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遥感读书报告 专业：测绘工程 学生姓名：胡惠卿 指导教师：戚浩平 完成时间：2013年12月30日 目录 第一部分：各知识点的内涵与联系 第二部分：学习的重难点 第三部分：公式的推导 第四部分：感兴趣的内容 第五部分：学习感悟第一部分：各知识点的内涵与联系一、电磁波、电磁波普、电磁辐射黑体辐射、太阳辐射、大气对辐射的影响、物体的发射辐射地物反射辐射、地物波普 电磁波 电磁波普的概念、分类，电磁波的性质（P15）电磁波普 发射辐射：辐射源、辐射测量电磁辐射 辐射测量：辐射能量W，辐射通量密度E、辐照度I、辐射亮度L黑体辐射 黑体定义：绝对黑体太阳辐射 黑体辐射规律：普朗克公式、斯忒潘玻尔兹曼定律、维 恩位移定大气辐射的影响 太阳常数：I=1.360*103W/m2实际物体的辐射 太阳光谱：是连续的光谱 大气的层次：外大气层、电离层、平流层、对流层 真正对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层 大气吸收作用：使某些波段的太阳辐射强度递减，甚至消失形成大气吸收光谱 大气散射：瑞利散射 当大气中粒子比波长小得多 对可见光和红外波段特 别 明显 波长越长，散射越弱 米式散射 当大气中粒子和波长相当 对红外波段特别明显 散射 强度和波长的二次方成反比 无选择性散射 当大气中粒子比波长大得多 散射强度与波长无关 大气折射：密度越大，折射率越大；天顶距为90时，折射值最大 大气反射：主要发生在云层顶部 大气窗口的定义、大气窗口的主要光谱段：紫外、可见光、近红外波段、中红 外、远红外、微波波段 大气透射的总透射率T： 影响因素 波长、温度、构成物体的材料、表面状况等 发射率： 根据光谱发射率随波长的变化形式，将物体分为两类： 选择性辐射体：在各个波长处光谱发射率不同 灰体：在各个波长处光谱发射率相同 光谱反射率：物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比 地物反射辐射 同一地物的反射波普特性：具有时间效应和空间效应 地物波普 同地物的发射波普特性：城市道路建筑物、水体、土壤、植物、 影响因素：太阳位置、传感器位置、地理位置、地形、季节、 气候变化等 地物波普的概念 地物光谱的测定原理：用光谱测定仪器测定地物和标准板的反射率变化 地物光谱测试的作用：三个方面 地物反射波普测量理论：BRDF、BRF 地物光谱的测量方法：样品的实验室测量，应用不够广泛 野外测量，采用比较法，分为垂直测量和非垂直测量二、遥感平台、遥感传感器、遥感成像 根据距地面的高度： 地面平台100m以下，可测定地物的波普特性遥感平台 遥感平台的种类 航空平台100m以上，100km一下，用于资源调查 航天平台240km以上的航天飞机和卫星 载人的 根据重量： 非载人的 小行星 其他卫星 气象卫星 陆地卫星 海洋卫星 特点：1.轨道分为低轨和高轨 特点：1.需要空间进行大面积观测 2.短周期重复观测 2.以微波为主 3.成像面积大，有利于减少数据处理 3.未来以电磁波与激光声波 4.资料来源连续，实时性强，成本低 结合 星历表法： 1.计算卫星在地心直角坐标系中的坐标 2.计算卫星在大地地心直角坐标系的坐标 3.计算卫星的地理坐标 用GPS测定坐标：伪距测量 1.测定GPS信号发射时间和接收时间卫星轨道及运行特点 解算卫星坐标 2.存在改正数V，列方程 3.求V，共五项 卫星的各个参数轨道参数 姿态角：绕X轴旋转，称为滚动；绕Y轴旋转，称为俯仰；绕Z轴升交点赤经 旋转，称为航偏近地点角距 卫星速度轨道倾角 卫星运行周期卫星轨道的长半轴 卫星高度卫星过近地点的时刻 同一天相邻轨道间在赤道处的距离 每天卫星绕地圈数、重复周期 高光谱类卫星 用于大气、海洋和陆地探测 SAR类卫星 适用于大面积的地表成像 特点：分辨率高陆地卫星及轨道特征 高空间分辨率陆地卫星 用处：用于军事侦察Landsat系列卫星 小卫星 1.重量轻，体积小 2.研制周期短，成本低Landsat系列卫星：美国 3.