武汉大学遥感原理与应用复习要点详细版汇编Word格式文档下载.docx
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（5）与GIS结合，使得遥感应用不断深化。
第1章电磁波及遥感物理基础
1、遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征。
2、遥感信息获取，一般指收集、探测、记录地物的电磁波特征，即地物的发射辐射或反射电磁波特性。
由于电磁波传播的是能量，实际上也是记录辐射能量的过程。
3、遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到微波波段。
4、遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性，选择相应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱的发射或反射辐射能量而成像的。
5、电磁波谱：
将电磁波在真空中传播的波长或频率、递增或递减依次排列为一个序谱，将此序谱称为电磁波谱。
次序为：
γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。
6、可见光（380nm—760nm）：
蓝光：
0.43～0.47μm、绿光：
0.50～0.56μm、红光：
0.62～0.76μm；
近红外光：
0.76um—3um；
中红外光：
3um—6um；
远红外光：
6um—15um；
微波：
毫米波（1—10mm）、厘米波（1—10cm）、分米波（10cm—1m）
7、黑体：
对任何波长的电磁辐射都全吸收的假想的辐射体。
8、黑体辐射三大特性：
（1）与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加。
（2）分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。
（维恩位移定律）（3）每根曲线彼此不相交，故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量。
在微波波段，黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。
9、小于3μm的波长主要是太阳辐射的能量；
大于6μm的波长主要是地物本身的热辐射；
3-6μm之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。
10、太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波。
太阳辐射：
–5%紫外线–45%可见光–50%红外线。
被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射，因而太阳的活动对遥感的影响没有太大影响,可以忽略。
太阳能量的99%集中在0.2—4微米。
11、太阳辐射的特点：
（1）太阳光谱是连续的。
（2）辐射特性与黑体基本一致。
（3）近紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。
（4）被动主要利用可见光、红外波段等稳定辐射。
（5）海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外的曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。
地球的电磁辐射：
近似300K的黑体辐射。
12、在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收。
（1）引起大气吸收的主要成分：
氧气、臭氧、水、二氧化碳。
（2）大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。
（3）大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段中很少使用紫外线波段。
13、大气散射：
辐射在传播过程中遇到小微粒（气体分子或悬浮微粒等）而使传播方向改变，并向各个方向散开，从而减弱了原方向的辐射强度、增加了其他方向的辐射强度的现象。
14、在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起的衰减。
（1）介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长λ同数量级时，发生米氏散射（如气溶胶引起的）
（2）介质中不均匀颗粒的直径a>
>
入射波长λ时，发生均匀散射（3）介质中不均匀颗粒的直径a小于入射波长λ的十分之一时，发生瑞利散射。
瑞利认为散射的强度I反比与λ4。
15、天空呈蓝色：
蓝光波长比红光短，因此蓝光散射较强，而红光较弱。
在晴朗的天空，可见光中蓝光受散射影响最大，所以天空呈蓝色。
