1、遥感知识集锦一. 遥感的基本概念1. 遥感的基本知识“遥感”一词来自英语 Remote Sensing，从字面上理解就是“遥远的感知”之意。顾名思义，遥感就是不直接接触物体，从远处通过探测仪器接受来自目标物体的电磁波信息，经过对信息的处理，判别出目标物体的属性。实际工作中，重力、磁力、声波、机械波等的探测被划为物理探测（物探）的范畴，因此，只有电磁波探测属于遥感的范畴。根据遥感的定义，遥感系统包括：被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用这五大部分。1. 目标物的电磁波特性任何目标物体都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感探测的依据。2. 信息的获取接受、
2、记录目标物体电磁波特征的仪器，称为“传感器”或者“遥感器” 。如：雷达、扫描仪、摄影机、辐射计等。3. 信息的接收传感器接受目标地物的电磁波信息，记录在数字磁介质或者胶片上。胶片由人或回收舱送至地面回收，而数字介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线输送到地面的卫星接收站。4. 信息的处理地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息，记录在高密度的磁介质上，并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变换等，再转换为用户可以使用的通用数据格式，或者转换为模拟信号记录在胶片上，才能被用户使用。5. 信息的应用遥感技术是一个综合性的系统，它涉及到航空、航天、光电、物理、计算机和信息科学以及
3、诸多应用领域，它的发展与这些科学紧密相关。2. 遥感的分类1） 按遥感平台分地面遥感：传感器设置在地面上，如：车载、手提、固定或活动高架平台。航空遥感：传感器设置在航空器上，如：飞机、气球等。航天遥感：传感器设置在航天器上，如：人造地球卫星、航天飞机等。2） 按传感器的探测波段分紫外遥感：探测波段在 0.050.38m 之间。可见光遥感：探测波段在 0.380.76m 之间。红外遥感：探测波段在 0.761000m 之间。微波遥感：探测波段在 1mm10m 之间。3） 按工作方式分主动遥感：有探测器主动发射一定电磁波能量并接受目标的后向散射信号。被动遥感：传感器仅接收目标物体的自身发射和对自然
4、辐射源的反射能量。4） 按遥感的应用领域分外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等。3. 遥感发展简史最早使用“遥感”一词的是美国海军研究所的艾弗林*普鲁伊特。1961 年，在美国国家科学院和国家研究理事会的支持下，在密歇根大学的威罗*兰实验室召开了“环境遥感国际讨论会” ，此后，在世界范围内，遥感作为一门新兴学科飞速发展起来。1）无记录的地面遥感阶段（1608-1838 年）1608 年，汉斯*李波尔赛制造了世界第一架望远镜，1609 年伽利略制作了放大倍数 3 倍的科学望远镜，从而为观测远距离目标开辟了先河。但望远镜观测不能吧观测到的事物用图像记录下来。2）有记录的地面遥感阶段（18
5、39-1857 年）对探测目标的记录与成像始于摄影技术的发展，并与望远镜相结合发展为远距离摄影。3）空中摄影遥感阶段（1858-1956 年）1858 年，GF.陶纳乔用系留气球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰”像片。1860 年，J.布莱克乘气球升空至 630m，成功的拍摄了美国波士顿的照片。1903 年，J.钮布郎特设计了一种捆绑在飞鸽身上的微型相机。这些试验性的空间摄影，为后来的实用化航空摄影打下了基础。在第一次世界大战期间，航空摄影成了军事侦探的重要手段，并形成了一定规模。与此同时，像片的判读水平也大大提高。一战以后，航空摄影人员从军事转向商务和科学研究。美国和加拿大成立了航测公司，并分别出版了
