遙感基礎(chǔ)原理知識

第一章：電磁波及遙感物理基礎(chǔ)1.1概述：遙感：是指在不直接接觸的情況下，對目標(biāo)或者自然現(xiàn)象遠(yuǎn)距離探測和感知的一種技術(shù)。一切物體，由于其種類、特征和環(huán)境條件的不同，具有完全不同的電磁波反射或發(fā)射輻射特征。因此遙感技術(shù)是建立在物體反射或發(fā)射電磁波的原理上的。電磁波：根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，變化的電場能夠在它周圍引起變化的磁場，這一變化的磁場又在較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)引起新的變化電場，并在更遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)引起新的變化磁場。這種變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，以有限的速度由近及遠(yuǎn)在空間內(nèi)傳播的過程稱為電磁波。電磁波具有波粒二象性。即：波動性與粒子性。光的波動性形成了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象。電磁波譜：電磁波譜表IT紅傳黃綠者藍(lán)紫紅傳黃綠者藍(lán)紫1.2物體的發(fā)射輻射黑體輻射的三個特性：（1）與曲線下的面積成正比的總輻射通量密度W是隨溫度T的增加而迅速增加。（2）分譜輻射能量密度的峰值波長隨溫度的增加向短波方向移動。（3）每根曲線彼此不相交，故溫度T越高所有波長上的波譜輻射通量密度也越大。太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位內(nèi)，垂直于太陽光輻射的方向上，單位面積單位時間黑體所接收的太陽輻射能量。大氣對太陽輻射的吸收、散射及反射作用：大氣吸收的影響主要是造成遙感影像暗淡，電磁波在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向發(fā)生改變，并向各個方向散開，稱散射。另外，電磁波與大氣的相互作用還包括大氣反射。瑞利散射：由半徑d小于波長入十分之一以下的微粒引起的散射。（選擇性）波長越短散射能力越強(qiáng)。米氏散射：由半徑d與波長入相當(dāng)（大于）的微粒引起的散射。（非選擇性）與波長無關(guān)。有些波段的電磁輻射通過大氣后衰減較小，透過率較高，對遙感十分有利，這些波段通常稱為“大氣窗口”?？梢杂米鬟b感的大氣窗口大體有如下幾個：0.30—1.15呻大氣窗口：這個窗口包括全部可見光波段、部分紫外波段和部分近紅外波段，是遙感技術(shù)應(yīng)用最主要的窗口之一。其中，0.3—0.4呻近紫外窗口，透射率為70%；0.4—0.7um可見光窗口，透射率約為95%；0.7—1.10呻近紅外窗口，透射率約為80%。該窗口的光譜主要是反映地物對太陽光的反射，通常采用攝影或掃描的方式在白天感測、收集目標(biāo)信息成像。通常叫短波區(qū)。1.3—2.5gm大氣窗口：屬于近紅外波段。該窗口習(xí)慣分為1.40—1.90gm以及2.00—2.50gm兩個窗口，透射率在60%—95%之間。其中1.55—1.75呻透過率較高，白天夜間都可應(yīng)用，是以掃描的成像方式感測、收集目標(biāo)信息，主要應(yīng)用于地質(zhì)遙感。3.5—5.0呻大氣窗口：屬于中紅外波段。透射率約為60—70%。包含地物反射及發(fā)射光譜，用來探測高溫目標(biāo)，例如森林火災(zāi)、火山、核爆炸等。8-14pm熱紅外窗口，透射率為80%左右，屬于地物的發(fā)射波譜。常溫下地物譜輻出度最大值對應(yīng)的波長是9.7口m。所以此窗口是常溫下地物熱輻射能量最集中的波段，所探測的信息主要反映地物的發(fā)射率及溫度。1.0mm-1m微波窗口，分為毫米波、厘米波、分米波。其中1.0—1.8mm窗口透射率約為35%—40%左右。2—5mm窗口，透射率約為50%—70%。8—1000mm，微波窗口，透射率為100%。