第五章遙感信息提取與地學(xué)應(yīng)用方法1

第二章遙感信息提取與

地學(xué)應(yīng)用方法目錄第一節(jié)

遙感圖像的解譯第二節(jié)

圖像分類第三節(jié)遙感信息模型第一節(jié)遙感圖像的解譯一、地學(xué)解譯的目的與要求二、地學(xué)解譯標(biāo)志三、遙感圖像的目視解譯方法與步驟一、地學(xué)解譯的目的與要求(一)、解譯的涵義解譯（判讀、判譯）是指從圖像獲取信息的基本過(guò)程。即根據(jù)地學(xué)工作的要求，根據(jù)解譯標(biāo)志和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用各種解譯技術(shù)和方法，識(shí)別出地學(xué)目標(biāo)，地學(xué)現(xiàn)象的物性和特點(diǎn)，測(cè)算出某種數(shù)量指標(biāo)的過(guò)程。(二)、地學(xué)解譯的目的與要求地學(xué)解譯目的：獲取各種地學(xué)遙感信息。1.判明各種地學(xué)目標(biāo)和地學(xué)現(xiàn)象是否存在；2.判明各種地學(xué)目標(biāo)和地學(xué)現(xiàn)象的形態(tài)、屬性和空間分布特征；3.測(cè)量各種地學(xué)參數(shù)；4.推測(cè)和分析各種地學(xué)物體、地學(xué)現(xiàn)象在時(shí)間、空間上成因上的相互關(guān)系。5.編制各種解譯圖件。二、地學(xué)解譯標(biāo)志地學(xué)解譯標(biāo)志：遙感圖像上，能識(shí)別地學(xué)物體、地學(xué)現(xiàn)象，或能說(shuō)明共性質(zhì)和相互關(guān)系的影像特征，稱為地學(xué)解譯標(biāo)志。直接解譯標(biāo)志：遙感圖像上能直接見(jiàn)到的解譯目標(biāo)的影像特征（包括形狀、大小、色調(diào)、陰影、花紋等），稱直接解譯標(biāo)志。間接解譯標(biāo)志：需通過(guò)分析、判別才能識(shí)別地學(xué)目標(biāo)，現(xiàn)象的存在，才能推斷其性質(zhì)的影像特征稱為間接標(biāo)志。如通過(guò)水系分析來(lái)判斷巖性。水系即間接標(biāo)志。對(duì)其認(rèn)識(shí)取決于專業(yè)知識(shí)。直接解譯標(biāo)志一、色調(diào)與色彩二、地物的幾何形態(tài)三、地物的大小四、陰影五、影紋六、影紋結(jié)構(gòu)七、影紋圖案（組合圖案）八、其它解譯標(biāo)志一、色調(diào)與色彩：色調(diào)：黑白航片上影像的黑白深淺程度。色彩：彩色圖像上影像的顏色。色調(diào)、色彩是地物波譜信息構(gòu)成的影像屬性。是最重要也是最基本的解譯標(biāo)志。色調(diào)深淺和色彩種類及其亮度在不同類型遙感圖像上其物理涵義不同，所以（首先）要有圖像波譜效應(yīng)的概念?；译A或灰度：黑白航片的色調(diào)等級(jí)稱灰階或灰度，一般分為10級(jí)黑白航片的色調(diào)等級(jí)稱灰階或灰度，一般分為10級(jí)二、地物的幾何形態(tài)：地物的幾何形態(tài)指地物的形狀、相對(duì)大小，如房屋長(zhǎng)方形，河流條帶狀等。三、地物的大?。号c比例尺有關(guān)，所以物體的形態(tài)、大小分析要有比例尺的概念。四、陰影：包括本影和落影本影：地物本身未被陽(yáng)光直接照射到的陰暗部分的影像。落影：在地物背光方向上地物投到地面的陰影。本影有助于獲得立體感，對(duì)地質(zhì)、地貌解譯很有用。落影的形狀和長(zhǎng)度可以幫助判別地物立體形狀和高度。如水塔和煙囪的落影。但陰影過(guò)大會(huì)遮蓋大片其它地物面影響判讀五、影紋：地物影像（細(xì)）斑塊上的的質(zhì)地、細(xì)微結(jié)構(gòu)。六、影紋結(jié)構(gòu)：地物影像斑塊的影紋的集合形式。七、影紋圖案（組合圖案）：重復(fù)出現(xiàn)的細(xì)小（相對(duì)于圖像比例尺而言）地物群體影像所構(gòu)成的特殊組合花紋圖案。其是地物形狀、大小、色調(diào)、陰影、小水系、植被、微地貌、環(huán)境因素的綜合顯示。影紋圖案可以宏觀地反映出大面積出露的某一種地物（如某一種巖類）。八、其它解譯標(biāo)志：與判讀對(duì)象關(guān)系密切的地物和現(xiàn)象，利用相關(guān)的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判讀。如人類活動(dòng)標(biāo)志。IR＿1PA＿1三、遙感圖像的目視解譯方法與步驟一、解譯方法解譯原則：