6、摄影测量工程及类似性质的刊物，专门介绍有关技术方法。1924 年，彩色胶片出现，使得航空摄影记录的地面目标信息更为丰富。二战中，微波雷达的出现及红外技术应用于军事侦查，使遥感探测的电磁波谱段得到了扩展。4）航空遥感阶段（1957-）1957 年 10 月 4 日，苏联第一颗人造地球卫星的发射成功，标志着人的空间观测进入了新纪元。此后，美国发射了“先驱者 2 号”探测器拍摄了地球云图。真正从航天器上对地球进行长期探测是从 1960 年美国发射 TIROS-1 和 NOAA-1 太阳同步卫星开始。此外，多宗探测技术的集成日趋成熟，如雷达、多光谱成像与激光测高、GPS 的集成可以同时取得经纬度坐标和
7、地面高程数据，由于实时测图。总之，随着遥感应用向广度和深度发展，遥感探测更趋于实用化、商业化和国际化。4. 遥感应用的一个简单例子大兴安岭森林火灾发生的时候，由于着火的树木温度比没有着火的树木温度高，它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量，这样，当消防指挥官面对着熊熊烈火担心不已的时候，如果这时候正好有一个载着热红外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空，传感器拍摄到大兴安岭周围方圆上万平方公里的影像，因为着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的电磁能量，在影像着火的森林就会显示出比没有着火的森林更亮的浅色调。当影像经过处理，交到消防指挥官手里时，指挥官一看，图像上发亮的范
8、围这么大，而消防队员只是集中在一个很小的地点上，说明火情逼人，必须马上调遣更多的消防员到不同的地点参加灭火战斗。5. 中国遥感技术的发展我国自 1970 年 4 月 24 日发射“东方红 1 号”人造卫星后，相继发射了数十颗不同类型的人造地球卫星，使得我国开展宇宙探测、通讯、科学实验、气象观测等研究有了自己的信息源。1999 年 10 月 14 日中国-巴西地球资源卫星 CBERS-1 的成功发射，使我国拥有了自己的资源卫星。在遥感图形处理方面，已开始从普遍采用国际先进的商品化软件向国产化迈进。在科技部、信息产业部的倡导下，国产图像处理软件从研制走向了商品化，并占有一定的市场份额，如 phot
9、omapper 等。在遥感应用方面，国家将遥感列入重点攻关项目和“863”工程。二. 电磁辐射与地球的光谱特征1. 电磁波谱与电磁辐射（1）基本概念1）波：振动的传播。如：水波、声波、地震波等。2）机械波：振动的是弹性介质中的位移矢量。3）电磁波：电磁振源产生的电磁振荡在空间中的传播。4）电磁波的特点不需要传播介质电磁波是横波，在真空中以光速传播满足波粒二象性波长与频率成反比，且两者之积为光速：f=c。传播遇到气体、固体、液体介质时，会发生反射、投射、折射、吸收等现象。5）电磁波谱：按照电磁波波长的长短，依次排列成的图表称为电磁波谱。（2）电磁辐射的量度1）辐射源：任何物体都是辐射源，既能吸收
10、其它物体的辐射，也能向外辐射电磁波。2）辐射能量：电磁辐射的能量，单位：J（焦耳） 。3）辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量，单位：W。4）辐射通量密度：单位时间内通过表面单位面积上的辐射通量。5）辐照度：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。6）辐射出射度：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。7）辐射亮度：辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。8）黑体辐射定律普朗克公式：描述黑体辐射出射度与温度、波长等的关系斯蒂芬玻尔兹曼定律：维恩位移定律： 9）实际物体的辐射物体的发射率是温度和波长的函数，且与种类、物理状况（如粗糙度、颜色等）等有关。按照发射率和波长的关系，辐射
