《遥感原理》期末复习

.第1章遥感概述1.1遥感的概念遥感即遥远感知，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。遥感的基本内容：（1）遥感技术遥感技术主要解决获取地球表层信息的手段问题，它包括传感器的设计与制造，传感器的扫描姿态，数据传输以及原始数据的预处理等。（2）遥感理论遥感理论的主要任务是将数据（传感器所提供的可测参数值）转化为有用的信息，即可被人类理解的关于地球表层的某种物理的、几何的、生物学的及化学的参数。（3）遥感应用遥感应用的任务是将信息转变为知识，所谓知识是对地球表层系统的物理过程及内在变化规律的认识和表达。遥感应用的特点是必须将由遥感手段获取的信息与母学科知识紧密结合，才能对地球表层系统的现状作出正确的描述，对它的发展作出准确的判断。1.2遥感技术系统遥感技术系统：是一个从地面到空中，乃至空间，从信息收集、存储、处理到判读分析和应用的完整技术体系。遥感过程：指遥感信息的获取、传输、处理及其判读分析和应用的全过程。遥感平台：装载传感器的工具或设备，主要有地面平台(如遥感车、手提平台、地面观测台等)、空中平台(如飞机、气球、其他航空器等)、空间平台(如火箭、人造卫星、宇宙飞船、空间实验室、航天飞机等)。传感器：接收、记录目标物电磁波特征的仪器（各种光学、无线电仪器），如扫描仪、雷达、摄影机、摄像机、辐射计等。遥感探测的特点：（1） 宏观观测，大范围获取数据资料；（2） 动态监测、快速更新监控范围数据；（3） 技术手段多样，可获取海量信息（4） 应用领域广泛，经济效益高遥感的分类（1）按遥感平台分地面遥感：传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等；航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等；航天遥感：传感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等；宇航遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。（2）按传感器的探测波段分紫外遥感：探测波段在0.05一0.38m之间；可见光遥感：探测波段在0.38一0.76m之间；红外遥感：探测波段在0.76一1000m之间；微波遥感：探测波段在1mm一1m之间。（3）按传感器的工作原理分主动遥感：由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射值量；被动遥感：传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。（4）按遥感资料的获取方式分成像遥感：将探测到的目标电磁辐射转换成可以显示为图像的遥感资料，如航空像片、卫星影像等；非成像遥感：将所接收的目标电磁辐射数据输出或记录在磁带上而不产生图像。（5）根据波段宽度及波谱的连续性分高光谱遥感：常规遥感：又称为宽波段遥感（5）按遥感的应用领域分从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等；从具体应用领域可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种专题应用。1.3遥感技术的简史与发展当前遥感发展的现状及趋势：（一） 多分辨率传感器的发展；（二） 多波段、多极化、多角度遥感并用；小卫星及卫星群的发展；第2章遥感电磁辐射基础2.1电磁波谱与黑体辐射2.1.1电磁波与电磁波谱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。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3000m103000m110m微波1mm1m红外波段超远红外远红外中红外近红外0.761000m151000m615m36m0.763m可见光红橙黄绿青蓝紫0.380.76m0.620.76m0.590.62m0.560.59m0.500.56m0.470.50m0.430.47m0.380.43m紫外线10-33.810-1mX射线10-610-3m射线小于10-6m2.1.2电磁辐射的有关概念辐射源：能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。自然辐射源：-太阳辐射：可见光及近红外遥感的重要辐射源。-地球电磁辐射：远红外遥感的辐射源。人工辐射源：人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）。基本物理名词：辐射能量（Q）、辐射通量（辐射功率，）、辐射出射度（辐射通量密度W）、辐射照度（E）、辐射强度（I）、辐射亮度(L)辐射能量Q：电磁辐射是具有能量的，它表现在：使被辐照的物体温度升高改变物体的内部状态使带电物体受力而运动辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）辐射通量(radiantflux)：在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量。=Q/t辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）辐射通量密度(irradiance)E、(radiantexistence)M：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度。E辐照度=/AM辐射出射度=/A辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）图Error! No sequence specified.