信息工程學(xué)院-遙感科學(xué)導(dǎo)論

§1

遙感概念廣義遙感: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:是從遠處探測感知物體，也就是不直接接觸物體，從遠處通過探測儀器接收來自目標(biāo)地物的電磁波信息，經(jīng)過對信息的處理，判別出目標(biāo)地物的屬性?！?遙感的特性空間特性:宏觀性,大尺度觀測時相特性:周期成像,動態(tài)監(jiān)測波譜特性:波譜段廣,觀測范圍大遙感平臺地面平臺:主要指用于安置傳感器的三腳架、遙感塔、遙感車等，高度在100米以下。航空平臺：指高度在12千米以內(nèi)的飛機和氣球。航天平臺：指高度在150千米以上的人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船、空間軌道站和航天飛機等。人造地球衛(wèi)星：1、低高度/短壽命（150-350km，幾天到幾十天）

2、中高度/長壽命（350-1800km，3-5年）

3、高高度/長壽命（36000km，10年以上）back傳感器傳感器也稱遙感器或者探測器，是遠距離感測和記錄地物環(huán)境輻射或反射電磁能量的遙感儀器。根據(jù)記錄方式不同，主要分為成像方式和非成像方式兩類。傳感器一般由信息收集、探測系統(tǒng)、信息處理和信息輸出4部分組成。back§5遙感的幾個基本術(shù)語地物光譜差異輻射記錄差異空間分辨差異幾何誤差像片格式與數(shù)字格式的可轉(zhuǎn)換性遙感成像系統(tǒng)大氣作用§6遙感的發(fā)展歷程攝影術(shù)階段空中氣球攝影階段飛機攝影階段航空遙感階段衛(wèi)星遙感階段中國的遙感發(fā)展簡況§7遙感的現(xiàn)狀與趨勢多分辨率多遙感平臺并存，空間分辨率、時間分辨率及光譜分辨率普遍提高；微波遙感、高光譜遙感迅速發(fā)展遙感的綜合應(yīng)用不斷深化商業(yè)遙感時代到來§1

電磁波譜電磁波交互變化的電磁場在空間的傳播描述電磁波特性的指標(biāo)波長、頻率、振幅、位相等電磁波的特性電磁波是橫波，傳播速度為3×108m/s，不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時會有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律。電磁波傳播示意圖電磁波譜電磁波譜

按電磁波波長的長短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。依次為：

r射線—x射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。

電磁波譜示圖各電磁波段主要特性紫外線：波長范圍為0.01～0.38μm，太陽光譜中，只有0.3～0.38μm波長的光到達地面，對油污染敏感，但探測高度在2000m以下?？梢姽猓翰ㄩL范圍：0.38～0.76μm，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。紅外線：波長范圍為0.76～1000μm，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1mm～1m，穿透性好，不受云霧的影響。無線電波：波長范圍10-3～104m之間，主要用于廣播、通信等方面。紅外線的劃分近紅外：0.76～3.0μm，與可見光相似。中紅外：3.0～6.0μm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。遠紅外：6.0～15.0μm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。超遠紅外：15.0～1000μm，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測。黑體輻射黑體是絕對黑體的簡稱，指在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)恒等于1（100%）的物體。黑體的熱輻射稱為黑體輻射。黑體模型普朗克輻射(Planck)定律普朗克定義了一個常數(shù)(h)，給出了黑體輻射的能量（Q）與頻率（υ）之間的關(guān)系：Q=h·υh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34焦·秒（J·S）斯特潘-玻耳茲曼(Stefan-Boltzmann)定律對普朗克定律在全波段內(nèi)積分，得到斯蒂芬－玻爾茲曼定律。輻射通量密度隨溫度增加而迅速增加，與溫度的4次方成正比。σ:斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)，5.6697＋－0.00297）×10－12Wcm-2K-4

紅外裝置測試溫度的理論根據(jù)?；鶢柣舴颍↘irchhoυυ)輻射定律給定溫度下，任何地物的輻射通量密度W與吸收率α之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。發(fā)射率等于吸收率。好的吸收體也是好的發(fā)射體，如果不吸收某些波長的電磁波，也不發(fā)射該波長的電磁波。維恩(Wien)位移定律黑體輻射的峰值波長λmax與絕對溫度T的乘積是常量，即：b:常數(shù)，2897.8＋－0.4μm·K黑體溫度增加時，其輻射曲線的峰值波長向短波方向移動。分光譜輻射通量密度wλ（瓦/厘米2●微米）00.20.40.60.824681012900k800k700k600k500k波長（μm）大氣的散射作用不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。大氣發(fā)生的散射主要有三種：瑞利散射：d<<λ

米氏散射：d

≈λ

非選擇性散射：d>>λ

散射波能量的分布同入射波的波長、強度以及粒子的大小、形狀和折射率有關(guān)。

大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。透射率%近紅外可見光主要大氣窗口與遙感應(yīng)用

大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外可見光近紅外0．3～1.3μm大于90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.5～1.8μm80TM5近－中紅外2.0～3.5μm80TM7中紅外3.5～5.5μm—NOAA的AVHRR遠紅外（熱紅外）8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat大氣校正概念：為消除由大氣的吸收、散射等引起失真的輻射校正，稱作大氣校正。

大氣對遙感圖像的影響與波長、時間、地點、大氣條件、大氣厚度、太陽高度角等因素有關(guān)。按照校正的過程，可以分為間接大氣校正方法和直接大氣校正方法。直接大氣校正是指根據(jù)大氣狀況對遙感圖像測量值進行調(diào)整，以消除大氣影響。間接大氣校正指對一些遙感常用函數(shù)，如NDVI進行重新定義，形成新的函數(shù)形式，以減少對大氣的依賴。反射率的概念反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物的反射光譜曲線：反射率隨波長變化的曲線。反射光譜曲線地物反射率隨波長是變化的，我們以波長作為橫坐標(biāo)，反射率作為縱坐標(biāo)，將地物反射率隨波長的變化繪制成曲線，即地物的反射率隨波長變化的曲線，叫地物的反射光譜曲線。不同地物的該曲線是不同的。