先整體，后局部先已知，后未知先易，后難由宏觀到微觀解譯方法：1直接判定法：對(duì)于像片上影像特征比較明顯的地物，通過(guò)直接標(biāo)志即可判定地物的性質(zhì)、識(shí)別出地物。2對(duì)比分析法：將待判別影像與已知地物影像或標(biāo)準(zhǔn)圖像上的影像進(jìn)行比較，以判別該地物的性質(zhì)。3邏輯推理法：利用各種現(xiàn)象之間的關(guān)系，依照邏輯推理進(jìn)行判讀。如泉眼線狀分布可判定斷層的存在。二、解譯步驟（一）、準(zhǔn)備工作1、資料準(zhǔn)備1）根據(jù)研究對(duì)象和精度要求，選擇相應(yīng)比例尺，且最富含研究對(duì)象信息的圖像種類和波段、波段組合作為解譯的主要圖像。另外還根據(jù)條件，盡量多地收集不同種類、波段、比例尺及不同時(shí)相的圖像，以資綜合分析之用。還應(yīng)收集相應(yīng)地區(qū)地形圖，相關(guān)專題圖和文獻(xiàn)，作為判讀的參考。地形圖比例尺應(yīng)與圖像比例尺相近，以便對(duì)比和轉(zhuǎn)繪。2、工具材料準(zhǔn)備準(zhǔn)備所需用的工具，材料如立體鏡、放大鏡、聚脂薄膜等。3、熟悉地理概況閱讀研究區(qū)有關(guān)文獻(xiàn)資料，了解基本情況（二）、室內(nèi)判讀初判：了解全區(qū)總貌，結(jié)合其它資料的對(duì)比，了解地區(qū)特征和各種判別要素的分布規(guī)律，特別是典型判別標(biāo)志。建立影像標(biāo)志(三)、野外調(diào)查實(shí)地研究各典型類型的影像物征驗(yàn)證、修改影像標(biāo)志（四）室內(nèi)詳細(xì)判讀詳細(xì)判讀：按一定次序進(jìn)行的系統(tǒng)判讀，勾繪出要素邊界，對(duì)無(wú)法判定的要素標(biāo)以疑問(wèn)標(biāo)記，選取野外驗(yàn)證路線。（五）、野外檢查驗(yàn)證野外抽查對(duì)疑點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地觀察（四）成果整理修改、補(bǔ)充判讀內(nèi)容、成果，編寫報(bào)告。第二節(jié)