11、源可分为：黑体： = =1灰体： =常数b2-b1，亮度范围缩小，图像被压缩。对于 a2与 a1 ，是取在图像亮度值的全部或部分，偏亮或偏暗处，均可根据对图像显示效果的需要而人为地设定。有时为了更好的调节图像的对比度，需要在一些亮度段拉伸，而在另一些亮度段压缩，这种变换称为分段线性变换。非线性变换当变换函数是非线性时，即为非线性变换。非线性变换的函数很多，常用的是指数变换和对数变换。 指数变换：其意义是在亮度值较高的部分扩大亮度间隔-属于拉伸，在亮度值较低的部分缩小亮度间隔-属于压缩，数学表达式为： cbexaa，b，c 为可调参数，可以改变指数函数曲线的形态，从而实现不同的拉伸比例。 对数变
12、换：与指数变换相反，意义是在亮度值较低的部分拉伸，而在亮度值较高的部分压缩，其数学表达式为： caxb)1lg(a，b，c 仍为可调参数，由使用者决定其值。2） 空间滤波对比度扩展的辐射增强：通过单个像元的运算从整体上改善图像的质量。空间滤波：以重点突出图像上的某些特征为目地的采用空间域中的邻域处理方法。属于几何增强处理，主要包括平滑和锐化。图像卷积运算 空间滤波是图象卷乘积运算的一种特殊应用。在空间域上对图像作局部检测的运算，以实现平滑和锐化。具体作法：选定一卷积函数（又称“模板” ，实际上是一个 MN图像） ，二维的卷积运算是在图像中使用模板来实现运算的。从图像左上角开始开一与模板同样大小
13、的活动窗口，图像窗口与模板像元的亮度值对应相乘再相加。假定模板大小为 M*N，窗口为 (m,n)，模板为 t(m，n)，则模板运算为:MmNnnmtjir1),(,),(平滑图像中某些亮度变化过大的区域，或出现不该有的亮点（“噪声” ） ，采用平滑的方法减小变化，使亮度平缓或去掉不必要的“噪声”点。具体方法有： 均值平滑是将每个像元在以其为中心的区域内取平均值来代替该像元值，以达到去掉尖锐“噪声”和平滑图像的目地。区域范围取作 MN时，求均值公式为：MmNnjir1),(),(具体计算时常用的 33的模板作卷积运算，其模板为： 91),(nt 中值滤波是将每个像元在以其为中心的邻域内取中间亮度
14、值来代替该像元值，以达到去尖锐“噪声”和平滑图像目的的。 锐化（边界增强）为了突出图像的边缘、线状目标或某些亮度变化率大的部分，可采用锐化方法。锐化后的图像已不再具有原遥感图像的特征而成为边缘图像。常用几种： 罗伯特梯度 索伯尔梯度 拉普拉斯算法 定向检测3） 彩色变换不同的彩色变换可大大增强图像的可读性，常用的三种彩色变换方法。单波段彩色变换多波段彩色变换HSI变换单波段彩色变换（密度分割）单波段黑白遥感图像按亮度分层，对每层赋予不同的色彩，使之成为一幅彩色图像。即按图像的密度进行分层，每一层所包含的亮度值范围可以不同。多波段彩色变换加色法彩色合成原理-选择遥感影像的某三个波段-分别赋予红、
15、绿、蓝三种原色-合成彩色影像。真彩色合成假彩色合成多波段影像合成时，方案的选择决定彩色影像能否显示较丰富的地物信息,或突出某一方面的信息。HSI 变换HSI代表色调、饱和度和明度（hue，saturation,intensity） 。色彩模式可以用近似的颜色立体来定量化。颜色立体曲线锥形改成上下两个六面金字塔状。4） 图象运算两幅或多幅单波段影像，完成空间配准后，通过一系列运算，可以实现图像增强，提取某些信息或去掉某些不必要信息。 差值运算 比值运算差值运算即两幅同样行、列数的图像，对应像元的亮度值相减。两个波段相减,反射率差值大的被突出来。图像的差值运算有利于目标与背景反差较小的信息提取，如
