《遥感原理与应用》复习资料.docx

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《遥感原理与应用》复习资料

第一张绪论

1、环境空间数据获取的方法：

基于地面的采集方法：

现场观测、实际测量、实际调查

基于遥感的采集方法

2、遥感的概念：

即遥远的感知，是一种不直接接触物体而取得其信息的探测技术。

从远处探测、感知物体或事物的技术。

即不直接接触物体本身，从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输及处理分析，来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。

是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，接触处物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。

3、遥感系统包括：

被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理、信息的应用。

其中信息的处理包括：

辐射校正、姿态校正、几何校正、增强处理、聚合分类。

4、遥感的分类：

（P4）

a.按遥感平台：

地面、航空、航天、航宇

b.按探测波段：

紫外、可见光、红外、微波、多波段

c.按工作方式：

主动、被动

d.按应用领域：

e.按传感器：

地磁波、高光谱、声波、重力、磁力、地震波

f.按照资料的记录方式：

成像方式、非成像方式

5、遥感的特点：

宏观性、时效性、综合性（概括性）、经济性、局限性

6、遥感技术发展的四个阶段：

a.瞬时信息的定性分析阶段（是什么）b.空间信息的定位分析阶段（在哪里）

c.时间信息的趋势分析阶段（如何变化）d.环境信息的综合分析阶段（多源信息的复合）

第二章电磁辐射与地物光谱特征

1、电磁波谱：

按电磁波在真空中传播的波长与频率，递增或递减排列，构成了电磁波谱。

（波长由小到大）：

γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波（微波、超短波、短波、中波、长波）。

2、目前遥感应用的各电磁波波段及特征：

紫外线

0.01-0.4µm

源于太阳辐射

应用于荧石矿、石油勘探

可见光

0.4-0.7µm

源于太阳辐射

遥感的主要波段

红外线

0.7-3µm

3-6µm

6µm-1mm

近红外主要源于太阳辐射

中红外源于太阳辐射和地物热辐射

远红外源于地物热辐射

城市热岛、热污染、热惯量

微波

1mm-1m

主动遥感

3、电磁辐射量度：

a.辐射能量Q/W：

以电磁波形式传播的能量

b.辐射通量Φ：

在单位时间内传送的辐射能量

c.辐射强度I：

在单位立体角、单位时间内，微小辐射源向某一方向辐射的能量

d.辐射照度E：

在单位时间内、单位面积上接收的辐射能量

e.辐射出射度Me：

在单位时间内、单位面积上辐射出的辐射能量

f.辐射亮度Le：

在单位立体角、单位时间，从外表的单位面积上辐射出的辐射能量

4、绝对黑体：

一个物体对任何波长的电磁辐射都全部吸收，这个物体就是绝对黑体。

5、黑体辐射的3个特性：

a.辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。

b.温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。

c.随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。

6、地物的发射率：

地物的辐射出射度与同温下黑体的辐射出射度的比值。

影响地物发射率的因素：

