遙感原理與方法

1、遙感原理與應用緒論1. 遙感的概念遙感：即遙遠感知，是在不直接接觸的情況下，對目標或自然現(xiàn)象遠距離探測和感知的一種技術。廣義遙感：泛指一切無接觸的遠距離探測，包括對電磁場、力場、機械波（聲波、地震波）等的探測。狹義遙感：電磁波遙感，即應用傳感器，不與探測目標接觸，從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示物體的特征性質(zhì)及其變化的技術。2. 遙測與遙控遙測：對被測物體某些運動參數(shù)和性質(zhì)進行遠距離測量的技術。遙控：遠距離控制目標物體運動狀態(tài)和過程的技術。3. 遙感的分類按遙感平臺分：地面遙感、航空遙感、航天遙感、宇航遙感。 按傳感器的探測波段范圍分：紫外遙感、可見光遙感、紅外遙感、微波遙感。

2、 按工作方式分：主動遙感、被動遙感 。按記錄信息的表現(xiàn)形式分：成像遙感、非成像遙感。按遙感的應用領域分：外層空間遙感、大氣層遙感、陸地遙感、海洋遙感、資源 遙感、農(nóng)業(yè)遙感、林業(yè)遙感、地質(zhì)遙感、城市遙感、軍事遙感等等。4. 遙感三要素 目標物 傳感器 測量方法5. 遙感的主要特點1) 獲取信息真實、客觀2) 獲取信息的速度快，周期短 3) 獲取信息受條件限制少,范圍大 4) 獲取信息的手段多，信息量大6. 遙感的過程地物發(fā)射或反射電磁波 傳感器獲取數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)處理 信息提取 應用7. 遙感的應用利用多時相影像發(fā)現(xiàn)土地利用變化、農(nóng)業(yè)作物估產(chǎn)、林業(yè)資源調(diào)查、自然災害監(jiān)測、全球和局部環(huán)境監(jiān)測；利用高分辨

3、率影像提取城市信息(交通道路網(wǎng)絡)；軍事應用越來越重要：重要目標定位與偵察、導航與武器制導、 打擊效果評估、戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測等；高光譜遙感在精準農(nóng)業(yè)中的應用；在建設數(shù)字城市、數(shù)字省區(qū)和數(shù)字中國中的應用：DOM、DEM和DLG。第一章 電磁波及遙感物理基礎1. 電磁波傳播原理：交互變化的電磁場在空間的傳播。描述特性指標：波長、頻率、振幅、相位等。特性：波動性、粒子性、橫波2. 干涉基本原理：波的疊加原理疊加條件：頻率相同、震動方向相同、具有固定位相關系3. 衍射概念：光通過有限大小的障礙物時偏離直線 路徑的現(xiàn)象。愛里斑：衍射實驗中觀察屏上的中央亮斑，其角半徑為衍射角。瑞利判據(jù)：如果一個點光源的衍射圖

4、象的中央最亮處剛好與另一個點光源的衍射圖象第一個最暗環(huán)相重合時，這兩個點光源恰好能被這一光學儀器所分辨。4. 偏振概念：如果光矢量E在一個固定水平面內(nèi)只沿一個方向作振動，則這種光稱為偏振光。偏振態(tài)：光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)可能存在的不同振動狀態(tài)偏振面（振動面）：振動方向（光矢量方向）與光傳播方向構成的平面偏振態(tài)分類：完全偏振（線偏振、圓偏振、橢圓偏振），非偏振，部分偏振5. 極化概念：極化是指電磁波的電場振動方向的變化趨勢。水平極化（H極化）：衛(wèi)星向地面發(fā)射信號時，電磁波的振動方向是水平方向。垂直極化（V極化）：衛(wèi)星向地面發(fā)射信號時，電磁波的振動方向是垂直方向。6. 電磁波波譜紫外線：波

