遥感图像信息处理复习.docx

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遥感图像信息处理复习

第一章

一、遥感的定义

20世纪60年代，美国地理学家首先提出了“遥感”这个名词.

遥感系统主要由遥感平台、传感器、地面接收平台组成。

广义：

遥感指是在不直接接触的情况下，对目标物和自然现象远距离感知的一种探测技术。

狭义：

是指在高空和外层空间的各种平台上运用各种传感器（如摄影仪、扫描仪和雷达等）获取地表的信息，通过数据的传输和处理，从而实现研究地面物体的形状、大小、位置、性质及其环境的相互关系的一门现代应用技术。

遥感平台：

在遥感中搭载遥感仪器的工具称为遥感平台（载体）。

传感器：

在遥感中，收集、记录和传达遥感信息的装置称为传感器（遥感器）。

各种光学、无线电一起，如扫描仪、雷达、摄影机、摄像机、辐射计等。

遥感特点：

宏观性，综合性（覆盖范围大）；多波段性；多时相性（重复探测，有利于进行动态分析）

二、遥感的分类

1．按遥感工作平台分为：

地面平台：

为航空和航天遥感作校准和辅助工作。

航空平台：

80km以下的平台，包括飞机和气球。

航天平台：

80km以上的平台，包括高空探测火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机。

类型

概念

优点

近地遥感

距地面高度在几十米以内的遥感

用于城市遥感、海面污染监测、森林火灾监测等中、高分辨率的遥感活动

航空遥感

利用飞机携带遥感仪器的遥感

机动性强，可以根据研究主题选择恰当的传感器、适当的飞行高度和飞行区域

航天遥感

利用卫星、航天飞机、宇宙飞船、航天空间站等携带遥感仪器的遥感

覆盖范围大，不受领空限制，可进行定期、重复观测

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。

（第一颗……发射地——吉林白城子）

2．按探测电磁波的工作波段分：

光学遥感；热红外遥感；微波遥感

3．按工作方式分：

主动遥感：

雷达

被动遥感：

被动接受地物反射、发射的电磁波：

摄影机、扫描仪

区别：

主动传感器自身发射并接收经地面反射的能量，不受天气干扰；被动传感器主要接收经地面反射的太阳光能量，受天气干扰大。

4．按资料记录方式分：

1成像遥感：

以图象方式记录：

航空性片、卫星图象

2非成像遥感：

图形、电子数据：

数字磁带、光盘

三、遥感应用

农业资源方面、环境监测方面、水文方面、全球性宏观研究、其他方面。

四、电磁波

电磁波：

是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。

电磁波谱：

将电磁波按照波长的长短（频率高低）依次排列制成图表

（填空）黑体辐射定律：

（5个）

1．普朗克定律2.玻耳兹曼定律3.维恩位移定律4.一般辐射体和发射率5.基尔霍夫定律

辐射源分类

1）.自然辐射源

●太阳辐射：

是可见光和近红外的主要辐射源；常用5900K的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。

大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。

●地球的电磁辐射：

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。

2）人工辐射源：

主动式遥感的辐射源。

雷达探测。

分为微波雷达和激光雷达。

●微波辐射源：

0.8-30cm

●激光辐射源：

激光雷达—测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。

（黑体，灰体，选择性辐射体）

五、（重点掌握）地物的反射辐射

（一）、反射类别

a.镜面反射b.漫反射（朗伯反射）c.方向反射d.混合反射

（二）、地物反射率大小的影响因素（3点）

波长，入射角，地表颜色与粗糙程度

地物反射光谱曲线（掌握定义）：

根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。

地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。

1）不同地物在不同波段反射率存在差异：

雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线

2）同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。

不同植物；植物病虫害

3）地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。

❤植被的波谱特征

在可见光波段

v在0.45um附近（蓝色波段）有一个吸收带；

v在0.55um附近（绿色波段）有一个反射峰；

v在0.67um附近（红色波段）有一个吸收带。

在近红外波段

v从0.76um处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一个峰值，反射率最大可达50％，形成植被的独有特征。

v1.5～1.9um光谱区反射率增大；

v以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水的吸收带，其附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。

