《遥感概论》资料综述.docx
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《遥感概论》资料综述
遥感概论
✧什么是遥感
遥感：
一种在远离目标，不与目标直接接触的情况下，通过传感器获取其特征信息，并对这些信息进行处理、分析和应用的综合性探测技术。
遥感：
通常是指空对地的遥感，即从远离地面的不同工作平台上通过传感器，对地球表面的电磁波信息进行探测，并经信息的传输、处理和判读分析，对地球的资源与环境进行探测和监测的综合性技术。
遥感过程：
是指遥感信息的获取、传输、处理，以及分析判读和应用的全过程。
包括遥感信息的获取；遥感信息的处理；遥感信息的应用。
遥感技术系统：
是指一个从地面到空中、甚至空间的从遥感信息收集、存储、处理、判读分析和应用的技术系统。
包括：
遥感试验系统；遥感信息的获取系统；遥感信息的处理系统；遥感信息的应用系统
✧遥感的分类
按工作平台：
地面遥感、航空遥感、航天遥感
按传感器的工作原理：
主动遥感，被动遥感
主动遥感：
指从传感器系统上的人工辐射源，向目标物发射一定形式的电磁波，再由传感器接收和记录其反射波的遥感系统。
其主要优点是不依赖太阳辐射，可以昼夜工作，而且可以根据探测目的的不同，主动选择电磁波的波长和发射方式。
如主动传感器：
雷达
被动遥感：
指由传感器从远距离接收和记录目标物所反射的太阳辐射电磁波及物体自身发射的电磁波（主要是热辐射）的遥感系统。
如各种摄像机、扫描仪、辐射计
✧遥感技术的特点:
1）感测范围大，具有综合、宏观性。
便于发现和研究宏观现象
2）信息量大，手段多、技术先进。
可提供丰富的光谱信息，根据应用目的不同可选用不同功能的传感器和工作波段
3）获取信息快，更新周期短，具有动态监测特点。
能用于洪水，土地利用，农作物长势、森林火灾等监测
4）用途广，效益高
5）约束少，不受地利、交通、国界等限制
✧电磁波谱
电磁波谱：
将电磁波按波长或频率大小顺序排列而成的图表。
遥感中常用的电磁波段：
包括可见光，红外和微波波段
可见光：
0.38-0.76um
红外：
近红外（NIR,near-infrared）：
0.7-3.0m
近红外（NIR,near-infrared）：
0.7-1.3m
短波红外（SWIR,shortwaveIR）：
1.3-3.0m
热红外（TIR,ThermalIR）：
3.0-1000m
中红外（MWIR,MidwaveIR）：
3.0-6.0m
远红外：
6.0-15m
超远红外：
15-1000m
微波波段：
（1mm-1m,最常用1cm-1m），特点：
–能穿透云雾
–能全天候、全天时进行
✧黑体辐射
斯忒藩-玻尔兹曼定律：
黑体的全部发射辐射（W,即辐射度）与其绝对温度（T）的四次方成正比。
W=T4
–红外装置测温的理论根据
维恩位移定律：
黑体的最大辐射率的波长（max）与它的绝对温度（T）成反比。
max=b/T
–可见，当物体的温度升高时，发射辐射中占优势的波长移向光谱的短波一端。
–据此，针对探测目标，选择最佳的遥感波段和传感器。
✧实际物体的辐射
基尔霍夫定律：
表现了实际物体的辐射出射度M与同一温度、同一波长绝对黑体辐射出射度M0的关系。
–M=
M0,
为比辐射率或发射率
✧太阳辐射和地球辐射
–太阳是被动遥感最主要的辐射源
–除了太阳以外，遥感探测中被动遥感的辐射源还有地球
太阳辐射和地球辐射的分段性：
1）太阳辐射。
接近于温度为6000K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为0.47m，主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即0.3-2.5m，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。
2）地球辐射。
接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射对应波长为9.66m，地球自身的辐射主要集中在波长较长的部分，即6m以上的热红外区段。