太阳呈红色：
清晨太阳光通过较厚的大气层，直射光中红光成分大于蓝光成分，因而太阳呈红色。
云呈白色：
当天空有云层或雨层时，满足均匀反射的条件，各个波长的可见光散射强度相同，因而云呈现白色。
微波穿透能力强：
微波波长比粒子直径大属于瑞利散射，散射强度与波长的四次方成反比，波长越大散射越小，所以微波有最小散射最大透射，因而具有穿透云雾的能力。
16、大气窗口：
电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，透过率较高的波段。
有些大气中电磁波透过率很小，甚至完全无法透过电磁波。
这些区域就难于或不能被遥感所使用，称为“大气屏障”；
17、我们用发射率ε来表示它们之间的关系：
ε=W′/W。
发射率ε就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。
常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度）
18、基尔霍夫定律：
在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体。
推导出：
ε=α任何材料的发射率等于其吸收率。
（反射率）
19、地物反射率：
地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=（Pρ/P0）×
100%。
表征物体对电磁波谱的反射能力。
20、地物反射波谱：
反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的
规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。
物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。
正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特性，物体的反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。
21、水体的反射波谱特性：
（1）水体的反射主要在蓝绿光波段；
（2）近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为零；
（3）但是当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。
植物对绿色发射作用强，在近红外有一个反射的陡坡，形成植被独有特征。
22、地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）。
测量地物的反射波谱特性曲线主要作用：
（1）它是选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据
（2）在外业测量中，它是选择合适的飞行时间的基础资料（3）它是有效地进行遥感图像数字处理的前提之一，是用户判读、识别、分析遥感影像的基础。
23、测定原理：
（1）对于不透明的物体，其发射率与反射率有下列关系：
ε（λ）=1-ρ（λ）
（2）各种地物发射辐射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射辐射电磁波的特性得到。
因此，地物波谱特性通常是用地物反射辐射电磁波来描述，即地物反射波谱特性曲线。
第二章遥感平台及运行特点
1、遥感平台：
（platform）是搭载传感器的工具的统称。
根据运载工具的类型，可分为航天平台、航空平台和地面平台。
（天基、空基、地基）。
根据航天遥感平台的服务内容，可以将其分为陆地卫星系列、气象卫星系列和海洋卫星系列。
2、6个轨道参数：
升交点赤经Ω、近地点角距ω、轨道倾角i、卫星过近地点时刻T、卫星轨道的长半轴a、卫星轨道的偏心率e。
其中Ω、ω、i、T决定卫星轨道平面和赤道平面的相对位置，a、e决定轨道形状。
3、卫星坐标的计算：
星历表法解算卫星坐标：
卫星在地心直角坐标系中的坐标、卫星在大地地心直角坐标系中的坐标、卫星的地理坐标；
用GPS测定卫星坐标。
4、卫星姿态角：
定义卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为x轴，垂直轨道面的方向为y轴，垂直xy平面的为z轴，则卫星的姿态有三种情况：
绕x轴旋转的姿态角，称之为滚动；
绕y轴旋转的姿态角，称俯仰；
绕z轴旋转的姿态角，称航偏。
影像的几何变形与卫星姿态角有直接的关系，所以进行几何校正，必须提供卫星姿态角。
5、卫星姿态角的测定：
姿态测量仪（利用地球与太空温差达287K这一特点）：
红外姿态测量仪、星相机、陀螺仪；
恒星摄影机（至少摄取3-5颗五等以上的恒星）；
GPS（使用3台接收机测定姿态）。
6、陆地卫星：
用于陆地资源和环境探测的卫星称为陆地卫星。
分类为：
陆地卫星类（Landsat）、高分辨率陆地卫星、高光谱卫星、合成孔径雷达、小卫星。