辐射强度(radiantintensity)I：辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量。I=/辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）图Error! No sequence specified.辐射亮度(radiance)L：单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度。L=3/A辐射亮度（L）的单位是瓦/米微米球面度（W/mmSr）图Error! No sequence specified.分谱辐射通量：辐射通量是波长的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射通量：=/分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/m）图Error! No sequence specified.分谱辐射通量、分谱辐照度、分谱辐射出射度、分谱辐射强度2.1.3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=6.625610-34Js；c光速3108m/s；k玻耳兹曼常数=1.3810-23J/K；T绝对温度K。式中：第一辐射常量，其值为3.7418；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。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。2.1.4一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，发射率也不一样，并且随着波长和材料的温度而变化。2.2太阳辐射和地球辐射2.2.1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光谱。2.2.2地球辐射地球辐射可分为：短波0.3-2.5m，长波辐射6m以上。地球的短波辐射以地球表面对太阳的反射为主，地球自身的热辐射可以忽略。地球的长波辐射只考虑地表物体自身的热辐射，这个区域太阳照度的影响很小。中红外波段（2.5-6m）：太阳辐射和地球热辐射均有。2.3地球大气及其对太阳辐射的影响2.3.1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。2.3.2大气对太阳辐射的衰减作用在可见光波段，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。2.3.3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”。简单来说，大气窗口表示了电磁波在大气传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。常用大气窗口： 0.30-1.3m。主要是反映地物对太阳光的反射。通常采用摄影或扫描的方式在白天感测、收集目标信息成像。 1.5-3.5m大气窗口白天夜间都可应用，是以扫描的成像方式感测、收集目标信息，主要应用于地质遥感。 3.55.5m大气窗口，包含地物反射及发射光谱，用来探测高温目标。 8-14m热红外窗口，属于地物的发射波谱，是常温下地物热辐射能量最集中的波段，所探测的信息主要反映地物的发射率及温度。 1.0cm-1m微波窗口，分为毫米波、厘米波、分米波。遥感中常采用被动式遥感（微波辐射测量）和主动式遥感，前者主要测量地物热辐射，后者是用雷达发射一系列脉冲，然后记录分析地物的回波信号。2.3.4辐射传输过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。2.4地物的反射辐射2.3.1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。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增大的情况下，这种反射没有规律可寻。.37第3章遥感平台3.1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。3.2卫星轨道及运行特点3.2.1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。3.2.2卫星坐标的测定和解算3.2.3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；绕z轴旋转的姿态角，称航偏。3.2.4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4章遥感传感器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) 雷达成像类型的传感器；(4) 非图像类型的传感器。(1) 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：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。4.1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推扫式成像仪，电视摄像机等。4.1.1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4.1.2对像面扫描的成像仪一、HRV线阵列推扫式扫描仪4.1.3成像光谱仪（ImagingSpectrometer）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。