地圖制圖學(xué)第六章 遙感制圖

1、第六章.遙感制圖§6.1 遙感概述§6.2 遙感信息的制圖應(yīng)用§6.3 衛(wèi)星影像圖和衛(wèi)星影像地圖 §6.4 從影像生成專題地圖§6.5 遙感系列制圖遙感制圖 是指,利用航空或航天遙感圖像資料制 作或更新地圖的技術(shù)。遙感制圖具體成果包括 遙感影像地圖 和 遙感專 題地圖 。遙感影像因 現(xiàn)勢性強(qiáng) ,可作為新編地形圖的 重要 信息來源 。隨著 遙感技術(shù) 的興起,使傳統(tǒng)的地圖編制理論與方法發(fā) 生了 深刻的變革 。因為遙感技術(shù)不僅可以通過 多平臺 、 多波 段 、 多時相 的 信息源 , 快速、真實地 提供了豐富的 制圖信息 ,同時也使 地圖制圖工藝 發(fā)

2、生了根本性的變化,打破了以往 傳統(tǒng)制圖只能由 較大比例尺 的編圖資料,縮編成 較小比例尺 地圖的老方法,從而可以利用 小比例尺的遙感影像資料 編制 較大比例尺的地圖 。遙感技術(shù)在地圖學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,也大大縮短了 地圖的成圖 周期?？焖佾@取的 遙感信息 及遙感影像的 自動分類 ,在 地理信息 系統(tǒng) 的支持下,與 計算機(jī)輔助制圖技術(shù) 相銜接,使專題制圖 展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)實現(xiàn) 遙感系統(tǒng)(remote sensing 、 空間定位系統(tǒng)(GPS 與 地理信息系統(tǒng)(GIS 的有效結(jié) 合時,將使地圖編制由傳統(tǒng)的手工方式完全跨入真正的自動 化成圖的新階段。§6.1 遙感概述遙感(Remote

3、Sensing ,它的含義就是 遙遠(yuǎn)的感知 ,即通 過 非直接接觸目標(biāo) 的方式,而能獲取 被探測目標(biāo)的信息 ,并 能通過 識別與分類 ,了解該目標(biāo)的 質(zhì)量、數(shù)量、空間分布及 其動態(tài)變化的有關(guān)特征 。遙感技術(shù)是指從地面到高空對地球和天體進(jìn)行觀測的各種綜 合技術(shù)總稱,由 遙感平臺 、 傳感儀器 、 信息接收、處理、應(yīng) 用 等部分組成。遙感平臺主要有 飛機(jī) 、 人造衛(wèi)星 和 載人飛船 。傳感儀器由 可見光、紅外、紫外攝像機(jī),紅外、多譜段掃 描儀,微波輻射、散射計,側(cè)視雷達(dá),專題成像儀,成像 光譜儀 等,并且在不斷向 多譜段 、 多極化高分辨率和微型 化方向 發(fā)展。各種傳感儀器將記錄到的 數(shù)字 或 圖

4、像信息 ,通過 校正、變 換分解、組合 等 光學(xué)圖像處理 或 數(shù)字圖像處理 后,以 膠片 、圖像 或 數(shù)字磁帶 等方式提供給用戶。用戶在進(jìn)行 分析判讀 或在 地理信息系統(tǒng) 和 專家系統(tǒng) 支持下 ,制成 專題地圖 或 統(tǒng)計圖表 ,為資源與環(huán)境的 調(diào)查 和 動態(tài) 監(jiān)測 ,以及 軍事偵察 等提供 信息服務(wù) 。遙感技術(shù)經(jīng)過幾十年時間,就迅速發(fā)展成為一種應(yīng)用范圍極 廣的綜合性的探測技術(shù),其根本原因在于它所提供的信息大 大擴(kuò)大了人們的視野范圍和感知能力。遙感信息的主要特點可以概括為以下幾個方面:Ø(1宏觀性和綜合性 從航空或航天飛行器所獲得的遙感 影像,可真實、客觀地觀察到更加廣闊的地域空間和地