3）在2.5-6m的中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略
✧
✧大气散射
大气散射：
辐射在传播过程中遇到小微粒会使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射
三种散射类型：
瑞利散射、米氏散射、无选择性散射
✧大气窗口的概念和意义
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，透过率较高的波段成为大气窗口。
常用的大气窗口：
1）0.3-1.3μm，即紫外、可见光、近红外波段。
这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。
比如，Landsat卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。
2）1.5-1.8,2.0-3.5μm，即近、短波、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等
3）3.5-5.5μm，即中红外波段，物体的热辐射较强。
这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。
如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图
4）8-14μm，即远红外波段。
主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度
5）0.8-2.5cm至更长,即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。
而且工作方式为主动遥感。
其常用的波段为0.8cm,3cm,5cm,10cm等等,有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm波段。
✧物体的反射
三种反射类型：
镜面反射、漫反射、方向反射。
实际物体多数为方向反射
✧地物反射波谱特征
地物的波谱特征（地物波谱、地物波谱特性）：
地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，是遥感地物识别的基础。
地物波谱是电磁辐射与地物相互作用的结果。
不同的物质反射、透射、吸收、散射和发射电磁波的能量是不同的，它们都具有本身特有的变化规律。
地物的反射光谱：
指地物的反射率随波长的变化规律
反射波普曲线:
通常指用于表示地物的反射率随波长的变化规律的二维几何空间内的曲线。
横坐标表示波长λ，纵坐标表示反射率ρ
地物反射曲线的形态很不相同，表明反射率随波长变化的规律不同。
除了因为不同地物的反射率不同外，同种地物在不同的内部和外部条件下反射率也不同。
一般说来，地物反射率随波长的变化，有规律可循，为遥感影像的判读提供依据。
遥感影像判读和分类的理论依据：
同物同谱：
同类地物具有相同或相似的光谱特征
异物异谱：
不同类地物具有不同的光谱特征
遥感影像分类误差的主要原因：
同物异谱：
同类地物具有不同的光谱特征
同谱异物：
不同的地物可能具有相似的光谱特征
主要地物的波谱反射特征:
1.植被的光谱曲线可分为三段：
1）0.4-0.76m:
有一个小的反射峰，位于绿色波段（0.55m），两边（蓝、红）为吸收带
2）0.76-1.3m:
高反射，在0.7m处反射率迅速增大，至1.1处有峰值
3）1.3-2.5m:
受植物含水量影响，吸收率增加，反射率下降，形成几个低谷
2.岩石：
形态各异，没有统一的变化规律
3.土壤：
没有明显的波峰波谷。
土质越细，反射率越高，有机质含量越高、含水量越高，反射率越低
4.水体：
反射主要在蓝绿波段，其它波段吸收都很强，近红外吸收更强。
与含沙量、叶绿素含量等有关；含沙量越高、反射率越高
✧颜色的性质包括：