不同地物反射波譜曲線分析

常見地物的光譜曲線植物光譜曲線水體光譜曲線土壤光譜曲線巖石光譜曲線吸收作用太陽輻射到達地面，一部分能量被地物吸收并且轉(zhuǎn)換成熱能，使地表具有一定溫度再發(fā)射，被稱為“熱輻射”。發(fā)射率是地物的輻射能量與相同溫度下黑體輻射能量之比，又叫比輻射率。溫度一定時，地物的發(fā)射率隨波長變化的曲線，叫地物的發(fā)射光譜曲線。地表的輻射溫度，也叫亮度溫度或表征溫度，是指能輻射出與觀測地物相等輻射能量的黑體溫度。

back§6三種遙感模式依據(jù)傳感器探測能量的波長和研究需要，一般有三種基本的遙感模式：

可見光/近紅外遙感

熱紅外遙感主動遙感傳感器記錄地球表面反射太陽輻射的能量，此類遙感主要集中在可見光和近紅外波段傳感器記錄地表自身所發(fā)射的輻射能量，此類遙感主要集中在熱紅外波段傳感器自身發(fā)射出能量，然后探測并記錄地表對該能量的反射§2傳感器的分類按傳感器工作方式按傳感器記錄方式按成像原理和所獲取圖像性質(zhì)主動式傳感器和被動式傳感器成像方式的傳感器和非成像方式的傳感器攝影方式傳感器、掃描方式傳感器和雷達§4掃描方式的傳感器光機掃描儀推帚式掃描儀（CCD固體掃描儀）高光譜傳感器側(cè)視雷達傳感器光機掃描儀光機掃描儀是借助于遙感平臺沿飛行方向運動和傳感器本身光學(xué)機械橫向掃描達到地面覆蓋、得到地面條帶圖像的成像裝置。主要有多光譜掃描儀（MSS）和紅外掃描儀兩種，它們主要由收集器、分光器、探測器、處理器和輸出器等幾部分組成。光機掃描儀數(shù)據(jù)采集原理推帚式掃描儀（CCD固體掃描儀）推帚式掃描儀是把多CCD探測元件按線性排列方式，裝置成與衛(wèi)星前進方向垂直，而且探測元件的數(shù)目等于掃描線上的像元數(shù)，沿衛(wèi)星前進方向推帚式掃描成像。CCD掃描儀按其探測器的排列形式不同，分為線陣列掃描儀和面陣掃描儀兩種。

推帚式掃描儀的數(shù)據(jù)采集(Campbell,2003)

高光譜傳感器Ⅰ成像光譜多光譜掃描儀將可見光和紅外波段分割成若干波段，在一定波長范圍內(nèi)，被分割成的波段數(shù)愈多（即波譜取樣點愈多），愈接近于連續(xù)波譜曲線，因而使得掃描儀在取得目標(biāo)物圖像的同時，也能獲取該地物的光譜組成。這種既能成像又能獲取目標(biāo)光譜曲線的“譜像合一”技術(shù)才稱為成像光譜技術(shù)。按該原理制成的掃描儀稱為成像光譜儀。高光譜傳感器Ⅱ高光譜成像技術(shù)遙感進展中的新技術(shù)，其圖像由多達數(shù)百個波段的非常窄的連續(xù)光譜段組成（常用的多光譜掃描儀只有幾個~十幾個波段），光譜覆蓋了可見光、近紅外、中紅外、遠紅外區(qū)域全部光譜段，其光譜儀成像多采用掃描式或推掃式，可以收集200以上波段的數(shù)據(jù)，所的圖像中每一個像元均能得到連續(xù)的反射率曲線（而傳統(tǒng)的光譜儀在波段之間存在間隔）。

Ⅲ高光譜成像光譜儀工作方式撣掃式（光/機）：主要用于航空遙感中，較慢的飛行速度是空間分辨率的提高成為可能。推掃式：有多少個波段就有多少個探測元件。由于像元的攝影時間長，系統(tǒng)的靈敏度和空間分辨率的提高完全可以實現(xiàn)。側(cè)視雷達傳感器

側(cè)視雷達（sidelookingradar）屬于主動式遙感傳感器。成像時雷達本身發(fā)射一定波長的電磁波波束，然后接收該波束被目標(biāo)地物發(fā)射回的信號，從而探測目標(biāo)地物的特性。側(cè)視雷達發(fā)射的波長主要在微波范圍內(nèi)，因此雷達圖像又叫微波圖像。側(cè)視雷達分為真實孔徑側(cè)視雷達（SLAR）和合成孔徑側(cè)視雷達（SAR）兩種?！?傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的重要發(fā)展趨勢主要有：更高分辨率傳感器更精細的光譜分辨率傳感器多波段、多極化、多模式合成孔徑衛(wèi)星雷達傳感器可進行立體觀測和測量的傳感器§1

航空遙感平臺航空遙感平臺一般在海拔12km以下的大氣（平流層、對流層），主要包括氣球和飛機兩種。氣球

飛機低空氣球：發(fā)送到對流層中的氣球。大多數(shù)可人工控制在空中固定位置上進行遙感。用繩子拴著的氣球叫系留氣球，可升至地面上空5km處。高空氣球：發(fā)送到平流層中的氣球。大多是自由漂移的，可升至12～40km。低空飛機：高度在2000m以下。利用它能獲得大比例尺、中比例尺航空遙感圖像。直升飛機可以低至10m，遙感實驗時，飛機一般在1000～