地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）。

比热大、热惯量大以及具有保温作用的地物发射率大。

按照发射率与波长的关系，将地物分为：

黑提货绝对黑体

发射率为1，常数

灰体

发射率小于1，常数

选择性辐射体

发射率小于1，且随波长而变化

7、地物波谱曲线：

即一地物对不同波长测出对应于该波长的光谱辐射出射度所绘制的曲线。

8、太阳常数：

是指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。

9、太阳高度角α：

太阳入射光线与地平面所形成的夹角。

α与成像时刻的时间、季节、地理位置、坡度坡向有关。

为了减小太阳高度角的影响，遥感卫星轨道大多设计成在每天的同一地方时间通过同一地方上空，但季节和地理维度的差异造成的太阳高度角和方位角的变化是不可避免的。

10、大气的传输特性：

大气具有吸收、散射、（反射、折射、）透射的特性，这种特性与波长和大气成分有关。

11、太阳辐射的衰减过程：

30%被云层反射回，17%被大气吸收，22%被大气散射，31%到达地面。

12、大气窗口：

通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段成为大气窗口。

13、大气散射：

除了散射地面反射光导致辐射减弱外，还会因为反射光进入传感器而增加了信号中的噪音成分，造成遥感图像质量下降。

瑞利散射（蓝光容易被散射）、米氏散射、无选择性散射。

14、环境对地物光谱特征的影响：

a.地物的物理性状b.光源的辐射强度：

纬度与海拔高度

c.季节：

太阳高度不同d.探测时间：

时间不同，反射率不同e.气象条件

15、地物反射波谱：

指地物的反射率随波长的变化规律。

地物反射波谱曲线：

以波长λ为横坐标，以反射率P为纵坐标，描述地物反射率对不同波长的波反射能力的曲线。

16、叶绿素对蓝光吸收，对绿光反射；水体反射蓝绿光，吸收其他波段，尤其是近红外波段，因此水体在近红外影像上成黑色。

17、地物光谱测试的作用：

a.传感器波段选择、验证、评价的依据。

b.建立地面、航空、航天遥感数据的关系。

c.将地物光谱数据直接与第五特征进行相关分析并建立应用模型

第三章遥感成像原理与遥感图像特征

3.1遥感平台

1、遥感平台：

搭载传感器的工具。

2、卫星在空间中的位置和姿态可用6个参数表示：

（轨道长半径a、卫星轨道偏心率e）：

确定轨道的形状和大小。

（椭圆面倾斜角i、升交点赤径Ω）：

确定轨道面的方向。

（近地点角距ω）：

确定轨道面中长轴的方向。

卫星过近地点时刻t和运行周期T：

确定任意时刻卫星在轨道中的位置。

3.2航天遥感平台

1、根据其服务的对象，将遥感平台分为：

气象卫星系列，陆地卫星系列，海洋卫星系列，间谍侦察卫星。

2、气象卫星特点：

a.轨道：

低轨：

即近极地太阳同步轨道，也称极地轨道，高度800—1600Km，视场宽为2800Km，就某点一日两次。

b.高轨：

即地球同步卫星，高度为3600Km，覆盖1/4地球，由5颗星组成系统，就某固定地区，每隔20—30min。

c.时间分辨率高：

极地卫星0.5—1天/每次，静止卫星0.5小时/每次。

d.成像面积大

e.信息量大（资料来源连续、实时性强、成本低）：

气象卫星获得的资料包括：

可见光和红外云图等波段信息，还兼有通讯卫星的作用。

f.资料一致性优势。

3、气象卫星资料的应用领域：

a.天气分析和气象预报b.气候研究和气候变迁的研究

c.资源环境其他领域d.海洋（鱼情，洋流等）

4、陆地资源卫星：

以探测陆地资源为目的的卫星。

陆地卫星Landsat，斯波特卫星SPOT，中巴地球资源卫星CBERS，其他陆地卫星。

5、陆地卫星Landsat：

1972年发射第一颗，共发射7颗，产品主要有MSS、TM、ETM，属于中高度、长寿命卫星。