明度、色调、饱和度
1）明度（Lightness,Value,Intensity）：
人眼对明亮程度的感觉。
物体反射率越高，明度就越高。
2）色调（Hue）：
色彩彼此间相互区分的特性。
3）饱和度（Saturation）：
彩色纯洁的程度，即光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。
✧HSV模型:
H：
色调。
用角度量表示
范围从0到360度
红绿蓝分别相隔120度
互补色分别相差180度
S：
饱和度。
表示所选颜色纯度和该颜色最大纯度之比
范围从0到1
S=0时，只有灰度
V：
明度。
范围从0到1。
✧加法三原色：
红、绿、蓝
✧彩色影像类型：
真彩色（truecolor）影像:
红绿蓝三波段合成的彩色影像
假彩色（falsecolor）影像:
真彩色之外的其它彩色合成的彩色影像
标准假彩色影像:
近红外、红、绿波段合成的彩色影像，即彩色红外影像
伪彩色（pseudocolor）影像:
将不同的灰度值赋予不同的颜色显示得到的彩色影像
✧传感器
传感器:
是获取地面目标电磁辐射信息的装置，是遥感技术系统中数据获取的关键设备。
遥感平台:
搭载传感器的工具。
主要包括：
航天遥感平台、航空遥感平台、地面遥感平台。
成像光谱仪:
能为每个象元提供数十至数百个窄波段（通常波段宽度为<10nm）光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线的仪器
高光谱遥感:
在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的遥感技术
高光谱遥感的特点:
1）图谱合一，在获取大量目标窄波段连续光谱图像的同时，获得几乎连续的光谱数据
2）光谱分辨率高，波段宽度小于10nm,而宽波段遥感达100-200nm或更宽；
3）能探测到在宽波段遥感中难以探测的物质特征；
4）能获得连续光谱，区分出具有诊断性光谱特征的物质；
✧
✧传感器的性能指标和图像的特征
光谱分辨率:
传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔，常用波段数量衡量
空间分辨率:
遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸，是用来表征图像分辨地面目标细节能力的指标
辐射分辨率:
传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。
在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级（D）
时间分辨率:
重访周期，对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔
温度分辨率:
热红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力
✧扫描方式的传感器
光机扫描仪:
是对地表的辐射分光后进行观测的机械扫描型辐射计。
把搭载扫描仪的飞行平台的移动与利用旋转镜或摆动镜在平台移动的直角方向进行扫描结合起来，从而得到二维信息的遥感器。
推帚式扫描仪:
通过光学系统一次获得一条线的图像，然后由多个固体光电转换元件进行电扫描。
将探测器搭载于飞行平台上，通过和探测器成正交方向的移动而得到目标物的二维信息。
✧航空遥感
航空遥感:
以中低空航空遥感平台为基础进行的遥感方式
像点位移:
指在中心投影的相片上，由于地形的起伏等的影响而引起的平面上像点位置的移动
投影误差:
在中心投影的相片上，由于地形的起伏等的影响而引起的平面上像点位置的移动，其位移量称为“投影误差”。
航空摄影的方式：
单片摄影：
为特定目标或小块地区进行的摄影，单张、不连续
单航线摄影：
航向重叠度：
一般为60%，不小于53%。
多航线摄影：
旁向重叠度：
一般为15%-30%。
航空遥感的优点：
①航空遥感空间分辨率高、信息容量大
②航空遥感灵活，适用于一些专题遥感研究
