遙感地質(zhì)基礎(chǔ)綜述課件

1、遙感地質(zhì)學(xué)資源學(xué)院數(shù)地所 張潔1參考資料2主要內(nèi)容一 遙感圖像處理二地質(zhì)解譯標(biāo)志與遙感圖像地學(xué)分析方法三遙感圖像地貌解譯及其應(yīng)用四遙感巖性解譯與編圖五遙感構(gòu)造解譯與編圖31 遙感圖像處理遙感地質(zhì)學(xué)研究方法遙感物理基礎(chǔ)遙感圖像類(lèi)型與特性遙感圖像處理方法41.1 研究方法遙感地質(zhì)學(xué)使用的方法，涉及地物波譜測(cè)試方法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模擬試驗(yàn)、模式識(shí)別、數(shù)字圖像處理、GIS、GPS及地學(xué)（包括地質(zhì)、地理、地貌，地圖學(xué)等）的有關(guān)研究分析方法等。5圖 1 .1 遙感地質(zhì)工作流程圖61.2 遙感物理基礎(chǔ)電磁波譜與電磁輻射太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響地球的輻射與地物波譜7一 電磁波譜與電磁輻射1 電磁波電磁波是指在真

2、空或物質(zhì)中通過(guò)傳播電磁場(chǎng)的振動(dòng)而傳輸電磁能量的波。 當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)了渦旋電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)激發(fā)了渦旋磁場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波，也稱電磁輻射.在真空以光速傳播電磁輻射具有波粒二象性 8一 電磁波譜與電磁輻射2 電磁波譜 按照電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)或頻率遞增或遞減排列形成的一個(gè)連續(xù)譜帶（圖1.2)。 電磁波的波段從波長(zhǎng)短的一側(cè)開(kāi)始，依次為： 射線X射線紫外線可見(jiàn)光紅外線無(wú)線電波。 9圖 1.2 電磁波譜102.電磁波譜 目前，遙感所使用的電磁波的波段有：紫外線：波長(zhǎng)范圍為0.010.38m，太陽(yáng)光譜中，只有0.30.38m波長(zhǎng)的光到達(dá)地面，對(duì)油污染敏感，但探測(cè)高

3、度在2000 m以下?？梢?jiàn)光：波長(zhǎng)范圍為0.380.76m，人眼對(duì)可見(jiàn)光有敏銳的感覺(jué)，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。紅外線：波長(zhǎng)范圍為0.761000m，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。微波：波長(zhǎng)范圍為1 mm1 m，穿透性好，不受云霧的影響。一 電磁波譜與電磁輻射11一 電磁波譜與電磁輻射3 電磁輻射的度量輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位：J輻射通量（）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的輻射能量，=dw/dt，單位是w輻射通量密度（E）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積上的輻射能量，E=d /ds，單位：w/m2，S為面積輻照度（I）：被輻射物體表面單位面積上的輻射通量，I=E=d /ds，單位

4、：w/m2，S為面積輻射出射度（M ）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，M=E=d /ds，單位：w/m2，S為面積輻射亮度(L): 輻射源在某一方向，單位投影表面，單位立體角內(nèi)的輻射通量。12一 電磁波譜與電磁輻射4 絕對(duì)黑體及輻射規(guī)律對(duì)任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸收的物體。黑體吸收系數(shù)（，T）=100%黑體反射系數(shù)（，T）=0%普朗克公式斯忒藩-玻爾茲曼定律維恩位移定律自然界中黑體輻射是不存在，一般地物輻射能量總要比黑體輻射能量小。如果利用黑體輻射有關(guān)公式，則需要增加一個(gè)因子，那就是發(fā)射率（比輻射率）。依據(jù)發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，將地物分為三種類(lèi)型：黑體、灰體、選擇性發(fā)射體。13二 太陽(yáng)輻射及

5、大氣對(duì)輻射的影響太陽(yáng)是被動(dòng)遙感主要的輻射源，又叫太陽(yáng)光。1 太陽(yáng)輻射 太陽(yáng)的光譜通常指光球產(chǎn)生的光譜，光球發(fā)射的能量集中在可見(jiàn)光波段（圖1.3)。圖1.3 太陽(yáng)輻照度分布曲線14二 太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響大氣吸收減弱大氣散射減弱云層反射減弱大氣折射變向地物吸收減弱傳感器太陽(yáng)輻射地物地物漫反射減弱地物鏡面反射減弱2 大氣對(duì)輻射的影響15二 太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響3 大氣窗口電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少被反射，吸收和散射的，透射率較高的波段稱為大氣窗口。大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外可見(jiàn)光近紅外0.31.3 m90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.51.8 m80TM5近-中紅外2.03