微波的特點是能穿透云層、植被及一定厚度的冰和土壤，具有全天候的工作能力，因而越來越受到重視。遙感中常采用被動式遙感（微波輻射測量）和主動式遙感，前者主要測量地物熱輻射，后者是用雷達(dá)發(fā)射一系列脈沖，然后記錄分析地物的回波信號。傳感器從高空探測地面物體時，所接收到的電磁波能量包括：1、太陽經(jīng)大氣衰減后照射地面，經(jīng)地物反射后，又經(jīng)大氣第二次衰減進(jìn)入傳感器的能量；2、地面物體本身輻射的能量經(jīng)大氣后進(jìn)入傳感器；3、大氣散射和輻射的能量等。輻射傳輸方程：式中％.嗎一一傳感器光譜響應(yīng)系數(shù)；弓；一一大氣光譜透過宓，弓2?虬一一太陽入鼾的光譜有疆；太陽高度角；只一一地物光譜反射率閂f就，?為太陽方位角f"%-一地面溫度時的黑體光譜輻射通星密度"'件投勺__地物帝發(fā)射率""'「 「'了 "'們一一大氣散射和輻射的能星。選擇性輻射體：在各波長處的光譜發(fā)射率趴不同，即e=f（X）；灰體：在各波長處的光譜發(fā)射率趴相等。基爾霍夫定律：在任一給定溫度下，輻射通量密度與吸收率之比對任何材料都是一個常數(shù)，并等于該溫度下黑體的輻射通量密度。1.3地物的反射輻射物體對電磁波的反射有三種形式：（1）鏡面反射是指物體的反射滿足反射定律。當(dāng)發(fā)生鏡面反射時，對于不透明物體，其反射能量等于入射能量減去物體吸收的能量。自然界中真正的鏡面很少，非常平靜的水面可以近似認(rèn)為是鏡面。（2）漫反射：如果入射電磁波波長入不變，表面粗糙度h逐漸增加，直到h與入同數(shù)量級，這時整個表面均勻反射入射電磁波，入射到此表面的電磁輻射按照朗伯余弦定律反射。（3）方向反射：實際地物表面由于地形起伏，在某個方向上反射最強(qiáng)烈，這種現(xiàn)象稱為方向反射。是鏡面反射和漫反射的結(jié)合。反射率：反射率是物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比。反射波譜特性曲線：某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長變化的規(guī)律，以波長為橫坐標(biāo)，反射率為縱坐標(biāo)所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線。1.4地物波譜特性的測定地物波譜特性是指各種地物各自所具有的電磁波特性（發(fā)射輻射或反射輻射）。地物波譜特征（反射波譜）測定的原理是：用光譜測定儀器（置于不同波長或波譜段）分別探測地物和標(biāo)準(zhǔn)板，測量、記錄和計算地物對每個波譜段的反射率，其反射率的變化規(guī)律即為該地物的波譜特性。地物波譜特性的測定，通常按以下步驟進(jìn)行：A架設(shè)好光譜儀，接通電源并進(jìn)行預(yù)熱；B安置波長位置，調(diào)好光線進(jìn)入儀器的狹縫寬度；C將照準(zhǔn)器分別照準(zhǔn)地物和標(biāo)準(zhǔn)板，并測量和記錄地物、標(biāo)準(zhǔn)板在波長入1，入2,……入n處的觀測值I入和I入0；D按照（1-38）式計算入1，入2,……入n處的p入；E根據(jù)所測結(jié)果，以p入為縱坐標(biāo)軸，入為橫坐標(biāo)軸畫出地物反射波譜特性曲線第二章：遙感平臺及運行特點2.1遙感平臺的種類遙感中搭載遙感器的工具統(tǒng)稱為遙感平臺。按平臺距地面的高度大體上可分為三類:地面平臺、航空平臺、航天平臺。2.2衛(wèi)星軌道及運行特點軌道參數(shù)：A升交點赤經(jīng)Q為衛(wèi)星軌道的升交點與春分點之間的角距。所謂升交點為衛(wèi)星由南向北運行時，與地球赤道面的交點。反之，軌道面與赤道面的另一個交點稱為降交點。春分點為黃道面與赤道面在天球上的交點。B近地點角距3:3是指衛(wèi)星軌道的近地點與升交點之間的角距。C軌道傾角i：是指衛(wèi)星軌道面與地球赤道面之間的兩面角。也即從升交點一側(cè)的軌道量至赤道面。D衛(wèi)星軌道的長半軸a：a為衛(wèi)星軌道遠(yuǎn)地點到橢圓軌道中心的距離。