③信息获取方便
✧航天遥感
航天遥感:
是利用搭载在人造地球卫星、探测火箭、宇宙飞船和航天飞机等航天平台上的传感器对地表进行的遥感
遥感卫星的分类：
陆地卫星；气象卫星；海洋卫星
✧气象卫星
气象卫星的分类:
分极轨道和地球同步轨道两个系列
极轨卫星：
FY-1,NOAA
地球同步轨道卫星：
FY-2,GOES,GMS
气象卫星的特点：
1.重访周期短，数据更新快；
2.成像面积达，便于同步监测
3.资料来源连续，实时性强，成本低
✧陆地卫星
主要陆地卫星：
LANDSAT系列
陆地卫星的轨道特征:
中等高度、近圆形、近极地、太阳同步、可重复轨道；在降轨时获取图像
TM/ETM+主要波段及其特点：
波
段
波长
（μm）
波段
名称
地面
分辨率
波段特点
1
0.45-0.52
蓝光
30
水体透视深度大，对叶绿素和水体含沙量敏感
2
0.52-0.60
绿光
30
水体透视深度较大，对健康茂盛植物敏感
3
0.63-0.69
红光
30
绿色植物强吸收波段，可见光最佳波段
4
0.76-0.90
近红外
30
水吸收带，绿色植物强反射波段。
茂密植物呈浅色调
5
1.55-1.75
短波红外
30
处于水的强吸收带，对土壤湿度、植物含水量敏感
6
10.4-12.5
热红外
120/60
地面分辨率低；对热异常敏感
7
2.08-2.35
短波红外
30
水的强吸收带，水体深色调；与5波段相关性较强
8
0.50-0.90
全色
15
高分辨率卫星:
IKONOS：
全色：
空间分辨率１米（波段：
0.45-0.90微米）；
多光谱：
空间分辨率４米，波段：
蓝（0.45-0.53）绿（0.52-0.61）红（0.64-0.72）近红（0.77-0.88）
QUICKBIRD：
（1-3.5天）全色：
0.61-0.72米
多光谱：
2.44-2.88米，波段同IKONOS
✧影像解译
影像解译:
是指对遥感图像上的各种特征进行综合分析、比较、推理和判断，最后提取所感兴趣的信息的过程
目视解译/影像判读:
是用眼睛目视观察，凭借人的经验、知识和有关资料，通过人脑的分析、推理和判断，提取有用的信息。
计算机解译:
利用计算机，运用模式识别方法自动提取信息的过程
✧遥感图像目视解译的基本步骤；
①准备工作②初步解译和野外调查③室内详判
④野外验证与补判⑤解译成果转绘和制图
✧解译标志
解译标志：
即判读标志，指可用来识别遥感图像上目标地物或现象及其属性的各种影像特征
直接解译标志：
直接反映或表现目标地物信息的各种影像特征。
如色调、色彩、大小、形状、阴影、纹理、图形等
间接解译标志：
间接反映或表现目标地物信息的各种影像特征。
如空间位置、地物与环境的关系、目标地物的季节变化等，间接判读标志的运用需要相关专业背景
主要解译标志：
形状（shape）：
目标地物在遥感图像上呈现的外部轮廓。
色调（tone）：
全色遥感图像中从白到黑的密度比例叫色调（也叫灰度）
颜色（color）：
是彩色图像中目标地物识别的基本标志。
阴影（shadow）：
是图像上光束被地物遮挡而产生的地物的影子。
据此可判读物体性质或高度。
纹理（texture）：
也叫内部结构，指遥感图像中目标地物内部色调有规则变化造成的影像结构。
大小（size）：
指遥感图像上目标物的形状、面积与体积的度量。
位置（site）：
指目标地物分布的地点。
图型（pattern）：
目标地物有规律的排列而成的图形结构。
相关布局（association）：
多个目标地物之间的空间配置关系。
✧遥感图像处理
数字图像：
以数字的形式存储的，适合于计算机处理的影像数据
数字图像处理的主要内容：
图像校正：
从具有畸变的图像中消除畸变的处理过程，包括辐射校正、几何校正。
图像增强：
增强图像中的有用信息，利于识别分析，包括辐射增强、几何增强、图像运算、多光谱变换等。
信息提取：
提取图像中的有用信息，空间信息提取、属性信息、时间信息
✧图像校正
辐射校正：
消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出辐射能量中的各种误差