其运行特点：

①轨道为与太阳同步的近极地圆形轨道。

即卫星通过每一点的地方时相同。

②北半球中纬度地区上午成像，太阳高度角为25—30度。

③轨道高度为700—900km。

④运行周期为99—103min/圈，每16天覆盖一次地球。

⑤旁白重叠度随纬度的增大而增大，如纬度40度处重叠为34%，纬度80度处为80%。

传感器：

多光谱扫描仪MSS，分辨率为80m；专题制图仪TM，7个波段

6、

TM1

0.45~0.52µm

30m

蓝波段

对水体穿透强，对叶绿素反应敏感，有助于判别水深，水中叶绿素分布，进行近海水域制图。

TM2

0.52~0.6µm

30m

红波段

探测健康植物绿色反射率，区分林型、树种，反映水下特征。

TM3

0.63~0.69µm

30m

红波段

叶绿素的主要吸收波段。

用于区分植物种类和植物覆盖率，是可见光的最佳波段，广泛用于地貌、岩性、土壤、植被、水中泥沙等方面。

TM4

0.76~0.9µm

30m

近红外波段

对绿色植物类别差异最敏感，用于物量调查，作物长势测量，水域的测量。

TM5

1.55~1.75µm

30m

中红外波段

处于水的吸收波段内，用于土壤湿度、植物含水量调查，易于反映云与雪。

TM6

1.04~1.25µm

60m

热红外波段

区分农林覆盖长势，判别表层湿度，监测与人类活动有关的热特征，进行热制图。

TM7

2.08~2.35µm

30m

中红外波段

为地质家追加的波段，水的强吸收波段，水体呈黑色，用于区分岩石类型等。

TM8

0.5~0.9µm

15m

全色波段

提高其他波段的分辨率

7、SPOT卫星：

轨道：

太阳同步圆形近极地轨道，高度在830km左右，分辨率为10m，重复观察周期为1~5m。

应用范围：

共14个地面接收站，以陆地观察为主；用于地图制作，1：

5万地形图；立体观测和高程测量。

8、中巴资源卫星：

资源一号：

太阳同步极轨道，轨道高度778km，重访周期26天，分辨率19.5m。

资源二号：

主要用于地球资源和环境监测。

9、高空间分辨率陆地卫星IKONOS：

参数：

太阳同步轨道，高度681km，重复周期1~3天，携带一个全色1m分辨率传感器和一个四波段4m分辨率的多光谱传感器。

0.15~0.90µm

全色波段

MSI-1

0.45~0.52µm

蓝绿波段

MSI-2

0.52~0.60µm

绿红波段

MSI-3

0.63~0.69µm

红波段

MSI-4

0.76~0.90µm

近红外波段

10、海洋遥感的特点：

（除遥感的共性外）

a.需要高空和空间的遥感平台，以进行大面积同步覆盖的观测。

b.以微波为主

c.电磁波与激光、声波的结合

d.海面实测资料的校正

3.3摄影成像

1、传感器的组成：

收集器、探测器、处理器、输出器。

2、摄影机的分类：

分幅式摄影机、全景式摄影机、多光谱摄影机、数码摄影机。

3、根据摄影机主光轴与地面的关系，可分为垂直摄影和倾斜摄影。

4、垂直摄影像片的几何特征：

相片的投影，像片的比例尺，像点位移。

5、中心投影与垂直投影的区别：

a.投影距离的影响：

（垂）比例尺与投影距离无关，（中）焦距固定，航高改变，其比例尺也随之改变。

b.投影面倾斜的影响：

（垂）总是水平的，不存在倾斜问题，（中）若投影面倾斜，航片各部分比例尺不同。

c.地形起伏的影响：

（垂）无影响，（中）起伏越大，水平位置的位移量越大，正地形↑，负地形↓。

6、中心投影的透视规律：

a.地物是一个点，中心投影上仍是一个点。

b.与像面平行的直线的像仍是直线；如果直线垂直于地面，有两种情况：

第一，当直线与像片垂直并通过投影中心时，该直线在像片上为一个点，第二，直线的延长线不通过投影中心，这时直线的投影仍为直线，但该垂直线状目标的长度与变形情况则取决于目标在像片中的位置。