4.2雷达成像类传感器4.2.1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）4.2.2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。4.2.3侧视雷达图像的几何特征1、斜距图像的比例失真（ScaleDistortion）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5.2.4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5章遥感图像几何处理5.1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。5.1.1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。5.1.2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（，）。5.1.3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。5.1.4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。5.1.5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，从而引起像点的位移，这种像点位移就是大气层折射的影响。5.1.6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。5.2遥感图像的几何处理5.2.1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。5.2.2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)由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。(3)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、有理函数法和随机场插值法等。1、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）（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：） 最邻近像元采样法取距离被采样点最近的已知像素元素的（N）亮度IN作为采样亮度。） 双线性内插法三角形线性函数） 双三次卷积重采样法2、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。5.3图像间的自动配准和数字镶嵌5.3.1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。5.3.2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：） 图像的几何纠正；） 搜索镶嵌边；） 亮度和反差调整；） 平滑边界线。5.4遥感图像的辐射处理传感器接收的电磁波能量与目标本身辐射的能量是不一致的。传感器输出的能量包含了由于太阳位置和角度条件、大气条件、地形影响和传感器本身的性能等所引起的各种失真，这些失真不是地面目标本身的辐射，因此对图像的使用和理解造成影响，必须加以校正或消除。辐射定标和辐射校正是遥感数据定量化的最基本环节。辐射定标：指传感器探测值的标定过程方法，用以确定传感器入口处的准确辐射值。辐射校正：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。5.4.1辐射误差从辐射传输方程可以看出，传感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。5.4.2传感器误差定标传感器的辐射定标包括绝对定标和相对定标。绝对定标：对目标作定量的描述，要得到目标的辐射绝对值。相对定标：只得出目标中某一点辐射亮度与其他点的相对值。绝对定标要建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间的数量关系，即定标系数，在卫星发射前后都要进行。5.4.3大气校正大气的影响是指大气对阳光和来自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。5.4.4太阳高度角、日地距离和地形起伏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。对于不同太阳高度角照射条件下的图像数据的像元亮度值，被标准化到假设太阳在天顶时的像元亮度值。同理，对于地形起伏区域的图像数据，也可以被标准化到假设太阳在地平面法线方向时的像元亮度值。日地距离校正用于标准化地球和太阳间的距离的季节变化。太阳辐射随日地距离的平方减小。在忽略大气的影响下，太阳天顶角和日地距离对于地球表面辐射的影响：5.5遥感图像辐射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。以下介绍的内容都属于空间域的增强处理。5.5.1图像灰度的直方图n 灰度直方图可以看成是一个随机分布密度函数，其分布状态用灰度均值和标准差两个参数来衡量。a图像直方图靠近低灰度区，该图像属于低反射率景物图像；n b图像为高反射率景物图像；n c图像直方图标准差偏小，为低反差景物图像；n d图像直方图的标准差较大，为高反差景物的图像；n e图像直方图呈现出多峰，图中有多种地物出现的频率较高；n f图像直方图呈现出双峰，并且高亮度地物（如云、白背景等）出现频率高。5.5.2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。