5、長范圍為0.010.38m，太陽光譜中，只有0.30.38m波長的光到達地面，對油污染敏感，但探測高度在2000 m以下。可見光：波長范圍：0.380.76m，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術應用中的重要波段。紅外線：波長范圍為0.761000m，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。微波：波長范圍為1 mm1 m，穿透性好，不受云霧的影響。7. 黑體絕對黑體：在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體。黑體輻射：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。黑體輻射的三個特性：溫度越高，總的輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應的波長向短波方

6、向移動。輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。8. 太陽輻射概念：太陽是被動遙感主要的輻射源，又叫太陽光。太陽常數(shù)：不受大氣影響，在距太陽一個天文單位內(nèi)，垂直于太陽輻射方向，單位面積單位時間黑體所接受的太陽輻射能量。（1353W/m2）特點：太陽光譜相當于5800 K的黑體輻射；太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38 0.76 µm的可見光能量 占太陽輻射總能量的46%，最大輻射強度位于波長0.47 µm左右；到達地面的太陽輻射主要集中在0.3 3.0 µm波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；經(jīng)過大氣層的太陽輻射有很大的衰減；各波段的衰減

7、是不均衡的；9. 大氣大氣垂直分層：對流層、平流層、電離層和外大氣層大氣對太陽輻射的作用：大氣吸收（主要原因）、散射、反射引起吸收的主要成分：氧氣、臭氧、二氧化碳、水蒸氣散射的概念：電磁波與物質(zhì)相互作用后電磁波偏離原來的傳播方向的一種現(xiàn)象。（主要發(fā)生在可見光波段）散射方式：米散射、均勻散射、瑞利散射大氣散射特點：群體散射強度是個體散射強度的線性和。 大氣散射系數(shù)與高度的關系分子散射與氣溶膠散射光強之比隨角度和能見度的變化規(guī)律。 大氣窗口：電磁波通過大氣層時較少被反射，吸收和散射的，透射率較高的波段稱為大氣窗口。遙感大氣窗口：大氣窗口波段透射率/%應用舉例紫外可見光近紅外0.31.1m90TM1

8、-4、SPOT的HRV近紅外1.51.8 m80TM5近-中紅外2.03.5 m80TM7中紅外3.55.5 m6070NOAA的AVHRR遠紅外814 m6070TM6微波0.82.5cm100Radarsat 10. 地物發(fā)射輻射發(fā)射率：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。它也是遙感探測的基礎和出發(fā)點。影響因素：地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度按照發(fā)射率與波長的關系，把地物分為： 黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。 灰體：發(fā)射率小于1，常數(shù) 選擇性輻射體：發(fā)射率小于1，且隨波長而變化。地物的發(fā)射光譜 發(fā)射光譜：地物的發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律。 發(fā)射光

9、譜曲線：按照發(fā)射率和波長之間的關系繪成的曲線。亮度溫度：它是衡量地物輻射特征的重要指標。指當物體的輻射功率等于某一黑體的輻射功率時，該黑體的絕對溫度即為亮度溫度。 等效溫度：為了分析物體的輻射能力，常用最接近灰體輻射曲線的黑體輻射曲線來表達，這時黑體輻射溫度稱為該物體的等效輻射溫度。11. 地物輻射地物輻射特性：在0.32.5um波段（主要在可見光和近紅外波段），地表以反射太陽輻射為主，地球自身的輻射可以忽略 。在2.56.0um波段（主要在中紅外波段），地表反射太陽輻射和地球自身的熱輻射均為被動遙感的輻射源。在6.0um以上的熱紅外波段，以地球自身的熱輻射為主，地表反射太陽輻射可以忽略。（熱