1500m高度范圍內(nèi)飛行。中空飛機：高度在2000～6000m，通常遙感實驗時的飛行高度在3000m以上。一般用它獲得中小比例尺的航空遙感圖像。高空飛機：高度在12000～30000m，有人駕駛機飛行高度一般在12000m左右，無人機可達20000～30000m高度?！?航空攝影航空攝影機

航空攝影機是航空遙感的傳感器，一般安裝在飛機平臺上，從空中對地面進行像片拍攝。航空攝影機的種類主要有四種，即單鏡頭框幅航空攝影機、多鏡頭框幅航空攝影機、條帶航空攝影機和全景航空攝影機。其中以單鏡頭航空攝影機最為常用。航空攝影的類型按航攝傾角分類按攝影實施方式分類按感光片和波段分類按比例尺分類垂直航空攝影傾斜航空攝影單片攝影單航線攝影面積攝影(多航線攝影)普通黑白攝影黑白紅外攝影天然彩色攝影彩色紅外攝影大比例尺航空攝影：所獲像片比例尺大于1／l0000中比例尺航空攝影：像片比例尺為1／10000～1／30000小比例尺航空攝影：像片比例尺為1／30000～1／l00000超小比例尺航空攝影：比例尺為1／100000～1／250000航空掃描成像航空掃描成像主要指在航空平臺上以掃描方式進行的成像。包括：雷達掃描成像、熱紅外掃描成像、多光譜掃描成像以及高光譜掃描成像?！?航空像片航空像片的物理特性是指航空像片的色調(diào)或色彩、灰階、亮度系數(shù)等，主要由地物的反射特性和感光材料的感光特性決定的。航空像片的物理特性航空像片的幾何特性航片分辨率航空像片的物理特性地物反射特性航空像片上物體的色調(diào)，主要取決于攝影時的照度和物體對入射光的反射率。攝影時照度越大，地物反射率越高，地物亮度就越大，像片的色調(diào)就越淺。一般用亮度系數(shù)來表示地物的反射率大小。亮度系數(shù)（P）是指在相同照度條件下，某物體表面亮度（B）與絕對白體（全白的物體）理想表面亮度（B0）之比，即：P=B/B0航空像片屬于中心投影中心投影：空間任意直線均通過一固定點（投影中心）投射到一平面（投影平面）上而形成的透視關(guān)系。航片中心投影像點位移地形的起伏和投影面的傾斜會引起航片上像點位置的變化，叫像點位移。因地形起伏引起的像點位移，又稱投影差；因像片傾斜引起的像點位移，又稱傾斜誤差。

航片的比例尺航空像片上某一線段長度與地面相應(yīng)線段長度之比，稱為像片比例尺。在平坦地區(qū)，像片的比例尺處處一致，像片比例尺等于焦距（f）與航高（H）之比，即1/M=f/H。由于實際地形起伏不平，水平像片比例尺的一般公式應(yīng)為：1/M=f/(H0±h)（h為地面點與基準(zhǔn)面的高差）。航片分辨率航空像片的分辨率主要取決于航空攝影機鏡頭分辨率和感光乳劑的分辨率，但地景的反差、大氣的光學(xué)條件、飛機的平穩(wěn)程度，以及曝光正常和顯影等，都會影響航片的分辨率。衡量航空像片分辨率大小的指標(biāo)有兩種：地面分辨率（GRD）和每毫米線對（LPM）。

空間分辨率最簡單的度量指標(biāo)就是地面分辨距離（GRD），地面分辨距離定義為影像所記錄的最小目標(biāo)物的大小?！?

概述以探測地球資源為目的的衛(wèi)星叫地球資源衛(wèi)星。目前，主要的陸地資源衛(wèi)星有：（1）美國陸地衛(wèi)星(Landsat)；（2）法國陸地觀測衛(wèi)星(SPOT)；（3）歐空局地球資源衛(wèi)星(ERS)；（4）俄羅斯鉆石衛(wèi)星(ALMAZ)；（5）日本地球資源衛(wèi)星(JERS)；（6）印度遙感衛(wèi)星(IRS)；（7）中-巴地球資源衛(wèi)星（CBERS）。§3Landsat(陸地）衛(wèi)星軌道地球資源衛(wèi)星在天空中所走過的路線叫做它的空中軌道（簡稱軌道）。Landsat(陸地）衛(wèi)星的運行特征：（1）近極地、近圓形軌道（2）運行周期（3）軌道高度為700～900km

（4）軌道運行與太陽同步

§5Landsat(陸地）衛(wèi)星數(shù)據(jù)特征Landsat(陸地）衛(wèi)星圖像是地面各種地物光譜特性的反映，在判讀時首先必須了解影像色調(diào)/色彩的差異、光譜效應(yīng)以及空間分辨率等物理特性?；译A光譜效應(yīng)空間分辨率成像季節(jié)對圖像判讀的影響

灰階地面上各種地物的輻射強度表現(xiàn)在像片格式的衛(wèi)星圖像上是色調(diào)的深淺，對色調(diào)深淺的分級稱為灰階。多光譜掃描圖像和專題制圖儀的圖像灰階劃分為15級，第一級是輻射強度最強的，呈白色；第15級輻射強度相當(dāng)于0，呈黑色。