设增强前灰度最大值为159，最小值为0，则线性变换中的系数A、B表达式为：2、 直方图均衡直方图均衡是将随机分布的图像直方图修改成均匀分布的直方图。3、 直方图正态化直方图正态化是将随机分布的原图像直方图修改成高斯分布。4、 直方图匹配直方图匹配是通过非线性变换使得一个图像的直方图与另一个图像直方图类似。5、 密度分割密度分割将原始图像的灰度值分成等间隔的离散的灰度级。6、 其它非线性变换对数变换、指数变换、平方根变换、标准偏差变换、直方图周期性变换等。7、 图像灰度反转灰度反转是指图像灰度范围进行线性或非线性取反，产生一幅与输入图像灰度相反的图像。第6章遥感图像判读“判读”（Interpretation）是对遥感图像上的各种特征进行综合分析、比较、推理和判断，最后提取出你所感兴趣的信息。6.1景物特征和判读标志景物特征主要有光谱特征、空间特征和时间特征。此外，在微波区还有偏振特性。各种地物在图像上的各种特有的表现形式称为判读标志。6.1.1光谱特征及其判读标志光谱特性曲线用反射率与波长的关系表示；波谱响应曲线用密度或亮度值与波段的关系表示。不同地物波谱响应曲线是不同的，因此它们的光谱判读标志就不一样。6.1.2空间特征及其判读标志景物的各种几何形态为其空间特征。判读标志：形状、大小、图形、阴影、位置、纹理、类型等。6.1.3时间特征及其判读标志对于同一地区景物的时间特征表现在不同时间地面覆盖类型不同，地面景观发生很大变化。景物的时间特征在图像上以光谱特征及空间特征的变化表现出来。6.1.4影响景物特征及其判读的因素1、地物本身的复杂性由于地物种类的繁多造成景物特性复杂变化和判读上的困难。2、传感器特性的影响传感器特性对判读标志影响最大的是分辨力。分辨力的影响可从几何、辐射、光谱及时间几个方面来分析。(1) 空间分辨率传感器瞬时视场内所观察到的地面的大小称空间分辨率。(2) 辐射分辨率（传感器的探测能力）所谓辐射分辨率是指传感器能区分两种辐射强度最小差别的能力。(3) 光谱分辨率光谱分辨率包括传感器总的探测波段的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。(4) 时间分辨率时间分辨率是指对同一地区重复获取图像所需的时间间隔。3、目视能力的影响人眼目视能力包括对图像的空间分辨能力、灰阶分辨能力和色别与色阶分辨能力。6.2目视判读的一般过程和方法遥感图像目视解译一般步骤：(1) 准备工作阶段(2) 初步解译与判读区的野外考察(3) 室内详细判读(4) 野外验证与补判目视解译成果的转绘与制图。在上述遥感图像目视解译步骤中，包括如下详细内容：(1) 了解影像的辅助信息：即熟悉获取影像的平台、遥感器，成像方式，成像日期、季节，所包括的地区范围，影像的比例尺，空间分辨率，彩色合成方案等等，了解可解译的程度。(2) 分析已知专业资料：目视解译的最基本方法是从“已知”到“未知”，所谓“已知”就是已有相关资料或解译者已掌握的地面实况，将这些地面实况资料与影像对应分析，以确认二者之间的关系。(3) 建立解译标志：根据影像特征，即形状、大小、阴影、色调、颜色、纹理、图案、位置和布局建立起影像和实地目标物之间的对应关系。(4) 预解译：运用相关分析方法，根据解译标志对影像进行解译，勾绘类型界线，标注地物类别，形成预解译图。(5) 地面实况调查：在室内预解译的图件不可避免地存在错误或者难以确定的类型，就需要野外实地调查与检证。包括地面路线勘察，采集样品(例如岩石标本，植被样方，土壤剖面，水质分析等等)，着重解决未知地区的解译成果是否正确。(6) 详细解译：根据野外实地调查结果，修正预解译图中的错误，确定未知类型，细化预解译图，形成正式的解译原图。类型转绘与制图：将解译原图上的类型界线转绘到地理底图上，根据需要，可以对各种类型着色，进行图面整饰、形成正式的专题地图。第7章遥感图像自动识别分类遥感图像的计算机分类，是模式识别技术在遥感技术领域中的具体运用。遥感图像的计算机分类，就是对地球表面及其环境在遥感图像上的信息进行属性的识别和分类，从而达到识别图像信息所相应的实际地物，提取所需地物信息的目的。遥感图像模式的特征主要表现为光谱特征和纹理特征两种。7.1分类预处理9.1.1基础知识1、光谱特征空间同名地物点在不同波段图像中亮度的观测量将构成一个多维的随机向量X，称为光谱特征向量。所谓光谱特征空间，也就是用亮度值轴构成的一个多维坐标空间。由于随机性因素（如大气条件，背景，地物朝向，传感器本身的“噪声”等）影响，同类地物的各取样点在光谱特征空间中的特征点将不可能只表现为同一点，而是形成一个相对聚集的点集群，而不同类地物的点集群在特征空间内一般是相互分离的。特征点集群在特征空间中的分布大致可分为如下三种情况；理想情况不同类别地特的集群至少在一个特征子空间中的投影是完全可以相互区分开的。典型情况不同类别地物的集群，在任一子空间中都有相互重叠的现象存在，但在总的特征空间中可以完全区分的。这时可采用特征变换使之变成理想情况进行分类。一般情况无论在总的特征空间中，还是在任一子空间中，不同类别的集群之间总是存在重叠现象。这时重叠部分的特征点所对应的地物，在分类时总会出现不同程度的分类误差，这是遥感图像中最常见的情况。7.1.2特征变换及特征选择遥感图像自动识别分类主要依据地物的光谱特性，也就是传感器所获取的地物在不同波段的光谱测量值。为了设计效果好的分类器，一般需要对原始图像数据进行分析处理，一种处理方法称为特征变换，它是将原有的m测量值集合通过某种变换，然后产生n个（nm）特征。特征变换的作用表现在两方面，一方面减少特征之间的相关性，使得用尽可能少的特征来最大限度地包含所有原始数据的信息；另一方面使得待分类别之间的差异在变换后的特征中更明显，从而改善分类效果。另一种方法称为特征选择，从原有的m个测量值集合中，按某一准则选择出n个特征，特征变换和特征选择的目的一方面减少参加分类的特征图像的数目，另一方面从原始信息中抽取能更好进行分类的特征图像，是遥感图像自动分类前一个很重要的处理过程。