6、.5 m80TM7中紅外3.55.5 m3.4-4.2m為90%4.6-4.9m為 50-60%NOAA的AVHRR遠(yuǎn)紅外814 m6070TM6微波0.82.5cm100Radarsat16三 地球的輻射與地物波譜圖1.5 太陽(yáng)與地表輻射的電磁波譜17三 地球的輻射與地物波譜1 地球的輻射源在0.32.5m波段（主要在可見(jiàn)光和近紅外波段），地表以反射太陽(yáng)輻射為主，地球自身的輻射可以忽略。即在該波段范圍內(nèi)，對(duì)地觀測(cè)遙感主要以太陽(yáng)的短波輻射對(duì)地表進(jìn)行探測(cè)和成像。在2.56.0m波段（主要在中紅外波段），地表反射太陽(yáng)輻射和地球自身的熱輻射均為被動(dòng)遙感的輻射源。在6.0m以上的熱紅外波段，以地球自身

7、的熱輻射為主，地表反射太陽(yáng)輻射可以忽略。18三 地球的輻射與地物波譜2 地物波譜地物波譜：地物的電磁波響應(yīng)特性隨電磁波長(zhǎng)改變而變化的規(guī)律，稱為地表物體波譜，簡(jiǎn)稱地物波譜。地物波譜特性是電磁輻射與地物相互作用的一種表現(xiàn)。地物波譜的作用：不同類(lèi)型的地物，其電磁波響應(yīng)的特性不同，因此地物波譜特征是遙感識(shí)別地物的基礎(chǔ)。不同電磁波段中地物波譜特性地物反射波譜：是研究可見(jiàn)光至近紅外波段上地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律?？梢?jiàn)光和近紅外波段：主要表現(xiàn)地物反射作用和地物的吸收作用。熱紅外波段：主要表現(xiàn)地物熱輻射作用。微波波段：主動(dòng)遙感利用地物后向散射；被動(dòng)遙感利用地物微波輻射。地物反射波譜曲線除隨不同地物(反射率)

8、不同外，同種地物在不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件下形態(tài)表現(xiàn)(反射率)也不同。一般來(lái)說(shuō)，地物反射率隨波長(zhǎng)變化有規(guī)律可循，從而為遙感影像的判讀提供依據(jù)。19植物的光譜曲線葉綠素吸收水分吸收葉片色素細(xì)胞結(jié)構(gòu)含水量控制葉片反射率的主要因素主要吸收帶20不同植被類(lèi)型的光譜曲線比較識(shí)別植被的理想波段21三種不同類(lèi)型土壤在干燥環(huán)境下的光譜曲線22葉綠素含量不同時(shí)水體的光譜曲線23巖石的光譜曲線241.3 遙感圖像類(lèi)型與特性遙感平臺(tái)攝影成像掃描成像微波遙感與成像遙感圖像的特征25一 遙感平臺(tái)遙感平臺(tái)（platform）是搭載傳感器的工具。根據(jù)運(yùn)載工具的類(lèi)型劃分：航天平臺(tái)150km以上 衛(wèi)星、宇宙飛船航空平臺(tái)100m至

9、十余 公里飛機(jī)、飛船、氣球地面平臺(tái)050m 車(chē)、船、塔26二 攝影成像定義：攝影是通過(guò)成像設(shè)備獲取物體影像的技術(shù)。傳統(tǒng)攝影：依靠光學(xué)鏡頭及放置在焦平面的感光膠片來(lái)記錄物體影像。數(shù)字?jǐn)z影：通過(guò)放置在焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)來(lái)記錄物體的影像。依據(jù)探測(cè)波段近紫外攝影可見(jiàn)光攝影紅外攝影多光譜攝影27三 掃描成像掃描成像是依靠探測(cè)元件和掃描鏡對(duì)目標(biāo)地物以瞬時(shí)視場(chǎng)為單位進(jìn)行的逐點(diǎn)、逐行取樣，以得到目標(biāo)地物電磁輻射特性信息，形成一定譜段的圖像。光機(jī)掃描儀固體掃描儀成像光譜儀28總 結(jié)攝影成像掃描成像波譜范圍光譜分辨率多光譜獲取方式數(shù)據(jù)記錄方式投影方式可見(jiàn)光+近紅外相對(duì)低多個(gè)鏡頭膠片、數(shù)字中