陸地衛(wèi)星圖像及注記灰標(biāo)是各級灰階的視覺標(biāo)志，每幅像片格式的衛(wèi)星圖像的下邊框都附有灰標(biāo)。

光譜效應(yīng)不同波段的圖像對水體、植被等地物的光譜效應(yīng)是不同的。TM1：藍波段，對水體的穿透力強，對葉綠素及其濃度反映敏感TM2：綠波段，對健康茂盛植物反映敏感，對水的穿透力也較強TM3：紅波段，廣泛用于地貌、巖性、土壤、植被、水中泥沙流等方面TM4：近紅外波段，對植物、土壤等地物的含水量敏感TM5：近紅外波段，對地物含水量很敏感TM6：熱紅外波段，對植物分類和估算作物產(chǎn)量很有用TM7：近紅外波段，為地質(zhì)學(xué)研究追加的波段，該波段處于水的強吸收帶，多用于城市土地利用與制圖，巖石光譜反射及地質(zhì)探礦與地質(zhì)制圖等方面Landsat(陸地）衛(wèi)星圖像的幾何特性

Landsat(陸地)衛(wèi)星圖像的幾何特性主要是地面接收站對所接收的遙感數(shù)據(jù)進行地理坐標(biāo)、投影、分幅編號以及遙感數(shù)據(jù)獲取時的狀態(tài)參數(shù)，如成像時間、波段、太陽高度角等地理坐標(biāo)投影性質(zhì)重疊編號Landsat(陸地）衛(wèi)星的符號和注記

重疊航向重疊

Landsat圖像是連續(xù)掃描成像的，相鄰圖像的航向重疊是由地面處理機構(gòu)在分幅時處理形成的，用以拼接相鄰圖像使用。重疊的寬度為16km，占像幅的9％。旁向重疊旁向重疊是軌道間相鄰圖像的重疊，是由軌道間距和成像寬度決定的。在赤道地區(qū)軌道間距為159km，成像寬度為185km，有26km重疊，占像距的14%。隨著緯度的提高而加大，在兩極上空達到最大。概述衛(wèi)星圖像目視判讀分析特點：（1）衛(wèi)星圖像更具宏觀性特點（2）衛(wèi)星圖像具有多波段特點（3）衛(wèi)星圖像具有周期成像特點§1主動微波遙感主動微波傳感器機載雷達遙感系統(tǒng)（SLAR）星載雷達遙感系統(tǒng)主動微波傳感器微波遙感的傳感器有成像和非成像方式兩種類型。雷達是主動微波遙感成像的傳感器

非成像方式如散射計、高度計、無線電地下探測器成像方式如微波輻射計和雷達真實孔徑側(cè)視雷達采用真實長度的天線接收地物后向散射并通過側(cè)視成像合成孔徑雷達通過一定的信號處理方法，使得合成孔徑雷達的等效孔徑長度相當(dāng)于一個真實孔徑雷達的天線長度,從而提高分辨率

機載雷達遙感系統(tǒng)（SLAR）

雷達的遙感平臺有飛機和衛(wèi)星，以飛機為平臺的雷達叫機載雷達遙感（Side-lookingairborneradar，SLAR）?！?雷達圖像的特點雷達圖像的亮度雷達圖像的波長雷達圖像的穿透力雷達圖像的極化雷達圖像的幾何特性圖像的輻射特征雷達圖像的應(yīng)用雷達圖像的波長波段名稱波段范圍（GHz）波段名稱波段范圍（GHz)PLSCXK0.23-0.390.39-1.551.55-3.903.90-6.206.20-10.9010.90-36.00KuKaQVW15.25-17.2533.00-36.0036.00-46.0046.00-56.0056.00-100.00雷達（Radar，RadioandRangeDirection）是英文“無線電探測與測距”的縮寫。雷達應(yīng)用的微波波長范圍一般只是若干個小的波長范圍。在地球資源應(yīng)用中的常用波段是X、C、L。C波段可以用來對海洋及海冰進行成像；L波段可以更深地穿透植被，ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。雷達圖像的穿透力

微波輻射具有很強的地表穿透能力，除了能穿云破霧以外，對一些地物（介質(zhì)），如巖石、土壤、松散沉積物、植被、冰層等，有穿透一定深度的能力。微波頻率的高端（如1cm波長）可獲得植被層頂部的信息，而微波頻率的低端（如1m波長）可獲得植被層底層甚至地表以下的信息。

雷達圖像的幾何特性

雷達系統(tǒng)的圖像記錄有兩種類型：斜距圖像和地距圖像。在斜距圖像上，各目標(biāo)點間的相對距離與目標(biāo)間的地面實際距離并不保持恒定的比例關(guān)系，圖像會產(chǎn)生不均勻畸變。這就是雷達斜距圖像的比例失真。

斜距圖像的比例失真

雷達圖像的幾何特性雷達是按時間序列記錄回波信號，入射角與地面坡角的不同組合，會出現(xiàn)不同程度的透視收縮現(xiàn)象。即在有地形起伏時，面向雷達一側(cè)的斜坡在圖像上被壓縮，而另一側(cè)則被延長。

雷達影像的透視收縮現(xiàn)象雷達圖像的幾何特性雷達是一個測距系統(tǒng)，發(fā)射雷達脈沖的曲率使近目標(biāo)（即髙目標(biāo)的頂部）回波先到達，遠目標(biāo)（即髙目標(biāo)的底部）回波后到達。因而頂部先成像，并向近射程方向位移。這種雷達回波的超前現(xiàn)象，便形成了雷達圖像的頂?shù)孜灰?，即疊掩現(xiàn)象。

疊掩現(xiàn)象雷達圖像的幾何特性雷達視差，就是兩張重疊圖像上的兩個像點分別產(chǎn)生的位移量之差。當(dāng)雷達沿兩條不同軌道觀察高于地面的同一目標(biāo)時，不同的起伏位移會造成圖像視差。