E衛(wèi)星軌道的偏心率（或稱扁率）eF衛(wèi)星過近地點時刻T。偽距法定位是在某一瞬間利用GPS接收機(jī)至少測定四顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的GPS衛(wèi)星位置和偽距觀測值，采用距離交會法即可求得接收機(jī)的二維坐標(biāo)和時鐘改正數(shù)。物理方法測距，如使用電磁場波或聲波測距，分主動式和被動式兩種。2.3陸地衛(wèi)星及軌道特征陸地衛(wèi)星類：包括Landsat系列（美）、SPOT系列（法）、IRS（1P）（印度）、ALOS系列（日）、RESURSO1系列（俄）等。這類衛(wèi)星的特點是多波段掃描、地面分辨率為5—30m，在現(xiàn)階段，這類衛(wèi)星仍然是陸地衛(wèi)星的主體。高分辨率陸地衛(wèi)星：高光譜類衛(wèi)星：這類衛(wèi)星的主要特點是采用高分辨率成像光譜儀，波段數(shù)為36—256個，光譜分辨率為5—10nm，地面分辨率為30—1000m。目前這類衛(wèi)星只有軍方發(fā)射的，民用高光譜類衛(wèi)星還沒有，這類衛(wèi)星主要用于大氣、海洋和陸地探測。SAR（合成孔徑雷達(dá)）類衛(wèi)星：小衛(wèi)星：第3章遙感傳感器及其成像原理3.1掃描成像類傳感器遙感中使用的傳感器大體上可分為如下一些類型：（1） 攝影類型的傳感器；（2） 掃描成像類型的傳感器；（3） 雷達(dá)成像類型的傳感器；（4） 非圖像類型的傳感器。遙感傳感器組成：1、 收集器：收集地物輻射來的能量。具體的元件如透鏡組、反射鏡組、天線等。2、 探測器：將收集的輻射能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能或電能。具體的無器件如感光膠片、光電管、光敏和熱敏探測元件、共振腔諧振器等。3、 處理器：對收集的信號進(jìn)行處理。如顯影、定影、信號放大、變換、校正和編碼等。具體的處理器類型有攝影處理裝置和電子處理裝置。4、 輸出器：輸出獲取的數(shù)據(jù)。輸出器類型有掃描曬像儀、陰極射線管、電視顯像管、磁帶記錄儀、XY彩色噴筆記錄儀等等。掃描成像類型的傳感器是逐點逐行地以時序方式獲取二維圖像，有兩種主要的形式，一是對物面掃描的成像儀，它的特點是對地面直接掃描成像，這類儀器如紅外掃描儀、多光譜掃描儀、成像光譜儀、自旋和步進(jìn)式成像儀及多頻段頻譜儀等；二是瞬間在像面上先形成一條線圖像，甚至是一幅二維影像，然后對影像進(jìn)行掃描成像，這類儀器有線陣列CCD推掃式成像儀，電視攝像機(jī)等。成像光譜儀，它是以多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器。通過將傳統(tǒng)的空間成像技術(shù)與地物光譜技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，可以實現(xiàn)對同一地區(qū)同時獲取幾十個到幾百個波段的地物反射光譜圖像。3.2微波成像類傳感器（側(cè)視雷達(dá)）真實孔徑側(cè)視雷達(dá)的工作原理：天線裝在飛機(jī)的側(cè)面，發(fā)射機(jī)向側(cè)向面內(nèi)發(fā)射一束窄脈沖，地物反射的微波脈沖，由天線收集后，被接收機(jī)接收。由于地面各點到飛機(jī)的距離不同，接收機(jī)接收到許多信號，以它們到飛機(jī)距離的遠(yuǎn)近，先后依序記錄。信號的強(qiáng)度與輻照帶內(nèi)各種地物的特性、形狀和坡向等有關(guān)。合成孔徑技術(shù)的基本思想，是用一個小天線作為單個輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動。在移動中選擇若干個位置，在每個位置上發(fā)射一個信號，接收相應(yīng)發(fā)射位置的回波信號貯存記錄下來。存貯時必須同時保存接收信號的幅度和相位。當(dāng)輻射單元移動一段距離后，存貯的信號和實際天線陣列諸單元所接收的信號非常相似。合成孔徑天線是在不同位置上接收同一地物的回波信號，在這個過程中，每個反射信號在數(shù)據(jù)膠片上，連續(xù)記錄成間距變化的一條光柵狀截面，相當(dāng)于光學(xué)菲涅耳環(huán)的一部分，在膠片上呈一條一維相干圖像。