16、冰雪覆盖区，海岸带的潮汐线等。差值运算还常用于研究同一地区不同时相的动态变化。如监测森林火灾发生前后变化和计算过火面积；监测水灾发生前后的水域变化和计算受灾面积及损失；监测城市在不同年份的扩展情况及计算侵占农田的比例等。比值运算两幅同样行、列数的图像，对应像元的亮度值相除（除数不为 0）植被指数，常用算法：近红外波段红波段或（近红外-红）/(近红外+红）5） 多光谱变换多光谱变换通过函数变换，达到保留主要信息，降低数据量；增强或提取有用信息的目的。其变换的本质：对遥感图像实行线性变换，使多光谱空间的坐标系按一定规律进行旋转。6. 多源信息复合1）信息复合的概念： 定义：信息复合指同一区域内遥感
17、信息之间或遥感信息与非遥感信息之间的匹配复合。 内容：包括空间配准和内容复合 目的：突出有用的专题信息，消除或抑制无关的信息，改善目标识别的图像环境。 多种遥感信息各具有一定的空间分辨率、波谱分辨率与时间分辨率 信息复合:非多种信息源简单叠加，而是可得到原来几种单个信息所不能提供的新信息2）信息复合的发展 同种遥感信息多波段、多时相的信息复合 不同类型遥感数据的复合 遥感与非遥感信息的复合3）遥感信息的复合遥感信息复合包括:不同传感器的遥感数据和不同时相的遥感数据 复合方式的确定：根据目标空间分布、光谱反射特性及时相规律方面的特征选择不同的遥感图像；在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率方面相互
18、补充不同传感器的遥感数据复合复合步骤： 配准先完成配准,使两幅图像所对应的地物吻合，分辨率一致。 复合彩色合成方法的效果比较明显应尽可能生成三幅新图像，分别赋予红、绿、蓝色，进行彩色合成不同时相的遥感数据复合步骤： 配准： 直方图调整：图像亮度值趋于协调，便于比较。 复合：用来研究时间变化所引起的各种动态变化。采用的复合方法主要有： 彩色合成方法 差值方法 比值方法五. 遥感图像目视解译原理1. 遥感图像目视解译原理遥感图像解译（Imagery Interpretation）:是从遥感图像上获取目标地物信息的过程： 目视解译： 计算机解译：即遥感图像理解（ Remote Sensing Ima
19、gery Understanding）1）遥感图像目标地物的识别特征目标地物特征： 色：颜色，色调、颜色和阴影等； 形：形状，形状、纹理、大小、图型； 位：空间位置，目标地物分布的空间位置、相关布局等；目标地物识别特征 色调（tone）：全色遥感图像中从白到黑的密度比例叫色调（也叫灰度） 。如海滩的砂砾色调标志是识别目标地物的基本依据，依据色调标志，可以区分出目标地物。 颜色（colour）：是彩色遥感图像中目标地物识别的基本标志。日常生活中目标地物的颜色:遥感图像中目标地物的颜色:地物在不同波段中反射或发射电磁辐射能量差异的综合反映。彩色遥感图像上的颜色:真假彩色 真彩色图像上地物颜色能真实
20、反映实际地物颜色特征，符合人的认知习惯。 目视判读前, 需了解图像采用哪些波段合成，每个波段分别被赋予何种颜色。 阴影（shadow）：遥感图像上光束被地物遮挡而产生的地物的影子 根据阴影形状、大小可判读物体的性质或高度。不同遥感影像中阴影的解译是不同的 形状（shape）：目标地物在遥感图像上呈现的外部轮廓。 遥感图像上目标地物形状 :顶视平面图 解译时须考虑遥感图像的成像方式。 纹理（texture）：内部结构，指遥感图像中目标地物内部色调有规则变化造成的影像结构。如航空像片上农田呈现的条带状纹理。纹理可以作为区别地物属性的重要依据。等等。2）目视解译的认知过程遥感图像的认知过程包括： 自