5、物。 了解其分布特征、相互聯(lián)系和規(guī)律。Ø(2多波段性 遙感儀器以可見光到微波的各個不同波段 去探測和記錄信息,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們?nèi)庋鬯芨惺艿牟ㄗV范 圍。Ø(3多時相性 遙感衛(wèi)星以比較短的時間間隔,對地球表 面進(jìn)行重復(fù)探測,因此可以得到同一地區(qū)的多時相信息。由于遙感技術(shù)的以上特點,因此在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的諸多領(lǐng)域:如土地資源、土壤含水量、土壤鹽化、土地沙化、農(nóng)作物估產(chǎn) 的調(diào)查中;在普通地質(zhì)、工程地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)研究和地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中; 在旱情、洪水、滑坡、泥石流、農(nóng)林病蟲害、森林火災(zāi)等災(zāi)害 監(jiān)測和預(yù)測方面;可提供 及時、可靠的科學(xué)依據(jù) ,并取得了 許多重要成果 。 尤其值得提出的是:遙

6、感在監(jiān)測預(yù)報 1998年長江、嫩江、松花 江的特大洪水中 ,發(fā)揮了巨大的作用。此外,在城市的生態(tài)環(huán)境保護(hù)、綠地覆蓋調(diào)查、區(qū)域分析與規(guī) 劃、水體的污染監(jiān)測、大氣組成成分的變化監(jiān)測(二氧化碳、 臭氧、氣象現(xiàn)象的分析與預(yù)報等領(lǐng)域遙感技術(shù)也得到了廣泛 的應(yīng)用。§6.2 遙感信息的制圖應(yīng)用遙感信息在各個應(yīng)用領(lǐng)域中,圖形的生成和輸出是非常 重要的方面。許多專題內(nèi)容的調(diào)查、監(jiān)測和預(yù)測的結(jié)果都要表現(xiàn)在地 圖上。陳述彭院士 等在20世紀(jì)90年代初提交的報告資源衛(wèi)星 應(yīng)用系統(tǒng)及其智能化中,曾論述了整體衛(wèi)星技術(shù)系統(tǒng)與制 圖工作的關(guān)系和聯(lián)系。如圖6-1所示。 圖6-1 資源衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)信息流程(黑體字顯示與

7、制圖有密切聯(lián)系的過程編制地圖,必須要有 空間數(shù)據(jù) ,也就是地圖的 信息源 ,而遙 感信息的判讀與制圖的目的,就是要從遙感圖像上將經(jīng)過 概 括化 了的 地面信息提取出來 ,并將其 典型特征 用 地圖符號 表 示在 二維平面 上,以供人們?nèi)フJ(rèn)識和識別圖上所顯示的 離散 化、特征化了的信息 。1、主要信息源截至目前世界各國已經(jīng)發(fā)射的遙感衛(wèi)星有 數(shù)十種 之多,例 如美國的陸地衛(wèi)星(Landsat 、氣象衛(wèi)星 (NOAA、海洋衛(wèi) 星 (Seasat,法國的 SPOT 衛(wèi)星,日本的 MOS 衛(wèi)星、 JERS 衛(wèi) 星、 ADES 衛(wèi)星,歐空局的 ERS 衛(wèi)星和印度的 IRS 衛(wèi)星等。 我國目前經(jīng)常使用的 信

8、息源 主要有美國的 Landsat-TM 、 NOAA-AVHRR 和法國的 SPOT-HRV ,如表 6-1所示。表6-1 主要衛(wèi)星數(shù)據(jù) 2、空間分辨率及制圖比例尺的選擇空間分辨率 即 地面分辨率 ,指遙感儀器所能 分辨的最小目 標(biāo)的實地尺寸 ,也就是遙感圖像上一個像元所對應(yīng)地面范圍 的大小。例如 Landsat-TM 的一個像元,對應(yīng)的地面范圍是 30m*30m。由于 遙感制圖 是利用 遙感圖像 來 提取專題制圖信息 的, 因此在選擇遙感圖像 空間分辨率 時要考慮以下兩點要素:(1判讀目標(biāo)的最小尺寸;(2地圖成圖比例尺。所謂 判讀目標(biāo) 就是專題制圖的 制圖對象 ,對空間不同規(guī) 模的制圖對象