c.平面上的曲线，在中心投影的像片上仍为曲线。

7、像片比例尺：

像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比。

8、摄影比例尺：

航片上某线段1与地面相应线段的水平距离L之比。

9、重叠和遗漏视像（P61）。

10、像点位移：

在中心投影的像片上，地形的起伏除引起像片比例尺的变化外，还会引起平面上的点位在像片位置上的移动，这种现象称为像点位移。

11、像点位移的特性：

a.位移量与地形高差h成正比。

当高差为正时，像点位移为正，是背离像主点方向移动，当高差为负时，像点位移为负，是朝向像主点方向移动。

b.位移量与像主点的距离r成正比。

像片中心部分位移量较小，像主点处r=0，无位移。

c.位移量与摄影高度（航高）成反比。

3.4扫描成像

1、扫描成像：

依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。

成像方式有三种：

光/机扫描成像，固体自扫描成像，高光谱成像光谱扫描。

2、光/机扫描成像：

依靠机械转动装置使镜头摆动，形成对目标地物逐点、逐行扫描。

探测元件把接收到的电磁波能量转化成电信号，再经电/光转换成为光能量，最后在胶片上形成影像。

3、瞬时视场角：

扫描镜在一瞬时时间内可以视为静止状态，此时接收到的目标物的电磁波辐射，限定在一个很小的角度内，这个角度即为瞬时视场角。

即为扫描仪的空间分辨率。

4、总视场角：

扫描带的地面宽度称为总视场。

从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，即为总视场角。

固体自扫描成像：

用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的一种成像方式。

5、高光谱遥感：

即高光谱分辨率遥感。

是利用很窄的电磁波段从感兴趣的物体获取有关数据的探测技术。

其特点：

a.多达几百个波段b.连续的光谱c.光谱波段覆盖了可见光、近红外、中红外和热红外区域全部光谱带。

6、成像光谱仪：

既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术，称为成像光谱技术。

按照该原理制成的扫描仪就是成像光谱仪。

3.5微波遥感与成像

1、微波遥感：

通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。

2、微波遥感的特点：

a.全天候、全天时成像

b.对某些地物有特殊的波谱特征，例如微波波段中，水的比辐射率为0.4，而在冰中的比辐射率为0.99。

c.对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力，所以对于探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标，以及埋藏于地下的工程、矿藏、地下水有重要意义。

