遥感导论实验指导书.docx
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遥感导论实验指导书
《遥感导论》
实验指导书
（内部教材）
浙江农林大学
前言
结合我校林业特色和各相关专业具体教学实践，本实验主要包括：
地物光谱的测量和分析、遥感成像原理及遥感图像特征、航空像片的立体观察和测量、卫星遥感影像的输入输出、图像预处理及计算机程序设计（包括几何校正、增强处理、信息复合等）、图像分析判读、计算机解译、信息提取与遥感制图、以及遥感、地理信息系统和全球定位系统的综合等一系列过程。
本实验指导从基本概念到实际操作，方法原理到实践应用，由浅入深。
前一次的实验是下次的实验的基础和准备，环环相扣、相辅相成；同时结合遥感发展的最新动态以及遥感应用特别是在林业生产实践应用中的最新方法。
让学生既能学到遥感的基本理论，又能掌握相关领域遥感专题信息提取方法，也为将来的工作、科研指明方向、奠定基础。
另外，为了同时为了满足资源环境与城乡规划、环境工程、林学等专业的需要，也安排了一些特色实验，教师可以根据不同专业有选择的进行实验。
编者
2009年8月
目录
实验一航空象片比例尺和像点位移的计算1
一、实验内容和目的1
二、原理和方法和方法及方法1
三、实验步骤3
四、要求和实验报告4
实验二航空像片的立体观测与高程测量4
一、实验内容和目的4
二、原理和方法和方法4
三、实验步骤6
四、实验要求6
实验三航空像片的判读7
一、实验内容和目的7
二、原理和方法7
三、实验步骤9
四、实验要求10
实验四、ERDAS视窗的基本操作11
一、实验目的：
11
二、实验内容：
11
三、实习报告13
实验五、遥感图像的几何校正14
1、图像几何校正的途径14
2、图像几何校正的计算模型（GeometricCorrectionModel）14
3、图像校正的具体过程15
实验六：
遥感图像的增强处理20
1、卷积增强（Convolution）20
2、直方图均衡化（HistogramEqualization）21
3、主成分变换21
4、色彩变换（RGBtoIHS）22
实验七：
遥感信息的复合23
实验八：
遥感图像分类---监督分类23
1、定义分类模板24
2、评价分类模板24
3、执行监督分类24
实验九：
遥感图像分类---非监督分类25
实验目的：
25
实验内容：
25
1、分类过程（ClassificationProcedure）25
2、分类评价（EvaluateClassification）26
实验十 学校所在地卫星图像判读28
一、目的28
二、材料28
三、实验内容28
四、实验要求29
《遥感导论》课程实习指导29
实习内容29
实习目的29
资料和工具29
方法和步骤29
实习要求30
附1遥感图象处理软件介绍31
实验一航空象片比例尺和像点位移的计算
一、实验内容和目的
1．掌握航空摄影像片比例尺的计算方法；
2．了解航片上像片重叠度；
3．计算航片上的投影误差。
二、原理和方法
1．像片的比例尺
指像片上两点之间的距离与地面上相应点之间实际距离之比。
设H为摄影平台的高度（航高），f为摄影机的焦距，则像片的比例尺大小取决于H和f。
在地形平坦、镜头主光轴垂直于地面时，像片的比例尺为：
式中，H为摄影平台高度；1/m为像片比例尺；a，B，A，B分别为像片上和实际地面的对应点；ｆ为摄影机的焦距。
通常f值可以在像片的边缘或相应的遥感摄影报告、设计书中找到，H由摄影部门提供。
2．像点位移
（1）因地形起伏引起的像点位移——投影误差
在中心投影的像片上，地形的起伏除了引起像片比例尺的变化外，还会引起平面上点位在像片上相对位置的移动，这种现象称为像点位移。
其位移量就是中心投影与垂直投影在同一水平面上的投影误差。
