資源科學概論第五章

第二節(jié)資源探測的主要傳感器

第一節(jié)遙感的物理基礎第四節(jié)資源遙感的應用第五章資源遙感與制圖第三節(jié)遙感圖像處理與分析

6.1遙感的物理基礎一、遙感的概念使用某種與被研究目標非接觸性的設備獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)過傳輸、處理，從中提取人們感興趣的有關信息的科學和技術。遙感系統(tǒng)的組成傳感器接收系統(tǒng)圖像處理視覺分析、解譯用戶大氣光源地表覆蓋遙感系統(tǒng)（RemoteSensingSystem）目標物的電磁波特性_遙感信息源任何目標物都具有發(fā)射、反射、吸收電磁波的性質(zhì)。

信息的獲取信息的接收接收、處理、存檔、分發(fā)各類地球資源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)并進行相關技術研究，為遙感應用提供數(shù)據(jù)服務。信息的處理—遙感衛(wèi)星地面站信息的應用按照波段及輻射源來劃分：

可見光和近紅外遙感，所觀測的電磁波的輻射源是太陽，該波長范圍內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)對地表目標物的反射率有很大影響，即根據(jù)反射率的差異來獲得有關目標物的信息，可以用攝影方式和掃描方式成像。二、遙感的分類熱紅外遙感，所觀測的電磁波的輻射源是目標物，由于大氣吸收的影響，主要觀測目標物的反射輻射和熱輻射。熱紅外遙感具有晝夜工作的能力。微波遙感，所觀測的電磁波的輻射源有目標物（被動）和雷達（主動）兩種。被動微波遙感觀測目標物的微波輻射；而主動微波遙感觀測的是目標對雷達發(fā)射的微波信號的散射強度即后向散射系數(shù)。微波遙感的特點是對云層、地表植被、松散沙層和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以繼日地全天候工作。被動式傳感器主動式傳感器大氣吸收地表云云直接射線衍射散射反射可見光近紅外熱輻射反向散射微波雷達熱紅外按遙感平臺的高度分類：