10、心投影可見(jiàn)光+近紅外+熱紅外相對(duì)高單鏡頭，分光數(shù)字多中心投影29四 微波遙感與成像側(cè)視雷達(dá)是在飛機(jī)或衛(wèi)星平臺(tái)上由傳感器向與飛行方向垂直的側(cè)面，發(fā)射一個(gè)窄的波束，覆蓋地面上這一側(cè)面的一個(gè)條帶，然后接收在這一條帶上地物的反射波，從而形成一個(gè)圖像帶。隨著飛行器前進(jìn)，不斷地發(fā)射這種脈沖波束，又不斷地接收回波，從而形成一幅一幅的雷達(dá)圖像。雷達(dá)成像的基本條件：雷達(dá)發(fā)射的波束照在目標(biāo)不同部位時(shí)，要有時(shí)間先后差異，這樣從目標(biāo)反射的回波也同時(shí)出現(xiàn)時(shí)間差，才有可能區(qū)分目標(biāo)的不同部位。合成孔徑雷達(dá)與側(cè)視雷達(dá)類(lèi)似，也是在飛機(jī)或衛(wèi)星平臺(tái)上由傳感器向與飛行方向垂直的側(cè)面發(fā)射信號(hào)。所不同的是將發(fā)射和接收天線分成許多小單元，

11、每一單元發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)刻不同。由于天線位置不同，記錄的回波相位和強(qiáng)度都不同。目的：提高圖象在飛行方向的分辨率。30地形畸變透視收縮（foreshortening）：山上面向雷達(dá)的一面在圖象上被壓縮，這一部分往往表現(xiàn)為較高的亮度；坡底的收縮度比坡頂大；山坡的坡度越大，收縮量越大。疊掩(Layover)：當(dāng)面向雷達(dá)的山坡很陡時(shí)，出現(xiàn)山頂比山底更接近雷達(dá)的情況，因此，在圖象的距離方向，山頂和山底的相對(duì)位置顛倒；收縮度：坡頂?shù)氖湛s度比坡底大陰影(Shadow)：當(dāng)后坡坡度較大，雷達(dá)波束不能到達(dá)后坡坡面時(shí)，沒(méi)有回波信號(hào)產(chǎn)生，圖象上出現(xiàn)暗區(qū)31五 遙感圖像的特征將遙感圖像歸納為三個(gè)方面的特征：幾何特征

12、物理特征時(shí)間特征這個(gè)三方面特征的表現(xiàn)參數(shù)即為：空間分辨率光譜分辨率輻射分辨率時(shí)間分辨辨321.4 遙感圖像處理遙感技術(shù)的目的是為了獲得地物的幾何屬性和物理屬性。原始的遙感圖像并不能提供實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的所需的準(zhǔn)確而完備的條件。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，原始遙感影像需要經(jīng)過(guò)圖像處理，來(lái)消除成像過(guò)程中的誤差，改善圖像質(zhì)量。 遙感圖像處理包括以下幾個(gè)階段：圖像的校正（預(yù)處理）圖像的變換圖像的增強(qiáng)圖像的分類(lèi)所采用的手段有：光學(xué)圖像處理和數(shù)字圖像處理兩種方法。 331 光學(xué)圖像處理較成熟的遙感圖像光學(xué)處理方法： 假彩色密度分割光學(xué)彩色合成 反差增強(qiáng) 邊緣增強(qiáng) 比值增強(qiáng) 影像相減(差值法) 光學(xué)變換處理(低、高、帶通濾

13、波、方向?yàn)V波) 為了突出某一密度等級(jí)的色調(diào)（或相應(yīng)地物），將圖像（或影像）的色調(diào)密度分劃成若干個(gè)等級(jí)，并用不同的顏色分別表示這不同的密度等級(jí)，得到一幅彩色的等密度分割圖像。這一技術(shù)過(guò)程就叫作密度分割處理，或簡(jiǎn)稱密度分割。適用于輪廓簡(jiǎn)單、背景單調(diào)、目標(biāo)特性與影像密度有明確對(duì)應(yīng)關(guān)系的地面景況的分析判讀。342 數(shù)字圖像處理圖像校正圖像增強(qiáng)圖像融合圖像分類(lèi)依據(jù)數(shù)字圖像數(shù)學(xué)特征，構(gòu)造各種數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的算法，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算(矩陣變換) 處理，獲得更有利于實(shí)際應(yīng)用的輸出圖像及有關(guān)數(shù)據(jù)和資料。35圖像校正 圖像校正是指從具有畸變的圖像中消除畸變的處理過(guò)程。消除輻射量失真的叫輻射量校正，消除幾何畸變的叫幾