7、陆地卫星系列：
Landsat系列、SPOT系列、IRS系列、ALOS系列。
8、Landsat系列：
轨道特点：
近圆形轨道（使在不同地区获取的图像比例尺一致、使卫星速度近于均匀、便于扫描仪用固定扫描频率对地面扫描）、近极地轨道（有利于增大卫星对地面总的观测范围）、与太阳同步轨道（有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测，有利于卫星在固定的时间飞临地面接收站上空、有利于太阳电池得到稳定太阳照度）、可重复轨道（有利于对地面地物和自然现象的变化做动态监测）。
9、遥感卫星一般有两种绕地球飞行方式：
静止轨道和近极地轨道。
静止轨道可以定点观测，而极地轨道（圆形）则可定期观测。
地球静止轨道：
又称“地球同步轨道”。
地球同步轨道中倾角为0°
时的一种特殊圆形轨道。
人造卫星与地面相对静止，固定在赤道上空。
10、Landsat1—3：
轨道高度915KM，重复周期18d，图像幅宽：
185KM；
传感器：
反束光导管摄像机（RBV）、多光谱扫描仪（MSS4bands）、宽带视频记录机（WBVTR）
数据收集系统（DCS）————空间分辨率80米
11、Landsat4-5:
轨道高度下降为705KM，重复周期为16d，图像幅宽：
多光谱扫描仪（MSS4bands）、专题制图仪（TM7bands）————空间分辨力30米。
13、Landsat—7：
多光谱扫描仪（MSS4bands）、增强型专题制图仪（ETM+7bands）————空间分辨力30米————全色波段分辨率为15米。
14、SPOT系列：
重复周期26d、单台HRV图像幅宽60KM————传感器：
2台相同的高分辨率可见光扫描仪（HRV）、VI植被测量仪、Poam3极地臭氧和气溶胶测量仪———分辨率：
SPOT1—4：
多光谱20m，全色10m；
SPOT5：
多光谱10m全色：
5m超级模式：
2.5m
SPOT5通过立体成像装置HRS可进行立体测量。
15、高空间分辨率陆地卫星：
IKONOS1/4（全色/多色，11KM）QuickBird（16.5KM）0.61/2.44Orbview-31/4GeoEye（15KM）0.4/1.64。
高光谱类卫星：
16、这类卫星的主要特点是采用高分辨率成像光谱仪，波段数为36—256个，光谱分辨率为5—10nm，地面分辨率为30—1000m。
MODIS（美国）、ASTER（美日）。
17、雷达类卫星：
Radarsat（加拿大）、ERS（欧盟）、SRTM（美国）、LIDAR
合成孔径雷达是一种高分辨率、二维成像雷达，特别适合大面积的地表成像。
雷达成像的特点：
能穿透云雾、雨雪，全天候工作能力；
弥补可见光和红外遥感的不足；
电磁波振幅信号和相位信号；
缺少纹理信息
18、小卫星：
指目前设计质量小于500kg的小型近地轨道卫星，其空间分辨率为1—3m（全色）和4-15m（多波段），能进行立体测图。
第三章遥感传感器及其成像原理
1、传感器分类：
摄影类型的传感器、扫描成像类型的传感器、雷达成像类型的传感器、非图像类型的传感器。
2、扫描成像类传感器：
（1）对物面扫描的成像仪：
对地面直接扫描成像（红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪、TM、ETM+）
（2）对像面扫描的成像仪：
瞬间在像面上先形成一条线图像或一幅二维影像，然后对影像进行扫描成像（线阵列CCD推扫式成像仪）。
3、红外扫描仪的分辨率：
瞬时视场
，则空间分辨率为：
由式子可以看出航高越大a及越大则地面分辨率越差
4、有扫描角θ时：
则平行于航线方向的地面分辨率为
垂直于航向方向的分辨率为：
5、全景畸变：
由于地面分辨率随扫描角发生变化，使红外扫描影像产生畸变，这种畸变通常称之为全景畸变，形成原因是像距保持不变，总在焦面上，而物距随扫描角发生变化所致。
（相当于行高H的变化引起的地面分辨率a的变化）。
6、扫描线的衔接：
a=Wt则刚好可以衔接，a<
wt则出现扫描漏洞，a>
wt则有部分重叠。
结论：
瞬时视场和扫描周期都为常数，所以只要速度w与航高H之比为一常数，就能使扫描线正确衔接，不出现条纹图像。
7、热红外扫描仪对温度比对发射本领的敏感性更高，因为它与温度的四次方成正比，温度的变化能产生较高的色调差别。
………………
8、MSS的每个像元的地面分辨率是79m*79m，每个波段有六个探测单元组成，474m*79m,扫描总视场是474m*185KM，恰好衔接。
9、TM专题制图仪：
是一个高级的多波段扫描型的地球资源敏感仪器，与多波段扫描仪MSS性能相比，它具有更高的空间分辨力（除热红外是120m外30m），更好的频谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度和分辨力。
增加一个扫描改正器。
另外使往返双向都对地面扫描。
共7个波段。
10、ETM+：
辐射定标精度提高，辐射校正有了很大改进。
