遥感.docx
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遥感
第一章绪论
狭义遥感：
主要是空对地遥感，即在离开地面的平台上（包括卫星、飞机、气球和高塔等）装上遥感仪器，对地面进行探测。
它主要是以电磁波为媒介，包括紫外---可见光---红外---微波的范围。
换句话说，狭义遥感是把遥感看作对地球表面进行探测的一个立体观测系统。
广义遥感：
包括空对地、地对空、空对空遥感。
这不仅把整个地球大气圈、水圈、岩石圈作为研究对象（地球遥感），而且把探测范围扩大到地球以外的日地空间（宇宙遥感）。
从遥感利用的媒介来看，广义遥感包括:
电磁波遥感（光、热、无线电波）、力场遥感（重力、磁力）、声波遥感、地震波遥感。
本课程所讨论的内容是狭义的指电磁波遥感。
遥感的基本概念：
“遥感”（RemoteSensing），就是用装载在飞机或人造卫星等不同高度平台上的传感器，收集由地面目标物辐射和反射来的电磁波信息，记录在胶片或磁带上，经过回收胶片或无线电传输，并对这些信息进行加工、处理、判译、识别出目标物及其所处环境条件的一种综合技术。
遥感的主要任务：
1、研究地物的电磁波辐射特性；
2、研究遥感信息的探测手段；
3、主要是传感器；
4、研究遥感信息的传输和处理系统；
5、研究遥感信息的应用
遥感特点：
1、大面积的同步观测；
2、时效性；
3、数据的综合性和可比性；
4、经济性；
5、局限性
遥感分类：
1.按遥感器所选用的能源分电磁波遥感、声学遥感、物理场遥感等
2.按传感器有无能源作用分有源遥感和无源遥感
3.按传感器使用的运载工具分航空遥感、航天遥感和地面遥感
4.按遥感的对象和目的分地球资源遥感技术、环境遥感技术、气象遥感技术、海洋遥感技术等
5.按记录信息的表现形式分图像方式和非图像方式
主动遥感：
探测由人工发射的能源经被测物体反射回来的电磁波的能量分布。
被动遥感：
传感器不向目标发射电磁波，仅被动的接受目标物自身发射和对自然辐射反射的能量。
第二章遥感技术的物理基础
电磁波：
物质是由无数分子组成。
分子是由原子组成，原子是由原子核和环绕它旋转的分子组成。
原子和分子受到光和热作用时，原子内部的原子核和电子的状态就会发生变化，物质的这种内部状态的变化就产生了电磁波。
电磁辐射：
变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，电场和磁场相互激发，并以辐射方式向外传播。
电磁辐射的基本特性：
波粒二象性，宏观的波动性和微观的粒子性
电磁波的基本要素：
频率、传播方向、振幅
电磁波谱：
不同辐射源产生的电磁波的波长各不相同，其变化也很大。
人们把各种电磁波按波长或频率的大小，依次排列成图表，这个图表就叫做电磁波谱图。
在整个电磁波谱中可划分出若干个波段。
物体的发射辐射：
1.绝对黑体辐射；2.黑体辐射定律3.实际物体辐射4.太阳辐射5.地球辐射
大气成分：
大气层随高度可分为对流层（0—12km），平流层（12—80km）和电离层（80—1000km）。
在对流层中，气体密度大，对流运动强烈，天气过程主要发生在这一层中，其中在l.2—3km高度上是最容易形成云的区域，而这也是航空摄影常用的高度。
在平流层中，气体密度大为减小，气体分子数量很少，也没有天气现象。
在电离层中，气体密度更小，因太阳辐射而使稀薄大气电离。
大气对地面有一种压力。
高度增加时，大气压力会因大气上层质量的减小而降低。
1.大气窗口：
通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段称为大气窗口。
2.大气屏障：
通常把电磁波通过大气层时较多被反射、吸收或散射的，透过率较低的波段称为大气屏障。
第三章遥感平台
遥感平台是指安装传感器的运载工具。
遥感平台种类：
1、地面平台:
高度在0----50m范围内；
2、航空平台:
高度在百米至十余千米不等；
3、航天平台:
高度在150Km以上
航空遥感平台常见的有：