航天遙感，以人造地球衛(wèi)星作為遙感平臺，主要利用衛(wèi)星對地球和低層大氣進行光學和電子觀測。航空遙感，泛指從飛機、飛艇、氣球等空中平臺對地觀測的遙感技術系統(tǒng)。衛(wèi)星—航天遙感航空遙感地面遙感探測器——航宇遙感航天遙感軌道衛(wèi)星載人飛船（<500km)航天飛機（<300km)探空火箭（100-650km)地球同步衛(wèi)星太陽同步衛(wèi)星長壽命(500-1000km)（36000km）短壽命(150-500km)航空遙感飛機氣球飄浮氣球（<50km）系留氣球（<5km）高空飛機（>15km）中空飛機（9-15km）低空飛機（<9km）地面遙感高塔（<300m)車船（<30m)觀測架（幾米）高空機載遙感系統(tǒng)遙感飛機雷達天線多光譜掃描儀機載PHI掃描系統(tǒng)按研究對象分類：資源遙感，是以地球作為調(diào)查研究對象的遙感方法和實踐，調(diào)查自然資源狀況和監(jiān)測再生資源的動態(tài)變化，是遙感技術應用的主要領域之一。環(huán)境遙感，指利用各種遙感技術，對自然與社會環(huán)境的動態(tài)變化進行監(jiān)測或做出評價與預報的統(tǒng)稱。6.2資源探測的主要傳感器一、可見光-近紅外傳感器可見光-近紅外遙感記錄的是地球表面對太陽輻射能的反射輻射能，即其傳感器記錄的是目標物體的反射光譜特性。按照采集數(shù)據(jù)的方式，又可分為攝影系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)兩種類型。攝影系統(tǒng)采用的是光學攝影波段，即紫外-近紅外波段的電磁波輻射能量。該系統(tǒng)把地物目標反射的太陽輻射能通過相機鏡頭投射到感光膠片上發(fā)生化學反應，先形成潛影，經(jīng)顯影、定影和放印等過程而獲得圖像。傳統(tǒng)攝影依靠光學鏡頭及放置在焦平面的感光膠片來記錄物體影像；數(shù)字攝影則通過放置在焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號來記錄物體的影像；遙感攝影系統(tǒng)以航空攝影為主。掃描成像與相機成像的根本區(qū)別在于：整個圖像不是依賴快門在曝光瞬間使膠片平面上發(fā)生光化學反應來記錄成像，而是隨著運載工具在向前移動的過程中，進行連續(xù)橫向掃描來獲取地物目標反射或自身發(fā)射出的電磁波譜信號，逐行記錄成像。典型的掃描成像系統(tǒng)美國的陸地衛(wèi)星Landsat/MSS、TM、ETM+和氣象衛(wèi)星NOAA/AVHRR法國的SPOT/HRV我國的CBERS-1和“風云”氣象衛(wèi)星等二、熱紅外傳感器熱紅外遙感記錄的是地球表面的發(fā)射輻射能。熱紅外遙感的成像是通過熱紅外探測器搜集地物輻射出來的熱紅外輻射通量，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換而變成人眼能看到的圖像。熱輻射計，是一種定量測定輻射溫度的非成像裝置，它用紅外敏探測器和濾色鏡來測定特定波長的輻射。熱紅外掃描儀，是熱紅外遙感中應用最多的成像儀器。地面輻射的熱紅外能量被反射鏡聚焦在熱紅外探測器上，探測器將輻射能轉(zhuǎn)換成正比于熱紅外輻射的電信號。用膠片記錄的熱紅外掃描儀是將放大的信號調(diào)制一個小光源的亮度，然后用與掃描反射鏡同步的反射鏡，將被調(diào)制的光源的亮點掃描在記錄膠片上記錄膠片前進速率和飛行器的速率與高度之比成正比，這樣地面上每一條掃描線在膠片上都有一條掃描線與其相對應，形成地物熱輻射圖像。常用的星載熱輻射掃描圖像有:TM6波段，AVHRR4、5波段，F(xiàn)Y-2IR波段等。三、微波傳感器微波遙感分為主動和被動遙感兩類，二者有根本的差異。記錄地球表面對人為微波輻射能的反射輻射能的遙感屬于主動遙感，最具有代表性的主動遙感器為成像雷達。雷達成像系統(tǒng)主要包括發(fā)射器、雷達天線、接收器和記錄器。由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高功率調(diào)頻信號，經(jīng)發(fā)射器以一定的時間間隔反復發(fā)射具有特定波長的微波脈沖這樣“照射”到地面的連續(xù)微波條帶就形成了一個類似于行掃描儀產(chǎn)生的連續(xù)視場條幅如果每個視場條幅照射到不同微波反射、散射特性的地物，那么被同一天線接收記錄的雷達反射、散射回波的強弱就會發(fā)生變化。與此同時，視場條幅的兩側至天線距離不一，自左向右或自右向左逐漸增大，因此，其回波信號到達天線的時間就會有先后。這種強弱、先后都有差異的信號，與電子鐘測定的時基信號相配合，經(jīng)適當處理，記錄下來，就可獲得一張反映地面狀況的雷達圖像。