這樣形成的整個圖像，不像真實孔徑雷達(dá)圖像那樣，能看到實際的地面圖像，而是相干圖像，它需經(jīng)處理后才能恢復(fù)地面的實際圖像。側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征：1、垂直飛行方向（y）的比例尺由小變大；2、山體前傾，朝向傳感器的山坡影像被壓縮，而背向傳感器的山坡被拉長，與中心投影相反，還會出現(xiàn)不同地物點重影現(xiàn)象。3、高差產(chǎn)生的投影差亦與中心投影影像投影差位移的方向相反，位移量也不同。4、雷達(dá)立體圖像的構(gòu)像特點：從不同攝站對同一地區(qū)獲取的雷達(dá)圖像也能構(gòu)成立體影像。由于是側(cè)視，所以同一側(cè)或異側(cè)都能獲取和構(gòu)成立體像對。對同側(cè)獲取的雷達(dá)圖像立體對，由于高差引起的投影差與中心投影片方向相反，如果按攝影位置放置像片進(jìn)行立體觀測，看到的將是反立體圖像INSAR（相干雷達(dá)）：就是利用SAR在平行軌道上對同一地區(qū)獲取兩幅（或以上）的單視復(fù)數(shù)影像來形成干涉，進(jìn)而得到該地區(qū)的三維地表信息。原理是通過兩幅天線同時觀測或兩次平行的觀測，獲得同一區(qū)域的重復(fù)觀測數(shù)據(jù)（復(fù)數(shù)影像對），綜合起來形成干涉，得到相應(yīng)的相位差，結(jié)合觀測平臺的軌道參數(shù)等提取高程信息，可以獲取高精度、高分辨的地面高程信息，而且利用差分干涉技術(shù)可以精密測定地表沉降。第4章遙感圖像數(shù)字處理的基礎(chǔ)知識4.1圖像的表示形式遙感傳感器記錄地物電磁波的形式有兩種，一種以膠片或其它的光學(xué)成像載體的形式，另一種以數(shù)字形式記錄下來，也就是所謂的光學(xué)圖像和數(shù)字圖像的方式記錄地物的遙感信息。光學(xué)圖像與數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換：光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像光學(xué)圖像變換成數(shù)字圖像也就是把一個連續(xù)的光密度函數(shù)變成一個離散的光密度函數(shù)。圖像函數(shù)f（x,y）不僅在空間坐標(biāo)上并且在幅度（光密度）上都要離散化，其離散后的每個像元的值用數(shù)字表示，整個的過程叫做圖像數(shù)字化。圖像空間坐標(biāo)f（x,y）的數(shù)字化稱為圖像采樣，幅度（光密度）數(shù)字化則稱為灰度級量化。具體數(shù)字化過程是將透明正片（或負(fù)片）放在測微密度計的承片框上，承片框的一邊是照明燈源，另一邊是一個探測頭，探測頭上視場可調(diào)到需要的大小，視場中圖像的大小稱為采樣窗口。數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像一般有兩種方式，一種是通過顯示終編設(shè)備顯示出來，這些設(shè)備包括顯示器、電子束或激光束成像記錄儀等，這些設(shè)備輸出光學(xué)圖像的基本原理是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備將數(shù)字信號以模擬方式表現(xiàn)。另一種是通過照相或打印的方式輸出。圖像的頻譜表示前面討論的光學(xué)圖像或數(shù)字圖像是一種空間域的表示形式，它是空間坐標(biāo)x,y的函數(shù)。圖像還可以以另一種坐標(biāo)空間來表示，即頻率域的形式來表示。這時圖像是頻率坐標(biāo)，'的函數(shù)，用，勺表示，通常將圖像從空間域變?nèi)腩l率域是采用傅立葉變換，反之，則采用傅立葉逆變換。4.2遙感數(shù)字圖像的存貯存貯介質(zhì)包括磁帶、磁盤和光盤。存儲格式：世界各地遙感數(shù)據(jù)主要采用LTWG格式，即世界標(biāo)準(zhǔn)格式。