8个波段，增加了PAN（全色）波段，分辨率15m，远红外波段为60m。
11、HRV（高分辨率可见光扫描仪）——线阵列推扫式扫描仪，探测器件为CCD。
是对像面的扫面成像方式。
三个波谱段，每个波谱段的线阵列探测器组由3000个CCD元件组成。
每个元件形成的像元地面分辨率为20×
20m。
因此一行CCD探测器形成的图像线，相对地面上为20×
60km。
12、成像光谱仪：
以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。
通过将传统的空间成像技术和地物光谱技术有机地结合在一起，可以实现对同一地区同时获取几十个到几百个波段的地物反射光谱图像。
基本上属于多光谱扫描仪，其构造与CCD线阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同，区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度很窄。
13、雷达：
属于主动式微波遥感，穿透力强。
真实孔径雷达（Radar）、合成孔径雷达（SAR）、相干雷达（INSAR）、激光雷达（LIDAR）。
14、距离分辨率：
在脉冲发射的方向上，能分辨的最小距离。
与脉冲宽度有关，所以可以采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率。
方位分辨率：
在雷达的飞行方向上，能分辨两个目标的最小距离。
采用合成孔径技术来提高分辨率。
合成孔径雷达的方位分辨力与距离无关，只与实际使用的天线孔径有关。
15、侧视雷达图像的几何特点
（1）垂直于飞行方向的比例尺变形:
垂直飞行方向（y）的比例尺由小变大
（2）压缩与拉长：
造成山体前倾，朝向传感器的山坡影像被压缩，而背向传感器的山坡被拉长（3）高差产生的投影差：
与中心投影相反，位移量也不同（4）雷达立体图像的构像特点：
从不同摄站对同一地区获取的雷达图像也能构成立体影像
第四章遥感图像数字处理的基础知识
1、图像的表示形式：
（1）光学图像：
一个二维的连续的光密度（透过率）函数。
（2）数字图像：
一个二维的离散的光密度（透过率）函数。
用矩阵表示，坐标和密度函数都是离散的。
2、光学图像与数字图像的转换：
把一个连续的光密度函数变成一个离散的光密度函数———空间坐标离散化——采样幅度（光密度）离散化——量化整个过程称为图像数字化。
3、几个重要概念：
采样：
连续的图像在坐标空间的离散化。
量化：
图像在性质空间（灰度）的离散化。
空间分辨率：
连续图像在水平和垂直方向的采样数。
亮度分辨率（灰度等级）：
图像亮度层次的多少；
用灰度级L=2k表示，k可取1，2，3，4，5，6，7，8，11。
当一幅图像有L=2k灰度级时，称该图像是k比特（bit）图像。
灰度图像：
R=G=B彩色图像:
R、G、B不一定相等。
注意256色位图和24位真彩色图等描述方式的理解。
4、图像可以表示到频率域中，通常采用傅里叶变换在两者间实现转换。
5、遥感图像的坐标系统：
地理坐标系（BJ54，西安80，WGS84等）、投影坐标系。
6、遥感数据的存储介质：
磁带、磁盘、光盘、闪存；
存储格式：
世界标准格式LTWG、BSQ（BandSeQuential）：
按照波段顺序依次记录各波段的图像、BIL（BandInterleavedLine）：
逐行按波段次序排列、GeoTIFF、其他常见图像数据格式：
BMP,TIFF,GIF,PCX,PSD,MrSID,HDF……BMP不采用压缩，不失真，JPEG支持多种压缩级别，GIF有最高的压缩比率。
6、遥感数字图像处理系统：
硬件系统：
输入设备、输出设备、计算机、其他设备；
软件系统：
ERDAS、ENVI、PCI（加拿大，主要做雷达分析）、Ecognition（实现遥感图像面向对象的分类）。
7、3S结合：
GPS与RS结合关键在硬件、GPS与GIS结合关键在软件、RS与GIS结合：
分开但表面平行的结合、表面无缝的结合、整体结合。
主要实现的是两两结合。
第5章遥感图像的几何处理
1、遥感图像的构像方程：
是指地物点在图像上的图像坐标（x，y）和其在地面对应点的大地坐标（X，Y，Z）之间的数学关系。
根据摄影测量原理，这两个对应点和传感器成像中心成共线关系，可以用共线方程来表示。
作用：
这个数学关系是对任何类型传感器成像进行几何纠正和对某些参量进行误差分析的基础。
2、在地面坐标系与传感器坐标系之间建立的转换关系称为通用构像方程
中心投影构像方程
3、共线方程简写：
几何意义：
当地物点P、对应像点p和投影中心S位于同一条直线上时，正算公式和反算公式成立。
4、全景摄影机影像是由一条曝光缝隙沿旁向扫描而成，对于每条缝隙图像的形成，其几何关系等效于中心投影沿旁向倾斜一个扫描角θ后，以中心线成像的情况，此时像点坐标为（x，0，－f）即y=0.
（x）=x/cosθ,（y）=ftanθ
5、推扫式传感器的构像方程:
行扫描动态传感器。
在垂直成像的情况下，每一条线的成像属于中心投影，在时刻t时像点p的坐标为（0、y、-f）.