σ=
其中σ——位移量；
ｈ——地面高差；
ｒ－像点到像主点的距离；
H——摄影高度。
由公式可以看出：
1）移量与地面高差ｈ成正比，即高差越大引起的像点位移量也越大。
当地面高差为正时（地形高于摄影基准面），σ为正值，像点位移是背离像点方移动的；当高差为负时（地形低于摄影基准面），σ为负值，像点向像主点方向移动。
2）位移量与像主点的距离r成正比，即距像主点越远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小。
像主点处ｒ=0，无位移。
3）位移量与摄影高度H（航高）成反比。
即摄影高度越大，困地表起伏引起的位移量越小。
例如地球卫星轨道高度H=700ｋｍ，当像片大小为18cmX18cm时，处于像片边缘的像点的地面高差ｈ为1000ｍ时，其位移量约0.13mm。
（2）因像片倾斜产生的像点位移——倾斜误差。
在航摄过程中，因飞机倾斜产生地物点在影像上的位移，称为倾斜误差。
如图1.1所示。
图1.1因像片倾斜引起的像点位移
像点位移的方向，如图8.1中，Ｐ0与Ｐ为同一摄影站的水平像片和倾斜像片，A为地面任一点，A。
点和A点分别为地面A点在水平面像片和倾斜像片上的像点，hchc为等比钱，C为等角点，Cｖ。
、Cｖ为主垂面在两像片上的交线，Ф0分别为像点a0和A与等角点C连线与主纵线的夹角。
若将水平像片Ｐ0绕等比线向上旋转与倾斜像片P重合，根据等角点的性质，倾斜像片上以等角点C为顶点的方向角与水平像片的对应方向角，大小是相等的，所以Ф=Ф0，因此，在主纵线Cｖ。
与Cｖ重合的同时，直线Ca与Ca0必然重合，A点落在Ｐ像片的Ca延长线上为a0,线段aa0是点a0因像片倾斜而产生的位移距离，即倾斜误差，用δa表示。
因此航空像片因倾斜而引起的像点位移方向是在像点与等角点的连线上。
倾斜误差可简化表示如下：
δa=-2r/fsinαcosø
式中，α为像片倾斜角，ｒ为像片上从等角点到像点的辐射距，ø为由主纵线方向至像点位移方向的方向角，ｆ为航摄镜头焦距。
倾斜误差的规律是：
等角点和等比线上无倾斜误差，倾斜误差的位移在等角点（C）为直线的辐射线上，焦距越大倾斜差越小，等比线（hchc）把像片分成两部分，像底点（ｎ）所在的部分，位移向外，像主点（O）所在的部分，位移向内，如将倾斜像片平平面内的图形绘出可以看到正方形变成了等腰梯形（图1.2）。
图1.2像片倾斜引起的像点位移规律
３．像片重叠度
在拍摄特定目标时，常采用航线连续摄影。
为了使各张相邻像片之间连续，需要相邻像片间具有一定的影像重叠，航线之内的重叠称为航向重叠（endlap），一般要求达60%，不能小于56%。
当进行大面积航摄时，各航线之间的像片重叠称为旁向重叠（sidelap），重叠应达到40%，不能小于15%，重叠不足称为航摄漏洞。
为了保证像片的重叠度，航摄飞行中，要求航线与纬线平行，并且航线的长度限制在60～120km。
像片重叠的关系如图1.3所示。
图1.3航空像片摄影中像片重叠关系
三、实验步骤
设航片A和航片B为同一航线上的相邻图像，航片C与航片B为相邻航线上的相邻图像。
它们的摄影焦距ｆ=152mm，航高为10640ｍ。
（具体数值根据实验材料定）
1．计算航片的比例尺
根据航片比例尺的计算公式，计算这三张航片的比例尺。
２．了解航片上的像片重叠度
将航片A和航片B上的A、B点重合，航片A上AB连线的右边部分为航片A与航片B的航向重叠。
（２）将航片B和航片C上的C、D点相重合，航片B上CD连线到航片底边的距离为航片B与航片C的旁向重叠。
（３）分别量取航向重叠和旁向重叠的宽度以及航片的幅宽，计算航向重叠宽度与幅宽之比即为航向重叠度，计算旁向重叠的宽度与航片幅宽的比值即为
旁向重叠度。
３．计算航片上的投影误差