飞机、无人驾驶飞行器等
开普勒行星运行三大定律：
开普勒第一定律:
卫星运行的轨道是一椭圆，而该椭圆的一个焦点与地心的质心相重合;开普勒第二定律:
卫星的向径（行星至太阳的连线）在相等的时间内扫过相等的面积;开普勒第三定律:
行星公转周期的平方与它的轨道平均半径的立方成正比。
卫星的空间轨道参数：
升交点赤经Ω；近地点角距ω；轨道倾角i；卫星轨道的长半轴a；卫星的扁心率e；卫星运行的周期T
1.升交点赤经Ω：
如图3.2-3所示，升交点赤经Ω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地球上的交点。
2.近地点角距ω：
ω是指卫星轨道的近地点与升交点之间的角距。
3.轨道倾角і：
i是指卫星轨道面与地球赤道面之问的两面角。
也即升交点一侧的轨道面至赤道面的夹角。
4.卫呈轨道的长半轴a：
a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）e（e=c/a）式中c—卫星椭圆轨道的焦距。
6.卫星过近地点时刻T。
以上六个参数可以根据地面观测来确定。
在六个轨道参数中，Ω、ω、і和T决定了卫星轨道面与赤道面的相时位置，而a和e则决定了卫星轨道的形状。
其中e越大时，则轨道越扁，e越小时，轨道越接近圆形。
圆形轨道有利于在全球范围内获取影像时比例尺趋近一致。
当e固定时，a越大则轨道离地高度H越大。
H与传感器的地面分辨率和总视场宽度有密切关系。
倾角i决定了轨道面与赤道面，或与地轴之间的关系。
i=0时轨道面与赤道面重合。
i=90o时轨道面与地轴重合.i=90o时轨道面接近地轴，这时的轨道称近极地轨道。
轨道近极地有利于增大卫星对地球的观测范围。
卫星的三个坐标轴：
当卫星在理想稳定状态时，以卫星的质心作为坐标原点，在轨道面内，指向卫星运行方向的为x轴，垂直轨道面的为y轴，垂直于地球的为z轴。
空间卫星运行特点：
运行周期：
卫星绕地球一圈所需的时间；重复周期：
卫星回到上次地面轨迹上空运行时所需要的天数；地球同步轨道：
卫星运行周期与地球自转周期相同；太阳同步轨道：
卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角。
随地球绕太阳的公转而改变。
小卫星：
指目前设计质量小于500kg的小型近地轨道卫星。
特点：
重量轻、体积小，成本低，发射灵活
第四章遥感传感器
传感器：
指收集、量测、记录地物各种电磁波特征的仪器。
传感器的组成：
收集系统、探测系统、信号转化系统（处理器）和记录系统（输出器）
传感器的分类：
光学摄影类型、扫描成像类型、雷达成像类型及非图象类型
雷达:
一种有源遥感器，它使用人工辐射源向目标发射波束，然后接受回波，进而确定物体的散射特性。
特点:
主动式遥感；雷达信号（距离、方位、相对速度、反射特性）；穿透特性
第五章遥感图像处理
遥感图像特性描述：
获取的信息包括目标地物的大小、形状及空间分布特点，目标的属性特点，目标的运动变化特点。
这些特点分为三个方面：
几何，物理和时间特征。
这几个方面特征的表现为：
遥感图像的空间分辨力（传感器瞬时视场内所观察到的地面的大小）；遥感图像的光谱分辨力（探测光谱辐射能量的最小波长间隔，应为光谱探测能力。
它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）；遥感图像的辐射分辨力（指传感器能区分两种辐射强度最小差别的能力。
一般用灰度的量化级数来表示）；遥感图像的时间分辨力（是指对同一地区重复获取图像所需的时间间隔）
远红外图像：
是用热红外扫描仪扫描成像的。
远红外图像几何特征：
1、投影性质：
远红外扫描图像由一行行扫描线构成，每条扫描线都有一个投影中心，属于多中心投影；
2、地面分辨力：
主要取决于扫描仪瞬时视场角的大小和航高；
3、比例尺：
航向比例尺（沿飞行方向的比例尺）和切线比例尺（沿扫描方向的比例尺）。
远红外图像的物理特性：
1、波谱分辨力：