雷達陰影圖像的輻射特征具有相同后向散射截面的兩個相鄰觀測單元，如在細微特征上有差異，則它們的回波信號也會不同，這樣本來具有常數(shù)后向散射截面的圖像上同質(zhì)區(qū)域，像元間會出現(xiàn)亮度變化，這被稱為斑點（speckle）。那些回波功率衰減到遠低于平均值電平的像素的灰度值很低，在圖像上就表現(xiàn)為黑點；那些回波功率增強到遠高于平均值電平的像素很亮，在圖像上表現(xiàn)為亮點。

RADARSAT-1圖像上的斑點

雷達圖像的應(yīng)用海洋環(huán)境調(diào)查地質(zhì)制圖和非金屬礦產(chǎn)資源調(diào)查洪水動態(tài)檢測與評估地貌研究和地圖測繪軍事偵察§3激光雷達激光雷達即Lidar，是“光探測和測距”(Lightdetectionand

ranging)的簡稱。激光雷達也是一種主動傳感器，通過發(fā)送光脈沖，并測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的時間延遲來探測目標(biāo)。

激光雷達采集數(shù)據(jù)

§1熱紅外遙感原理熱紅外探測器熱紅外掃描儀地物熱特性地物熱特性所有地物只要溫度在絕對零度之上就會產(chǎn)生熱輻射，地物熱輻射遵循黑體輻射定律。

1.黑體輻射發(fā)射率(ελ)（或比輻射率）是物體與同樣溫度的黑體發(fā)射能量的比率，即:ελ=

2.灰體輻射把發(fā)射率小于1，但發(fā)射率在所有波段都有恒定的物體稱為灰體。發(fā)射率隨波長變化的物體稱為選擇性輻射體。

熱特性的術(shù)語熱容量是指在壓力一定的條件下，1g物質(zhì)溫度每升高1℃(或1卡)所需要吸收的熱量。比熱（Ｃ）是1g的物質(zhì)溫度升高1℃所需的總熱量。熱傳導(dǎo)率（Ｋ）是物體對熱量通過的速度的量度。熱慣量P=K是熱傳導(dǎo)率(cal·cm-1·sec-1·℃-1)；C是比熱(cal·gm-1·℃-1)；ρ是密度(gm·cm-3)

§2熱紅外遙感圖像與解譯熱紅外掃描圖像的特點熱紅外圖像的輻射定標(biāo)熱紅外圖像的成像時間熱紅外圖像的成像波段常見地面的熱特性熱紅外圖像的解譯熱紅外掃描圖像的特點晝夜都可成像記錄的是地物熱輻射強度影像分辨率較低熱紅外掃描圖像具有不規(guī)則性熱紅外圖像的成像波段熱紅外遙感主要選用3～５μm和8～14μm兩個光譜段。在3～5μm譜區(qū)，傳感器可以同時記錄反射及發(fā)射的熱輻射。在8～14μm譜區(qū)的熱圖像主要記錄了地物自身的熱輻射能量。

常見地面的熱特性地面白天溫度較高，呈暖色調(diào)。夜間溫度較低，色調(diào)呈冷色調(diào)。水體的熱慣性大，自身輻射的發(fā)射率高，在白天呈現(xiàn)冷色調(diào)（暗色調(diào)），夜間呈現(xiàn)為比暖色調(diào)（亮色調(diào)）。海岸地帶夜間或黎明前為淺色調(diào)；午后圖像色調(diào)差異不明顯。由于水分蒸發(fā)時的冷卻效應(yīng),濕地晝夜均較干燥地面冷。植被在夜間為暖色調(diào)（淺色調(diào)）,在白天為冷色調(diào)（暗色調(diào)）。農(nóng)作物覆蓋區(qū)，熱紅外傳感器探測到的是土壤上農(nóng)作物的輻射溫度，而不是土壤本身，因此夜間圖像上為暖色調(diào)。城市地區(qū)水泥下墊面白天為暖色調(diào)，夜間為暖色調(diào)。熱紅外圖像的解譯熱圖像是用黑—白色調(diào)的變化來描述地面景物的熱反差，圖像色調(diào)深淺與溫度分布是對應(yīng)的。熱紅外圖像的解譯必須首先確定：(1)圖像是正片還是負片；(2)圖像獲取的時間是白天還是夜間。其次，熱圖像并不能直接轉(zhuǎn)化為地表的溫度。

通常比較明亮的(白色和亮灰色)代表溫度比較高的地物；比較暗的(暗灰色和黑色)代表溫度比較低的地物。

熱紅外圖像

§5熱紅外遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、地?zé)嵴{(diào)查土壤水分研究環(huán)境污染監(jiān)測災(zāi)害調(diào)查海洋調(diào)查§1

概述遙感技術(shù)的發(fā)展:全色攝影彩色攝影多光譜高光譜成像技術(shù)與光譜技術(shù)高光譜遙感與傳統(tǒng)遙感的區(qū)別(1)波段數(shù)目多，波段寬度窄、分布連續(xù)、光譜分辨率高。(２)圖譜合一§２高光譜遙感原理１高光譜遙感的基本概念

高光譜遙感(HyperspectralRemoteSensing)是指利用很多很窄的電磁波波段獲得觀測目標(biāo)的相關(guān)信息。２高光譜遙感的特點

高光譜遙感基于許多很窄的光譜通道進行對地觀測高光譜遙感的特點

成像光譜儀的問世，使本來在寬波段遙感中無法區(qū)分或識別的物質(zhì)，在高光譜遙感中能被探測出來。

成像光譜技術(shù)作為高光譜遙感的基礎(chǔ)，集成了成像技術(shù)和光譜技術(shù)領(lǐng)域諸多重要成果。

§３高光譜遙感的傳感器

成像光譜儀按其搭載的平臺，可分為機載成像光譜儀和星載成像光譜儀。

１成像光譜儀的工作原理

撣掃式成像光譜儀２幾種常用的光譜議航空可見光／紅外成像光譜儀（AVIRIS）小型機載成像光譜儀（CASI）我國成像光譜儀系統(tǒng)新型模塊化航空成像光譜儀（MAIS)推掃型成像光譜儀（PHI）實用型模塊化成像光譜議系統(tǒng)（OMIS）§4高光譜遙感影像分析1影像立方體：