9、的判讀與識別,在遙感圖像的空間分辨率方面 都有相應(yīng)的要求,如表 6-2所示。表6-2 不同規(guī)模的環(huán)境特征對地面分辨率的要求 遙感圖像的 空間分辨率 與 地圖比例尺 有密切關(guān)系:空間分辨率越高(像元對應(yīng)的地面尺寸愈小、圖像 可放大的倍數(shù)越大,地圖的成圖比例尺也越大。圖像需要放大是倍數(shù),應(yīng)以能否繼續(xù)提供更多的 有用信息為標(biāo)志。根據(jù)這一指標(biāo)所確定的最大放大倍 數(shù),稱為這種圖像的放大極限。3、波普分辨率與波段選擇波普分辨率,是由 傳感器 所使用的波段數(shù)目,也就是選 擇的 通道數(shù) ,以及波段的 波長 和 寬度 所決定。各遙感器波普分辨率在設(shè)計時,都是有針對性的,多波 段的傳感器提供了空間環(huán)境不同的信息。

10、以 TM 為例:ØTM1藍(lán)波段:對葉綠素和夜色素濃度敏感,用于區(qū)分土壤 與植被、落葉林與針葉林、近海水域制圖。ØTM2綠波段:對無病害植物葉綠素反射敏感ØTM3紅波段:對葉綠素吸收敏感,用于區(qū)分植物種類。 ØTM4近紅外波段:對無病害植物近紅外反射敏感,用于生 物量測定及水域判別。ØTM5中紅外波段:對植物含水量和云的不同反射敏感,可 判斷含水量和雪、云。ØTM6遠(yuǎn)紅外波段:作溫度圖,植物熱強(qiáng)度測量 。4、時間分辨率與時相的選擇時間分辨率 是指對同一地區(qū)遙感影像 重復(fù)覆蓋 的頻率。 由于遙感圖像信息的時間分辨率差異較大,因此,用遙 感

11、制圖的方式反映某種制圖對象的動態(tài)變化時,不僅要搞清 這種制圖對象本身變化的 時間間隔 或 變化周期 ,同時還要了 解有沒有與之相對應(yīng)的 遙感信息源 。同時還應(yīng)該看到, 時間分辨率 和 時相 的選擇,二者之間 存在著 非常密切 的關(guān)系。只有具有 較多種類 的 時間分辨率 的 遙感信息,才能比較容易的挑選出滿足要求的 理想時相 ,不 會因為諸如氣象等因素的影響而得不到所要求的時相信息。根據(jù)遙感制圖的任務(wù)要求,確定了遙感信息源之后,還必須 對所獲得的原始遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,才能進(jìn)一步利用。 1、遙感圖像的糾正處理人造衛(wèi)星在運行過程中,由于飛行姿態(tài)和飛行軌道、飛 行高度的變化以及傳感器本身誤差的影響

12、等,常常會引起衛(wèi)星 遙感圖像的幾何畸變,因此,把遙感數(shù)據(jù)提供給編制專題圖之 前,必須經(jīng)過糾正處理,包括粗處理和精處理。2、遙感圖像的增強(qiáng)處理在進(jìn)行遙感圖像判讀之前,要進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理,包括 光學(xué)圖像增強(qiáng)處理 和 數(shù)字圖像增強(qiáng)處理 。光學(xué)圖像增強(qiáng)處理 主要是為了加大不同地物影像的密度差。常 用的方法有假彩色合成、等密度分割、圖像相關(guān)掩膜。數(shù)字圖像增強(qiáng)處理 的主要特點是借助計算機(jī)來加大圖像的密度 差,常用的方法有反差增強(qiáng)、邊緣增強(qiáng)、空間濾波等。1. 目視判讀是用 肉眼 或 借助簡單判讀儀器 ,運用 各種判讀標(biāo)志 ,觀察遙 感圖像的各種 影像特征和差異 ,經(jīng)過 綜合分析 ,最終提取出 判讀結(jié)論。(1