圖像分類一、概述二、監(jiān)督分類三、非監(jiān)督分類四、上下文分類五、空間信息的加入一、概述圖像分類：將圖像中每個(gè)像元根據(jù)其光譜信息、空間結(jié)構(gòu)信息和（或）其它專題信息，按照一定的規(guī)則或算法劃分為不同的類別可在由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成最常用于分類的信息是光譜信息，即各波段的亮度值。另外還可以將空間結(jié)構(gòu)信息，如圖像紋理密度、方向等，及其它專題信息用于分類。這些信息的加入?？墒狗诸惖木鹊玫斤@著提高除考慮目標(biāo)象元的特征外，還可以考慮周圍象元的特征二、監(jiān)督分類（supervised)原理方法下步驟監(jiān)督分類的優(yōu)缺點(diǎn)原理建立各類型已知樣本區(qū)（訓(xùn)練區(qū)），根據(jù)訓(xùn)練區(qū)確定各類的統(tǒng)計(jì)特征，已此為基礎(chǔ)，建立分類的判別函數(shù)，對(duì)每個(gè)象元進(jìn)行類別劃分。步驟訓(xùn)練區(qū)的選取類別統(tǒng)計(jì)特征的計(jì)算判別函數(shù)的確定對(duì)每個(gè)象元進(jìn)行判別計(jì)算1訓(xùn)練區(qū)的選取對(duì)每一分類類型，在圖像上圈定若干個(gè)已知區(qū)，作為訓(xùn)練區(qū)要點(diǎn)：訓(xùn)練區(qū)要典型，有代表性訓(xùn)練區(qū)最好能均勻分布于全區(qū)2類別統(tǒng)計(jì)特征的計(jì)算計(jì)算各類別訓(xùn)練區(qū)中各分類參數(shù)（波段）的統(tǒng)計(jì)特征值：均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值、方差、協(xié)方差矩陣、相關(guān)矩陣或重心等。訓(xùn)練樣本分類能力的考查地物亮度分布一般屬于正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布某類單波段亮度直方圖應(yīng)為單峰，方差越小分類效果越好。如出現(xiàn)多峰說(shuō)明有多個(gè)總體，視情況需修改訓(xùn)練區(qū)不同類在單波段直方圖上勻值相距越大，方差越小，分類效果越好。兩類直方圖有重疊，則重疊區(qū)樣本難以區(qū)分特征空間二維圖中各類樣本越集中，距離越遠(yuǎn)，分類效果越好錯(cuò)分誤差(commissionerror)——像元被分到一個(gè)錯(cuò)誤類別的比例漏分誤差(omissionerror)——像元沒(méi)被到相應(yīng)類別的比例3判別函數(shù)的確定常用三種方法：平行算法最小距離法最大似然法平行算法又稱盒式?jīng)Q策規(guī)則根據(jù)各類訓(xùn)練樣本的亮度值范圍(由亮度最大值和最小值確定）形成的多維數(shù)據(jù)空間區(qū)域來(lái)進(jìn)行判別，將落入該區(qū)域內(nèi)的像元?jiǎng)潪樵擃?。也可用均值和?biāo)準(zhǔn)差來(lái)確定則如：或第i波段j類的最小亮度值；第i波段j類的最大亮度值；第i波段象元值；第i波段j類的標(biāo)準(zhǔn)差；人為規(guī)定閾值特點(diǎn)：快速邊界附近的判別準(zhǔn)不全理但當(dāng)類別間亮度區(qū)域有重疊時(shí)無(wú)法判別最小距離法以均值向量或重心作為每類的中心位置，根據(jù)像元到各類別重心的距離來(lái)進(jìn)行判斷，將像元?jiǎng)澋骄嚯x最小的類別無(wú)法考慮類別方差的來(lái)同，重疊區(qū)的劃分誤差較大或?yàn)榫迪蛄孔畲笏迫环ǎ˙ayes)基于亮度值服從正態(tài)分布的假設(shè)；計(jì)算像元屬于各類別的概率，將像元?dú)w入具最大概率的一類概率公式為：特點(diǎn)：可同時(shí)定量考慮多個(gè)波段和類別，且較好地考慮了各類方差（離散程度），因而較為合理，也具有較高的精度。監(jiān)督分類的優(yōu)缺點(diǎn)可根據(jù)應(yīng)用和區(qū)域，有選擇地決定分類類別可控制訓(xùn)練樣本的選擇通常具有較高的精度可根據(jù)訓(xùn)練樣本分析分類精度參入了一定的人為因素所選類別可能不能履蓋所有類型，造成一些象元找不到歸屬不能識(shí)別訓(xùn)練者不知道的類別花較多的人力和時(shí)間三、非監(jiān)督分類也稱集（點(diǎn)）群分析或聚類分析，是按光譜（亮度值）向量在特征空間聚集的情況來(lái)劃分點(diǎn)群或類別一個(gè)點(diǎn)群或類別在N維的特征空間里在某個(gè)眾數(shù)的周圍，該區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)密集，亮度向量之間具有更大的相似性相似性量度的基本特征：1）亮度向量之的距離2）特征空間中不同區(qū)域的點(diǎn)密度非監(jiān)督分類由程序來(lái)劃分出符合實(shí)際的點(diǎn)群或類別，需通過(guò)疊代運(yùn)算來(lái)完成。非監(jiān)督分類步驟1選定起始集群中心根據(jù)直方圖人為選取程序產(chǎn)生：分裂方法分別為全圖的均值向量和標(biāo)準(zhǔn)差向量2計(jì)算距離與歸類計(jì)算像元到各中心的距離，用最小距離的原則反像元?dú)w入不同的類別3檢查和修改集群中心：根據(jù)規(guī)定的參數(shù)（閾值）來(lái)檢查前一次循環(huán)中歸類的結(jié)果，決定再分裂，合并或取消某些類別分裂：標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)參數(shù)“最大標(biāo)準(zhǔn)差”，已有類別數(shù)小于預(yù)期類別數(shù)，或某一類的像元數(shù)大于參數(shù)“最大像元數(shù)，則該類就要分裂為兩個(gè)新的集群中心（類別）：及合并：把兩個(gè)集群（類）合并在一起，重新計(jì)算其中心（均值）。兩種情況下進(jìn)行：兩個(gè)集群之間的距離小于規(guī)定的閾值“最小群間距”集群數(shù)超過(guò)了規(guī)定的“最大分類數(shù)”類間距一般采用相似距離：為兩個(gè)集群的中心；為兩個(gè)集群的標(biāo)準(zhǔn)差取消：當(dāng)某個(gè)集群的像元數(shù)少于參數(shù)“一類最小像元數(shù)”，則這一點(diǎn)群被取消，其像元分散到相鄰的群中。4）輸出分類結(jié)果：兩個(gè)循環(huán)間各類均值向量平均移動(dòng)距離小于規(guī)定的移動(dòng)閾值，或循環(huán)達(dá)到規(guī)定次數(shù)，則計(jì)算停止，輸出結(jié)果。開(kāi)始輸入用戶參數(shù)選定初始集群中心將每個(gè)像元?dú)w入最近集群中心是否符合給定參數(shù)要求分裂、組合或取消輸出分類圖像及統(tǒng)計(jì)文件非監(jiān)督分類流程圖非監(jiān)督分類的優(yōu)缺點(diǎn)無(wú)面訓(xùn)練樣本。人為誤差機(jī)會(huì)少所有類別均可補(bǔ)識(shí)別難以對(duì)類別進(jìn)行控制，所得群組不一定對(duì)應(yīng)分析者想要的類別。難以進(jìn)行不同圖像之間的對(duì)比分類誤差分析見(jiàn)書(shū)P202——P208第三節(jié)遙感信息模型與遙感定量方法一、遙感定量化問(wèn)題