將高光譜數(shù)據(jù)表示成三維圖形，其中兩個維度是由普通影像的x軸和y軸組成，第3維（z軸）是由不同的光譜波段按波長長短依次疊加堆積而成的。

影像立方體2光譜數(shù)據(jù)庫

光譜數(shù)據(jù)庫集成了在不同地形和氣候區(qū)等自然條件下，用地面光譜儀等專業(yè)儀器實測的各種地物光譜數(shù)據(jù)。庫中還包括一些在實驗室可人為控制條件下測得礦物、植物葉片等的光譜數(shù)據(jù)。

3光譜匹配

光譜數(shù)據(jù)庫集成了在不同地形和氣候區(qū)等自然條件下，用地面光譜儀等專業(yè)儀器實測的各種地物光譜數(shù)據(jù)。庫中還包括一些在實驗室可人為控制條件下測得礦物、植物葉片等的光譜數(shù)據(jù)。

4混合光譜分解技術(shù)光譜混合模式純像元

線性模式非線性模式

混合光譜分析也稱光譜分離，是從多種地物混合的復(fù)合光譜中提取純光譜的過程。使用的主要分析方法是凸面幾何學(xué)?；旌瞎庾V分析§5高光譜遙感的應(yīng)用1高光譜遙感在植被調(diào)查中的應(yīng)用

綠色植物典型反射波譜曲線（TM與IRIS的植物波譜曲線比較）

1高光譜遙感在植被調(diào)查中的應(yīng)用

提高植被識別精度進行植物生化物質(zhì)含量的估算利用綠色植物的“紅邊”效應(yīng)進行植物健康狀況監(jiān)測和葉綠素含量的估算2高光譜遙感在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用高光譜遙感在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用主要有：礦物識別定性分和定量信息的提取§1

遙感數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲格式遙感數(shù)字圖像存儲的方法

以一系列二進制的形式記錄圖像的亮度值，并以適合數(shù)字計算的格式存儲在電子存儲設(shè)備上遙感數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)常用的4種存儲格式BSQ格式BSQ（BandSequence）是按波段順序記錄遙感影像數(shù)據(jù)的格式，每個波段的圖像數(shù)據(jù)文件單獨形成一個影像文件。每個影像中的數(shù)據(jù)文件按照其掃描成像時的次序以行為一個記錄順序存放，存放完第一波段，再存放第二波段，一直到所有波段數(shù)據(jù)存放完為止。遙感數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)常用的4種存儲格式BIL格式BIL(BandInterleavedbyLine)格式是一種按照波段順序交叉排列的遙感數(shù)據(jù)格式，BIL格式存儲的圖像數(shù)據(jù)文件由一景中的N個（TM圖像N=7）波段影像數(shù)據(jù)組成。每一個記錄為一個波段的一條掃描線，掃描線的排列順序是按波段順序交叉排列的。遙感數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)常用的4種存儲格式BIP格式

BIP（BandInterleavedbyPixel）格式是按照像元順序記錄圖像數(shù)據(jù)，即在一行中按每個像元的波段順序排列，各波段數(shù)據(jù)間交叉記錄。

遙感數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)常用的4種存儲格式HDF格式HDF有6種主要數(shù)據(jù)類型：柵格圖像數(shù)據(jù)、調(diào)色板（圖像色譜）、科學(xué)數(shù)據(jù)集（multidimentionalarray）、HDF注釋（信息說明數(shù)據(jù)）、Vdata(數(shù)據(jù)表)、Vgroup(相關(guān)數(shù)據(jù)組合)。HDF采用分層式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，并通過所提供的“總體目錄結(jié)構(gòu)”可以直接從嵌套的文件中獲得各種信息§2

遙感數(shù)字圖像基礎(chǔ)1圖像輸入與輸出

一般要利用專業(yè)遙感圖像處理軟件的輸入輸出功能。

圖像文件分為基本遙感圖像格式（BIL、BSQ、BIP等）、通用標(biāo)準(zhǔn)圖像格式（JPEG、BMP、TIF等）和商業(yè)軟件格式（PIX、IMG、ENVI等）。1數(shù)字圖像的統(tǒng)計特征（1）直方圖（2）峰值（3）中值（4）均值（5）亮度范圍（6）方差（7）協(xié)方差（8）相關(guān)系數(shù)常用遙感圖像處理軟件的一般功能

圖像文件管理

圖像操作功能

基本圖像處理功能

遙感圖像處理功能

矢量、柵格混合處理以及與地理信息系統(tǒng)的接口§1

特征提取特征提取的含義

從多光譜數(shù)據(jù)中提取出能表示圖像基本要素的主要成分，壓縮多波段海量遙感數(shù)據(jù)。

7波段LandsatTM的一個實例用主成分分析法（PCA）數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)方法

線性組合形式：

A=C1X1+C2X2＋C3X3+C4X4

其中，X1，X2，X3，X4是4個光譜波段中的像元值，C1，C2，C3，C4是各波段像元值前的系數(shù)。A代表轉(zhuǎn)換之后的像元值。

子集提取子集是整個遙感影像中顯示研究區(qū)域的部分。子集的選擇要和其他數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)。保證預(yù)備子集的精度§2