10、紅外成像）地物輻射的分段特性的意義：可見光和近紅外波段遙感圖像上的信息來自地物反射特性。中紅外波段遙感圖像上，既有地表反射太陽輻射的信息，也有地球自身的熱輻射的信息。熱紅外波段遙感圖像上的信息來自地球自身的熱輻射特性。 12. 不同電磁波段中地物波譜特性可見光和近紅外波段：主要表現(xiàn)地物反射作用和地物的吸收作用。熱紅外波段：主要表現(xiàn)地物熱輻射作用。微波波段：主動遙感利用地物后向散射；被動遙感利用地物微波輻射。 13. 地物反射輻射反射率（）：地物的反射能量與入射總能量的比，即=(P/ P 0)×100%。表征物體對電磁波譜的反射能力。地物的反射：太陽光通過大氣層照射到地球表面，地物會發(fā)

11、生反射作用，反射后的短波輻射一部分為遙感器所接收。影響因素：表面顏色、粗糙度和濕度地物反射類型：鏡面反射、漫反射、方向反射14. 地物波譜特性定義：研究可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。作用：物體波譜曲線形態(tài)，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過測量該地物類型在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器所獲得的數(shù)據(jù)相對照，可以識別遙感影像中的同類地物。研究地表的主要波段：可見光和近紅外波段可見光和近紅外地物光譜測試的作用：傳感器波段的選擇、驗證、評價；建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的定量關系；地物光譜數(shù)據(jù)與地物特征的相關分析。第二章 遙感平臺及運行特點1. 遙感平臺組成：由遙感傳感器

12、、數(shù)據(jù)記錄裝置、姿態(tài)控制儀、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)等組成。功能：在不同高度進行多平臺遙感，可獲得不同比例尺、分辨率和地面覆蓋面積的遙感圖像。類型：按遙感平臺距地面的高度分為地面平臺、航空平臺和航天平臺。2. 遙感平臺的作用地面平臺：地面平臺穩(wěn)定性高，能夠進行近距離測量，可以測定各類地物的波譜特性；航空平臺：能夠快速進行航空攝影測量，各種大范圍調(diào)查和偵察。航天平臺：進行各地點和時期期的地球觀測，空間調(diào)查與實驗，提供各種數(shù)據(jù)。3. 衛(wèi)星軌道及運行特點春分點：黃道面與赤道面在天球上的交點升交點：衛(wèi)星由南向北運行時與赤道面的交點降交點：衛(wèi)星由北向南運行時與赤道面的交點近地點：衛(wèi)星軌道離地球最近

13、的點遠地點：衛(wèi)星軌道離地球最遠的點衛(wèi)星在空間的位置和形狀是由6個軌道參數(shù)來決定的。它們是： 升交點赤經(jīng): 春分點R逆時針方向到升交點K的弧長 近地點角距: 從升交點K沿軌道到近地點A的角距 過近地點時刻 t: 衛(wèi)星S與近地點A間的角距長半軸 a: 軌道橢圓的長半徑 偏心率 e: 軌道橢圓的偏心率 傾角 i: 軌道平面與赤道平面的夾角 衛(wèi)星坐標解算方法：利用星歷參數(shù)解算、用GPS測定。衛(wèi)星的姿態(tài)：通常用 X(前進的切線方向）、Y（垂直與軌道面方向、Z（垂直與面）三軸定向表示:繞軸稱滾動；繞軸稱俯仰；繞軸稱航偏。測量的方法有：紅外姿態(tài)測量儀、恒星相機測定法、GPS方法 4. 遙感中常用衛(wèi)星軌道參數(shù)

14、軌道周期：衛(wèi)星在軌道上繞地球一周所需的時間；覆蓋周期：衛(wèi)星從某點開始，經(jīng)過一段時間飛行后，又回到該點用的時間。 赤道軌道：i0°軌道平面與赤道平面重合 地球靜止軌道：i0°且衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一 致，運行周期相等 傾斜軌道： 順行軌道-0°i90°衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致-可覆蓋最高南北緯度為i ；逆行軌道-90°i180°衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反-可覆蓋最高南北緯度 為 180°i 。 星下點: 衛(wèi)星質(zhì)心與地心連線同地球表面的交點 星下點軌跡(地面軌跡): 星下點在衛(wèi)星運行過程中在地面的軌跡 衛(wèi)星速度、