大气校正：
指大气散射校正，即消除大气散射对辐射失真的影响
几何校正：
从具有几何变形的图像中消除变形的过程
几何精校正：
利用地面控制点进行的几何校正称为几何精校正
几何精校正的一般步骤
①选择控制点：
在遥感图像和地形图上分别选择同名控制点，以建立图像与地图之间的投影关系，这些控制点应该选在能明显定位的地方，如河流交叉点等。
②建立整体映射函数：
根据图像的几何畸变性质及地面控制点的多少来确定校正数学模型，建立起图像与地图之间的空间变换关系，如多项式方法、仿射变换方法等。
③象元灰度赋值（重采样）：
为了使校正后的输出图像像元与输入的未校正图像相对应,根据确定的校正公式，对输入图像的数据重新排列。
在重采样中，由于所计算的对应位置的坐标不是整数值，必须通过对周围的像元值进行内插来求出新的像元值。
地面控制点（GCP，GroundControlPoint）:
一些特定的象元，其地图坐标或其它输出坐标为已知的人工地物、线性地物交叉点等不易随时间变化的目标。
大比例尺的图像：
道路交叉点、机场跑道、建筑物小比例尺的图像：
城区、一些线性地物交叉点（河流、道路）
分布：
较均匀分布与图像范围内，保证足够数量
1）多项式纠正法的精度与地面控制点（GCP）的精度、分布、数量及纠正范围有关；
2）GCP的位置精度越高，则几何纠正的精度越高；GCP的个数不少于多项式的系数个数；适当增加GCP的个数，可以提高几何纠正的精度。
3）20-30个GCP，一般可以满足需求
4）GCP分布应尽可能在整幅图像内均匀分布，否则在GCP密集区精度较高，在GCP分布稀疏区出现较大误差。
三种插值方法特点：
方法
优点
缺点
提醒
最邻近法
简单易用，计算量小
处理后的图像亮度具有不连续性，影响精确度
双线性内插法
精度明显提高，特别是对亮度不连续现象或线状特征的块状化现象有明显的改善。
计算量增加，且对图像起到平滑作用，从而使对比度明显的分界线变得模糊。
鉴于该方法的计算量和精度适中，只要不影响应用所需的精度，作为可取的方法而常被采用。
3次卷积内插
更好的图像质量，细节表现更为清楚。
计算量很大。
欲以三次卷积内插获得好的图像效果，就要求位置校正过程更准确，即对控制点选取的均匀性要求更高。
图像增强:
用于改善图像质量或突出图像中感兴趣的信息，加强图像判读和识别效果的图像处理方法
图像增强的方法是通过一定手段对原图像附加一些信息或变换数据，有选择地突出图像中感兴趣的特征或者抑制（掩盖）图像中某些不需要的特征，使图像与视觉响应特性相匹配。
辐射增强:
一种通过改变图像灰度分布态势来调整图像对比度，从而改善图像质量的方法
灰度直方图：
是描述影像中各灰度值象元个数的图表，其横坐标表示象元的灰度，纵坐标表示象元的个数。
灰度直方图是分析图像的重要工具，通过分析直方图形态可了解图像的特点：
明暗程度；细节是否清晰；动态范围大小
直方图形态与图像质量的关系：
（ppt）
直方图的性质:
1）直方图反映了灰度的出现频率，不包含象素的位置信息
2）同一图像的直方图唯一，反之不成立
3）一幅图像的直方图等于其各部分图像直方图之和
直方图修正，线性变换、分段线性变换算法原理
直方图修正：
图像直方图修正是指通过修改影像直方图来改善图像对比度。
图像直方图修正是通过指定原始图像与新图像象元值间的变换关系来实现的
线性变换：
在曝光不足或过度的情况下，图像灰度会局限在一个很小的范围，是一个模糊不清、似乎没有灰度层次的图像。
采用线性变换对图像每一个像素灰度作线性拉伸，可有效地改善图像视觉效果。
分段线性变换算法：
不同亮度范围采用不同线性变换函数
直方图均衡化、直方图匹配的应用
直方图均衡化：
将原图像的直方图通过变换变为均匀直方图，从而得到一幅灰度均匀分布的图像
直方图匹配：
将原直方图修正到指定的结果（形状）-直方图规定化
应用：
图像镶嵌
✧空间增强
邻域：
对于图像中的任一象元（i,j），把象元集合{i+p,j+q}（p,q为任意整数）叫该象元的邻域
邻域运算：
基于输入像素的一个邻域的像素灰度确定该像素输出灰度的图像处理运算