航片A上，OA是其中心点（像主点），ｅ点的高差（高于摄影基准面）是200m，计算ｅ的投影误差。
方法：
量取像点ｅ到像主点OA的距离，根据投影误差的公式计算
四、要求和实验报告
每个同学独立完成实验，并提交书面实验报告，内容包括原理和方法和方法、方法和结果、分析。
实验二航空像片的立体观测与高程测量
一、实验内容和目的
１．掌握使用立体镜进行航空像片立体观察的方法；
２．掌握在航片上测量高差的方法。
二、原理和方法和方法
１．像对的立体观察
两个像机从相距一定距离的两点对同一目标进行摄影，产生的重叠图像，称立体像对（stereoscopicimages），成为立体像对的必要条件是像片的重叠度大于56％。
将成为像对的两张遥感影像并排排列，如果左眼看左边的图像，右眼看右边的图像，就可以产生目标物的立体视觉效果，这称为立体观察（stereoscopicimages）。
人眼能够观察到具有立体感的客观世界，其原理和方法和方法是一对眼睛在观察物体时，物体在两眼的视网膜上产生的影像之间存在生理视差。
同理，像对是从不同角度摄制的同一地物的一对影像，因此存在类似生理视差的影像视差，叫做左右视差。
当双眼分别观察这一对像片时，存在左右视差的像片会反映到眼睛的视网膜上，构成生理视差，由此便产生了与观察实物时一样的立体视觉效果。
通常称这种人为条件下，对立体像对进行观察，而获取立体感觉为人造立体观察。
这就是利用航片像对进行立体观察的基本原理和方法和方法。
利用航片进行人造立体观察的条件是：
（１）必须是两张相邻且有部分重叠的像对；
（２）两眼必须分别各看一张像片，通常称之为“分像”；
（３）像片安放时，对应点的连线必须与双眼基线平行，且两像片的距离需
要调整，应与双眼的交会角相适应；
（４）两张像片的比例尺尽可能一致，最大差值不超过１６％。
通常进行航片的立体观察要使用立体镜。
立体镜是为了便于进行立体观察而设计的工具。
常用立体镜有：
透镜式立体镜（袖珍立体镜）、发射式立体镜（反光立体镜）和可变焦距立体镜等。
应用立体镜进行航片立体观察的主要步骤有：
（１）取一对航片像对，分别找出像主点；
（２）将像片按左右放置，使影像的重叠部分向内，使像对像主点连线置于平行于眼基线的直线上。
移动立体镜，使立体镜的基线平行于像主点连线；
（３）在立体镜下移动像片间的距离，直到观测到相应的像点融合为一体而获得立体感觉，且观察时没有不适的感觉；
（４）当立体像对范围内高差太大时，在某一部分不易同时看出山顶及山谷的立体模型，需调整基线长度，才能实现立体观察。
在实际操作时，为取得较好的立体效果，需要确定两像片间的相对位置。
可先用两个食指在立体镜下分别指着两张像片的对应像点，然后，左右移动食指（连同像片），直至看到两个食指重合在一起，此时就可以看到较好的立体效果。
需要提及的是，上述立体观察，能获得与实物相似的立体模型，称为正立体效应；若将左像片与右像片对调，则获得与实际相反的立体，称为反立体效应。
２．像对的立体量测
（１）像点坐标：
通常采用以方位线为轴的直角坐标系（图2.1）。
像主点为坐标原点，像片的方位线为Ｘ轴，以右方向为正，ｙ轴是通过像主点且垂直于Ｘ轴的直线，以上方向为正。
y
y
x
x
O2
O’2
O’1
O1
a2
C2（ｘc1，yc1）
C1（ｘc1，yc1）
a1（ｘa1，ya1）
图中，像点a1和a2。
的坐标分别为（ｘa1，ya1）和（xa1,ya2）。
（２）像点视差：
像点的左右视差又称横视差，是指像对同名像点坐标之差，即左像片像点的横坐标减去右像片像点的横坐标，以P表示。
如ａ点的左右视差为Pa=Xa1一Ｘa2。
像点的视差与航片的比例尺和摄影基线有关，即P=B·ｆ／H（具体的推导过程见有关文献），其中B为摄影基线的长度，ｆ为焦距，Ｈ为像点的航高。
（３）地面高差的计算：
在航片上测量像点C相对已知点A的高差:
。
式中，ｈ为像点C相对像点Ａ的高差；HＨ为像点Ａ的高程；ｂ为A点的左右视差，可由基线与比例尺相乘计算出，ΔＰ为像点C对Ａ的左右视差之差，称为左右视差较。
根据公式，只要已知某像点的航高以及两像点的左右视差，便可以计算出它们的高差。
三、实验步骤
１．航空像片的立体观察
（１）准备工具：
立体镜（透镜式立体税、发射式立体镜等均可）；
（２）将立体镜置于图上，将立体镜中央对准左右像片的中缝，使左眼看左像片，右眼看右像片。
（３）若利用第二步中的方法进行立体观察效果较差，
２．航空像片的高程测量和计算
（ｌ）使用的航片：
（２）航片上Ｏａ和Ｏｈ分别为航片Ａ和航片Ｂ的像主点，在航片Ａ上，点Ｏｈ为航片Ｂ的像主点在航片Ａ的位置；
（３）已知Ｅ点和待计算点Ｆ的位置，分别标注在航片Ａ和航片Ｂ上，Ｅ点的高度为650ｍ；
（４）分别在航片Ａ和航片Ｂ上量取Ｅ、Ｆ的像点坐标，并计算像点Ｅ和像点Ｆ的左右视差，计算出其左右视差较；
（５）量取航片Ａ上Ｏａ到“的距离，Ｏａｏｂ即为立体量测高差公式中的Ｐ值，根据航片上立体量测高差的公式，计算Ｆ点和Ｅ点的高差。
四、实验要求
每个同学独立完成实验，并提交书面实验报告，内容包括原理和方法和方法、方法和结果、分析。
实验三航空像片的判读
一、实验内容和目的
1．学习航空像片判读的基本原理和方法和方法和方法；
2．掌握航空像片判读中判读标志的建立方法；
3．解译判读各土地覆盖类型在彩红外航片上的影像特征。
二、原理和方法
1．原理和方法和方法
航空像片是在航空遥感平台上通过摄影机所获得的可见光和红外光的光学摄影像片。
它采用中心投影方式成像，对于没有经过正射纠正的像片，受中心投影的控制，其边缘分布物体，常发生误差和畸变。
从航空像片上可以看到地物的顶部轮廓，这与日常生活中观察目标地物的视角不同。
航空像片解译，需要利用熟悉的区域和熟悉的地物类型进行练习，掌握认识目标物顶部形态的技巧。
航空像对具有立体观察能力，在航片判读时常借助立体镜进行地物的详细判读。
根据航空摄影的方法和胶片的类型，航空摄影可分为普通摄影、红外摄影和多光谱摄影。
其中，普通和红外摄影的航片又各分为彩色和黑白两种，目前最常用的是彩色红外摄影航片，简称彩红外航片。
各种摄影航片在判读时所建立的解译标志（判读标志）等略有差别，总的判读方法和判读过程相似。
２．判读标志
像片的判读标志（imageinterpretationkey）又称解译标志，它是指能够反映和表现目标地物信息的遥感影像的各种特征，这些特征能帮助判读者识别遥感影像上目标地物或现象。
解译标志分直接判读标志和间接判读标。
直接判读标志是指能够直接反映和表现目标地物信息的遥感影像的各种特征，它包括遥感摄影像片上目标地物的大小、形状、阴影、色调、纹理、图型和位置及与周围的关系等，解译者利用直接解译标志可以直观地识别遥感像片上的目标地物。
（１）大小（size）：
指在二维空间上对目标物体尺寸或面积的测量。
通过比较两个物体的相对大小可以帮助识别它们的性质。
可以根据像片的比例尺，计算目标地物的实际大小和分布规模。
（２）形状（shape）：
指某一个地物的形态、结构和轮廓。
地表分布的目标物体都具有一定的几何形状，根据像片上物体特有的形状特征可以判断和识别目标地物。
如一些地物顶部形状明显，仅从形状上就可以辨别出地物，大多数地物不能仅从顶部形状辨别，但形状提供了判读的重要信息。
（３）色调（tone）：
指像片上物体的色彩或相对亮度。
是地物反射或发射电磁波的强弱程度在像片上的表现。
采用不同波段和使用不同感光胶片，其色调反映的意义是不同的。
黑白像片上，影像色调一般划分为７级至１０级灰阶。
１０级灰阶分别为白、灰白、淡灰、浅灰、灰、暗灰、深灰、淡黑、浅黑、黑。
彩色像片的信息量高于黑白像片。
