1、1,遥感地质学,资源学院数地所 张洁,2,参考资料,3,主要内容,4,1 遥感图像处理,遥感地质学研究方法 遥感物理基础 遥感图像类型与特性 遥感图像处理方法,5,1.1 研究方法,遥感地质学使用的方法，涉及地物波谱测试方法、数理统计、模拟试验、模式识别、数字图像处理、GIS、GPS及地学（包括地质、地理、地貌，地图学等）的有关研究分析方法等。,图 1 .1 遥感地质工作流程图,7,1.2 遥感物理基础,电磁波谱与电磁辐射 太阳辐射及大气对辐射的影响 地球的辐射与地物波谱,8,一 电磁波谱与电磁辐射,1 电磁波 电磁波是指在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。当电磁振荡进入空间
2、时，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射. 在真空以光速传播 电磁辐射具有波粒二象性,9,一 电磁波谱与电磁辐射,2 电磁波谱按照电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减排列形成的一个连续谱带（图1.2)。电磁波的波段从波长短的一侧开始，依次为：射线X射线紫外线可见光红外线无线电波。,图 1.2 电磁波谱,11,2.电磁波谱目前，遥感所使用的电磁波的波段有： 紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m以下。 可见光：波长范围为0.380.76m，人眼
3、对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。 红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。 微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。,一 电磁波谱与电磁辐射,12,一 电磁波谱与电磁辐射,3 电磁辐射的度量 辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J 辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dw/dt，单位是w 辐射通量密度（E）：单位时间通过单位面积上的辐射能量，E=d /ds，单位：w/m2，S为面积 辐照度（I）：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量，I=E=d /ds，单位：w/m2，S为面积 辐射出射度（M ）：辐
4、射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=E=d /ds，单位：w/m2，S为面积 辐射亮度(L): 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。,13,一 电磁波谱与电磁辐射,4 绝对黑体及辐射规律 对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。 黑体吸收系数（，T）=100% 黑体反射系数（，T）=0% 普朗克公式 斯忒藩-玻尔兹曼定律 维恩位移定律 自然界中黑体辐射是不存在，一般地物辐射能量总要比黑体辐射能量小。如果利用黑体辐射有关公式，则需要增加一个因子，那就是发射率（比辐射率）。 依据发射率与波长的关系，将地物分为三种类型：黑体、灰体、选择性发射体。,14,二 太阳辐射及大气对辐射的影
5、响,太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光。 1 太阳辐射太阳的光谱通常指光球产生的光谱，光球发射的能量集中在可见光波段（图1.3)。,图1.3 太阳辐照度分布曲线,15,二 太阳辐射及大气对辐射的影响,2 大气对辐射的影响,16,二 太阳辐射及大气对辐射的影响,3 大气窗口 电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。,17,三 地球的辐射与地物波谱,图1.5 太阳与地表辐射的电磁波谱,18,三 地球的辐射与地物波谱,1 地球的辐射源 在0.32.5m波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。即在该波段范围内，对地观测遥感
6、主要以太阳的短波辐射对地表进行探测和成像。 在2.56.0m波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。 在6.0m以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。,19,三 地球的辐射与地物波谱,2 地物波谱 地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。 地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。 地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。 不同电磁波段中地物波谱特性 地物反射波谱：是研究可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规
7、律。,可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸收作用。 热红外波段：主要表现地物热辐射作用。 微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。,地物反射波谱曲线除随不同地物(反射率)不同外，同种地物在不同内部结构和外部条件下形态表现(反射率)也不同。一般来说，地物反射率随波长变化有规律可循，从而为遥感影像的判读提供依据。,20,植物的光谱曲线,叶片色素,细胞结构,含水量,控制叶片反射率的主要因素,主要吸收带,21,不同植被类型的光谱曲线比较,22,三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线,23,叶绿素含量不同时水体的光谱曲线,24,岩石的光谱曲线,25,1.3 遥感图像类
8、型与特性,遥感平台 摄影成像 扫描成像 微波遥感与成像 遥感图像的特征,26,一 遥感平台,遥感平台（platform）是搭载传感器的工具。 根据运载工具的类型划分： 航天平台 150km以上 卫星、宇宙飞船 航空平台 100m至十余 公里飞机、飞船、气球 地面平台 050m 车、船、塔,27,二 摄影成像,定义：摄影是通过成像设备获取物体影像的技术。 传统摄影：依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像。 数字摄影：通过放置在焦平面的光敏元件，经光/电转换，以数字信号来记录物体的影像。 依据探测波段 近紫外摄影 可见光摄影 红外摄影 多光谱摄影,28,三 扫描成像,扫描成像是依靠探测