LTWG格式有BSQ（按波段記載數(shù)據(jù)文件）格式和BIL（按照波段順序交叉排列的遙感數(shù)據(jù)格式）格式兩種。其它格式：除了遙感專用的數(shù)字圖像格式之外，還有一種被稱為TIFF格式，另一種與Windows操作系統(tǒng)密切相關(guān)的格式一一BMP格式。4.3遙感數(shù)字圖像處理系統(tǒng)遙感數(shù)字圖像處理系統(tǒng)應(yīng)包括硬件和軟件兩大部分。遙感數(shù)字圖像處理硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、電子計算機(jī)存貯設(shè)備以及系統(tǒng)操作臺。遙感數(shù)字圖像處理的軟件系統(tǒng)是建立在一定操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用軟件。軟件功能主要是指一些比較基礎(chǔ)的遙感圖像處理功能，是每一個遙感圖像處理系統(tǒng)所基本共有的，主要存在以下幾個方面：圖像文件管理：包括各種格式的遙感圖像或其它格式的輸入，輸出，存儲以及圖像文件管理等功能。圖像處理包括以下功能：（1） 影像增強(qiáng)，如分段線性拉伸、對數(shù)變換、指數(shù)變換、直方圖均衡、直方圖規(guī)定化和正態(tài)化等。（2） 圖像濾波，空間域濾波如銳化，平滑等頻率域濾波如帶通濾波，高通濾波，低通濾波等。（3） 紋理分析及目標(biāo)檢測，如紋理能量提取、基于邊緣信息的紋理特征提取、線性算子檢測、霍夫變換等。圖像校正：包括輻射校正和幾何校正輻射校正包括太陽高度角照度變化校正，大氣校正，傳感器成像誤差校正等。幾何校正包括粗糾正和針對各種傳感器的精糾正、圖像匹配、圖像鑲嵌等。多影像處理：包括圖像運算，圖像變換以及信息融合。圖像運算包括邏輯運算、邏輯比較運算和代數(shù)運算等。圖像變換包括付立葉變換、付立葉逆變換、彩色變換及逆變換、主分量變換、穗帽變換、阿達(dá)瑪變換、生物量指標(biāo)變換等。信息融合包括加權(quán)融合、HIS變換融合等。圖像信息獲取包括圖像直方圖統(tǒng)計、多波段圖像的相關(guān)系數(shù)矩陣、協(xié)方差矩陣、特征值和特征向量的計算、圖像分類的特征統(tǒng)計、多波段圖像的信息量及最佳波段組合分析等。圖像分類包括分類前的樣區(qū)分析，訓(xùn)練樣區(qū)合并以及非監(jiān)督分類（如ISODATA聚類法，K-均值聚類法等）和監(jiān)督分類（最大似然法，最小距離法等）方法，分類后處理（類別合并，類別統(tǒng)計，面積統(tǒng)計，邊緣跟蹤等）等。遙感專題圖制作如黑白正射影像圖，彩色正射影像圖，基于影像的線劃圖制作，真實感三維景觀圖，其它類型的遙感專題圖（土地利用分類圖，植被分布圖，洪水淹沒狀況圖，水土保持狀況圖等）。與GIS系統(tǒng)的接口：GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)入及輸出，柵一矢轉(zhuǎn)換，GIS圖形層數(shù)據(jù)與影像的疊加等。4.4遙感圖像處理系統(tǒng)與GIS和GPS的集成L“3S”的兩兩結(jié)合即GPS與RS的結(jié)合，GPS與GIS的結(jié)合和RS與GIS的結(jié)合。其中RS和GIS的結(jié)合是核心。1） GPS與RS結(jié)合的關(guān)鍵在硬件，即GPS與RS傳感器的結(jié)合；二者的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)無控制點的情況下空對地的直接定位。2） GPS與GIS結(jié)合的關(guān)鍵在軟件，GPS作為GIS的數(shù)據(jù)源用于尋找目標(biāo)，幫助GIS定位以及數(shù)據(jù)的更新。二者的集成可利用地面與空間的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行載波相位差分測量以滿足GIS不同比例尺數(shù)據(jù)庫的要求。二者集成的最成功的應(yīng)用是車輛導(dǎo)航與監(jiān)控。