d.对海洋遥感具有特殊意义

e.分辨率较低，但特征明显

3、微波遥感方式：

主动微波遥感、被动微波遥感

4、主动微波遥感：

通过向目标地物发射微波并接收其后向散射信号来实现对地观测遥感方式。

主要传感器是雷达。

雷达的用途：

测定目标的位置、方向、距离和运动目标的速度。

按照雷达的工作方式可分为成像雷达和非成像雷达。

成像雷达又分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达。

5、测试雷达的分辨力可分为距离分辨力（垂直于飞行的方向）和方位分辨力（平行于飞行方向）。

距离分辨力的特征：

a.俯角越小，距离分辨力越高，这也是为什么雷达成像必须侧视的原因。

b.减小脉冲宽度可以提高距离分辨力

6、提高方位分辨力的措施：

采用波长较短的电磁波，加大天线孔径，缩短观测距离。

7、合成孔径侧视雷达：

利用遥感平台的前进运动，将一个小孔径的天线安装在平台的侧方，以代替大孔径的天线，提高方位分辨力的雷达。

3.6遥感图像的特征

1、通过遥感图像获取三方面的信息：

目标地物的大小、形状及空间分布特点；目标地物的属性特点；目标地物的变化动态特点。

应地将遥感图像归纳为三方面的特征：

几何特征、物理特征、时间特征

这三方面特征的表现参数：

空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率、时间分辨率

2、空间分辨率：

像素所代表的地面范围的大小，及扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。

空间分辨率的表示形式：

像元：

每个像元的大小在地面上对应的范围

象解率：

胶片上1mm间隔内包含的线对数（一条白线一台黑线构成一个线对）像元大小=每线对大小/2.8

视场角：

电子传感器的瞬时视域，用弧度表示

3、波谱分辨率：

传感器在接受目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔，间隔越小，分辨率越高。

意义：

a.提高了对地物的识别程度；b.在图像处理中多光谱信息的利用可以提高分析判断效果。

4、辐射分辨率：

传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差，在遥感图像上表现为每个像元的辐射量化级。

5、时间分辨率：

对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。

意义是：

a.进行动态监测和预报；b.进行自然历史变迁和动力学分析；c.更新数据库，形成时态数据。

第四章遥感图像处理

4.1光学原理和光学处理

1、亮度对比：

目标物相对于背景的亮暗程度，即视场中对象与背景的亮度差与背景亮度之比。

2、颜色对比：

在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响。

颜色对比受视觉影响很大。

3、颜色的性质：

当物体对可见光无选择的反射，反射率在80%~90%以上时，物体为白色显得明亮；当反射率在4%以下时，物体为黑色显得很暗；中间反射率则为灰色。

颜色的性质用明度、色调、饱和度来描述。

反射率越高，明度就越高；选择的波段越窄，饱和度越高。

4、颜色立体：

为了形象的描述颜色特性之间的关系，通常用颜色立体来表现一种理想化的示意关系。

5、三原色：

若三种颜色，其中的任何一种都不能由其余两种颜色混合相加产生，这三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，则称之为三原色。