13、 常用方法 有直接判定法、對比分析法和邏輯推理法 直接判定法,是通過色調(diào)、形態(tài)、組合特征等直接判讀標(biāo) 志,判定和識別地物。對比分析法是采用不同波段、不同時相的遙感圖像,各種地 物的波普測試數(shù)據(jù),及其他有關(guān)的地面調(diào)查資料,進(jìn)行對比 分析,將原來不易區(qū)分的地物區(qū)別開來。邏輯推理法,是專業(yè)判讀人員利用專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗,應(yīng) 用地學(xué)規(guī)律進(jìn)行相關(guān)分析,將潛在專題信息提取出來。 (2 工作程序 包括判讀前的準(zhǔn)備工作,建立判讀標(biāo)志, 室內(nèi)判讀及野外驗證 。2. 計算機(jī)自動識別與分類是利用遙感數(shù)字圖像信息,由 計算機(jī)進(jìn)行自動識別 與 分類 ,從而提取專題信息的方法。計算機(jī)自動識別,又稱 模式識別 ,是將經(jīng)過精

14、處理的 遙感圖像數(shù)據(jù),根據(jù) 計算機(jī)研究 獲得的 圖像特征 進(jìn)行的處理。 具體處理方法有:Ø統(tǒng)計概率法 是根據(jù)物體的光譜特征進(jìn)行自動識別;Ø語言結(jié)構(gòu)法 是根據(jù)物體的圖形進(jìn)行識別;Ø模糊數(shù)字法 是根據(jù)物體最明顯的本質(zhì)特征進(jìn)行識別。Ø計算機(jī)自動分類 ,可分為 監(jiān)督分類 和 非監(jiān)督分類 兩種。Ø監(jiān)督分類 ,是根據(jù) 已知試驗樣本 提出的 特征參數(shù) 建立 判讀函數(shù) ,對各 待分類點進(jìn)行分類的方法。Ø非監(jiān)督分類,是 事先并不知道待分類點的特征 ,而是僅根據(jù)各待分點 特征參數(shù)的 統(tǒng)計特征 ,建立 決策規(guī)則 并進(jìn)行分類的一種方法。計算機(jī)自動識別與分類結(jié)

15、束后,應(yīng)該采取 抽樣方法 進(jìn) 行 野外核實與驗證 ,進(jìn)過修改后,形成分類的圖形文件。§6.3 衛(wèi)星影像圖和衛(wèi)星影像地圖利用衛(wèi)星影像編圖,根據(jù)它的技術(shù)條件和線劃的地理要素,可分為三種:Ø衛(wèi)星影像鑲嵌圖 :不另外進(jìn)行影像的幾何糾正,將多幅影響依像幅邊框 顯示的經(jīng)緯度位置,鑲輯拼貼而成的影像圖,稱為 衛(wèi)星影像鑲嵌圖 ,其像 點誤差相對于地面控制點大于 1。在鑲嵌圖上,只注記出少量地理要素 名稱,如主要河流、主要山峰、縣市以上居民點、鐵路和主干公路的名稱 。影像鑲嵌圖的作用是提供空間位置的檢索。Ø衛(wèi)星影像圖:進(jìn)行了影像平面位置的幾何糾正和影像增強(qiáng),圖上繪制出 較全面的地理

16、要素,稱為 衛(wèi)星影像圖 。Ø衛(wèi)星影像地圖:在衛(wèi)星影像上,能夠依據(jù)數(shù)字地面模型,進(jìn)行共線方程 糾正,有詳細(xì)的地理要素的影像圖,稱為 衛(wèi)星影像圖 。衛(wèi)星影像鑲嵌圖一般由光學(xué)圖像處理產(chǎn)生,而衛(wèi)星影像圖和衛(wèi)星影 像地圖可以使用微機(jī)或工作站,配合圖像處理系統(tǒng)生成。衛(wèi)星影像圖的產(chǎn)生和編制過程如圖 7-2所示。圖 6-2 影像圖的生成§6.4 從影像生成專題地圖從遙感影像產(chǎn)生專題地圖,分為 目視解譯的專題制圖 和 計算機(jī)輔助專題制圖 兩種方法1、目視解釋的專題地圖Ø(1 影像預(yù)處理 包括遙感數(shù)據(jù)的圖像校正、圖像增強(qiáng),有時還 需要實驗室提供監(jiān)督或非監(jiān)督分類的圖像。Ø(2