发射灵活，启用速度快，抗毁性强SPOT系列卫星：法国 4.技术性能高IRS系列卫星：印度中国资源一号卫星遥感传感器的构象方程 遥感图像几何处理遥感传感器 组成：收集器、探测器、处理器、输出器分类：摄影类型扫描成像雷达成像非图像类型 1.对地物扫描成像仪：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、多频段频谱仪 扫描成像传感器 特点：对地面直接扫描成像 2.对相面扫描的成像仪瞬间在相面上形成一条线图像，然后对影像进行扫描 对物面扫描的成像仪 成像 CCD推扫式成像仪、电视摄影机 红外扫描仪 MSS多光谱扫描仪地面分辨率只与航高有关 扫描仪的结构、 成像过程、地面接收及产品地面分辨率随扫描角发生变化为全景畸变 产品种类：粗加工产品（辐射校准、几何校正、热红外扫描仪的色调与温度的四次方成正比 分幅注记）、精加工产品（对地面点去除误差）、 特殊处理产品TM专题制图仪 ETM增强型专题制图仪 有更高的空间分辨率和准确度 1.增加了PAN波段，分辨率为15m，数据速率增加增加了扫描改正器 2.远红外波段分辨率提高到60m，增加了数据率探测器共100个，分7个波段 3.辐射校正提高了精度对像面扫描的成像仪 HRV线阵列推扫式扫描仪 成像光谱仪1. 多光谱的，分三个普段 1.面阵探测器加推扫式扫描仪2. 全色的HRV 2.线阵列探测器加光机扫描仪3. 可进行立体观测 真实孔径雷达 雷达成像仪 合成孔径雷达：分辨率与天线孔径有关 侧视雷达的几何图像特征：Y的比例尺由小变大，出现地物点重影，反立体图 像，高差产生的投影位移相反 相干雷达 图像的表现形式 光学图像 数字图像可以看做是二维的连续函数 是二维离散的光密度函数其值市非负和有限 用二维矩阵表示 互相转化： 采样、量化和编码 通过显示终端或打印出来 球面坐标 遥感图像的坐标系统 平面坐标 地理坐标系 投影坐标系球面坐标系，以经纬度为存储单位 讲椭球面上的地理坐标化为平面直角坐标大地基准面：每个地方有不同的大地基准面 分为等角投影，等积投影，任意投影例如北京54坐标系、西安80坐标系椭球地和大地基准面是一对多的关系 遥感数字图像的存储 存储介质 磁带：顺序存储介质，数据处理比较慢，通常作为数据存储只用 磁盘：随机存储介质，硬盘访问速度快，软盘访问速度慢 光盘：随机存储介质，优点是具有抗磁性 存储格式 BSQ格式：按波段记载数据文件，每一个文件记载的是某一波段的图像数据 BIL格式：按照波段顺序交叉排列的遥感数据格式 GEOTIFF格式：支持多种彩色系统和压缩算法 目前支持三种坐标空间：栅格空间，设备空间，模型空间 模型空间用来描述相应的地理位置硬件系统 遥感数字图像处理系统 软件系统输入设备：磁带机、磁盘机、扫描仪 遥感图像处理的软件： 析像器、数字化仪，完成遥感数据输 ERDAS Imagine Imagine Essentials入计算机的功能，上述统称为数字化 Imagine Adventage器平台式数字化器：几何精度高，辐 Imagine Professional射分辨率高，速度较低 ENVI 1.影像显示处理和分析功能滚动式图像数字化器：采样速度高， 2.多光谱影像处理功能几何精度低，可处理大幅遥感影像 3.集成栅格和矢量处理功能固态阵列数字化器：采样速度快，几 4.集成雷达分析工具 何精度高，辐射测试性不好 5.地形分析工具飞点扫描器、摄像管数字化器适用于 PCI小幅影像输出设备：磁带机、磁盘机、显示器 Ecognition电子计算机：决定了处理速度和效果其他设备三、遥感图像的几何处理、辐射处理、判读、自动识别分类、目视解译 遥感图像通用构象方程：地面坐标系和传感器坐标系建立的转换关系 中心投影构象方程：图像坐标和传感器坐标系统的关系，利用共线方 程 全景摄影机的构象方程：由一条曝光缝隙沿旁向扫描而成，其几 何关系等效于中心投影沿旁向倾斜一个扫描角后，以中心线成像的情遥感传感器的构象方程 况 推扫式传感器的构象方程：行扫描动态，再进行倾斜扫描，左后做前 后式成像 扫描式传感器的构象方程：获得的图像是中心投影，每个象元都有自 己的投影中心，随着扫面镜的旋转和平台的前进来实现整幅图像的成像 侧视雷达图像的构象方程：分为平面扫描和圆锥扫描 基于多项式的传感器模型传感器模型 基于有理函数的传感器模型 静态误差 遥感图像变形误差 动态误差 全景投影变形 传感器成像方式引起的图像变形 斜距投影变形 传感器外方位元素变化的影响 遥感图像变形 地形起伏引起的像点位移 地球曲率引起的图像变形 大气折射引起的图像变形 地球自转的影响 1.