影响植被波谱特征的主要因素

v植物类型植物生长季节病虫害影响等

植被波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被类型、生长状态等。

❤土壤的波谱特征

v自然状态下土壤表面的反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。

v在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和此生矿物）和土壤有机质有关。

v土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4um、1.9um、2.7um处附近区间），反射率的下降尤为明显。

❤水体的波谱特征

v

纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，在可见光其它波段的反射率很低。

v近红外和中红外纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于0。

水中其它物质对波谱特征的影响

v水中含有泥沙，在可见光波段的反射率会增加，峰值出现在黄红区。

v水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率明显抬高。

❤岩石矿物的光谱曲线

v岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构等决定。

v影响岩石矿物波谱曲线的因素包括岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等。

（图见P41）

地物波谱曲线的作用

v物体波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物类型在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器所获得的数据相对照，可以识别遥感影像中的同类地物。

应用地物波谱特征需要注意的问题

v绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的曲带。

v地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。

“同物异谱”是指两个类型的个体地物，在某个波段上波谱特征不同；“异物同谱”是指不同类型的地物具有相同的波谱特征。

红外线的划分

v近红外：

0.76～3.0µm，与可见光相似。

v中红外：

3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。

v远红外：

6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。

v超远红外：

15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。

思考题：

1、绘出水、植被、土壤三种地物的反射光谱曲线，并根据此曲线指出TM标准假彩色合成影像上植被将会出现的色彩，并对其原因进行合理解释。

2、热红外影像上色调深的物体表示其温度高还是低？

为什么？

正片：

温度高——色调浅

负片：

（与正片相反）温度高——色调深

Q：

在热红外负片上，水体和周围山脉，谁的色调深，谁的色调浅？

白天：

（温度）T水

正片

夜晚：

（温度）T水>T山，（灰度值）H水>H山

灰度值中，黑为0（深），白为255（浅）

负片与正片相反。

最佳假彩色合称分量的选择：

1、熵:

H=ΣPilog2Pi

2、灰度组成：

frange=fmax-fmin

第二章

一、传感器分类

1.按工作方式：

主动式：

测试雷达，激光LD，微波散射计等

被动式：

摄影机，多波段扫描仪，微波辐射计，红外辐射计

2按记录方式：

成像：

摄影机，扫描仪

非成像：

辐射计，雷达高度计，散射计，激光高度计

3．按传感器：

摄影类型：

各种摄影机

扫描成像类型：

多光谱扫描仪，电视摄像机，红外扫描仪

微波成像类型：

测试LD，微波辐射仪

二、传感器组成

地物电磁波辐射→收集器→探测器→处理器→输出器

遥感图像的特征表现参数为空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率、时间分辨率。

1、遥感图像的空间分辨率（Spatialresolution）

扫描成像的图像空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。

2、图像的光谱分辨率（SpectralResolution）

波谱分辨率是指传感器在接受目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。

间隔愈小，分辨率愈高。

传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值。

3、辐射分辨率（RadiometricResolution）

1.辐射分辨率是指传感器接受波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。

在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。

2.某个波段遥感图像的总信息量与空间分辨率（以像元数n表示）、辐射分辨率（以灰度量化级D表示）有关。

3.在多波段遥感中，遥感图像总信息量还取决于波段数k。

26=（0-63）6428=（0-255）256210=（0-1023）1024

Examples:

GOESImager–10bitLandsat7ETM+-8bit

4、图像的时间分辨率（TemporalResolution）

1.时间分辨率指对同一地点进行采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。

2.时间分辨率对动态监测很重要。

三、Landsat卫星

陆地卫星Landsat，1972年发射第一颗，已连续36年为人类提供陆地卫星图像，共发射了7颗，产品主要有MSS,TM,ETM，属于中高度、长寿命的卫星。

Landsat上搭载的传感器有5个：

1．多光谱扫描仪（MultispectralScanner,MSS）

2．专题制图仪（ThematicMapper,TM）

3．增强型专题制图仪（ETM）

4．再增强型专题制图仪（ETM+）

5．反束光导摄像机（RBV）

Landsat系列卫星的运行特点：

中等高度，近圆形，近极地，太阳同步，可重复轨道

光谱段

波长

功能

1

0.45~0.52蓝绿谱段

绘制水系图和森林图，识别土壤和常绿、落叶植被

2

0.52~0.60绿谱段

探测健康植物绿色反射率和反映水下特征

3

0.63~0.69红谱段

测量植物叶绿素吸收率，进行植被分类

4

0.76~0.90近红外谱段

用于生物量和作物长势的测定

5

1.55~1.75近红外谱段

土壤水分和地质研究，以及从云中间区分出雪

6

2.08~2.35近红外谱段

用于城市土地利用，岩石光谱反射及地质探矿

7

10.4~12.5热红外谱段

植物受热强度和其它热图测量

表格1TM数据的波谱段

四、Spot系列

Spot-5上搭载有3种成像装置，高分辨率几何装置（HRG）和植被探深器（VEGETATION）外，高分辨率立体成像（HGS）装，目前国际上最优秀的对地观测卫星之一。

MODIS卫星：

中分辨率成像光谱仪，有36个光谱通道，（空间）地面分辨率为250m、500m、1000m.扫描宽2330km，是当前世界上新一代“图谱”。

时间分辨率1/4。

CBERS上搭载的传感器

传感器

CCD相机

IR-MSS

WFI

地面分辨率

19.5

80（MSS）

160（热红外）

256

标称轨道高度

832km

轨道倾角

98.7°

运行一圈的周期

101.46min

日绕总圈数

14.19圈

重复周期

26d

降交点地方太阳时

10:

30（±15min）

HRV地面扫描宽度

60km

舷向每行像元数

3000/6000个

表格2SPOT卫星的轨道参数

思考题：

1．遥感平台按高度分几类？

遥感车属于哪一类？

2．Landsat卫星上搭载的传感器有哪些？

3．为何轨道倾角大多数都在90°附近，而不是正好等于90°？

4．与地球同步轨道和与太阳同步轨道各自优缺点是什么？

第三章

像元基本属性：

灰度和位置。

f（x,y）=y灰度

灰度变化——辐射校正

位置校正——几何校正

一、图像表示形式

两个步骤：

采样和量化

空间坐标（x,y）的数字化称为采样。

图像的形式化定义

f（x,y）二维→f（x,y,z）三维→f（x,y,z,λ）彩色立体→f（x,y,z,λ,t）电视

I=f（x,y,z,λ,t）

X,y,z为空间坐标,λ为波长,t为时间

静止图像：

I=f（x,y,z,λ）

平面图像：

I=f（x,y,λ,t）

单色图像：

I=f（x,y）

二、图像表示方法

1、数学表示：

矩阵和数组

2．计算机表示：

图像描述信息——一般以结构或者类来描述。

（包括高、宽）

图像数据

三、存储

1、存储介质：

磁带、磁盘、光盘

2、存储格式：

BSQ方式/BIL方式/BIP方式

（遥感图像与普通图像最大区别：

多波段）

BSQ方式：

{[（像元号顺序），行号顺序]，波段顺序}

BIL方式：

{[（像元号顺序），波段顺序]，行号顺序}

BIP方式：

{[（波段顺序），像元号顺序]，行号顺序}

考题方式：

看图判断属于哪种存储方式？

四、地图数据——4D产品

DEM:

数字高程模型digitalelevationmodel

DOM:

数字正射影像图digitalorthophotomap

DLG:

数字线规图digitallinegraphic

DRG:

数字栅格地图digitalrastergraphic

（高程：

地面点到大地水准面的距离）

DTM包括DEM

五、数字影像处理系统

包括4个部分：

输入——处理和分析——图像存储——输出

分辨率DPI（1000DPI高于600DPI）

思考题：

1．4D产品有哪些：

请写出其英文全称及中文含义。

2．数字化影响的最小单元是什么？

它具有哪两个基本属性？

像元：

灰度和位置。

第四章

传感器辐射定标：

将记录的原始DN值转换为大气外层表面反射率，目的是消除传感器本身产生的误差。

（查XX的）

一、辐射误差

1.辐射误差（辐射失真、辐射畸变）：

指遥感器在接收来自地物的波谱辐射能时，由于电磁波在大气层中传输和遥感器作用等的影响，而导致的遥感器测量值与地物实际的光谱辐射率的不一致。

2．类型（考填空）

1）传感器本身的性能引起分辐射误差。

2）地形影响和光照条件的变化引起的辐射误差。

3）大气的散射和吸收引起的辐射误差。

3．大气校正方法：

1）利用辐射传递方程来进行大气校正2）利用地面实况数据进行大气校正3）多波段遥感影像的对比分析法

回归分析法步骤：

二、图像增强

图像反差调整：

线性变换、非线性变换、直方图修正（均衡化和规定化）

1．直方图均衡化：

又称直方图平坦化，是将一已知灰度概率密度分布的影像，经过某种变换，变成一幅具有均匀灰度概率密度分布的新影像，其结果是扩大了像元取值的动态范围。

2．直方图规定化（即匹配）：

是将原始影像的直方图调整到一事先规定的形状，并以此来对原始影像的特定灰度范围进行增强处理。

有一个考题（简答）

计算步骤：

1、计算归化灰度，rK

2、利用sk的计算公式求sk计算

3、求sk计算计算sk并（舍入），要求输出sk=i/7,对sk计算进行修正。

4、Sk的确定

5、计算sk对应的nsk

6、计算Ps（S）=nsk/n

三、彩色增强

1．真彩色合成：

从多波段图像中选择其中三幅影响在显示屏上合成一幅图像（三合一），该三幅影像的波段范围与自然界中的红绿蓝光的波长范围大致相同。

2．假彩色合成：

将一幅自然彩色图像或者是同一景物的多光谱图像通过映射函数变换成新的三基色分量进行彩色合成，使增强图像中各目标呈现出与原图像中不同的彩色。

3．伪彩色增强：

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，又叫密度分割

1）密度分割

2）伪彩色变换

3）滤波法伪彩色增强

四、图像的空间域平滑和锐化

1、平滑（去噪）：

为了抑制噪声改善图像质量所进行的处理，就称为平滑。

平滑可在空间域和频率域中进行。

1）邻域平均值法2）中值滤波——都属于空间域平滑

3）低通滤波——属于频率域平滑

1）领域平均值法（4邻域/8邻域）（是否考虑中心像元）

2）中值滤波：

一种非线性的平滑方法。

对一个滑动窗口内的像元灰度值排序，用其居于中间位置的值代替窗口中心像元的位置。

中间值的取法：

当排序总数为偶数，去中间两个值求平均值

1）可除去孤立噪声

2）对脉冲很有效（一幅影像中间的灰度远高于两边灰度，就会形成脉冲。

）

3）对下图分别作3Х3的中值滤波和3Х3邻域平均值，并比较二者的差异。

17181711

11151111

11555117

11555181

81151181

81151111

11151111

4）思考题：

何谓图像平滑？

何谓中值滤波？

邻域平均的基本原理？

中值滤波和邻域平均各自优缺点？

2、图像锐化：

就是增强图像的边缘，使图像轮廓分明，从而改善图像的质量。

图像的锐化可在空间域和频率域中进行。

锐化使得边缘棱角分明，但会带入部分噪声。

3、图像的空间域锐化

1）梯度锐化法

<1>梯度的定义

<2>常用的梯度算子：

Roberts算子

Sobel算子

<3>生成梯度增强图像

2）Laplace算子增强

五、图像运算

1．加法。

主要应用：

去除“叠加性”噪音；生成图像叠加效果

2．减法：

相同的减后，呈黑色

3．乘法

4．除法

逻辑运算：

与，补，异或

考题：

5．多光谱图像混合运算

1）归一化差分植被指数（NDVI）

2）变换NDVI（TNDVI）

思考题：

1．请阐述假彩色增强，真彩色合成，伪彩色密度分割的区别与联系。

2．植被指数的作用是什么？

（简答题）

（3个指数）NIR/R

第五章

一、几何校正

1．几何畸变：

由于传感器方面的原因、遥感平台方面的原因以及地球本身的原因等而造成的影像在几何位置上的失真。