9、元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。 光机扫描仪 固体扫描仪 成像光谱仪,总 结,30,四 微波遥感与成像,侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面，发射一个窄的波束，覆盖地面上这一侧面的一个条带，然后接收在这一条带上地物的反射波，从而形成一个图像带。随着飞行器前进，不断地发射这种脉冲波束，又不断地接收回波，从而形成一幅一幅的雷达图像。 雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。 合成孔径雷达与侧视雷达类似
10、，也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元，每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。 目的：提高图象在飞行方向的分辨率。,地形畸变,透视收缩（foreshortening）： 山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往往表现为较高的亮度； 坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。 叠掩(Layover)： 当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的情况，因此，在图象的距离方向，山顶和山底的相对位置颠倒； 收缩度：坡顶的收缩度比坡底大 阴影(Shadow)： 当后坡坡度较大，
11、雷达波束不能到达后坡坡面时，没有回波信号产生，图象上出现暗区,32,五 遥感图像的特征,将遥感图像归纳为三个方面的特征： 几何特征 物理特征 时间特征 这个三方面特征的表现参数即为： 空间分辨率 光谱分辨率 辐射分辨率 时间分辨辨,33,1.4 遥感图像处理,遥感技术的目的是为了获得地物的几何属性和物理属性。原始的遥感图像并不能提供实现这个目的所需的准确而完备的条件。 为了实现这个目的，原始遥感影像需要经过图像处理，来消除成像过程中的误差，改善图像质量。 遥感图像处理包括以下几个阶段： 图像的校正（预处理） 图像的变换 图像的增强 图像的分类 所采用的手段有：光学图像处理和数字图像处理两种方法
12、。,34,1 光学图像处理,较成熟的遥感图像光学处理方法： 假彩色密度分割 光学彩色合成 反差增强 边缘增强 比值增强 影像相减(差值法) 光学变换处理(低、高、带通滤波、方向滤波),为了突出某一密度等级的色调（或相应地物），将图像（或影像）的色调密度分划成若干个等级，并用不同的颜色分别表示这不同的密度等级，得到一幅彩色的等密度分割图像。这一技术过程就叫作密度分割处理，或简称密度分割。,适用于轮廓简单、背景单调、目标特性与影像密度有明确对应关系的地面景况的分析判读。,35,2 数字图像处理,图像校正 图像增强 图像融合 图像分类,依据数字图像数学特征，构造各种数学模型和相应的算法，由计算机进行
13、运算(矩阵变换) 处理，获得更有利于实际应用的输出图像及有关数据和资料。,36,图像校正,图像校正是指从具有畸变的图像中消除畸变的处理过程。消除辐射量失真的叫辐射量校正，消除几何畸变的叫几何校正。,辐射校正,由于传感器响应特性和大气的吸收、散射及其它随机因素影响，导致图象模糊失真，造成图象分辨率和对比度相对下降。这些都需要通过辐射校正复原.包括： 系统辐射校正、大气校正,几何校正 校正遥感图像成像过程中所造成的各种几何畸变称为几何校正。,公式法、回归分析法、直方图校正法,最邻近法、双线性内插法、三次卷积法,37,图像增强,数字图像增强的目的是提高图像质量和突出所需要信息，有利于分析判断。 数字
14、图像增强处理方法主要有：对比度增强（灰度增强）、空间滤波、彩色变换、图像运算和多光谱变换。,图像的差值运算有利于目标与背景反差较小的信息提取: 如冰雪覆盖区 黄土高原区的界线特征 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的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。 有时为了突出边缘，也用差值法将两幅图像的行、列各移一位，再与原图像相减，也可起到几何增强的作用。,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)就是比值运算 比值运算可以检测波段
15、的斜率信息并加以扩展，以突出不同波段间地物光谱的差异，提高对比度。,差值运算,比值运算能扩大不同地物之间的微小差异，有利于岩石、土壤等波谱差异不太明显的地物的区分，也可用于植被类型和分布的研究 铁帽与植被在单波段上不易区分，而通过MSS5/4、MSS7/5的二维比值分析，就可以明显区分出来。 突出遥感影像中的植被特征、提取植被类别或估算植被生物量，常用的植被指数（NDVI）算法 近红外波段红波段 (近红外-红)(近红外+红),B5/B4,B7/B5,铁帽,植被,比值运算,消除或减弱地形等环境因素的影响，如阳坡和阴坡有不同的亮度，但在MSS4/5，TM1/2上，比值却非常接近，因此消除了地形的影
16、响。,TM1 TM2 TM1/2,比值运算,提取与找矿有关的专题信息。 如黏土矿物在2.2um附近存在强吸收，故TM7为低亮度，而TM5仍为高亮度，因此TM5/7常提取与黏土化有关的矿化信息； 0.48um是铁离子电荷强烈吸收的位置，故TM5/1可提取与铁矿物有关的信息。,TM3/1 可用于识别褐铁矿； TM5/4 用于识别有无植被覆盖的土壤和岩石； TM2/3 用于识别绿色植被； TM5/7 用于识别含羟基矿物、水和硫酸盐和碳酸盐； TM7/4 用于区分不同种类的特征矿物； TM3/4 用于识别植被的常用波段。,42,图像融合,遥感图像信息融合(Fusion)是将多源遥感数据在统一的地理坐标系中，采用一定的算法生成一组新的信息或合成图像的过程。 不同的遥感数据具有不同的空间分辨率、波谱分辨率和时相分辨率，如果能将它们各自的优势综合起来，可以弥补单一图像上信息的不足，这样不仅扩大了各自信息的应用范围，而且大大提高了遥感影像分析的精度。 数据融合的概念始于70年代。数据融合的发展在一定程度上解决了多种数据源综合分析的问题不同传感器的遥感数据复合 遥感影像与非遥感数据融合,43,图像分类,图象分类过程的总目标是，将图象中所有的像元自动地进行土地覆盖类型或土地覆盖专题等方面的分类。 原理 分类方法,