二、遙感信息模型的概念與特征

三、

定量遙感信息

四、遙感信息模型方法與步驟

一、遙感定量化問(wèn)題目視解譯的缺陷

遙感定量化問(wèn)題

定量化的途徑

目視解譯的缺陷1、效率低下2、受解譯者知識(shí)結(jié)構(gòu)、經(jīng)驗(yàn)的限制3、受主觀因素的影響，如圖像處理過(guò)程中為滿足用戶需要或某種其它需要而加入了人為的非科學(xué)干擾，使遙感陷入非科學(xué)的漩渦之中。對(duì)任何科學(xué)、技術(shù)，定量化都是追求的目標(biāo)。遙感定量化問(wèn)題

定位、定性、定量是遙感技術(shù)的三大支柱。遙感定量化包括：1、位置定量化

2、性質(zhì)定量化

3、一些尚只有概念、規(guī)律性機(jī)理的定量化

定量化的途徑

找出遙感信息與物理量之間的函數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)之上根據(jù)遙感信息，計(jì)算每一點(diǎn)的物理量——遙感信息模型方法。

二、遙感信息模型的概念與特征

模型與原型

遙感信息模型概念

遙感信息模型的特征

模型與原型模型是相對(duì)于原型而言，是對(duì)原型某種特征的模擬，或?qū)δ撤N實(shí)物、過(guò)程的本質(zhì)聯(lián)系的抽象

實(shí)物模型——對(duì)原型的模擬：1

地形模型：具有幾何相似2物理模型：具有幾何相似外還具有時(shí)間、運(yùn)動(dòng)方式等物理特征相似信息模型——對(duì)原型本質(zhì)關(guān)系的抽象，沒(méi)有實(shí)體1數(shù)學(xué)模型——具有數(shù)值定量特征

2物理模型——具有數(shù)值定量特征外還反映對(duì)象物理學(xué)方面的內(nèi)在聯(lián)系，是根據(jù)物理學(xué)機(jī)制建立的信息模型。遙感信息模型概念

遙感信息模型是每一象元遙感信息與相應(yīng)地物或現(xiàn)象本質(zhì)關(guān)系的抽象。其為數(shù)學(xué)模型，但每一點(diǎn)皆有數(shù)據(jù)組成圖像，故又具有實(shí)物、物理模型的特點(diǎn)

遙感信息模型的特征

1、除具有幾何相似率、物理模擬率和定量化特征外，還具有可視化的特點(diǎn)，是新一代的地學(xué)模型。2、以點(diǎn)（象元）遙感信息為基礎(chǔ)，深入到點(diǎn)的微觀機(jī)理、過(guò)程的研究，即“見(jiàn)樹(shù)木”。3、對(duì)區(qū)域的每一點(diǎn)（象元）進(jìn)行計(jì)算，定量反映宏觀特征、規(guī)律，故既見(jiàn)“樹(shù)木”，又見(jiàn)森林。4、由于在點(diǎn)（象元）信息的基礎(chǔ)上對(duì)全區(qū)進(jìn)行計(jì)算，使多種隨機(jī)因素（反映在象元遙感信息內(nèi)）在宏觀范圍內(nèi)得以充分考慮，得出的結(jié)果更接近實(shí)際，是最接近實(shí)際的一種地學(xué)方法。5、