3） RS與GIS的結(jié)合。RS與GIS的結(jié)合有三種方式，分開但平行的結(jié)合，這種結(jié)合方式的系統(tǒng)有不同的用戶界面，不同的工具庫和不同的數(shù)據(jù)庫。RS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為柵格數(shù)據(jù)，其幾何信息（定位信息）為其行、列數(shù)，而其屬性信息（定性信息）為其灰度值，GIS多為矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)矢一柵轉(zhuǎn)換，因此，GIS與RS的結(jié)合實質(zhì)上是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸、配準(zhǔn)。為了便于管理，在具體實施中有兩種結(jié)構(gòu)，一種是GIS為RS的一個子系統(tǒng)；另一種是RS為GIS的子系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)更易實現(xiàn)，因為在GIS中增加?xùn)鸥駭?shù)據(jù)處理功能比在RS中增加矢量數(shù)據(jù)處理、分析及數(shù)據(jù)庫管理功能更容易一些，邏輯上也更為合理；表面無縫的結(jié)合。這種結(jié)合方式的系統(tǒng)有同一的用戶界面，不同的工具庫和數(shù)據(jù)庫。這種類型結(jié)合的軟件系統(tǒng)比較多。以上兩種方式的結(jié)合都需要建立一種標(biāo)準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)交換格式作為RS與GIS之間、各種GIS之間、GIS與電子地圖之間的數(shù)據(jù)交換格式和標(biāo)準(zhǔn)；整體的結(jié)合，這種結(jié)合方式的系統(tǒng)有同一用戶界面，同一工具庫和同一數(shù)據(jù)庫，即將GIS與RS真正集成起來，形成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)均為一體化的系統(tǒng)。這是RS與GIS結(jié)合的理想方式。第5章遙感圖像的幾何處理5.1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感圖像的構(gòu)像方程是指地物點在圖像上的圖像坐標(biāo)（x，y）和其在地面對應(yīng)點的大地坐標(biāo)（X、Y、Z）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。各種不同的構(gòu)象方程：5.2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形是指圖像上像元在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與其在地圖坐標(biāo)系等參考坐標(biāo)系統(tǒng)中的對應(yīng)坐標(biāo)之間的差異。研究遙感圖像幾何變形的前提是必須確定一個圖像投影的參照系統(tǒng)，即地圖投影系統(tǒng)。遙感圖像的變形誤差可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差兩大類。靜態(tài)誤差是在成像過程中，傳感器相對于地球表面呈靜止?fàn)顟B(tài)時所具有的各種變形誤差。動態(tài)誤差主要是在成像過程中由于地球的旋轉(zhuǎn)等因素所造成的圖像變形誤差。圖像變形：傳感器成像方式引起的圖像變形；傳感器外方位元素變化的影響；地形起伏引起的像點位移；地球曲率引起的圖像變形；大氣折射引起的圖像變形；地球自轉(zhuǎn)的影響。傳感器的成像方式有中心投影（基準(zhǔn)），全景投影，斜距投影以及平行投影等幾種。傳感器的外方位元素，是指傳感器成像時的位置（Xs,Ys,Zs）和姿態(tài)角（，，，）。當(dāng)外方位元素偏離標(biāo)準(zhǔn)位置而出現(xiàn)變動時，就會使圖像產(chǎn)生變形。