区分地物发射波谱特征有微小差异的能力；
2、温度分辨力：
区分地面微小温度差异的能力。
3、远红外图像的解像力：
图像能够被解译的能力
远红外图像的干扰和畸变：
1、扫描畸变
2、飞行姿态不稳定造成的畸变
3、气象因素对图像的影响
4、无线电波、雷达微波等其他干扰因素的影响
空间域：
光学图像与数字图像,它是空间坐标x、Y的函数。
频率域：
图象的频谱表示，它是频率坐标U、V的函数。
光学图象：
人眼可观察的图像，图像灰度空间的分布是连续无间断的。
数字图象：
光学图像被离散化后的图像，便于计算机存储和处理。
模拟图象数字化遥感图象，不仅记录目标的辐射信息，同时包含空间位置信息。
光学图像与数字图像的转换
把一个连续的光密度函数变成一个离散的光密度函数
空间坐标离散化——采样
幅度（光密度）离散化——量化
整个过程称为图像数字化。
采样、量化参数与数字化图像质量间的关系：
采样间隔越大，所得图像像素数越少，图像空间分辨率低，质量差，严重时会出现像素呈块状的国际棋盘效应；采样间隔越小，所得图像像素数越多，图像空间分辨率高，质量好，但数据量大。
量化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率越高，质量越好，但数据量大；量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，质量变差，但数据量小。
遥感图像的统计分析
1、数字图像的直方图：
反映了一幅图像中灰度级与其出现概率之间的关系。
2、遥感数字图像的一元统计分析：
a）图像灰度均值
b）图像灰度中值
c）图像灰度众数
d）图像灰度方差
e）图像灰度数值域
f）图像灰度反差
3、多光谱图像的多元统计分析：
协方差，相关系数
遥感图像的几何变形
1、传感器成像方式引起的图像变形
2、传感器外方位元素变化的影响
3、地形起伏引起的像点位移
4、地球曲率引起的图像变形
5、大气折射引起的图像变形
6、地球自转的影响
遥感图像的粗加工处理仅做系统误差改正。
1、投影中心坐标的测定和解算
2、卫星姿态角的测定
3、扫描角θ的测定
遥感图像的精纠正处理
概念：
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。
1、多项式纠正
2、共线方程纠正
3、随机场插值法
两个环节：
像素坐标的变换，即将图像坐标转变为地图或地面坐标；
坐标变换后的像素亮度值进行重采样。
遥感图像的辐射处理
原因：
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。
辐射误差
传感器接收的电磁波能量包含三部分：
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
地面本身辐射的能量经大气后进入传感器的能量
大气散射、反射和辐射的能量。
遥感图像的辐射误差主要包括：
传感器本身的性能引起的辐射误差
地形影响和光照条件的变化引起的辐射误差
大气的散射和吸收引起的辐射误差
传感器辐射标定
绝对定标：
对目标作定量的描述，要得到目标的辐射绝对值。
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。
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。
又称为传感器探测元件归一化。
为了校正传感器中各个探测元件响应度差异而对卫星传感器测量到的原始亮度值进行归一化的一种处理过程。
由于传感器中各个探测元件之间存在差异，使传感器探测数据图像出现一些条带。
相对辐射定标的目的就是降低或消除这些影响。
辐射校正
影像的辐射校正
太阳高度角和地形影响引起的辐射误差校正
大气校正
系统噪音
地面辐射校正场
当遥感数据进行辐射定标和辐射校正后，如何评价其精度，需要通过地面辐射校正场来对计算结果进行验证和修正。
因此通过地面辐射校正场来提高辐射定标和校正的精度具有特别重要的意义。