1、特征变换特征变换将原始图像通过一定的数字变换生成一组新的特征图像，这一组新图像信息集中在少数几个特征图像上，这样，数据量有所减少。遥感图像自动分类中常用的特征变换有主分量变换，哈达玛变换，生物是指标变换，比值变换，穗帽变换等。2、特征选择在遥感图像自动分类过程中，不仅使用原始遥感图像进行分类，还使用如上节所述多种特征变换之后的影像。我们总希望能用最少的影像数据最好地进行分类。这样就需在这些特征影像中，选择一组最佳的特征影像进行分类，这就称为特征选择。1) 距离测度距离是最基本的类别可分性测度，如果所选择的一组特征能使感兴趣类别的类内距离最小，而与其它类别的类间距离最大，那么根据距离测度，用这组特征设计的分类器分类效果最好。2) 散布矩阵测度类内散布矩阵类间散布矩阵总体散布矩阵7.2监督分类监督分类的思想是：首先根据已知的样本类别和类别的先验知识，确定判别函数和相应的判别准则，其中利用一定数量的已知类别函数中求解待定参数的过程称之为学习或训练，然后将未知类别的样本的观测值代入判别函数，再依据判别准则对该样本的所属类别作出判定。7.2.1判别函数和判别规则判别函数：当各个类别的判别区域确定后，用来表示和鉴别某个特征矢量属于哪个类别的函数。判别规则：判断特征矢量属于某类的依据。1、概率判决函数和贝叶斯判决规则把某特征矢量（X）落入某类集群的条件概率当成分类判决函数（概率判决函数），把X落入某集群的条件概率最大的类为X的类别，这种判决规则就是贝叶斯判决规则。贝叶斯判决规则以错分概率或风险最小为准则的判决规则。2、距离判决函数和判决规则基于距离判决函数和判决规则，在实践中以此为原理的分类方法称为最小距离分类法。距离判决函数的建立是以地物光谱特征在特征空间中是按集群方式分布为前提的，它的基本思想是设法计算未知矢量X到有关类别集群之间的距离，哪类距离它最近，该未知矢量就属于那类。（1） 马氏（Mahalanobis）距离（2） 欧氏（Euclidean）距离（3） 计程（Taxi）距离7.2.2分类过程监督法分类意味着对类别已有一定的先验知识，根据这些先验知识，就可以有目的地选择若干个“训练样区”。这些“训练样区”的类别是已知的。利用“训练样区”的数据去“训练”判决函数就建立了每个类别的分类器，然后按照分类器对未知区域进行分类。监督分类的主要步骤如下：（1）确定感兴趣的类别数（2）特征变换和特征选择（3）选择训练样区（4）确定判决函数和判决规则（5）根据判决函数和判决规则对非训练样区的图像区域进行分类。7.3非监督分类非监督分类是指人们事先对分类过程不施加任何的先验知识，而仅凭数据遥感影像地物的光谱特征的分布规律，即自然聚类的特性，进行“盲目”的分类；其分类的结果只是对不同类别达到了区分，但并不能确定类别的属性；其类别的属性是通过分类结束后目视判读或实地调查确定的。非监督分类也称聚类分析。一般的聚类算法是先选择若干个模式点作为聚类的中心。每一中心代表一个类别，按照某种相似性度量方法（如最小距离方法）将各模式归于各聚类中心所代表的类别，形成初始分类。然后由聚类准则判断初始分类是否合理，如果不合理就修改分类，如此反复迭代运算，直到合理为止。7.3.1K-均值聚类法K-均值算法的聚类准则是使每一聚类中，多模式点到该类别的中心的距离的平方和最小。其基本思想是，通过迭代，逐次移动各类的中心，直至得到最好的聚类结果为止。这种算法的结果受到所选聚类中心的数目和其初始位置以及模式分布的几何性质和读入次序等因素的影响，并且在迭代过程中又没有调整类数的措施，因此可能产生不同的初始分类得到不同的结果，这是这种方法的缺点。9.3.2ISODATA算法聚类分析ISODATA（IterativeSelf-OrganizingDataAnalysisTechniquesAlgorithm）算法也称为迭代自组织数据分析算法。它与K均值算法有两点不同，第一，它不是每调整一个样本的类别就重新计算一次各类样本的均值，而是在每次把所有样本都调整完毕之后才重新计算一次各类样本的均值，前者称为逐个样本修正法，后者称为成批样本修正法；第二，ISODATA算法不仅可以通过调整样本所属类别完成样本的聚类分析，而且可以自动地进行类别的“合并”和“分裂”，从而得到类数比较合理的聚类结果。非监督分类在整个分类过程中不受类别先验知识的影响，因此分类所得的每一类别究竟代表什么实际地物仍然不清楚。要确定这些类别与实际地物之间的关系还需进行归纳分析，通常在类别中进行抽样，然后到实地进行认辨，或者根据有关的旧图或其它参考资料确定所分类别的属性。7.4分类后处理和误差分析分类完成后须对分类后的影像进一步处理，使结果影像效果更好。另外，对分类的精度要进行评价，以供分类影像进一步使用时参考。7.4.1分类后处理用光谱信息对影像逐个像元地分类，在结果的分类地图上会出现“噪声”，产生噪声的原因有原始影像本身的噪声，在地类交界处的像元中包括有多种类别，其混合的辐射量造成错分类，以及其它原因等。另外还有一种现象，分类是正确的，但某种类别零星分布于地面，占的面积很小，我们对大面积的类型感兴趣，对占很少面积的地物不感兴趣，因此希望用综合的方法使它从图面上消失。分类平滑技术可以解决以上的问题。这种平滑技术也是采用邻域处理法，所取平滑窗口可以是33或55大小。但它不是代数运算，而是采用逻辑运算。也就是所谓的“多数平滑”。平滑时中心像元值取周围占多数的类别。将窗口在分类图上逐列逐行地推移运算，完成整幅分类图的平滑。7.4.2分类后的精度评定分类后专题图的正确分类程度（也称可信度）的检核，是遥感图像定量分析的一部分。一般无法对整幅分类图去检核每个像元是正确或错误，而是利用一些样本对分类误差进行估计。采集样本的方式有三种类型：（1） 来自监督分类的训练样区；（2） 专门选定的试验场；（3） 随机取样。一般采用混淆矩阵来进行分类精度的评定。第8章遥感应用第一节地质遥感第二节水体遥感第三节植被遥感第四节土壤遥感第五节高光谱遥感的应用第六节高分遥感的应用(重点)