《遥感原理及应用》期末复习.docx

1、遥感原理及应用期末复习遥感原理与应用大纲第1章 电磁波及电磁波谱 1.1 概述遥感即遥远感知，是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术。1.1.1 电磁波变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。1.1.2 电磁波谱 按照电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列制成的图表，称为电磁波谱图。电磁波谱区段的界限是渐变的，一般按产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划分。电磁波谱表波段波长长波中波和短波超短波大于3000m10 3000m1 10m微波1mm 1m红外波段超远红外远红外中红外近红外0.761000m15 1000m6

2、15m3 6m0.76 3m可见光红橙黄绿青蓝紫0.380.76m0.62 0.76m0.59 0.62m0.56 0.59m0.50 0.56m0.47 0.50m0.43 0.47m0.38 0.43m紫外线10-3 3.810-1mX射线10-6 10-3m射线小于10-6m1.2 物体的发射辐射1.2.1 黑体辐射 1860年，基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明了凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。一个不透明的物体对入射到它上面的电

3、磁波只有吸收和反射作用，且此物体的光谱吸收率(,T)与光谱反射率（，T）之和恒等于1，实际上对于一般物体而言，上述系数都与波长和温度有关，但绝对黑体的吸收率(,T)1,反射率（,T）0；与之相反的绝对白体则能反射所有的入射光，即：反射率（,T）1，吸收率(,T)0，与温度和波长无关。1900年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度W和其温度的关系以及按波长分布的辐射定律：式中：分谱辐射通量密度，单位（）；波长，单位m；h普朗克常数=6.6256 10-34Js；c 光速3 108 m/s；k玻耳兹曼常数=1.38 10-23 J / K；T绝对温度K。式中：第一辐射常量，其值为3.7418；

4、第二辐射常量，其值为1.4388。图中可直观地看出黑体辐射的三个特性： （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。总辐射通量密度W可在从零到无穷大的波长范围内对普朗克公式进行积分得到，即：其中称为斯忒藩玻尔兹曼常量。从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩玻耳兹曼公式。对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度（T）。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。（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。可微分普朗克公式，并求极值：称为维恩位移定律

5、。它表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。（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密度也越大。1.2.2 太阳辐射 地球上的能源主要来源于太阳，太阳是被动遥感最主要的辐射源。传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主要是来自太阳辐射的一种转换形式。 太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。太阳光谱：太阳发射的电磁辐射在地球大气顶层随波长的分布称为太阳

6、光谱。1.2.3 大气对辐射的影响 1、地球大气 地球大气从垂直方向可划分成四层，对流层、平流层、电离层和外大气层。 大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体在80km以下的相对比例保持不变，称不变成分）、臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变、称为可变成分）等。 2、大气对太阳辐射的吸收、散射及反射作用 在可见光波段，引起电磁波衰减的主要原因是分子散射。在紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收。引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等。 在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主

7、要是散射引起衰减。电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开，称散射。散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变，主要有米氏(Mie)散射、均匀散射、瑞利（Rayleigh）散射等。如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级，发生米氏散射；当不均匀颗粒的直径a时，发生均匀散射；而瑞利散射的条件是介质的不均匀程度a小于入射电磁波波长的十分之一。3、大气窗口太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分。不同电磁波段通过大气后衰减的

8、程度是不一样的，因而遥感所能够使用的电磁波是有限的。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”；反之，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为“大气窗口”。4、辐射传输方程传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括：1、太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量；2、地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器；3、大气散射和辐射的能量等。1.2.4 一般物体的发射辐射黑体热辐射由普朗克定律描述，它仅依赖于波长和温度。然而，自然界中实际物体的发射和吸收的辐

9、射量都比相同条件下绝对黑体的要低。而且，实际物体的辐射不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。我们用发射率来表示它们之间的关系：= W/ W 即：发射率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。 依据光谱发射率随波长的变化形式，将实际物体分为两类：一类是选择性辐射体，在各波长处的光谱发射率不同，即=f()；另一类是灰体，在各波长处的光谱发射率相等，即：=，与绝对黑体、绝对白体相比较列于下面： 绝对黑体1 灰体但01 选择性辐射体f() 理想反射体（绝对白体）0 发射率是一个介于0和1的数，用于比较此辐射源接近黑体的程度。各种不同的材料，表面磨光的程度不一样，发射