15、星下點速度、衛(wèi)星平均高度同一天相鄰軌道間在赤道的距離每天衛(wèi)星繞地球的圈數(shù) 5. 陸地衛(wèi)星用途：用于陸地資源和環(huán)境探測平臺要求：對全球表面進行周期性成像覆蓋; 保證在衛(wèi)星通過北半球中緯度地區(qū)時有最佳光照條件； 同一地點、不同日期的成像地方時間、太陽光照角基本一致。軌道特征：近極地軌道，衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面的夾角近90度。軌道傾角越大，覆蓋地球表面的面積越大。 衛(wèi)星軌道近圓形地球資源衛(wèi)星的偏心率很小與太陽同步軌道：衛(wèi)星軌道平面與太陽光之間的夾角（太陽光照角）始終保持一致的軌道。可重復觀測：地球資源衛(wèi)星的按一定的周期運行，一個重復周期對地球掃描一次；第三章 遙感傳感器及其成像原理1. 傳感器基

16、本組成：收集系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（處理器）、記錄系統(tǒng)（輸出器）收集系統(tǒng)：接收地物輻射電磁波將其聚焦成像探測系統(tǒng)。探測系統(tǒng)：對電磁輻射敏感、將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號。信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：將電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理的光信號。記錄系統(tǒng)：將探測系統(tǒng)或信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的電磁波信息（光信號）記錄、存儲到遙感信息載體，以影像或數(shù)字形式輸出。2. 描述遙感器的特性參數(shù)空間分辨率：表示按地物幾何特征(尺寸和形狀)和空間分布,即在形態(tài)學基礎上識別目標的能力。光譜分辨率：指遙感器在接收目標輻射的波譜時，能分辨的最小波長間隔，即遙感器的工作波段數(shù)目、波長及波長間隔(波帶寬度) 。輻射分辨率（輻射靈敏度）：輻射分

17、辨率指遙感器探測元件在接收波譜輻射信號時，能分辨的最小輻射度差。時間分辨率：為分析、識別目標所必須具有的最小時間間隔，稱時間分辨率。3. 傳感器類型及優(yōu)缺點攝影類型的傳感器優(yōu)點：成本低 易操作 信息量大缺點：局限性大 ，影像畸變較嚴重，成像受氣侯、光照和大氣效應的限制 影像須回收膠片掃描成像類型傳感器優(yōu)點：可對全部五個大氣窗口的電磁輻射進行探測，可進行多波段、超多波段遙感-波譜分辨率高缺點：空間分辨率相對較低雷達成像類型傳感器非圖像類型傳感器成像光譜儀推掃式傳感器4. TM特點TM中增加一個掃描改正器,使掃描行垂直于飛行軌道往返雙向都對地面掃描（MSS僅單向掃描）；地面分辨率由79米到30米；

18、波段由5個增加到7個；有熱紅外通道TM6 。5. ETM+ 特點增加了全色波段，分辨率為15米; 采用雙增益技術使熱紅外波段的分辨率提高到60米；改進后太陽定標器使衛(wèi)星的輻射定標誤差小于5%。6. CCD三種主要功能光電轉(zhuǎn)換：入射輻射在MOS電容(CCD元) 上產(chǎn)生與光亮度成正比的電荷電荷積累：當電壓加到CCD電極上時在硅層形成電位勢阱-電荷在勢阱內(nèi)積累電荷轉(zhuǎn)移：加高壓形成深勢阱, 加低壓形成的勢阱淺-電荷可進行轉(zhuǎn)移-實現(xiàn)信號傳輸7. 瞬時視場: 在掃描成像過程中一個光敏探測元件通過望遠鏡系統(tǒng)投射到地面上的直徑或?qū)囊晥鼋嵌取?. 傳感器誤差傾斜誤差：因遙感器姿態(tài)角引起像點移位投影誤差：地形