易于實(shí)現(xiàn)，通常是以RS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，GIS支持，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序完成。且象元眾多，便于用統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)一些未知參數(shù)的求取。6、輸出結(jié)果是區(qū)域性的情況，既有點(diǎn)面積的狀態(tài)，又有區(qū)域性、綜合、宏觀、規(guī)律性的情況，非常適合于地學(xué)研究、決策應(yīng)用。

三、

定量遙感信息

光譜信息

幾何信息

光譜信息

（一）直接象元灰度值：是一切信息的基礎(chǔ)，是傳感器到象元對(duì)應(yīng)地物的光譜輻射強(qiáng)度，隨地物種類，波段而異

（二）間接光譜信息

：經(jīng)變換或經(jīng)過(guò)信息提取后的圖像元值。

（一）直接象元灰度值是一切信息的基礎(chǔ)，是傳感器到象元對(duì)應(yīng)地物的光譜輻射強(qiáng)度，隨地物種類，波段而異。DN值輻亮度反射率象元灰度波譜：在遙感平臺(tái)上，傳感器測(cè)得的象元地物綜合電磁輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)面變化的曲線。（二）間接光譜信息

經(jīng)過(guò)變換或經(jīng)過(guò)信息提取后的圖像元值。

比值圖像、差值、KL變換，典型分析，櫻子帽變換經(jīng)信息提取后的圖像元值

幾何信息紋理形態(tài)紋理紋理——通過(guò)象元在灰度變化而顯示出提取方法：1、付氏變換

原圖

頻譜2、求導(dǎo)計(jì)算1）、紋理強(qiáng)度T1=△G/△S=（△G/△X）+（△G/△Y）T1—紋理強(qiáng)度；△G/△S—灰度隨平面空間的灰度；△G/△X、△G/△Y—分別為灰度在行、列上梯度。2）紋理密度：TD=（gradG）/△S=△2G/△X2+△2G/△Y2T1——紋理密度、△2G/△X2、△2G/△Y2————分別為行和列上灰度梯度的梯度，上式實(shí)際上為拉普拉斯算式。3）紋理方位4）紋理長(zhǎng)度5）紋理寬度

形態(tài)

1）二維：形狀、圖案信息提取

a局域象元數(shù)理統(tǒng)計(jì)：在窗口內(nèi)求象元均值、方差、偏斜度等，以之作為幾何信息標(biāo)定值。b局域付氏變換，根據(jù)頻譜圖與光軸距離、方位能量分布根定幾何特征值。2）三維：空間形態(tài)。多角遙感方法獲取。3）常規(guī)方法所獲得的信息：經(jīng)插值、圖像化后用于計(jì)算。

三、遙感信息模型方法與步驟

地學(xué)過(guò)程非常復(fù)雜，即有必然規(guī)律又有偶然因素的影響，各種因素之間的關(guān)系即有線性的，又有線性的，故需采取成因分析與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，具體有以下四種方式：1概念分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)合的方法2量綱分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)合的方程3數(shù)理方程與數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)合的方程

4物理量的數(shù)理方程（物理方程）

概念分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)合的方法即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出定量概念，然后對(duì)量化的概念進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析——經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、統(tǒng)計(jì)模型幾乎可以解決所有的地理問(wèn)題，但須以大量的實(shí)驗(yàn)之上，將定性問(wèn)題量化，物理學(xué)概念、機(jī)理不清，模型適應(yīng)性差研究程度也最低。

量綱分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)合的方程即把主要地理因子之間的關(guān)系通過(guò)量綱分析的方法求得無(wú)量綱因子團(tuán)，再對(duì)因子團(tuán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在數(shù)學(xué)上一般已無(wú)困難，許多地理問(wèn)題用這種方法都可得到解決。

有一定的物理學(xué)概念，但機(jī)理不清，模型適應(yīng)性不高物理量的數(shù)理方程即將物理量的必然規(guī)律用數(shù)理方程表達(dá)出來(lái)，并能夠求解有清析的物理學(xué)概念和物理學(xué)機(jī)理，模型適應(yīng)性高其建立通常難度較大研究程度最高、最難，是數(shù)學(xué)研究室的前沿問(wèn)題之一。

數(shù)理方程與數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)合的方程對(duì)數(shù)理方程中某些無(wú)法解決的參數(shù)或步驟用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)解決，即把數(shù)理方程轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計(jì)方程來(lái)處理有清析的物理學(xué)概念和物理學(xué)機(jī)理，模型適應(yīng)性高具有較高的可行性研究程度