xiàn)淺藍色或藍灰色。圖像上城鎮(zhèn)內部結構已大大簡化。高分辨率遙感圖像，清楚地表現(xiàn)了城鎮(zhèn)內部的細節(jié)。Quickbird衛(wèi)星西班牙馬德里體育場〔0.61m〕城市動態(tài)監(jiān)測：利用不同時相的遙感圖像可以進行城市不同開展時期的調查，也可以對城市開展變化和城市環(huán)境做動態(tài)監(jiān)測。1996199820007高光譜遙感的應用高光譜遙感概念高光譜遙感是高光譜分辨率遙感〔HyperspectralRemoteSensing〕的簡稱；其傳感器叫成像光譜儀，是新一代傳感器，在20世紀80年代初正式開始研制，研制這類儀器的主要目的是想獲取大量窄波段連續(xù)光譜圖像數(shù)據(jù)，使每個像元具有幾乎連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)，因而稱成像光譜儀。電磁波譜范圍包括可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段；使用很多的窄波段〔一般>200個〕來獲取連續(xù)的光譜影像，具有非常高的輻射分辨率〔光譜分辨率〕，其成像光譜儀可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息；涉及光譜學–分析各類地物光譜曲線的細節(jié)與一般遙感的區(qū)別：高光譜遙感的成像光譜儀可以別離成幾十甚至幾百個很窄的波段來接收信息，每個波段寬度僅小于10nm；所有波段排列在一起能形成一條連續(xù)的完整的光譜曲線。高光譜遙感應用的目的就是要提取更為細節(jié)的地物信息。中等分辨率成象光譜儀與前面講到的水體、植被、土壤的光譜曲線相比較水體的光譜曲線植被的光譜曲線土壤的光譜曲線常見的成像光譜儀AirborneImagingSpectrometer(AIS)(機載成像光譜儀)

128bands10nmbandwidth(vs.100–200nmforTM)Operatedinearly1980s最早的高光譜遙感器之一AirborneVisibleInfraRedImagingSpectroradiometer(AVIRIS)(機載可見光紅外成像光譜儀)1980年代早期由JPL(噴氣推進實驗室，NASA美國國家航空航天局)研制，1989投入工作；224波段，光譜區(qū)間380–2500nm〔可見光近紅外,與TM類似〕；每個波段的光譜寬度10nm〔光譜分辨率〕；高空平臺空間分辨率20m，低空平臺為4m；圖象一景大?。?1km列x10km長，〔存儲空間140M)高光譜分辨率遙感圖像上記錄的不同地物的完整的光譜曲線NASATerraModerateResolutionImagingSpectrometer(MODIS)12-bitsensors波段數(shù)：36spectralbands光譜區(qū)間：0.4to14.4μmAtmosphericstudiesGlobalenvironmentalstudiesMODIS

產品高光譜遙感主要應用領域大氣:

水蒸氣,云的特性,氣溶膠生態(tài):

葉綠素,葉子中的水分,纖維素,色素，木質素和營養(yǎng)成分地質:

巖石、礦物類型、土壤類型、烴探測海岸帶水環(huán)境:

葉綠素,浮游植物,溶解的有機質,懸浮泥沙雪/冰:

雪被snowcoverfraction,顆粒,融解植被燃燒:亞像元的溫度,煙霧商業(yè):

礦產開發(fā),農業(yè)和森林產量，精準農業(yè)高光譜遙感在地質調查中的應用地質是高光譜遙感應用最成功的領域，主要用于區(qū)域地質制圖和礦產勘探。各種礦物和巖石在電磁波譜上顯示的診斷性光譜特征可以幫助人們識別不同礦物成分。高光譜數(shù)據(jù)能反映出這類診斷性光譜特征。圖中幾種礦物成分的光譜曲線明顯地顯示了各自的吸收、反射診斷性光譜特征。這些診斷性光譜特征只有利用高光譜數(shù)據(jù)才有可能被探測到。利用寬波段遙感數(shù)據(jù)如TM第7波段探測，那么這類診斷性光譜特征顯示為一條直線，看不出反射峰和吸收谷。光譜分辨率對水鋁礦反射光譜的影響由圖可見，具有窄波段吸收特征的水鋁礦在4～16nm光譜分辨率下明顯反映出雙吸收峰〔反射低谷〕特征。高光譜數(shù)據(jù)的光譜分辨率比寬波段遙感高數(shù)十倍〔〈10nm〕。在寬波段遙感圖像上無法反映的具有診斷性光譜特征的礦物，在高光譜圖像上變得很容易識別。這從根本上改變了從光學遙感圖像上提取地質信息的質量和數(shù)量。高光譜遙感在植被研究中的應用三個季相的常綠闊葉林〔加州活櫟〕的AVIRIS樹姿光譜值由于加州活櫟生長地夏季是旱季，生長幾本停止，因此其6月份數(shù)字光譜值曲線與9月和4月的曲線截然不同。這些光譜特征差異只有高光譜分辨率遙感圖像才有可能反映出來。本章回憶植被遙感地質遙感水體遙感土壤遙感城市遙感高光譜遙感〔植被的光譜曲線特征，及特征原因〕〔三大巖類在遙感影像上的影像特征〕水體的光譜曲線特征，及水體界限確實定方法、水中含沙量及有機物質對水體光譜曲線的影像遙感影像上土壤類型的間接判讀方法遙感影像上城市動態(tài)信息的表達高光譜遙感的含義和特點思考題水體的光譜特征是什么？水體識別包括哪些內容？植物的光譜特征是什么？如何區(qū)分植物類型，監(jiān)測植物長勢？何為高光譜遙感？它與傳統(tǒng)遙感手段有何區(qū)別？主要內容1土地利用和土地覆蓋2案例：福建省土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測3如何提高遙感專題分類精度遙感在

土地利用/土地覆蓋中的應用遙感地學專題應用1.1概念：土地利用和土地覆蓋從兩者的定義可以看出，土地利用和土地覆蓋既有一定的聯(lián)系又有差異。土地利用重點是表示與土地相結合的人類活動而產生的不同利用方式。土地覆蓋主要是表示地球外表存在的不同類型的覆蓋特征，強調的是土地的外表形狀。我國土地利用分類的目的是查清各縣各種土地分類的面積、分布和利用狀況，為國家制定國民經濟方案，農業(yè)區(qū)劃和規(guī)