消除这种差异的过程称为几何校正。

几何粗校正

2．几何校正分类

几何精校正：

多用控制点进行校正

3．几何精纠正的原理及处理过程

1）处理过程框图

准备工作→输入原始数字图像→建立纠正变换函数→确定图像输出范围→逐个像素的几何位置变换→像素亮度值重采样→输出校正后图像

准备工作：

数据；控制点

纠正函数：

多项式

控制点数目选取：

1）最小数目；2）6倍于最小数目。

一般16-20个

控制点选取原则：

1）易分辨、易定位的特征点：

道路交叉口，水库坝址，河流弯曲点等2）特征变化大的地区应多选3）尽可能满幅均匀选取

输出图像边界范围的确定原则：

是既包括了纠正后图像的全部又使得空白图像空间尽可能地少。

3种方法：

XN=[Xp+0.5]取整

1）最近邻内插法（像元法）

YN=[Yp+0.5]取整

2）双线性内插法：

W权重=1—距离

3）双三次卷积法

思考题：

一个例题

4．三种重采样方法比较

最邻近像元法：

最简单，计算速度快，且能不破坏原始影像的灰度信息，但其几何精度较差。

双线性内插法：

破坏了原来的数据，计算时间较长，但是具有平均化的滤波效果，几何精度较好。

双三次卷积法：

破坏了原来的数据，计算时间更长，但是具有影像均衡化和清晰化效果，几何精度较好。

在一般情况下，用双线性内插法较宜。

二、数字镶嵌

1．数字镶嵌：

就是对若干幅互为邻接（时间往往可能不同）的遥感数字影像通过彼此间的几何镶嵌、色调调整、去重叠等数字处理，镶嵌拼接成一幅统一的新（数字）影像。

2．数字镶嵌的工作流程

3．数字镶嵌的方法：

基于像素的镶嵌；基于地理坐标的镶嵌。

思考题：

1．几何精校正与几何粗校正的区别是什么？

2．请阐述像素亮度重采样的三种方法。

第六章

一、模式识别的分类

1、按用到的信息分：

（光谱模式、

2、按数学技巧进行分类：

语言结构法模式识别，模糊模式识别，神经网络模式识别，统计法模式识别。

语言结构法模式识别：

句法（描述语言的一种规则）

模糊模式识别：

针对不确定事物的分析方法。

统计法模式识别（最基本的）：

从被识别的对象（模式）中提取一些反应对象属性的量度特征（变量）；

所有特点在特征空间中将形成一系列的分布集群，每个分布集群中的特征点认为具有相似特征而被划分为同一类。

找到各个分布群体的边界线（面）或确定任一特征点落入每个分布群体中的条件概率，以它们为判据实现特征点的分类。

（最小距离，最大似然）

二、光谱特征空间

同名地物点在不同波段图像中亮度变化：

三种情况：

理想

典型

一般（考画图）

三、计算机分类处理

Ø图像变换及特征选择

Ø分类器（分类判决函数），

（填空）初始类别参数的确定：

最大最小距离选心法（原则：

使各初始类别之间尽可能保持远离）

总体直方图均匀定心法

Ø逐个像素的分类判决

监督分类

非监督分类：

平行管道

四、特征选择

特征选择的定量方法：

距离测度，散步矩阵测度

特征变换定义：

特征变换是将原始图像通过一定的数学变换生成一组新的特征图像，这组新图像的信息集中在少数几个特征图像上，达到数据压缩的目的。

✧变换可逆：

图像经过变换后，可以用逆变换恢复，变换不损失信息。

✧变换有益于后续处理，可以减少计算量或者简化问题求解，突出目标特征。

✧变换算法本身并不复杂，即有快速算法实现。

常用的两种判别函数和判别规则

1、距离判别函数和判决规划

2、概率判别函数和贝叶斯判别规则

监督分类的优点：

1、根据应用目的和区域，有选择的决定分类类别，避免出现一些不必要的类别。

2、可以控制训练样本的选择。

3、可以通过检查训练样本来决定训练样本是否被精确分类，从而避免分类中的严重错误。

4、避免了非监督分类中对光谱集群的重新归类。

缺点：

1、主观性

2、由于图像类别的光谱差异，使得训练样本没有很好的代表性。

3、训练样本的获取和评估较多的人力时间。

4、只能识别训练中定义的类别。

非监督分类优点：

1、不需要预先对所分类别的区域有广泛的了解，需要用一定的知识来解释得到的集群组。

2、人力误差的机会小。

3、量小的类别能被区分。

缺点：

1、得到的集群但类别不一定对应分析者想要的类别。

2、难对产生的类别进行控制。

3、不同图像间的对比困难。

ISODATA算法聚类分析的主要环节：

聚类，集群的分类与合并。

思考题：

1、监督分类与非监督分类各自优缺点。

2、用最小距离和最大似然两种方法对同一影像进行分类，假设ROI相同，得到的分类结果是否相同，为什么？