17、 目視解譯 經(jīng)過建立影像判讀標(biāo)志,野外判讀,室內(nèi)解 譯,得到繪有圖斑的專題解譯原圖。Ø(3 地圖概括 按比例尺及分類的要求,進(jìn)行專題解譯原圖的 概括。專題地圖需要正規(guī)的地理底圖,所以地圖概括的同時也進(jìn)行 圖斑向地理底圖的轉(zhuǎn)繪。Ø(4 地圖整飾 在轉(zhuǎn)繪完專題圖斑的地理底圖上進(jìn)行專題地圖 的整飾工作。2、數(shù)字圖像處理的專題制圖Ø(1 影像預(yù)處理 同目視解譯類似,影響經(jīng)過圖像校正、圖像增 強(qiáng),得到供計算機(jī)分類用的遙感影像數(shù)據(jù)。Ø(2 按專題要求進(jìn)行影像分類 。Ø(3 專題類別的地圖概括 包括在預(yù)處理中消除影像的孤立點, 依成圖比例尺對圖斑尺寸的限制進(jìn)

18、行柵格影像的概括。Ø(4 圖斑的柵格 /矢量變換 。Ø(5 與地理底圖疊加,生成專題地圖。提高計算機(jī)遙感數(shù)據(jù)的專題分類精度,是遙感制圖研究 的主要問題之一。所用的方法有很多種,這兒介紹 2種基本方 法。1、統(tǒng)計模式識別Ø(1 主成分變換 是對圖像實行的線性變換。Ø(2 纓帽變換 是對圖像的又一種線性變換。Ø(3 最大似然判別 屬于監(jiān)督分類,依據(jù)遙感數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特 征,假定各類別的函數(shù)呈正態(tài)分布,按正態(tài)分布規(guī)律用最大似然判 別規(guī)則處理,得到較高正確率的分類結(jié)果。Ø(4 最小距離判別 在有先驗知識的前提下,用特征空間中訓(xùn) 練樣本的均值位置作

19、聚類中心,比較分類的對象,距離哪個類別最 近,就判為哪一類。2、以地學(xué)知識及專家系統(tǒng)分的識別Ø(1 知識獲取 以遙感原理和地學(xué)知識為基礎(chǔ),同時結(jié)合區(qū) 域特征,確定推理法則。Ø(2 整理數(shù)據(jù)流 從地形圖上利用等高線生成的數(shù)字地面模 型、坡度等數(shù)據(jù),從地籍圖、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖采集背 景數(shù)據(jù),構(gòu)成參與決策的地理輔助數(shù)據(jù)。Ø(3 建立知識庫 知識庫的構(gòu)造需要結(jié)合區(qū)域特征,不斷修 改于調(diào)試,使影像分類結(jié)果與目視解譯和野外調(diào)繪的結(jié)論趨于 一致。Ø(4 進(jìn)行知識的影像分類 先 用統(tǒng)計模式識別方法產(chǎn)生的 初始數(shù)據(jù), 再 利用知識庫內(nèi)的輔助數(shù)據(jù)和知識庫規(guī)則,進(jìn)行不