投影中心坐标的测定和解算 遥感图像的粗加工 2.传感器姿态角的测定 3.扫描角的确定 遥感图像的精纠正处理 像素坐标的变换 对像素亮度值进行重采样 多项式法 共线方程法对各个类型的遥感图像都适用，通常有一般多项式， 计算量大，需要有数字高程信息，精了让德多项式，双变量分区插值多项式 度低可表示为线性方程，共线方程只1. 利用地面控制点解求多项式系数 适用于所确定的一个具有一定间距1.列误差方程式 的具有一定间距的格网上的点，而不2. 构成法方程 是针对每一个点；切平面坐标系朝北3. 计算多项式系数 方向为X正方向，朝东方向为Y正方4. 精度评定 像，将坐标单位换位毫米2. 遥感图像的纠正变换3. 数字图像亮度的重采样4. 纠正结果评价有理函数法 自动配准的小面元微分纠正1. 最小二乘法求解RFM参数算法 1.图像特征点提取2. 与地形无关的最小二乘法求解RFC 2.预处理3. 与地形有关的方案最小二乘法求解RFC 3.粗匹配4. 利用RFM进行卫星遥感影像的几何纠正 4.几何条件约束的整体松弛匹配 加入改正高差的CCD线阵影像的多项式 侧视雷达图像的纠正 1.高差引起的投影差计算 LEBERL构象模型 2.倾斜角较大时的改进 KONECNY模型 由常规共线方程转化 美国研究的模型 前苏联的模型 视为CCD扫描图像 根据SAR本身构象特点纠正 实质市遥感图像的几何纠正 图像间的匹配：以多源图像中的一幅图像为参考图像，其他图像与之 图像间的自动配准 配准，其坐标系是任意的 绝对配准：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 多项式纠正法1.在多源图像上确定分布均匀，足够数量的图像同名点2.通过所选择的图像同名点解算几何变换的多项式系数，通过纠正变换完成一幅图像对另一幅图 像的几何配准通过图像相关自动获取同名点：1,数字图像相关过程2. 图像匹配的一些算法 数字图像的镶嵌 基于小波变换的图像镶嵌 如何消除接缝：1. 图像几何纠正2. 镶嵌边搜索3. 亮度和反差调整4. 边界线 B=1/M*(B1+B2+B3.) 通过加法运算可以加宽波段 多光谱图像的四则运算 加法运算 乘法运算 除法运算 减法运算 与加法运算类似 能够压抑因 地形坡度和方向引起上面是不同波段的两个图像或者 的辐射量变化，消除 不同时相同一波段图像，可以增 地形起伏的影响，增加不同地物间光谱反射率及反差 强地物的反差，比值当用红外波段与红外波段相减时 运算是自动分类的预即为植被指数。 处理方法之一 混合运算 上述称为生物量指标变化，可使植物从水和土中分离出来 可以消除部分大气影响 混合运算可根据具体需要进行处理 1.传感器本身的性能引起的辐射误差辐射误差 2.大气的散射和吸收引起的辐射误差 3.地形影响和光照条件的变化引起的辐射误差 辐射处理 传感器辐射定标 是指建立传感器每个探测元所输出信号的数值量化值与该探测器对应象 元内的实际地物辐射亮度值之间的定量关系 辐射误差校正 定标的内容包括：1.大气校正 1.强度定标：确定传感器的响应值6S模型、LOWTRAN模型、MORTARN 2.光谱定标：测量传感器随入射波长变化的响应 模型、ATCOR模型 3.空间定标：测量传感器的调值传递函数 2.