21、下向上的信息获取、特征提取与识别证据积累过程 自上向下的特征匹配、提出假设与目标辨识过程。自下而上过程：图像信息获取 特征提取 识别证据选取自上而下过程：特征匹配：指人脑利用记忆存储中的地物类型模式与地物特征匹配的过程。地物类型模式与目标地物全局特征进行相似性测量，判别其相容性或不相容性。2. 遥感图像目视解译基础1）遥感摄影像片的判读常见的遥感扫描影像类型： MSS 影像：多光谱扫描仪； TM 图像：为专题绘图仪获取的图像； SPOT 图像：具有较高的地面分辨率； 资源一号卫星 CBERS 影像摄影像片的特点遥感摄影像片绝大部分为大中比例尺像片遥感摄影像片绝大部分采用中心投影方式成像从航空像
22、片上看到的是地物的顶部轮廓摄影像片的解译标志解译标志（又称判读标志）:解译标志分为直接判读标志和间接解译标志。 直接判读标志指能够直接反映和表现目标地物信息的遥感图像的各种特征包括遥感摄影像片的色调、色彩、大小、形状、阴影、纹理、图型。 间接解译标志指能够间接反映和表现目标地物信息的遥感图像的各种特征，借助它可以推断与某地物属性相关的其他现象。遥感摄影像片上常用到的间接解译标志：目标地物与其相关指示特征：地物与环境的关系：目标地物与成像时间的关系：2） 遥感扫描影像的判读遥感扫描影像特征 宏观综合概括性强： 信息量丰富： 动态观测：扫描影像的判读遵循原则： “先图外、后图内” “先整体，后局部
23、” “勤对比，多分析”遥感扫描影像的主要解译方法1. 目视解译方法:指根据遥感影像目视解译标志和解译经验，识别目标地物的办法与技巧。 (1)直接判读法根据遥感影像目视判读直接标志，直接确定目标地物属性与范围的一种方法。 (2)对比分析法包括同类地物对比分析法、空间对比分析法和时相动态对比法。 同类地物对比分析法:在同一景遥感影像上，由已知地物推出未知目标地物的方法。 空间对比分析法:由已知熟悉影像区域为依据判读未知区域影像的一种方法。 时相动态对比法:利用同一地区不同时间成像的遥感影像加以对比分析，了解同一目标地物动态变化。 (3)信息复合法利用透明专题图或地形图与遥感图像重合，根据专题图或地
24、形图提供的多种辅助信息，识别遥感图像上目标地物的方法。 (4)综合推理法综合考虑遥感图像多种解译特征，结合生活常识，分析、推断某种目标地物的方法。 (5)地理相关分析法根据地理环境中各种地理要素之间的相互依存，相互制约的关系，借助专业知识，分析推断某种地理要素性质、类型、状况与分布的方法。3）目视解译步骤 目视解译准备工作阶段明确解译任务与要求；收集与分析有关资料；选择合适波段与恰当时相的遥感影像。 初步解译与判读区的野外考察 室内详细判读 野外验证与补判 目视解译成果的转绘与制图六. 遥感数字图像计算机解译1. 遥感数字图像的计算机（自动识别）分类遥感图像计算机解译的主要目地是将遥感图像的地
25、学信息获取发展为计算机支持下的遥感图像智能化识别，其最终目地是实现遥感图像理解。其基础工作就是遥感数字图像的分类。遥感图像的计算机分类方法包括监督分类和非监督分类。 监督分类：事先有类别的先验知识，根据先验知识选择训练样本，由训练样本得到分类准则。监督分类中常用的具体分类方法包括：最小距离分类法：classifier）：用特征空间中的距离表示像元数据和分类类别特征的相似程度，在距离最小时（相似度最大）的类别上对像元数据进行分类的方法。多级切割分类法：根据设定在各轴上的值域,分割多维特征空间的分类方法。特征曲线窗口法：特征曲线：地物光谱特征参数构成的曲线。以特征曲线为中心取一个条带，构造一个窗口