10、率也不一样，并且随着波长和材料的温度而变化。1.3 地物的反射辐射1.3.1 地物的反射类别物体对电磁波的反射有三种形式：(1) 镜面反射 是指物体的反射满足反射定律。当发生镜面反射时，对于不透明物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。 (2) 漫反射 如果入射电磁波波长不变，表面粗糙度h逐渐增加，直到h与同数量级，这时整个表面均匀反射入射电磁波，入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射。 (3) 方向反射 实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。是镜面反射和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续

11、增大的情况下，这种反射没有规律可寻。第2章 遥感平台及运行特点 2.1遥感平台的种类遥感中搭载遥感器的工具统称为遥感平台。按平台距地面的高度大体上可分为三类:地面平台、航空平台、航天平台。2.2 卫星轨道及运行特点2.2.1 轨道参数卫星轨道在空间的具体形状位置，可由六个轨道参数来确定。1、升交点赤经升交点赤经为卫星轨道的升交点与春分点之间的角距。所谓升交点为卫星由南向北运行时，与地球赤道面的交点。反之，轨道面与赤道面的另一个交点称为降交点。春分点为黄道面与赤道面在天球上的交点。2、近地点角距是指卫星轨道的近地点与升交点之间的角距。3、轨道倾角ii角是指卫星轨道面与地球赤道面之间的两面角。也即

12、从升交点一侧的轨道量至赤道面。4、卫星轨道的长半轴aa为卫星轨道远地点到椭圆轨道中心的距离。5、卫星轨道的偏心率（或称扁率）ee=c/a 式中，c卫星椭圆轨道的焦距。6、卫星过近地点时刻T在六个轨道参数中，、i和T决定了卫星轨道面与赤道面的相对位置，而a和e则决定了卫星轨道的形状。2.2.2 卫星坐标的测定和解算2.2.3 卫星姿态角影像几何变形与卫星姿态角也有直接的关系。为了进行几何校正，必须提供卫星姿态角参数。现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

13、；绕z轴旋转的姿态角，称航偏。2.2.4 其它一些常用参数1、卫星速度2、卫星运行周期卫星运行周期是指卫星绕地一圈所需要时间，即从升交点开始运行到下次过升交点时的时间间隔。3、卫星高度4、同一天相邻轨道间在赤道处的距离5、每天卫星绕地圈数6、重复周期卫星重复周期是指卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，回到该地空时所需要的天数。第3章 遥感传感器及其成像原理 遥感传感器是获取遥感数据的关键设备，由于设计和获取数据的特点不同，传感器的种类也就繁多，就其基本结构原理来看，目前遥感中使用的传感器大体上可分为如下一些类型：(1) 摄影类型的传感器；(2) 扫描成像类型的传感器；(3) 雷达成像

14、类型的传感器；(4) 非图像类型的传感器。无论哪种类型遥感传感器，它们都由如图所示的基本部分组成：(1) 收集器：收集地物辐射来的能量。(2) 探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。(3) 处理器：对收集的信号进行处理。(4) 输出器：输出获取的数据。3.1扫描成像类传感器扫描成像类型的传感器是逐点逐行地以时序方式获取二维图像，有两种主要的形式，一是对物面扫描的成像仪，它的特点是对地面直接扫描成像，这类仪器如红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪、自旋和步进式成像仪及多频段频谱仪等；二是瞬间在像面上先形成一条线图像，甚至是一幅二维影像，然后对影像进行扫描成像，这类仪器有线阵列CCD推扫式成像