在彩色像片上，不同地物可以表现出不同颜色的差异，也可以表现出色彩深浅（纯度）的差异。
（４）阴影（shadow）：
指阳光被地物遮挡而产生的影子。
影子在像片上表现为高大地物背光面形成的深色或黑色的色调。
在航空像片上阴影分为本影和落影。
本影是地物末被阳光直接照射到的部分在像片的构像，本影有助于获得地物的立体感。
落影是物体投影在地面上的影子在像片上的构像，落影的形状和长度，有助于判读地物的性质及高度。
但在阴影内的地物，也会因地物反射光较少，而掩盖或削弱了信息。
（５）纹理（texture）：
指通过色调或颜色变化表现出的细纹或细小的图案，这种细纹或细小图案在某一确定的图像区域中以一定的规律重复出现，即表现为影像上色调变化的频率。
像片上的纹理可以揭示出目标地物的细部结构或内部细小的物体。
目标地物的纹理特征与航空像片的比例尺有关。
（６）图型（pattern）：
指目标地物以一定规律排列而成的图形结构，是物体的空间排列。
模式是一个综合性解译标志，它由形状、大小、色调、纹理等影像特征组合而成的。
人工地物往往具有某种特殊的模式。
例如由教室、操场和跑道构成的学校，它们都具有一定的整体图型。
自然界中，一些地物也具有特定的图型，如水系有树枝状、羽毛状和格网状等多种图型，它们综合地反映出流域内地质构造和水文特征。
地物的模式揭示了不同地物之间的内在联系，也为解译者识别这些地物提供了依据。
（7）位置及与周围的关系：
指目标地物在空间分布的地点，及相对于其它地物的关系，据此可以识别一些目标地物或现象。
间接解译标志是指能够间接反映和表现目标地物信息的遥感影像的各种特征，借助它可以推断与目标地物的属性相关的其他现象。
由于判读的结果需要依据判读人员的经验和知识，所以判读熟练程度的不同，会在判读结果上产生差异。
因此，在由多个判读人员对同一地区进行判读时，或者对一些专业地物进行判读时，为减少由判读人员造成的判读误差，通
常要预先建立好判读标志（表１）。
表1航空像片上森林的判读标志
种类
形状
色调
阴影
图型
纹理
备注
杉树
圆形或圆锥形、顶部尖
黑灰色
深，向阳部分与背光部分反差大
斑粒状、人工林特征明显
硬、粗
人工林多沿湿洼地分布
柏树
云南松
栎树
……
……
……
３．判读方法
航空像片的判读基本上是为每个特定专业服务的，通用的方法有：
（1）直接判读：
通过上述影像的判读标志直接辨认他物并解译专业内容。
（2）逻辑推理与宏观分析：
在直接判读的基础上，分析这些影像特征所反映的地物之间的内在联系，并在逻辑推理的基础上，进一步对影像特征之间的关系进行宏观规律的分析，通常要用几张或十几张航片结合起来进行分析。
只有掌握了宏观规律以后才能理解局部的影像特征。
（３）野外校核：
任何遥感影像的解译结果都必须经过一定的野外校核和检查，以检查其分类程度和制图程度的准确性。
检查的方法有路线线段检查和统计抽样检查。
４．判读程序
航空像片判读的具体工作程序一般可分为准备工作（准备阶段）、室内判读、野外工作（野外校核）、室内转绘制图和总结。
（１）准备工作：
包括工具准备和资料准备。
进行航片判读应准备的工具包括立体镜、放大镜和绘图工具等。
判读应准备的资料包括航空像片及有关的资料、地形图、地理文献等。
航空像片收集后，要进行航空像片的整理工作，之后进行航片作业面积的绘制和像片略图的制作。
（２）室内判读：
在室内首先应建立航片判读的标志，即根据已经对研究区域的了解，进行判读标志的建立。
通常判读标志的建立过程要与野外调查相结合，通过野外的路线调查确立不同专业制图的影像标志。
在建立判读标志的基础上，利用目视和立体镜进行室内判读。
进行室内判读的原则是从整体到局部、从已知到本知、从宏观到微观。
根据这样的原则，进行室内判读的顺序是由水系人手，根据水系的位置和流向确定分水岭和流域范围，从而判读区域内的高低地势。