輻射預(yù)處理1輻射預(yù)處理的概念

遙感圖像的預(yù)處理又稱為影像恢復(fù)（Marshetal，1983），是設(shè)法去除大氣干擾、系統(tǒng)噪聲、傳感器的姿態(tài)等對影像造成的影響。大氣引起的輻射變化2大氣引起的輻射預(yù)處理大氣引起的輻射預(yù)處理方法物理模型法：根據(jù)輻射通過大氣層時的物理原理進行建模

優(yōu)點是具有嚴(yán)密、準(zhǔn)確和適用廣。

缺點是模型復(fù)雜，而且需要大量難以獲得的參數(shù)，所以可操作性差。大氣引起的輻射預(yù)處理方法直方圖最小值法：

基于多個波段影像記錄的目標(biāo)地物反射亮度的統(tǒng)計直方圖進行的

如果在某一像場中存在亮度值為零的目標(biāo)地物，地物是平靜清潔的水面或地形陰影區(qū)，則任一波段亮度值都應(yīng)為零。所以只要對選擇區(qū)域內(nèi)波段的圖像進行灰度統(tǒng)計給出其直方圖，則直方圖上頻率最小的灰度值就是大氣改正值。大氣校正就是移動直方圖的最小值至零值位置。

大氣校正的直方圖最小化方法

直方圖對比拉伸

大氣引起的輻射預(yù)處理方法回歸分析法：回歸分析法是在影像目標(biāo)地物亮度信息統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，通過揭示各波段間相互關(guān)系的一種比較方法輻射預(yù)處理方法的選擇直方圖最小值法回歸分析法較大區(qū)域或整幅影像較小區(qū)域或局部影像§3

幾何校正1幾何變形的原因1）衛(wèi)星姿態(tài)引起的變形2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換引起的變形幾何校正的類型幾何粗校正幾何精校正衛(wèi)星運行和成像過程中引起的幾何畸變進行的校正利用地面控制點進行的幾何校正稱為幾何精校正2幾何精校正的方法幾何校正的實質(zhì)是通過內(nèi)插方法進行圖像重采樣的過程

幾何精校正的步驟Step1用地面控制點作為輸出影像上的像元位置，建立起坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。

Step2基于未校正的影像提供的亮度信息，估算出影像上的像元值。

估算方法1）最鄰近法

估算方法2）雙線性內(nèi)插法

估算方法3）三次卷積法

3影像配準(zhǔn)

影像配準(zhǔn)是將同一地區(qū)的兩幅影像重疊在一起，使其影像位置完全配準(zhǔn)的處理。

4地面控制點的選取1）地面控制點的選取方法

道路交叉口河流和水體2）控制點選取遇到的常見困難

地面控制點的精確定位地面控制點的分布通過控制點的誤差報告對配準(zhǔn)的總體精度進行評估

§1

彩色合成為了充分利用色彩在遙感圖像判讀和信息提取中的優(yōu)勢，常常利用彩色合成的方法對多光譜圖像進行處理，以得到彩色圖像。彩色圖像可以分為真彩色圖像和假彩色圖像。彩色合成的原理圖真彩色圖像真彩色圖像上影像的顏色與地物顏色基本一致。利用數(shù)字技術(shù)合成真彩色圖像時，是把紅色波段的影像作為合成圖像中的紅色分量、把綠色波段的影像作為合成圖像中的綠色分量、把藍色波段的影像作為合成圖像中的藍色分量進行合成的結(jié)果。如TM321分別用RGB合成的圖像。假彩色圖像假彩色圖像是指圖像上影像的色調(diào)與實際地物色調(diào)不一致的圖像。遙感中最常見的假彩色圖像是彩色紅外合成的標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像。它是在彩色合成時，把近紅外波段的影像作為合成圖像中的紅色分量、把紅色波段的影像作為合成圖像中的綠色分量、把綠色波段的影像作為合成圖像中的藍色分量進行合成的結(jié)果。如TM432用RGB合成的圖像為標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像。

§2

直方圖對比度調(diào)整直方圖：統(tǒng)計每幅圖像的各亮度的像元數(shù)而得到的隨機分布圖，即為該幅圖像的直方圖。一般來說，包含大量像元的圖像，像元的亮度隨機分布應(yīng)是正態(tài)分布。直方圖為非正態(tài)分布，說明圖像的亮度分布偏亮、偏暗或亮度過于集中，圖像的對比度小，需要調(diào)整該直方圖到正態(tài)分布，以改善圖像的質(zhì)量。調(diào)整直方圖對比度的常用方法線性變換變換前圖像的亮度范圍與變換后圖像亮度范圍是直線關(guān)系，叫線性變換。

其數(shù)學(xué)式為d’ij=Adij+B

分段線性變換調(diào)整直方圖對比度的常用方法非線性變換變換前圖像的亮度范圍與變換后圖像亮度范圍是非直線關(guān)系，叫線性變換。

三種非線性變換調(diào)整直方圖對比度的常用方法其他直方圖變換

均衡化直方圖特定化直方圖1平滑圖像的平滑是使圖像中某些亮度變化過大，或出現(xiàn)不該有的亮點（噪聲）

鄰域法處理(a)為鄰域窗口投影疊合在數(shù)字圖像上，(b)為運算時x、y方向上移動方式，鄰域窗口運算結(jié)果的值放在窗口中心像元的位置上。鄰域法處理用于圖像平滑、銳化和相關(guān)運算，這里介紹前兩種方法。2銳化銳化是平滑的相反增強處理方法，它增強圖像中的高頻成分，在頻域處理中稱為高通濾波，也就是使圖像邊緣、線狀目標(biāo)地物，或某些亮度變化大的區(qū)域，更加突出出來，也稱邊緣增強（檢測）。