15、仪，电视摄像机等。3.1.1 对物面扫描的成像仪一、红外扫描仪二、MSS多光谱扫描仪三、TM专题制图仪四、ETM+增强型专题制图仪3.1.2 对像面扫描的成像仪一、HRV线阵列推扫式扫描仪3.1.3 成像光谱仪（Imaging Spectrometer）成像光谱仪按其结构的不同，可分为两种类型。一种是面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪。另一种是用线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪。3.2微波成像类传感器（侧视雷达)3.2.1 真实孔径雷达真实孔径侧视雷达的分辨力包括距离分辨力和方位分辨力两种。距离分辨力是在脉冲发射的方向上，能分辨两个目标的最小距离，它与脉冲宽度有关。方位分辨力是指相邻的两

16、束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离。它与波瓣角有关。距离分辨力（率） 斜距分辨力 地距分辨力方位分辨力（率）3.2.2 合成孔径雷达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，即Rs=d。此外由于双程相移，方位分辨力还可提高一倍，即Rs=d/2。3.2.3 侧视雷达图像的几何特征1、斜距图像的比例失真（Scale Distortion）离雷达近的比例尺小，而远的反而大。2、透视收缩（Foreshortening）雷达图像上的地面斜坡被明显缩短的现象。3、叠掩现象（Layover）发射雷达脉冲的曲率使近目标（即高目标的顶部）回波先到达，远目标（即高目标的底部）后到达。因而顶

17、部先成像，并向近射程方向位移。4、阴影现象5、高差产生的投影差亦与中心投影影像投影差位移的方向相反，位移量也不同。投影差：，而由于，所以3.2.4 相干雷达（INSAR）INSAR数据处理的一般流程主要步骤包括：影像配准、干涉图生成、噪声滤除，基线估算，平地效应消除，相位解缠，高程计算和纠正（地理编码处理）等。第4章 遥感图像数字处理的基础知识第5章 遥感图像的几何处理 5.1 遥感传感器的构像方程 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。5.1.1 遥感图像的通用构像方程主要的坐标系有：1传感器坐标系SUVW，S为传感器

18、投影中心，作为传感器坐标系的坐标原点，U轴的方向为遥感平台的飞行方向，V轴垂直于U，W轴则垂直于UV平面，该坐标系描述了像点在空间的位置。2地面坐标系OXYZ，主要采用地心坐标系统。当传感器对地成像时，Z轴与原点处的天顶方向一致，XY平面垂直于Z轴。3.图像(像点)坐标系oxyf，（x，y）为像点在图像上的平面坐标，f为传感器成像时的等效焦距，其方向与SUVW方向一致。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。5.2遥感图像的几何变形 遥感图像成图时，由于各种因素的影响，图像本身的几何形状与其对应的地物形状往往是不一致的。遥感图像的几何变形是指图像上像元在图像坐标系中的坐标

19、与其在地图坐标系等参考坐标系统中的对应坐标之间的差异。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。遥感图像的变形误差可分为静态误差和动态误差两大类。静态误差是在成像过程中，传感器相对于地球表面呈静止状态时所具有的各种变形误差。动态误差主要是在成像过程中由于地球的旋转等因素所造成的图像变形误差。变形误差又可分为内部误差和外部误差两类。内部误差主要是由于传感器自身的性能技术指标偏移标称数值所造成的。内部误差随传感器的结构不同而异，其数据和规律可以在地面通过检校的方式测定，其误差值不大，本书不予讨论。外部变形误差是在传感器本身处在正常工作的条件下，由传感器以外的各种因

20、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。本节主要讨论外部误差对图像变形的影响。此外把某些传感器特殊的成像方式所引起的图像变形，如全景变形、斜距变形等也加以讨论。5.2.1传感器成像方式引起的图像变形传感器的成像方式有中心投影，全景投影，斜距投影以及平行投影等几种。5.2.2传感器外方位元素变化的影响传感器的外方位元素，是指传感器成像时的位置（Xs,Ys,Zs）和姿态角（，）。5.2.3地形起伏引起的像点位移投影误差是由地面起伏引起的像点位移，当地形有起伏时，对于高于或低于某一基准面的地面点，其在像片上的像点与其在基准面上垂