太阳高度角、日地距离校正和地形 影响引起的校正 辐射定标分为绝对定标和相对定标 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 绝对定标的方法有： 传感器实验室定标 遥感器星上内定标 遥感器场地外定标 相对辐射定标 空间域处理：直接对图像进行各种运算以得到需要的增强效果 辐射增强 频率域处理：将空间域图像换为频率域，在频率域中对图像的频谱处理 反映了一幅图像中灰度级与其出现概率之间的关系，可以看做是随 图像灰度直方图 机分布的密度函数，其分布状态可以用灰度均值和标准差两个参数 来衡量 图像反差调正 线性变换：先建立一个查找表，在变换的时候只需查找表变换即可 直方图均衡 将随机分布的图像直方图修改成均匀分布的直方图 其实质是对图像进行非线性拉伸，重新分配图像象元 值，使一定灰度范围内的象元数量大致相等 效果是： 1.各灰度级所占图像的面积近似相等，因为某些灰度级 出现高的像素不可能被分割 2.可以增强图像上大面积地物与周围地物的反差 3.如果输出数据分段级较小，则会产生一个初步分类 的视觉效果 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的直方图 直方图匹配两幅可以匹配的图应该有相似的特性：1. 图像直方图总体形状应类似2. 图像中黑与亮特征应相同3. 对某些应用，图像的空间分辨率应相同4. 图像上的地物分配应相同，尤其是不同地区的图像匹配 密度分割将原始图像的灰度值分成等间隔的离散灰度级 灰度反转对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值相反的图像，其结果是原来亮的地方变暗，原来暗的地方变亮一是条件反转二是简单反转 图像融合 1.对两幅图像进行几何配准，并对多光谱图像重采样与全色图像分辨率 相同 加权融合 2.分别计算全色波段与多光谱波段图像的相关系数 3.用全色波段图像和多光谱波段图像组合 基于IHS变换的图像融合1. 待融合的全色图像和多光谱图像进行几何配准，并将多光谱图像重采样与全色分辨率相同2. 将多光谱图像变换转化到IHS空间3. 对I和I进行直方图匹配4. 用全色图像I代替IHS空间的亮度分量5. 将IHS逆变换到RGB空间，即得到融合图像 基于主分量变换的图像融合 比值变换融合 乘积变换融合 基于特征的图像融合 1.对两个不同特性的图像做边缘增强，然后加权融合 2,对其中一个图像做边缘提取，然后融合到另一个图像上 3.对两个图像经小波变换后形成基带图像和子代图像，对基带图像用加权融合的方法，而对子代图 像采用选择子代中特征信息丰富的图像进行融合 基于分类的图像融合 1.平均梯度 图像融合的评价指标 2.熵与联合熵描述图像信息量 3.分类的精度 4.偏差指数、相关系数、均值偏差、方差偏差 遥感图像的判读 景物特征 光谱特征 空间特征 时间特征判读标志：地物在多波段图像上 判读标志：形状、大小 判读标志：以光谱特征及特有的这种波普反应 图形、阴影、位置、纹理 空间特征的变化表现出来 影响景物特征及判读的因素1. 地物本身的复杂性2. 传感器本身的影响：几何分辨率、辐射分辨率、光谱分辨率、时间分辨率3. 目视能力的影响 判读的一般过程 1.判读前的准备：判读员的训练、搜集充足的资料、了解图像的信息、判读仪器和设备 2.发现目标 3.描述目标 4.识别和鉴定目标 5.清绘和评价目标举例1. 单波段相片的判读 对于单波段的可见光、近红外相片，从其色调特征和空间特征来分析判读2. 多光谱相片的判读 使用比较判读的方法，将多光谱图像与个个地物的光谱反射特性数据联系起来3. 热红外相片的判读 与温度和发射率大小有直接关系4. 侧视雷达相片的判读 与入射角、地面粗糙程度、地物的电特性有关5. 多时域图像的判读 利用动态变化进一步识别地面物体的性质和作定量关系 遥感图像自动识别分类 模式 某种具有空间或几何特征的东西 模式识别 一个模式识别系统对被识别的模式做一系列测量，然后将测试 结果与模式字典中一组典型的测量值做比较 光谱特征空间 不同的地物在同一波段图像上表现的亮度一般互不相同，不同的地物在多 个波段图像上亮度的呈现规律也不同，这构成了我们在图像上赖以区分不 同地物的物理依据。 光谱特征向量：同名地物点在不同波段图像中亮度的观测值将构成一个多 维的随机向量X 特征变换：1.减少特征之间的相关性为了设计出效果好的分类器 2.