19、起伏引起的像點移位，僅在掃描方向上。9. 雷達遙感分辨率距離向分辨率：脈沖在脈沖發(fā)射的方向上（距離向）能分辨兩個目標的最小距離。（分為斜距分辨率和地距分辨率）方位向分辨率：在輻射波垂直的方向上（方位向）相鄰的兩束脈沖之間能分辨的兩個目標的最小距離。10. 影響后向散射系數(shù)的主要因素雷達系統(tǒng)的工作參數(shù)：主要包括雷達傳感器的工作波長、波束的入射角、入射波的極化方式等地面目標的特性引起：即地表的粗糙度和地物目標的復介電常數(shù)和雷達光斑等因素11. 雷達影像幾何特性透視收縮、雷達陰影、疊掩12. 遙感圖像與遙感影像遙感影像:由遙感器對地球表面攝影或掃描獲得的影像遙感圖像:遙感影像經(jīng)過處理或再編碼后產(chǎn)生的

20、與原物相似的形象13. 遙感圖像基本屬性波譜特性、空間特性、時間特性第四章 遙感圖像數(shù)字處理的基礎知識1. 遙感傳感器記錄地物電磁波的形式 膠片或其它光學成像載體形式 （光學圖像）數(shù)字形式 （數(shù)字圖像）2. 圖像數(shù)字化實質(zhì)：把一個連續(xù)的光密度函數(shù)變成一個離散的光密度函數(shù)采樣：空間坐標離散化圖像坐標數(shù)字化量化：幅度（光密度）離散化圖像灰度數(shù)字化第六章 遙感圖像的幾何處理1. 遙感圖像的幾何變形概念：原始圖像上各地物的幾何位置、形狀、尺寸、方位等特征與在參照系統(tǒng)中的表達要求不一致時產(chǎn)生的形變。研究前提：必須確定一個圖像投影的參照系統(tǒng)，即地圖投影系統(tǒng)。影響因素：傳感器成像方式引起的圖像變形 傳感器外

21、方位元素變化的影響 地形起伏引起的像點位移地球曲率引起的圖像變形 大氣折射引起的圖像變形 地球自轉(zhuǎn)的影響2. 遙感圖像變形誤差靜態(tài)誤差：傳感器相對于地球表面呈靜止狀態(tài)時所具有的各種變形誤差。動態(tài)誤差：由于地球的旋轉(zhuǎn)等因素所造成的圖像變形誤差。內(nèi)部誤差：由于傳感器自身的性能技術指標偏移標稱數(shù)值所造成的。外部變形誤差：由傳感器以外的各種因素所造成的誤差，如傳感器的外方位元素變化，傳感器介質(zhì)不均勻，地球曲率，地形起伏以及地球旋轉(zhuǎn)等因素引起的變形誤差。3. 遙感圖像的幾何處理遙感圖像的粗加工處理：遙感圖像的精糾正處理 多項式糾正共線方程糾正有理函數(shù)模型投影中心坐標的測定和解算衛(wèi)星姿態(tài)角的測定掃描角的測

22、定遙感圖像的精糾正處理：消除圖像中的幾何變形，產(chǎn)生一幅符合某種地圖投影或圖形表達要求的新圖像。 多項式糾正共線方程糾正有理函數(shù)模型幾何精校正的兩個環(huán)節(jié)像素坐標的變換，即將圖像坐標轉(zhuǎn)變?yōu)榈貓D或地面坐標；坐標變換后的像素亮度值進行重采樣。4. 遙感圖像糾正處理過程根據(jù)圖像的成像方式確定影像坐標和地面坐標之間的數(shù)學模型。根據(jù)所采用的數(shù)字模型確定糾正公式。根據(jù)地面控制點和對應像點坐標進行平差計算變換參數(shù)，評定精度。對原始影像進行幾何變換計算，像素亮度值重采樣。目前的糾正方法有多項式法，共線方程法和有理函數(shù)模型等5. 遙感圖像多項式模型糾正同名點的選擇原則在圖像上為明顯的地物點，易于判讀在圖像上均勻分布