21、直投影点在像片上的构像点之间有直线位移。1、中心投影投影误差的大小与底点至像点的距离，地形高差成正比，与平台航高成反比。投影差发生在底点辐射线上，对于高于基准面的地面点，其投影差离开底点；对于低于基准面的地面点，其投影差朝向底点。2、侧视雷达地形起伏对侧视雷达图像的影响发生在y方向上，且投影差的方向与中心投影相反。5.2.4地球曲率引起的图像变形地球曲率引起的像点位移与地形起伏引起的像点位移类似。5.2.5大气折射引起的图像变形大气层不是一个均匀的介质，它的密度是随离地面高度的增加而递减，因此电磁波在大气层中传播时的折射率也随高度而变化，使得电磁波的传播路径不是一条直线而变成了曲线，从而引起像

22、点的位移，这种像点位移就是大气层折射的影响。5.2.6地球自转的影响在常规框幅摄影机成像的情况下，地球自转不会引起图像变形，因为其整幅图像是在瞬间一次曝光成像的。地球自转主要是对动态传感器的图像产生变形影响，特别是对卫星遥感图像。当卫星由北向南运行的同时，地球表面也在由西向东自转，由于卫星图像每条扫描线的成像时间不同，因而造成扫描线在地面上的投影依次向西平移，最终使得图像发生扭曲。5.3 遥感图像的几何处理5.3.1遥感图像的粗加工处理遥感图像的粗加工处理也称为粗纠正，它仅做系统误差改正。5.3.2 遥感图像的精纠正处理遥感图像的精纠正是指消除图像中的几何变形，产生一幅符合某种地图投影或图形表

23、达要求的新图像。它包括两个环节：一是像素坐标的变换，即将图像坐标转变为地图或地面坐标；二是对坐标变换后的像素亮度值进行重采样。数字图像纠正主要处理过程如下：(1) 根据图像的成像方式确定影像坐标和地面坐标之间的数学模型。(2) 根据所采用的数字模型确定纠正公式。(3) 根据地面控制点和对应像点坐标进行平差计算变换参数，评定精度。(4) 对原始影像进行几何变换计算，像素亮度值重采样。目前的纠正方法有多项式法，共线方程法和随机场插值法等。一、遥感图像的多项式纠正多项式纠正回避成像的空间几何过程，直接对图像变形的本身进行数字模拟。多项式的项数（即系数个数）N与其阶数n有着固定的关系：N=（n+1）（

24、n+2）/2根据纠正图像要求的不同选用不同的阶数，当选用一次项纠正时，可以纠正图像因平移、旋转、比例尺变化和仿射变形等引起的线性变形。当选用二次项纠正时，则在改正一次项各种变形的基础上，还改正二次非线性变形。如选用三次项纠正则改正更高次的非线性变形。 遥感图像多项式纠正的基本过程为：（一） 利用已知地面控制点求解多项式系数；（二） 遥感图像的纠正变换（三） 数字图像亮度（或灰度）值的重采样采用适当的方法把某点位周围邻近整数点位上亮度值对该点的亮度贡献累积起来，构成该点位的新亮度值，这个过程即称为数字图像亮度（或图像灰度）值的重采样。常用的数字图像重采样方法包括：1） 最邻近像元采样法取距离被采

25、样点最近的已知像素元素的（N）亮度IN作为采样亮度。2） 双线性内插法三角形线性函数3） 双三次卷积重采样法二、遥感图像的共线方程纠正共线方程纠正是建立在图像坐标与地面坐标严格数学变换关系的基础上的，是对成像空间几何形态的直接描述。该方法纠正过程需要有地面高程信息（DEM），可以改正因地形起伏而引起的投影差。因此当地形起伏较大，且多项式纠正的精度不能满足要求时，要用共线方程进行纠正。5.4图像间的自动配准和数字镶嵌5.4.1 图像间的自动配准 图像配准的实质就是前述的遥感图像的几何纠正，根据图像的几何畸变特点，采用一种几何变换将图像归化到统一的坐标系中。图像之间的配准一般有两种方式：图像间的匹