模板：
是一个大小为M×N的数值矩阵，如3×1、2×2、3×3、5×5等。
模板运算：
用于实现邻域运算，其数学涵义是一种卷积运算，运算结果称为模板响应。
图像卷积运算：
在图像的左上角开一个与模板同样大小的活动窗口，图像窗口与模板像元的亮度值相乘再相加，得到新像元的灰度值。
空间增强的概念
概念：
或称几何增强、空间滤波，是一种基于邻域运算的影像处理技术，主要用于实现图像空间几何特征的增强处理，包括平滑和锐化
平滑：
用于去除遥感图像中的噪声或减小图像灰度变化幅度。
也称低通滤波，用于抑制图像中的高频分量，模糊图像细节
均值滤波：
对图像边缘的影响较大
适合用于去除零均值的随机噪声
随着邻域的加大，图像的模糊程度也愈加严重
中值滤波：
处理结果为图像窗口中象元值按大小顺序排列的中间数
能较好地保持大多数边缘特征
适合用于去除脉冲噪声
锐化、边缘增强概念
锐化：
通过增强高频分量来减少图象中的模糊度，因此又称为高通滤波。
主要用于增强图像的边缘和灰度跳变部分，又称边缘增强
方法主要有空间梯度法和方向模板
主要锐化算法的特点：
1）主要有空间梯度法
a）梯度的方向是在函数f（x,y）最大变化率方向上
b）梯度的幅度用G[f（x,y）]表示：
2）方向模板
a）用于增强与模板方向一致的边缘
b）据方向，分为三类：
垂直（Vertical）模板、水平（Horizontal）模板、对角（Diagonal）模板
✧图像运算，差值运算、比值运算的应用
图像运算:
图像运算是指对两幅或两幅以上的输入图像的对应像元逐个地进行和、差、积、商的四则运算，以产生有增强效果的图像
差值运算:
指两幅同样大小的图像对应象元的灰度值相减
比值运算:
两个波段对应像元的灰度值之比或几个波段组合的对应像元灰度值之比
植被指数的概念和计算
植被指数:
是基于植被在红光波段（R）的强吸收和近红外波段（IR）的强反射，通过这两个波段影像的比值或线性组合来表达植被信息（如叶面指数、植被覆盖度、生物量等）的参考量
计算方法:
差值植被指数
比值植被指数
归一化差值植被指数
绿度植被指数：
KT变换中的绿度
主成分变换:
对于线性变换Y=TX，如果变换矩阵T是正交矩阵，并且它是由原始图像数据矩阵X的协方差矩阵S的特征向量所组成，则称此变换为主成分变换
性质和特点:
（1）由于是正交线性变换，所以变换前后的方差总和不变，变换只是把原来的方差（方差大说明信息量大）不等量的再分配到新的主成分图像中
（2）第一主成分包含了总方差的绝大部分（一般在80%以上），信息最丰富，图像对比度大，其余各主成分的方差依次减小
（3）变换后各主成分之间的相关系数为零，也就是说各主成分间的内容是不同的，是“正交”的
（4）是一种数据压缩和去相关技术，即把原来的多变量数据在信息损失最少的前提下，变换为尽可能少的互不相关的新的变量，以减少数据的维数，便于显示和分析。
缨帽变换:
是Kauth和Thomas通过分析陆地卫星MSS图像反映农作物和植被生长过程的多时相数据，提出的一种经验性的、固定核的多波段图像的线性组合变换，又称K-T变换。
变换后各分量的物理意义：
MSS数据为4波段数据
1）u1为“亮度（Brightness）”特征，反映地物总体辐射强度，土壤亮度；
2）u2为“绿度（Greenness）”特征，反映地面植被状况；
3）u3为“黄度（Yellowness）”特征，反映地面黄色物质；
4）u4无明确物理意义。
TM数据为6波段数据
1）u1为“亮度（Brightness）”特征，反映地物总体辐射强度，土壤亮度；
2）u2为“绿度（Greenness）”特征，反映地面植被状况；
3）u3为“湿度（Waterness）”特征，反映地面水体及土壤湿度、植被含水量等；
4）U4…无明确物理意义。
✧遥感图象分类
计算机分类：
是通过模式识别理论，利用计算机将遥感图象自动分成若干地物类别的方法。
基本原理：
不同的地物具有不同的光谱特征，
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