之后进行平原和山地，以及林地和农田的划分，从而划分出大的地貌单元。
然后进行居民点和道路的判读，将自然景观和人文景观划分开。
最后开始进行专业判读。
在室内判读时，还应记下难点和疑点并拟定野外校校的路线。
（３）野外校校：
野外校核的目的主要有二，即核对室内判读结果和解决疑难问题。
可采用路线调查与统计抽样相结合的原则进行～定数量的野外抽样检查，具体校核工作内容需根据各专业要求而定。
（４）室内转绘制图和总结：
室内转绘制图是将航片的纠正和转绘两方面工作结合进行。
转绘的方法有网格法、任意网格法、辐射网格法、光学机械转绘法和目估法等。
总结包括对转绘图进行清绘等制图工作，根据专业需要进行面积量算工作，以及编写报告和图件说明书等工作。
三、实验步骤
与黑白航片相比，真彩色像片基本反映了地物的天然色彩，地物类型间的细微差异可以通过色彩的变化表现出来。
彩色像片上的丰富色彩提供了比可见光黑白像片更多的信息。
由于受到大气散射与吸收的影响，在航空摄影高度相同的条件下，彩色摄影信息损失量远大于彩红外摄影，因此航空遥感中广泛使用彩色红外摄影。
由于绿色植物在近红外波段具有很强的反射特性，在彩色红外像片上呈红色，使彩红外航片比普通彩色航片在植被的判读和识别方面具有较大的优势，同时也使其在识别伪装方面有突出的功用。
判读彩色红外像片，可以按照以下步骤进行：
认真了解彩红外摄影感光材料的特性和成像原理和方法和方法；熟悉各种地物在可见光和近红外波段的反射光谱特性；建立地物的反射光谱特性与像片假彩色的对应关系；建立彩红外像片其它判读标志；遵循遥感解译步骤与方法对彩红外像片进行解译。
在解译时应注意：
在彩红外像片上，植物的叶子因反射红外线而呈现为红色。
但不同植被类型或处于不同生长阶段，受不同环境影响的植物，其光谱特性不同，因而在彩红外像片上，红色的深浅程度不同。
如正常生长的针叶林，颜色为红色到品红色，枯萎的植被则呈现暗红色，即将枯死的植被则呈现青色。
表２、普通彩色航片和彩红外航片上地物彩色对比
地物
普通彩色像片的彩色
彩色像片上的彩色
阔叶林
绿色
红到品红
针叶林
绿色
红褐色到紫色
人眼视觉外的有害植物
绿色
暗红
人眼可察觉的病害植物
黄绿色
青色
秋天的叶子
红到黄色
黄到白色
清水
蓝绿色
暗绿到黑色
含泥沙的水
浅绿色
浅兰色
湿地
稍暗色调
暗色调
红色岩石
红色
黄色
阴影
兰色、影像细节可辩
黑色、仅少数细节可辩
1、准备实验工具：
立体镜、放大镜、铅笔、橡皮＼直尺、透明纸等；
2、进行彩红外航片土地覆盖的判读；
3、以云南腾冲地区的红外彩色像片为判读材料；
4、根据航片判读标志的建立方法，建立判读目标地物的判读标志并完成
表３；
5、根据判读标志，通过立体观察和判读，观测各目标地物的分布和相互
6、关系；
7、将透明纸蒙在其中的一张航片上，勾绘目标地物的边界。
8、编写实验报告，。
表3、实验区判度标志
判读标志
地物类型
形状
色调
纹理
图形
阴影
其它
地物1
地物2
地物3
地物4
四、实验要求
独立完成；内容包括：
a.判度区域的判度标志表；b、判度区域的土地覆盖解译图；c、判度区域的土地覆盖分布规律说明。
实验四、ERDAS视窗的基本操作
一、实验目的：
初步了解目前主流的遥感图象处理软件ERDAS的主要功能模块，在此基础上，掌握视窗操作模块的功能和操作技能，为遥感图像的几何校正等后续实验奠定基础。
二、实验内容：
视窗功能介绍；文件菜单操作；实用菜单操作；显示菜单操作；矢量和删格菜单操作等。
视窗操作是ERDAS软件操作的基础,ERDAS所有模块都涉及到视窗操作。
本实验要求掌握视窗的基本功能，
熟练掌握图像显示操作和矢量菜单操作，从而为深入
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