使得待分类别之间的差异在变换后的特征中更加明显一般需要对原始图像数据进 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个行分析处理 特征 在特征影像中，选择一组最佳的特征影像进行分类，这 就是特征选择特征变换 特征选择主分量变换 距离测度哈达玛变换 散布矩阵测度穗帽变换比值变换生物量指标变换 监督分类事先知道样本去类别的信息，这种信息可以通过对分类地区的目视判读，实地勘察或结合GIS信息获得。根据已知的样本类别和类别的先验知识，确定 概率判别函数和贝叶斯判别： 最大似然分类法 判别函数和相应的判别准则 距离判别函数和判别规则： 最小距离法 最大似然总的错分概率比最小距离法小 学习或者训练 将观测值代入判别函数 1.确定感兴趣的类别数 2.特征变换和特征选择 作出判定 3.选择训练样区 4.确定判别函数和判别规则 5.根据判别函数和判别规则对非训练样区的图像区域进行分类 非监督分类 仅凭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打到了区分，但并不 确定类别的属性。 1.K均值聚类法 2.ISODATA算法聚类分析 3.平行管道法聚类分析 监督分类和非监督分类的结合 第一步：选择一些有代表性的区域进行非监督分类 第二步：获得多个聚类类别的先验知识 第三步：特征选择 第四步：使用监督法对整个影像进行分类 第五步：输出标记图像 分类后的处理1.来自监督分类的训练样区 2.专门选定的试验场：对纯化监督训练样区比较有用 采集样本 有目的地、均匀分布于但作为检核最后分类图精度 各个区域不是最好的方法 3.随机取样 精度评定： 混淆矩阵 高程信息在遥感图像分类中的应用 体现在不同地物类别在不同高程中出现的纹理信息在遥感图像分类中的应用 先验概率不同，用了提高分类的效果 计算机自动分类的新方法 面向对象分类技术 多尺度影像分割1. 模糊聚类算法 1.相邻对象异质度的定义2. 神经元网络方法 2.合并前后异质度变化的描述 3.形状异质度的描述 面向对象的分类方法 4.光谱与形状特征空间内的异质 度计算 1.最邻近分类 2.决策支持的模糊分类 遥感技术的应用在测绘中的应用 在环境和灾害监测中的应用 在其他领域中的应用 在测绘中的应用 主要用来测绘地形图、制作正射影像图和经专业判读后编绘各种专题图 制作卫星影像地图 卫星影像修测地形图 陆地地形图测绘 1.SPOT图像高程提取 浅水区的地形测绘 南极冰面地形地貌测绘 2.3Camera立体测图 TM6热图像测绘南极冰面地形图 提高精度的处理方法： 1.发射率的影响 2.反射光的影响 3.离海岸远近的影响 4.纬度的影响 5.阴影的影响 6.时间和气候的影响 7.噪声的影响 相关雷达影像测绘南极地形图 在环境和灾害监测中的应用 1. 快速监测洪涝灾情2. 监测沙尘暴3. 在森林火灾监测中的 应用4. 臭氧层监测5. 监测南极冰川流速6. 观测海洋赤潮7. 监测海啸8. 观测城市的水面和城区 在其他领域中的应用 遥感技术在地质调查中的应用 对地质构造进行解译 对岩性进行分类 调查地质灾害 对罗布泊大型钾盐矿调查 1.用于农作物估产 2.用于土壤的解译 在农林牧等方面的应用 3.用于土壤侵蚀调查 4.在森林立地类型调查中的应用 5.草场资源分类和评价 土壤解译 理论基础：土壤表层的光谱特性包括土壤表层的光谱反射率和土壤本 身特性对土壤反射率的影响 判读标志：颜色和色调、形状与阴影、纹理、图形在森林立地调查中的应用 判读基础：植物和林冠层的光谱特征为立地条件类型判读提 供了理论基础 划分原则1.立地类型必须满足反应立地特征的一致性 2.立地类型应反应出主导因素的作用 3.组成景观类型的各个因素数据应大部或全部 由遥感方法给出 4.立地类型的生产潜力和宜林性的近似性 立地因子的拟定：水热因子、土壤因子、植被因子 在考古方面的应用 可以从高空的航片或卫片上发现一些已不存在的古城的遗迹 比如楚古都的遥感调查 1.研究旅游景点的分布特点和结构特征 2.探索和拓展的旅游景点在旅游资源开发中的应用 3.监测和保护旅游资源 4.遥感旅游制图 例如：香格里拉的遥感调查遥感探测南极陨石分布