已發(fā)射的主要航天合成孔徑雷達系統(tǒng)有美國航天飛機成像雷達SIR，歐洲遙感衛(wèi)星ERS-1攜帶的主動微波儀AMI，以及加拿大雷達衛(wèi)星Radarsat等。記錄地球表面發(fā)射的微波輻射能的遙感屬于被動遙感。被動遙感是通過傳感器，接收來自目標地物發(fā)射的微波從而達到探測目的的遙感方式。被動接收目標地物微波輻射的傳感器為微波輻射計；被動探測目標地物微波散射特性的傳感器為微波散射計，但是這兩種傳感器均不成像。傳感器的多平臺、多波段、多視場、多時相、多角度、多極化等造就了遙感數(shù)據(jù)的多維特征。這種多維特征可以通過不同的分辨率和特性來描述，主要包括空間分辨率、波譜分辨率和時間分辨率。遙感圖像處理光學影像——光學原理和光學處理方法數(shù)字影像數(shù)字圖像校正數(shù)字圖像增強多源信息復合6.3遙感圖像處理與分析一、遙感圖像恢復與增強幾何校正幾何變形是指圖像上的像元在圖像坐標系中的坐標與其在地圖坐標系等參考系統(tǒng)中的坐標之間的差異，消除這種差異的過程稱為幾何校正。遙感圖像的幾何變形可分為系統(tǒng)性和非系統(tǒng)性兩大類。系統(tǒng)性幾何變形是有規(guī)律和可以預測的，可以應用模擬遙感平臺及遙感器內(nèi)部變形的數(shù)學公式或模型來預測。非系統(tǒng)幾何變形是不規(guī)律的，其原因一般很難預測。幾何校正的母的就是要糾正這些系統(tǒng)及非系統(tǒng)因素引起的圖像變形，從而使之實現(xiàn)于標準圖像或地圖幾何整合。輻射校正輻射強度值受到大氣對輻射的影響，太陽高度角和地形的誤差，傳感器本身引起的誤差等因素的影響而發(fā)生改變，這一改變的部分就是需要校正的部分，即輻射校正。影響光譜信號的因素太陽高度（日期、時間）大氣條件地形（陰影）地形（坡度）氣候、植物的病變環(huán)境狀況裸露土地在紅波段高反射率（亮）在近紅外低反射率（暗）綠色植被在紅波段低反射率（暗）在近紅外高反射率（亮）光譜信號在影像上的結果紅色波段近紅外波段LANDSATTM影像各個波段的特點波段號波長光譜位置特點10.45—0.52藍針對水體；尤其是海岸水體，另外對于土壤、植被、森林的類別，以及人造地物（路、城市街道、建筑等）。20.52—0.60綠辨別水、綠色植被及對其生長能力的評估；人造地物（路、城市街道、建筑等）30.63—0.69紅在葉綠素吸收范圍，也用于區(qū)別植物的種類；人造地物（路、城市街道、建筑等）40.76—0.90近紅外用于測定植被種類、活躍性、數(shù)量和內(nèi)容；描述水體、鑒別土壤的濕度。（農(nóng)作物）51.55-1.75中紅外表示植被或者土壤的濕度。有利于區(qū)別雪和云610.4—12.5熱紅外（120m）植被分布分析，熱輻射圖繪制72.08—2.35中紅外區(qū)別礦物或巖石類型；同時對植被濕氣含量很敏感。人工建筑大氣校正運用大氣模擬模型校正；利用輻射傳遞方程校正；利用地面實況數(shù)據(jù)校正。傳感器的校正鏡頭光學特性的非均勻性造成的邊緣減光的校正傳感器的輸出的校正太陽高度角和地形校正太陽高度角引起的畸變校正是將太陽光線傾斜照射時獲取的圖像校正為太陽光線垂直照射時獲取的圖像，通過調(diào)整一幅畫像內(nèi)的平均灰度來實現(xiàn)。進行地形校正就是把在傾斜面上獲得的圖像校正到平面上獲取的圖像?？沼蛟鰪妶D像增強的目的是對大氣對輻射的影響所造成的某些信息失真或降質(zhì)圖像進行補償或增強，以提高圖像的識別能力。圖像增強處理的技術方法基本上包含兩大類一是空間域的增強方法，二是頻率域的增強方法?？臻g域的增強處理主要針對圖像的灰度值進行增強處理?；叶仍鰪?，其主要目的是通過灰度拉伸處理，擴大圖像灰度值動態(tài)變化范圍，可加大圖像像元之間的灰度對比度。遙感影像增強——反差增強例子原始增強后原始影像增強后影像邊緣增強主要是通過空間濾波實現(xiàn)。圖像濾波增強處理實質(zhì)上就是運用濾波技術來增強圖像的某些空間頻率特征，以改善地物目標與鄰域或背景之間的灰度反差。頻域增強頻域增強是在復頻率域?qū)D像進行處理，特別是對相乘性噪聲（如云和雪）、運動模糊、散焦、紋理特征等信息的衰減作增強或恢復處理。二、遙感圖像分類非監(jiān)督分類，是依據(jù)每一類型地物具有的相似性，把反映各類型地物特征值的分布按相似分割和概率統(tǒng)計理論，歸并成不同的空間集群，然后與地面實況進行比較來確定各集群的含義。此方法的出發(fā)點是：同一特性的多波段數(shù)據(jù)，將集群于多維空間的某一確定位置周圍；而不同特性的多波段數(shù)據(jù)，將集群于這個多維空間中的不同位置的區(qū)域內(nèi)。常見的非監(jiān)督分類方法簡單集群分類相似性距離分類