26、，凡是落在此窗口范围内的地物即被认为是一类，反之则不属于该类。最大似然比分类法：求出像元数据对于各类别的似然度（likelihood） ，把该像元分到似然度最大的类别中去的方法。 非监督分类：事先没有类别的先验知识，纯粹根据图像数据的统计特征和点群分布情况，根据相似性程度自动进行归类，最后再确定每一类的地理属性。非监督分类的常用方法：分级集群法：分级集群法采用“距离”评价每个像元在空间分布的相似程度，把它们的分布分割或者合并成不同的集群。每个集群的地理意义需要根据地面调查或者与已知类型的数据比较后方可确定。动态聚类法：在初始状态给出图像粗糙的分类，然后基于一定原则在类别间重新组合样本，直到分类
27、比较合理为止，这种聚类方法就是动态聚类。2. 智能化识别分类的发展趋势1)提取遥感图像多种特征并综合利用这些特征进行识别。提取稳定、有效的特征是提高遥感图像自动解译精度的关键。遥感图像特征:图像色调、颜色、形状、大小、纹理、图型、阴影、位置和相关布局。2）利用 GIS数据减少自动解译中的不确定性GIS专题数据库可以在计算机自动解译中发挥以下重要作用： 对遥感图像进行辐射改正，消除或降低地形差异的影响 作为解译的直接证据，增加遥感图像的信息量 作为解译的辅助证据，减少自动解译中的不确定性 作为解译结果的检验数据，降低误判率3）建立适用于遥感图像自动解译的专家系统，提高自动解译的灵活性从目前状况看
28、，建立适用于遥感图像自动解译的专家系统，需要从以下方面开展工作： 建立解译知识库和背景知识库。 根据遥感图像解译的特点来构造专家系统。4）模式识别与专家系统相结合专家系统和模式识别方法相结合，可以发挥图像解译专家知识的指导作用，在一定程度上为模式识别提供经验性的知识，又可以利用数字遥感图像本身提供的特征，有助于提高计算机解译的灵活性。概括说来，遥感图像计算机解译具有探索性强，涉及的技术领域广，技术难度大等特点，需要采用模式识别、遥感图像处理、地理信息系统与人工智能（包括专家系统和人工神经网络）等多种技术综合研究。七. 遥感技术应用1. 资源调查与管理1）水体遥感水体遥感主要任务:通过遥感影像分
29、析,获得水体的分布、泥沙、有机质等状况和水深、水温等要素的信息，对一个地区的水资源和水环境等作出评价，为水利、交通、航运及资源环境等部门提供决策服务。水体光谱特性遥感器所接收到的辐射:水面反射光、悬浮物反射光、水底反射光和天空散射光。水体界限确定水体反射率总体较低（4%5%） ，并随波长的增大逐渐降低，0.6um 处约 2%3%，过了0.75um，水体几乎成为全吸收体。在近红外的遥感影像:清澈的水体呈黑色。区分水陆界线，应选择近红外波段的影像。水体悬浮物的确定-泥沙 浑浊水体的反射波谱曲线整体高于清水随着悬浮泥沙浓度的增加，差别加大； 波谱反射峰值向长波方向移动（“红移” ） 。清水 0.75
30、um反射率接近零，而含有泥沙的浑浊水 0.93um反射率才接近于零；水体悬浮物的确定叶绿素 水体叶绿素浓度增加，蓝光波段的反射率下降，绿光波段的反射率增高； 水面叶绿素和浮游生物浓度高时，近红外波段仍存在一定的反射率，该波段影像中水体不呈黑色，而呈灰色甚至浅灰色2）植被遥感在高分辨率遥感影像上，不仅可以利用植物的光谱来区分植被类型，而且可以直接看到植物顶部和部分侧面的形状、阴影、群落结构等，可比较直接地确定乔木、灌木、草地等类型，还可以分出次一级的类型。健康的绿色植物具有典型的光谱特征。植物生长状况发生变化，波谱曲线形态也会改变。3）土壤遥感通过遥感影像的解译，识别和划分出土壤类型，制作土壤图，分析土壤的分布规律，为改良土壤、合理利用土壤服务。在地面植被稀少情况下，土壤的反射曲线与其机械组成和颜色密切相关。颜色浅的土壤具有较高的反射率，颜色较深的土壤反射率较低。在干燥条件下同样物质组成的细颗粒的土壤，表面平滑且具有较高反射率，而较粗的颗粒具有相对较低的反射率。土壤水的含量增加，会使反射率曲线平移下降，并有两个明显的水分吸收谷。当土壤水超过最大毛管持水量时，土壤的反射光谱不再降低。