6、扫描式传感器获得的图像属于多中心投影，每个像元都有自己的投影中心，随着扫描镜的旋转和平台的前进来实现整幅图像的成像。
由于扫描式传感器的光学聚焦系统有一个固定的焦距，因此地面上任意一条线的图像是一条圆弧，整幅图像是一个等效的圆柱面，所以该类传感器成像亦具有全景投影成象的特点。
任意一个像元的构像，等效于中心投影朝旁向旋转了扫描角θ后，以像幅中心（x＝0，y＝0,-f）成像的几何关系。
7、雷达往返脉冲与铅垂线之间的夹角为θ，oy'
为等效的中心投影图像，f为等效焦距。
侧视雷达图像成像转换为旋转了θ角的中心投影，此时像点坐标为x=0，y’=rsinθ，等效焦距f=rcosθ。
8、基于多项式的传感器模型：
思想：
回避成像的空间几何过程，直接对图像变形的本身进行数学模拟。
遥感图像的几何变形由多种因素引起，其变化规律十分复杂。
为此，把遥感图像的总体变形看作是平移、缩放、旋转、偏扭、弯曲以及更高次的基本变形的综合作用结果，难以用一个严格的数学表达式来描述，而是用一个适当的多项式来描述纠正前后图像相应点之间的坐标关系式。
有二维形式和三维形式（增加高程）。
9、优缺点：
（1）不能真实地描述影像形成过程中的误差来源和地形起伏引起的变形
（2）应用限于变形小的图像：
垂直、小范围、地面平坦。
（3）定向精度与地面控制点的精度、分布和数量及实际地形有关。
（4）三维多项式是二维的扩展，增加了与地形起伏有关的Z坐标。
（5）与具体的传感器无关，数学模型形式简单、计算速度快。
10、有理函数模型（RFM）：
是大地坐标和图像坐标之间的多项式比值关系，是各种传感器成像几何模型的一种更广义的表达，同多项式模型比较起来有理函数模型是对不同传感器模型更为精确的表达形式。
是与具体传感器无关的、形式简单的通用成像几何模型。
为了增强参数求解的稳定性，将地面坐标和影像坐标正则化到-1.0和1.0之间。
。
11、多项式中的系数ai,bi,ci,di称为有理函数的系数RFC。
通常b1和d1为1。
再根据分母（Den）是否相同及多项式次数来决定未知参数个数。
0次项1项（a1或b1或c1或d1）、一次项3（P,L,H）、二次项6（PL，PH，HL，P2，H2,L2）、三次项10（PLH，P2L……P3,L3,H3）。
根据此计算参数个数和需要的控制点个数（每个控制点可以列两个方程）。
如二次项分母不等则：
10*4-2（b1=d1=1）=38个参数，最少需要控制点19个。
12、在RFM中，a、光学投影系统产生的误差用有理多项式中的一次项来表示；
b、地球曲率、大气折射和镜头畸变等产生的误差能很好地用有理多项式中二次项来模型化；
c、其他一些未知的具有高阶分量的误差如相机振动等，用有理多项式中的三次项来表示。
13、当DenL=DenS=1时，RFM退化成一般的三维多项式模型；
当DenL=DenS！
=1并且在一阶多项式的情况下，RFM退化成DLT模型，因此RFM模型是一种广义的成像模型，是共线方程的扩展。
14、RFC的获得：
首先解算出严格传感器模型参数，然后利用严格模型的定向结果反求有理函数的参数，最后将RFC作为影像元数据的一部分提供给用户。
用户可以在不知道精确传感器模型的情况下进行影像纠正以及后续处理。
RFM不要求了解传感器的具体信息，是用严格的传感器模型变换得到的，是一种更通用的传感器模型。
15、遥感图像的几何变形：
指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产生的形变。
研究遥感图像几何变形的前提是必须确定一个图像投影的参照系统，即地图投影系统。
16、变形误差可以分为静态误差、动态误差或者内部误差、外部误差。
外部变形误差：
由传感器以外的各种因素所造成的误差，如传感器的外方位元素变化，传感器介质不均匀，地球曲率，地形起伏以及地球旋转等因素引起的变形误差。
17、遥感图像的几何变形：
（1）传感器成像方式引起的图像变形
（2）传感器外方位元素变化的影响（3）地形起伏引起的像点位移（3）地球曲率引起的图像变形（4）大气折射引起的图像变形（5）地球自转的影响
18、引起几何变形的因素：
（1）传感器成像方式引起的图像变形：
由于中心投影图像在垂直摄影和地面平坦的情况下，地面物体与其影像之间具有相似性（并不考虑摄影本身产生的图像变形），不存在由成像方式所造成的图像变形，因此把中心投影的图像作为基准图像来讨论其他方式投影图像的变形规律。
全景投影的图像面不是一个平面而是一个圆柱面，称为全景面
，
越大变形越大且为负。
斜距投影：
其中
越大变形越小且为正，在
=0时即垂直情况下变形最大。
（
19、
（2）传感器外方位元素变化的影响：
传感器的外方位元素，
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