K-Means分類

ISODATA分類算法等遙感圖像監(jiān)督分類工作流程選訓練樣區(qū)樣本統(tǒng)計分析各類特征參數(shù)遙感圖像判別規(guī)則像元歸類輸出結果監(jiān)督分類監(jiān)督分類的關鍵樣本參數(shù)和特征函數(shù)的確定必須具有代表性，要有足夠樣本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作基礎。判別規(guī)則的確定。常用的統(tǒng)計判別規(guī)則貝葉斯判別規(guī)則，以先驗概率、條件概率和損失函數(shù)這三個特征量為依據(jù)。最大似然判別規(guī)則，若要把某個特征歸入某一類，其條件概率應大于該特征相對于其他所有類別的條件概率。此規(guī)則應用較廣泛，效果較顯著。最小距離判別規(guī)則，以各類的均值作為類別空間的集結中心，搜索每個像元，將它歸屬到中心距本像元的空間距離最小的一類中去。這個規(guī)則精度略低，但運算速度快。三、資源遙感制圖遙感制圖是指利用航天或航空遙感圖像資料制作或更新地圖的技術。其具體成果包括遙感影像地圖和遙感專題地圖。遙感影像，因現(xiàn)勢性強，可作為新編地形圖的重要信息源。遙感衛(wèi)星：美國的陸地衛(wèi)星(Landsat)、氣象衛(wèi)星(NOAA)、海洋衛(wèi)星(Seasat)法國的SPOT衛(wèi)星日本的MOS衛(wèi)星、JERS衛(wèi)星、ADEOS衛(wèi)星歐空局的ERS衛(wèi)星和印度IRS衛(wèi)星

中國常使用的信息源：美國的Landsat－TM、NOAA－AVHRR法國的SPOT－HRV主要信息源空間分辨率，是指傳感器所能分辨的最小的目標大小，或指影像中一個像元點所表示的地面面積?？臻g分辨率越高，則目標和面積值越小?？臻g分辨率及制圖比例尺的選擇遙感圖像的空間分辨率愈高，圖像可放大的倍數(shù)愈大，地圖的成圖比例尺也愈大。圖像所需放大的倍數(shù)，應以能否提供更多的有用信息為標志。根據(jù)這一指標所確定的最大放大倍數(shù)，稱為這種圖像的放大極限。一個像元所對應地面范圍的大小即為遙感圖像的分辨率。

航空影像(0.5m)

IKONOS(1.0m)

SPOT-4

(10m)QuickBird(0.61m)

SPOT-5(2.5m)Landsat-7ETM+(15m)小街區(qū)：24,000m2在1/3000比例尺下，六種影象上提取的小塊街區(qū)不同空間分辨率的影像比較不同規(guī)模的環(huán)境特征對地面分辨率的要求巨型環(huán)境特征地殼10km大陸架2km洋流2km自然地帶2km大型環(huán)境特征區(qū)域地理400m礦產(chǎn)資源100m地勢資源1km環(huán)境質(zhì)量100m土壤水分140m中型環(huán)境特征植物群落50m作物估產(chǎn)50m洪水災害50m污染監(jiān)測50m森林病害50m交通規(guī)劃50m作物長勢25m天氣狀況20m城市用水20m土種識別20m小型環(huán)境特征航行設計50m水污染控制20m水庫建設15m港口工程10m魚群分布10m交通密度5m時間分辨率：是遙感影像間隔時間的一項性能指標。遙感探測器按一定的時間周期重復采集數(shù)據(jù)，重重重復周期，又稱回歸周期。它是由飛行器的軌道高度、軌道傾角、運行周期、軌道間隔、偏移系數(shù)等參數(shù)決定。時間分辨率對動態(tài)監(jiān)測很重要。時間分辨率現(xiàn)有衛(wèi)星日或小時NOAA月或旬Landsat-TM;SPOT光譜分辨率，是指傳感器所選用的波段數(shù)量的多少、各波段的波長位置及波長間隔的大小。光譜分辨率越高，專題研究的針對性越強，對物體的識別精度越高，遙感應用分析的效果也就越好。波段號波段（mm）選擇原理和主要應用TM10.45-0.52藍對葉綠素和葉色素濃度敏感，用于區(qū)分土壤與植被、落葉林與針葉林、近海水域制圖TM20.52-0.60綠對無病害植物葉綠素反射敏感TM30.63-0.69紅對葉綠素吸收敏感，用于區(qū)分植物種類TM40.76-0.90近紅對無病害植物紅外反射敏感，用于生物量測定及水域判別TM51.55-1.75中紅對植物含水量和云的不同反射敏感，可判斷含水量和雪、云TM72.08-2.35中紅對植物含水量和礦物氫氧根敏感，可用于地質(zhì)制圖，探測巖石的水熱蝕變TM610.4-12.5遠紅作溫度圖，植物熱強度測量TM的波段特性目視判讀計算機自動識別與分類遙感圖像的專題信息提取目視判讀常用方法：直接判定法對比分析法邏輯推理法工作程序：判讀前的準備工作建立判讀標志室內(nèi)判讀及野外驗證計算機自動識別與分類計算機自動識別，又稱模式識別，是將經(jīng)過精處理的遙感實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)計算機研究獲得的圖像特征進行的處理。具體的方法有：統(tǒng)計概率法：是根據(jù)物體的光譜特征進行自動識別。語言結構法：是根據(jù)物體的圖形進行識別。模糊數(shù)學法：是根據(jù)物體最明顯的本質(zhì)特征（光譜的或圖像的本質(zhì)特征）進行識別。