26、配，即以多源图像中的一幅图像为参考图像，其他图像与之配准，其坐标系是任意的；绝对配准，即选择某个地图坐标系，将多源图像变换到这个地图坐标系以后来实现坐标系的统一。5.4.2 数字图像镶嵌当感兴趣的研究区域在不同的图像文件时，需要将不同的图像文件合在一起形成一幅完整的包含感兴趣区域的图像，这就是图像的镶嵌。数字图像镶嵌的过程如下：1） 图像的几何纠正；2） 搜索镶嵌边；3） 亮度和反差调整；4） 平滑边界线。第6章 遥感图像的辐射处理 6.1 遥感图像的辐射校正 辐射校正是指消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出的辐射能量中的各种噪声的过程。6.1.1 辐射误差从辐射传输方程可以看出，传感

27、器接收的电磁波能量包含三部分：1）太阳经大气衰减后照射到地面，经地面反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量；2）地面本身辐射的能量经大气后进入传感器的能量；3）大气散射、反射和辐射的能量。传感器输出的能量还与传感器的光谱响应系数有关。因此遥感图像的辐射误差主要包括：1）传感器本身的性能引起的辐射误差；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。6.1.2 传感器本身的性能引起的辐射误差校正6.1.3 太阳高度角和地形影响引起的辐射误差校正太阳高度角引起的辐射畸变校正是将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正为太阳光垂直照射时获取的图像，因此在做辐射校正时，需要

28、知道成像时刻的太阳高度角。太阳高度角可以根据成像时刻的时间、季节和地理位置确定。由于太阳高度角的影响，在图像上会产生阴影现象，阴影会覆盖阴坡地物，对图像的定量分析和自动识别产生影响。一般情况下阴影是难以消除的，但对多光谱图像可以用两个波段图像的比值产生一个新图像以消除地形的影响。在多光谱图像上，产生阴影区的图像亮度值是无阴影时的亮度和阴影亮度值之和，通过两个波段的比值可以基本消除。具有地形坡度的地面，对进入传感器的太阳光线的辐射亮度有影响，但是地形坡度引起的辐射亮度校正需要知道成像地区的数字地面模型，校正不方便。同样也可以用比值图像来消除其影响。6.1.4大气校正大气的影响是指大气对阳光和来自

29、目标的辐射产生吸收和散射，消除大气影响的校正过程称为大气校正。1基于地面场地数据或辅助数据进行辐射校正在遥感成像的同时，同步获取成像目标的反射率，或通过预先设置已知反射率的目标，把地面实况数据与传感器的输出数据进行比较，来消除大气的影响。2、利用波段特性进行的大气校正a. 回归分析法在不受大气影响的波段图像和待校正的某一波段图像中，选择由最亮至最暗的一系列目标，将每一目标的两个待比较的波段亮度值进行回归分析，得到回归系数，然后对整个图像进行大气校正。b直方图法若图像中存在亮度为零的目标，如深海水体、阴影等，则其对应图像的亮度值应为零，实际上只有在没有受大气影响的情况下，其亮度值才可能为零，其他

30、目标由于受水气散射、辐射使得目标的亮度值不为零。根据具体大气条件，各波段要校正的大气影响是不同的。为确定大气影响，显示有关图像的直方图，从图上可以得知最黑的目标亮度为零，即第七波段图像的最小亮度值为零，第四波段的亮度最小值为a4，则a4就是第四波段图像的大气校正。其它波段同理可以得到大气校正。6.2 遥感图像增强 图像增强是数字图像处理的基本内容。遥感图像增强是为特定目的，突出遥感图像中的某些信息，削弱或除去某些不需要的信息，使图像更易判读。图像增强的实质是增强感兴趣目标和周围背景图像间的反差。它不能增加原始图像的信息，有时反而会损失一些信息。目前常用的图像增强处理技术可以分为两大类：空间域和频率域的处理。空间域处理是指直接对图像进行各种运算以得到需要的增强结果。频率域处理是指先将空间域图像变换成频率域图像，然后在频率域中对图像的频谱进行处理，以达到增强图像的目的。空间域增强方法6.2.1 图像灰度的直方图6.2.2 图像反差调整1、 线性变换简单线性变换是按比例拉伸原始图像灰度等级范围。2、 直方图均衡直方图均衡是