红绿蓝是最优的三原色。

6、减法三原色：

黄、品红、青色。

7、加色法彩色合成：

根据加色法原理，制作成各种合成仪器，选用不同波段的正片或负片组合，进行彩色合成，是加色法合成的过程。

根据仪器类别可以将图像处理方法分为合成仪法和分层曝光法。

8、减色法彩色合成：

利用减色法原理使白光经过多种乳剂或染料或滤色片透明镜片等而反射或透射出来的合成彩色是减色法彩色合成。

根据不同的工艺和技术可以分为染印法、印刷法、重氮法。

4.2数字图像的校正

1、数字图像：

能够被计算机储存、处理和使用的图像。

2、数字化：

将连续的图像变化，做等间距的抽样和量化。

通常是以像元的亮度值表示。

数字量和模拟量的本质区别在于模拟量是连续变量而数字量是离散变量。

3、灰度直方图：

以每个像元为单位，表示图像中各亮度值或亮度值区间像元出现的频率的分布图。

4、数字图像的数学方法表示：

对一幅N×M个像元的图像的灰度值用一个N×M的矩阵函数来表示。

5、引起辐射误差的三个因素：

a.传感器的光电变换b.大气的影响c.光照条件

6、程辐射度：

相当部分的散射光向上通过大气直接进入传感器，这部分辐射称为程辐射度。

7、大气影响数字图像，其粗略校正地方法：

直方图最小值去除法，回归分析法。

8、遥感影像变形的原因：

遥感平台位置和运动状态的变化的影响；地形起伏的影响；地球表面曲率的影响；大气折射的影响；地球自转的影响。

在图像上的变形表现为：

行列不均匀，像元大小与实际地面大小不一；实际地物的错位；地物形状的变形。

9、几何校正的计算方法：

建立两图像像元之间的对应关系，确定校正后图像上每点的亮度值。

⑴最近邻法⑵双线性内插法⑶三次卷积内插法

10、控制点的选取：

L≥﹙n＋1﹚﹙n＋2﹚／2

选取原则：

a.易分辨、易定位、较精细的特征。

b.GCP分布尽量均匀，分布于整个图。

c.特征变化大的地区应多选些。

4.3数字图像增强

1、对比度变换（单点处理）

线性变换：

整体线性变换，分段线性变换

非线性变换：

指数变换，对数变换

2、邻域处理（空间滤波）

图像卷积运算、平滑（均值平滑处理、中值滤波）、锐化（罗伯特梯度、索伯尔梯度、拉普拉斯算法、定向检测）

3、彩色变换

单波段彩色变换（密度分割）：

单波段黑白遥感图像可按亮度分层，对每层赋予不同的色彩，使之成为一幅彩色图像。

多波段彩色变换（假彩色合成）：

把三个波段的图像分别通过红、绿、蓝三种原色合成彩色影像。

4.4HLS变换（色调、明度、饱和度）

1、RGB与HLS的变换：

设LR,LG,LB均为0~1的实型数据，H是0~360的实型，L和S为0~1的实型。

其中有一例外，即当S=0时，H无定义值。

Lmax为LR,LG,LB中的最大值，Lmin为LR,LG,LB中的最小值

a.明度值：

L=﹙Lmax＋Lmin﹚／2

对于特殊情况，Lmax=Lmin，说明LR=LG=LB为灰色，这时S=0，H无定义值

b.饱和度：

若L≤0.5，则S=﹙Smax－Smin﹚／﹙Smax＋Smin﹚

若L＞0.5，则S=﹙Smax－Smin﹚／[﹙1－Smax﹚＋﹙1－Smin﹚]

c.色调：

设ΔH=Hmax－Hmin

当HR=HRmax时，则H=60[﹙HG－HB﹚／ΔH]

当HG=HGmax时，则H=60[2＋﹙HB－HR﹚／ΔH]

当HB=HBmax时，则H=60[4＋﹙HR－HG﹚／ΔH]

2、图像运算：

差值运算、比值运算

3、多光谱变换：

目的：

保留主要信息，降低数据量；增强或提取有用信息

K—L变换（主成分变换）；K—T变换（缨帽变换）。

4.4多源信息的复合

1、多源信息的复合：

将多种遥感平台，多时相遥感数据之间以及遥感数据与非遥感数据之间的信息组合匹配的技术。

2、分别对应步骤：

配准、复合；配准、直方图调整、复合；地理数据的网格化、最有遥感数据的选取、配准复合。

第五章遥感图像目视解译与制图

1、目标地物的特征：

色、形、位。

2、目标地物识别特征：

色调、颜色、阴影、形状、纹理、大小、位置、图型、相关布局。

3、目视解译的方法：

直接判读法、对比分析法、信息复合法、综合推理法、地理相关分析法。

4、目视解译步骤：

a.准备工作阶段：

明确解译任务和要求，收集分析相关资料，选择合适波段与时相数据

b.初步解译与野外区的考察

c.室内详细判读

d.野外验证与补判

e.解译成果的转绘与制图。

第六章遥感数字图像计算机解译

1、遥感数字图像是以数字形式表示的遥感图像，遥感数字图像最基本的单位是像素。

2、计算机分类中采用的统计特征变量包括：

全局统计特征变量和局部统计特征变量

3、特征提取：

从n个特征中选取k个更有效特征的过程（n＞k）。

4、遥感图像计算机分类的依据：

遥感图像像素的相似度。

在遥感图像分类过程中，常使用距离和相关系数来衡量相似度。

5、计算机分类包括监督分类和非监督分类。

6、监督分类方法：

首先需要从研究区域选取有代表性的训练场地作为样本。

根据已知训练区提供的样本，通过选择特征参数（如像素亮度均值、方差等），建立判别函数，据此对样本像元进行分类，依据样本类别的特征来识别非样本像元的归属类别。

7、非监督分类方法：

是在没有先验类别（训练场地）作为样本的条件下，即事先不知道类别特征，主要根据像元间相似度的大小进行归类合并（将相似度大的像元归为一类）的方法。

8、监督分类和非监督分类方法比较：

根本区别在于是否利用训练场地来获取先验的类别知识。

监督分类的关键是选择训练场地。

训练场地要有代表性，样本数目要能够满足分类要求，此为监督分类的不足之处。

工作量相对大，但精度相对较高。

非监督分类不需要更多的先验知识，他根据地物的光谱统计特征进行分类。

当两地物类型对应的光谱特征差异很小时，分类效果不如监督分类效果好。

工作量相对小，但精度相对较低。

9、地物按其分布特征，主要表现为三种形式：

点状地物、线状地物、面状地物。

10、链码

11、遥感图像解译专家系统组成：

a.第一部分为图像处理与特征提取子系统

b.第二部分为遥感图像解译知识获取系统

c.第三部分为狭义的遥感图像解译专家系统