14、何校正。 輻射校正由于傳感器響應(yīng)特性和大氣的吸收、散射及其它隨機(jī)因素影響，導(dǎo)致圖象模糊失真，造成圖象分辨率和對(duì)比度相對(duì)下降。這些都需要通過(guò)輻射校正復(fù)原.包括： 系統(tǒng)輻射校正、大氣校正幾何校正校正遙感圖像成像過(guò)程中所造成的各種幾何畸變稱為幾何校正。公式法、回歸分析法、直方圖校正法最鄰近法、雙線性內(nèi)插法、三次卷積法36圖像增強(qiáng)數(shù)字圖像增強(qiáng)的目的是提高圖像質(zhì)量和突出所需要信息，有利于分析判斷。數(shù)字圖像增強(qiáng)處理方法主要有：對(duì)比度增強(qiáng)（灰度增強(qiáng)）、空間濾波、彩色變換、圖像運(yùn)算和多光譜變換。37圖像的差值運(yùn)算有利于目標(biāo)與背景反差較小的信息提取:如冰雪覆蓋區(qū)黃土高原區(qū)的界線特征海岸帶的潮汐線等。差值運(yùn)算還常

15、用于研究同一地區(qū)不同時(shí)相的動(dòng)態(tài)變化。如監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)發(fā)生前后的變化和計(jì)算過(guò)火面積；監(jiān)測(cè)水災(zāi)發(fā)生前后的水域變化和計(jì)算受災(zāi)面積及損失；監(jiān)測(cè)城市在不同年份的擴(kuò)展情況及計(jì)算侵占農(nóng)田的比例等。 有時(shí)為了突出邊緣，也用差值法將兩幅圖像的行、列各移一位，再與原圖像相減，也可起到幾何增強(qiáng)的作用。比值運(yùn)算兩幅同樣行、列數(shù)的圖像，對(duì)應(yīng)像元的亮度值相除(除數(shù)不為0)就是比值運(yùn)算比值運(yùn)算可以檢測(cè)波段的斜率信息并加以擴(kuò)展，以突出不同波段間地物光譜的差異，提高對(duì)比度。差值運(yùn)算38比值運(yùn)算能擴(kuò)大不同地物之間的微小差異，有利于巖石、土壤等波譜差異不太明顯的地物的區(qū)分，也可用于植被類(lèi)型和分布的研究鐵帽與植被在單波段上不易區(qū)分，而

16、通過(guò)MSS5/4、MSS7/5的二維比值分析，就可以明顯區(qū)分出來(lái)。突出遙感影像中的植被特征、提取植被類(lèi)別或估算植被生物量，常用的植被指數(shù)（NDVI）算法近紅外波段紅波段 (近紅外-紅)(近紅外+紅)B5/B4B7/B5鐵帽植被39比值運(yùn)算消除或減弱地形等環(huán)境因素的影響，如陽(yáng)坡和陰坡有不同的亮度，但在MSS4/5，TM1/2上，比值卻非常接近，因此消除了地形的影響。TM1 TM2 TM1/240比值運(yùn)算提取與找礦有關(guān)的專(zhuān)題信息。如黏土礦物在2.2um附近存在強(qiáng)吸收，故TM7為低亮度，而TM5仍為高亮度，因此TM5/7常提取與黏土化有關(guān)的礦化信息；0.48um是鐵離子電荷強(qiáng)烈吸收的位置，故TM5/1可提取與鐵礦物有關(guān)的信息。TM3/1 可用于識(shí)別褐鐵礦；TM5/4 用于識(shí)別有無(wú)植被覆蓋的土壤和巖石；TM2/3 用于識(shí)別綠色植被；TM5/7 用于識(shí)別含羥基礦物、水和硫酸鹽和碳酸鹽；TM7/4 用于區(qū)分不同種類(lèi)的特征礦物；TM3/4 用于識(shí)別植被的常用波段。41圖像融合遙感圖像信息融合(Fusion)是將多源遙感