建立地面辐射校正场符合遥感数据定量化的需要
建立地面辐射校正场可以弥补星上定标的不足
满足多种遥感资料的应用需要
遥感图像的增强处理
图像灰度直方图反映了一幅图像中灰度级与其出现概率之间的关系。
图像反差调整
1、线性变换
2、直方图均衡
3、直方图正态化
4、直方图匹配
5、密度分割
6、其他非线性变换
图像平滑
目的：
在于消除各种干扰噪声，使图像中高频成分消退，平滑掉图像的细节，使其反差降低，保存低频成分。
1、邻域平均法
2、低通滤波法
图像锐化
目的：
增强图像中的高频成份，突出图像的边缘信息，提高图像细节的反差，也称为边缘增强，其结果与平滑相反。
图像锐化方法：
空间域处理
频率域处理
图像融合：
将多源遥感图像按照一定的算法，在规定的地理坐标系，生成新的图像的过程。
1.融合的目的
从不同的遥感图像中获得更多有用的信息，补充单一传感器的不足。
全色图像一般具有较高空间分辨率（如SPOT全色图像分辨率为10m），多光谱图像光谱信息较丰富（SPOT有三个波段），为提高SPOT多光谱图像的空间分辨率，可以将全色图像融合进多光谱图像。
通过融合既提高多光谱图像空间分辨率（10m），又保留其多光谱特性。
遥感图像融合的条件
1、融合图像应包括不同空间和光谱分辨率
2、融合的图像应是同一区域
3、图像应尽可能精确配准
4、在不同时间获取的图像中，其内容没有大的变化。
光谱特征及判读标志
地物的波谱响应曲线与其光谱特性曲线的变化趋势是一致的。
地物在多波段图像上特有的这种波谱响应就是地物的光谱特征的判读标志。
空间特征及判读标志
景物的各种几何形态为其空间特征，它与物体的空间坐标X、Y、Z密切相关，这种空间特征在像片上也是由不同的色调表现出来。
全色遥感图像中从白到黑的密度比例。
色调标志是识别目标地物的基本依据，依据色调标志，可以区分目标。
目标地物和背景之间必需存在能被人的视觉所分辨的色调差异，目标才能被区分。
●形状
●大小
●图形
●阴影
●位置
●纹理
●类型
时间特征及判读标志
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。
影响景物特征及判读的因素
1、地物本身的复杂性
2、传感器特性的影响
3、目视能力的影响
特征变换和特征选择
目的：
减少参加分类的特征图像的数目，从原始信息中抽取能更好进行分类的特征图像。
特征变换——将原有的m量值集合通过某种变换，然后产生n个（n≤m）特征
特征变换
概念：
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。
目的：
数据量有所减少，去相关，有助于分类。
常用的特征变换：
主分量变换、哈达玛变换、穗帽变换、比值变换、生物量指标变换。
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
监督分类：
是基于我们对遥感图像上样本区内地物的类属已知，于是可以利用这些样本类别的特征作为依据来识别非样本数据的类别。
监督分类的思想：
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。
判别函数和判别规则
各个类别的判别区域确定后，某个特征矢量属于哪个类别可以用一些函数来表示和鉴别，这些函数就称为判别函数。
当计算完某个矢量，在不同类别判决函数中的值后，我们要确定该矢量属于某类必须给出一个判断的依据。
如若所得函数值最大则该矢量属于最大值对应的类别。
这种判断的依据，我们称之为判别规则。
分类过程
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
监督分类的缺点
主观性
由于图像中间类别的光谱差异，使得训练样本没有很好的代表性
训练样本的获取和评估花费较多人力时间
只能识别训练中定义的类别
非监督分类：
也称聚类分析，是事先对分类过程不施加任何先验知识，仅凭遥感图像地物的光谱特征的分布规律，进行自动分类。
升级会员 