各種不同的模塊（銳化）

銳化與平滑的關(guān)系§5圖像間的運算兩幅或多幅單波段圖像，空間配準(zhǔn)后可進行算術(shù)運算，實現(xiàn)圖像的增強。§5圖像間的運算加法運算減法運算乘法運算除法運算§6多波段壓縮處理多波段壓縮的目的多波段壓縮的主要方法(1)主成分分析(2)K-T變換§1概述遙感影像分類就是把像元歸到某個類別的過程

數(shù)字影像和分類影像分類影像（右）是通過分析數(shù)字影像（左）確定的，將數(shù)字影像上相似光譜值的像元集合成組。這里“A”類由像元值6，7，8和9組成的，“B”類由像元值0，1，2和3組成?！?概述遙感影像分類的目的

影像分類有時就是遙感分析的目標(biāo)，有時是分析過程的中間步驟。簡單的點分類器鄰近分類器§3非監(jiān)督分類非監(jiān)督分類是指在多光譜影像中搜尋和定義自然光譜集群組的過程，也叫聚類分析或點群分析。1非監(jiān)督分類特點優(yōu)點非監(jiān)督分類不需要預(yù)先對所要分類的區(qū)域有廣泛的了解。人為誤差的機率很小。面積很小的獨立地物均能被識別。

缺點非監(jiān)督分類形成的光譜類別并不一定與信息類別對應(yīng)。分析人員很難控制分類產(chǎn)生的類別并進行識別。光譜類別的解譯識別工作量大而復(fù)雜。2非監(jiān)督分類方法散點圖的運用二維散點圖(2、5月數(shù)據(jù))

多維空間散點圖顯示了三個波段數(shù)據(jù)2非監(jiān)督分類方法距離量算是非監(jiān)督分類的核心距離量算的類型有：毆幾里得距離測量絕對值距離計算兩個像元在不同波段中亮度差的絕對值之和3非監(jiān)督分類的步驟非監(jiān)督分類的基本步驟

（1）確定分類數(shù)量（2）選擇集群類別中心點（3）計算機處理運算類別中心點（4）計算機像元歸類（5）計算機重新分類4非監(jiān)督類別解析為信息類別可直接對應(yīng)某些信息類別不能直接與信息類別匹配同一信息類別表現(xiàn)出多個光譜類別§4監(jiān)督分類監(jiān)督分類(SupervisedClassification)是用已知類別的樣本（已經(jīng)被分到某一信息類別的像元）對未知類別的像元進行分類的過程。1監(jiān)督分類特點優(yōu)點分析人員可以控制適用于研究需要和區(qū)域地理特征的信息類別?？煽刂朴?xùn)練樣區(qū)和訓(xùn)練樣本的選擇。分析人員運用監(jiān)督分類不必擔(dān)心光譜類別和信息類別的匹配問題。通過檢驗訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)可確定分類是否正確，估算監(jiān)督分類中的誤差。避免了非監(jiān)督分類中對光譜集群類別的重新歸類。1監(jiān)督分類特點缺點分類體系和訓(xùn)練樣區(qū)的選擇有主觀因素的影響。訓(xùn)練樣區(qū)的代表性問題。有時訓(xùn)練樣區(qū)的選擇很困難。只能識別訓(xùn)練樣本所定義的類別，對于某些未被分析人員定義的類別則不能識別，容易造成類別的遺漏。1監(jiān)督分類特點訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)選擇的重要性3訓(xùn)練數(shù)據(jù)選擇的一般步驟（1）收集信息，包括分類地區(qū)的地圖和航片等。（2）進行野外調(diào)查獲取研究區(qū)域的第一手信息。（3）設(shè)計野外調(diào)查路線和內(nèi)容。（4）分類數(shù)字影像預(yù)分析。（5）找出潛在的訓(xùn)練樣區(qū)。（6）定位和繪制訓(xùn)練樣區(qū)。（7）檢查每個訓(xùn)練樣區(qū)的各波段頻率直方圖。（8）調(diào)整和去除雙峰頻率分布。（9）合并訓(xùn)練數(shù)據(jù)信息并用于分類程序，進行計算機監(jiān)督分類過程。4監(jiān)督分類的方法（1）平等算法分類（2）最小距離分類（3）ISODATA算法分類（4）最大似然法分類（5）貝葉斯法分類（6）ECHO分類法平行算法分類

這種分類方法簡單、直接、實用

根據(jù)訓(xùn)練樣本的亮度值范圍在多維數(shù)據(jù)空間中形成的盒子（矩形）作為分類決策依據(jù)。最小距離法分類

利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)各波段的光譜均值，根據(jù)像元離各訓(xùn)練樣本平均值距離的大小，將像元劃分到距離最短的信息類別中

最小距離分類法的概念和處理都很簡潔，但在遙感圖像分類中使用并不廣泛ISODATA算法分類

選擇初始的類別平均估值，這些值可以從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中獲得，類似于監(jiān)督分類。在多維數(shù)據(jù)空間中，依據(jù)像元距訓(xùn)練樣本類別中心（平均值）最短距離劃分像元的類別。根據(jù)第2步的像元分類結(jié)果，重新計算每種類別的平均值。如果第2步和第3步產(chǎn)生的類別平均值相同或相近，第3步的結(jié)果就代表了分類結(jié)果。如果第2步和第3步產(chǎn)生的類別平均值不同，這個過程就返回到第2步重復(fù)進行計算和判斷，直到類別的新中心點位置和其前一次的位置相同或相近，分類才結(jié)束。ISODATA兼?zhèn)浔O(jiān)督分類和非監(jiān)督分類特點，屬于“混合”的分類技術(shù)。以下為算法步驟最大似然法

據(jù)訓(xùn)練樣本的均值和方差，通過概率評價待分類像元與訓(xùn)練樣