20、確定推理, 最后 逐點確定像元的所屬類別。具體如下流程:圖6-3 基于知識的圖像分類過程§6.5 遙感系列制圖系列地圖,簡單說就是在 內(nèi)容 上和 時間 上有關(guān)聯(lián)的一組地圖。 我們所說的系列地圖,是指根據(jù) 共同的制圖目的 ,利用同一 的 制圖信息源 ,按照統(tǒng)一的設(shè)計原則,成套編制的 遙感專題 地圖 。當(dāng)完成遙感圖像的專題信息提取,形成專題類型圖后,還必 須將類型界限轉(zhuǎn)繪到具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的地理底圖(線劃基 礎(chǔ)底圖上。1、地理底圖編制要點:(1選擇合適的地圖投影:中小比例尺的遙感專題制圖,所使用的遙感圖像經(jīng)過精處理之后,已協(xié)調(diào) 到指定的地圖投影上,所以地理底圖的投影和影像投影一致;大中比

21、例尺遙感專題制圖的投影統(tǒng)一選為高斯 -克呂格投影;(2選擇合適的編圖資料和地理基礎(chǔ)更新大中比例尺遙感專題制圖的地理底圖,均以相應(yīng)比例尺的地形圖作為底圖 編制的基本資料。為使地形圖上的 地理要素 與 專題影像圖 相對應(yīng)(主要是水系、其次是居民 點和交通網(wǎng),必須以 遙感影像圖像作依據(jù) , 修改 或 補(bǔ)充 地形圖上已經(jīng) 變 化了的內(nèi)容要素 如變化了的河流、湖泊的水涯線,水文網(wǎng)的形狀,以及 變化了的居民點、交通網(wǎng)的形狀和數(shù)量等。最終應(yīng)該使底圖上的要素與遙 感圖像上相對應(yīng)的內(nèi)容一致,以便轉(zhuǎn)繪專題內(nèi)容。2、地理底圖的編制程序:采用常規(guī)的方法編制地理底圖時,(1 首先 選擇制圖范圍內(nèi)相應(yīng)比例尺的地形圖,進(jìn)行

22、展 點、鑲嵌、照像,制成地圖薄膜片;(2 然后 將膜片蒙在影像圖上,用以更新地形圖的地理 要素;(3經(jīng)過地圖概括, 最后 制成供轉(zhuǎn)繪專題影像圖的地理 底圖,其比例尺與專題影響圖相同。遙感系列制圖的基本要求:1. 統(tǒng)一信息源遙感系列制圖,要求采用同一地區(qū)、相關(guān)時相、同一波段組合的遙感 圖像,作為系列制圖的信息源。只有這樣,才能為系列制圖建立相互協(xié)調(diào) 的分類指標(biāo)、分類系統(tǒng)和分類等級,提供共同的資料基礎(chǔ)。這樣做也必然 為最后的統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作,提供了一個相互都能溝通的依據(jù)。由于專題內(nèi)容的不同,判讀和識別的對象不同,對遙感圖像的波段和 時相選擇上各有不同。這完全可以根據(jù)各自的專題內(nèi)容特點及判讀識別的 具體

23、要求不同,自由選擇波段(或波段組合和時相。但必須要將判讀或 識別的結(jié)果,全部落實到各專題圖共同使用的影像底圖上。最終對影像底 圖上形成的專題影像圖,進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。2. 統(tǒng)一對制圖區(qū)域地理特征的認(rèn)識在綜合制圖理論的指導(dǎo)下,各專題制圖人員對制圖區(qū)域的自然地 理特征,如地帶性規(guī)律、區(qū)域分異規(guī)律等,應(yīng)該有統(tǒng)一的認(rèn)識。 這對提高專題制圖水平,保證系列地圖的統(tǒng)一協(xié)調(diào)是非常必要的。 3. 制定統(tǒng)一的設(shè)計原則在系列制圖的設(shè)計中,應(yīng)該明確共同的影像基礎(chǔ)(或稱影像底 圖、地理基礎(chǔ)(地理底圖;制訂統(tǒng)一協(xié)調(diào)的分類、分級原則 和分類分級系統(tǒng),以及相對應(yīng)的圖式圖例系統(tǒng);對各專題圖幅規(guī) 定統(tǒng)一的整飾原則。4. 按一定的規(guī)則順序成圖系列制圖應(yīng)該遵循先無機(jī)后有機(jī)、先自然后人文的成圖序列。 通常在