衛(wèi)星影像圖和衛(wèi)星影像地圖

利用衛(wèi)星影像編圖，根據(jù)它的技術條件和線劃的地理要素可分為：衛(wèi)星影像鑲嵌圖：不另外進行影像的幾何糾正，將多幅影像依像幅邊框的經(jīng)緯度位置，鑲輯拼貼成的影像圖。衛(wèi)星影像圖：經(jīng)過影像的幾何糾正和增強，圖上繪制出較全面的地理要素，稱衛(wèi)星影像圖。衛(wèi)星影像地圖：在衛(wèi)星影像上能夠根據(jù)數(shù)字地面模型，進行共線方程糾正，有詳細的地理要素的影像圖。從太空看中國陸地信息來源Landsat1\2\3;MSS高度900km標準假彩色合成584幅拼接陳述彭主編，中國衛(wèi)星影像圖，科學出版社，1991圖1-8中國衛(wèi)星影像圖圖1-9在西北干旱地區(qū)，冰川進退，沙漠擴張，湖泊和水系、綠洲的演變典型衛(wèi)星影像圖1-10在東部沿海地區(qū)，湖泊和水系及三角洲的演變典型衛(wèi)星影像典型衛(wèi)星影像圖1-11淮河兩岸的廣大地域圖1-12在青藏高原地區(qū)，巨大山系、冰川凍土的變化典型衛(wèi)星影像從影像生成專題地圖1.目視解譯的專題制圖2.數(shù)字圖像處理的專題制圖目視解譯的專題制圖（1）影像預處理：包括圖像校正、圖像增強，有時還需要實驗室提供監(jiān)督或非監(jiān)督分類圖像。（2）目視解譯：經(jīng)過建立影像判讀標志，野外判讀，室內(nèi)解譯，得到繪有圖斑的專題解譯原圖。（3）地圖概括：按比例尺及分類的要求，進行專題解譯原圖（圖斑）的概括。（4）地圖整飾：在轉(zhuǎn)繪完專題圖斑的地理底圖上進行專題地圖整飾工作。數(shù)字圖像處理的專題制圖(1)影像預處理：同目視解譯類似。(2)按專題要求進行影像分類。(3)專題類別的地圖概括：包括在預處理中消除影像的孤立點（噪聲點），依成圖比例尺對圖斑尺寸的限制進行柵格影像的概括。(4)圖斑的柵格/矢量變換。(5)與地理底圖疊加，生成專題地圖。遙感系列制圖

提取遙感圖像的專題信息構成類型圖后，必須將類型界線轉(zhuǎn)繪到具嚴格數(shù)學基礎的地理底圖上。遙感系列地圖是根據(jù)共同的制圖目的，利用同一的制圖信息源，按照統(tǒng)一的設計原則，成套編制的遙感專題地圖。系列地圖是在內(nèi)容上和時間上相關聯(lián)的一組地圖。地理底圖編制要點地圖投影的選擇中小比例尺遙感專題制圖的投影和影像投影一致。大中比例尺遙感專題制圖的投影統(tǒng)一為高斯－克呂格投影。編圖資料選擇與地理基礎更新大中比例尺遙感制圖的地理底圖，均以相應比例地形圖作為底圖編制的基本資料。地理底圖的編制程序選擇制圖范圍內(nèi)相應比