23、數(shù)量要足夠圖像灰度值重采樣方法最近鄰像元法 雙線性內(nèi)插法雙三次卷積法6. 圖像間的自動配準和數(shù)字鑲嵌圖像間的自動配準配準的目的：多源數(shù)據(jù)進行比較和分析，圖像融合、變化檢測。配準的實質(zhì)：幾何糾正。采用一種幾何變換將圖像歸化到統(tǒng)一的坐標系中。 配準的方式：圖像間的匹配、絕對配準。步驟：在源圖上選擇足夠同名點、解算多項式模型參數(shù)并配準數(shù)字圖像鑲嵌圖像鑲嵌：將不同的圖像文件合在一起形成一幅完整的包含感興趣區(qū)域圖像。要求：不同時間同一或不同傳感器獲取，圖像間要有一定的重疊度實質(zhì)：幾何糾正步驟：圖像的幾何糾正、搜索鑲嵌邊、亮度和反差調(diào)整、平滑邊界線 第八章 遙感圖像自動識別分類1. 特征變換的方法和目的主

24、分量變換 哈達瑪變換生物量指標變換 比值變換穗帽變換目的：減少特征之間的相關性，使得用盡可能少的特征來最大限度地包含所有原始數(shù)據(jù)的信息。使得待分類別之間的差異在變換后的特征中更明顯，從而改善分類效果。選擇方法：定性：了解變換前后圖像的特征定量：距離測度和散布矩陣測度。2. 監(jiān)督分類監(jiān)督分類法：選擇有代表性的試驗區(qū)來訓練計算機，再按一定的統(tǒng)計判別規(guī)則對未知地區(qū)進行自動分類的方法。監(jiān)督分類的方法：最大似然法 、最小距離法 、盒式分類法步驟：確定感興趣的類別數(shù)。特征變換和特征選擇選擇訓練樣區(qū)確定判別函數(shù)和判別規(guī)則根據(jù)判別函數(shù)和判別規(guī)則對非訓練樣區(qū)的圖像區(qū)域進行分類。監(jiān)督分類的缺點：主觀性；由于圖象中

25、間類別的光譜差異，使得訓練樣本沒有很好的代表性；訓練樣本的獲取和評估花費較多人力時間；只能識別訓練中定義的類別。3. 非監(jiān)督分類非監(jiān)督分類：是指人們事先對分類過程不施加任何的先驗知識，而僅憑遙感影像地物的光譜特征的分布規(guī)律，即自然聚類的特性，進行“盲目”的分類。非監(jiān)督分類的方法： K-均值聚類法、ISODATA聚類分析法、平行管道聚類分析法【論述題】遙感技術未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在哪些方面？我的答案：答：遙感技術未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在：1、概念的發(fā)展。2、平臺與觀測技術的發(fā)展。3、定位技術的發(fā)展。4、處理技術的發(fā)展。5、遙感應用領域的拓展。6、遙感基礎理論的發(fā)展。7、應用于環(huán)境科學。比如應用遙感技術監(jiān)測和檢測水體水體污染；對大氣的監(jiān)測；城市環(huán)境的監(jiān)測以及管理；監(jiān)測自然災害、生態(tài)系統(tǒng)等等?！竞喆痤}】簡述地物輻射的分段特性及了解地物輻射的分段特性的意義。我的答案：地物輻射的分段特性：  地球自身的輻射主要集中在長波，該區(qū)段太陽輻射的影響幾乎可以忽略不計，因此只考慮地表物體自身的熱輻射。兩峰交叉之處是兩種輻射共同其作用的部