這種變形一般是由地物點圖像的坐標(biāo)誤差來表達(dá)的，并可以通過傳感器的構(gòu)像方程推出。投影誤差是由地面起伏引起的像點位移，當(dāng)?shù)匦斡衅鸱鼤r，對于高于或低于某一基準(zhǔn)面的地面點，其在像片上的像點與其在基準(zhǔn)面上垂直投影點在像片上的構(gòu)像點之間有直線位移。5.3遙感圖像的幾何處理遙感圖像的粗加工處理也稱為粗糾正，它僅做系統(tǒng)誤差改正。1、投影中心坐標(biāo)的測定和解算。1、投影中心坐標(biāo)的測定和解算。3、掃描角0的測定遙感圖像的精糾正是指消除圖像中的幾何變形，產(chǎn)生一幅符合某種地圖投影或圖形表達(dá)要求的新圖像。它包括兩個環(huán)節(jié)：一是像素坐標(biāo)的變換，即將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榈貓D或地面坐標(biāo)；二是對坐標(biāo)變換后的像素亮度值進(jìn)行重采樣。數(shù)字圖像糾正主要處理過程如下：根據(jù)圖像的成像方式確定影像坐標(biāo)和地面坐標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)所采用的數(shù)字模型確定糾正公式。根據(jù)地面控制點和對應(yīng)像點坐標(biāo)進(jìn)行平差計算變換參數(shù)，評定精度。對原始影像進(jìn)行幾何變換計算，像素亮度值重采樣。目前的糾正方法有多項式法，共線方程法和隨機(jī)場插值法等。多項式糾正：用一個適當(dāng)?shù)亩囗検絹砻枋黾m正前后圖像相應(yīng)點之間的坐標(biāo)關(guān)系。本法對各種類型傳感器圖像的糾正是適用的。利用地面控制點的圖像坐標(biāo)和其同名點的地面坐標(biāo)通過平差原理計算多項式中的系數(shù)，然后用該多項式對圖像進(jìn)行糾正。遙感圖像的共線方程糾正是建立在圖像坐標(biāo)與地面坐標(biāo)嚴(yán)格數(shù)學(xué)變換關(guān)系的基礎(chǔ)上的，是對成像空間幾何形態(tài)的直接描述。該方法糾正過程需要有地面高程信息（DEM），可以改正因地形起伏而引起的投影差。因此當(dāng)?shù)匦纹鸱^大，且多項式糾正的精度不能滿足要求時，要用共線方程進(jìn)行糾正。5.4圖像間的自動配準(zhǔn)和數(shù)字鑲嵌圖像配準(zhǔn)的實質(zhì)就是前述的遙感圖像的幾何糾正，根據(jù)圖像的幾何畸變特點，采用一種幾何變換將圖像歸化到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。圖像之間的配準(zhǔn)一般有兩種方式：圖像間的匹配，即以多源圖像中的一幅圖像為參考圖像，其他圖像與之配準(zhǔn)，其坐標(biāo)系是任意的；絕對配準(zhǔn)，即選擇某個地圖坐標(biāo)系，將多源圖像變換到這個地圖坐標(biāo)系以后來實現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。配準(zhǔn)的過程分兩步：在多源圖像上確定分布均勻，足夠數(shù)量的圖像同名點；通過所選擇的圖像同名點確定幾何變換的多項式系數(shù)，從而完成一幅圖像對另一幅圖像的幾何糾正。圖像相關(guān)是利用兩個信號的相關(guān)函數(shù)，評價它們的相似性以確定同名點。首先取出以待定為中心的小區(qū)域中的圖像信號，然后取出其在另一圖像中相應(yīng)區(qū)域的圖像信號，計算兩者的相關(guān)函數(shù)，以相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)的相應(yīng)區(qū)域中心點為同名點，即以圖像信號分布最相似的區(qū)域為同名區(qū)域，其中心點為同名點。研究區(qū)域在不同的圖像文件時，需要將不同的圖像文件合在一起形成一幅完整的包含感興趣區(qū)域的圖像，這就是圖像的鑲嵌。通過鑲嵌處理，可以獲得更大范圍的地面圖像。參與鑲嵌的圖像可以是不同時間同一傳感器獲取的，也可以是不同時間不同傳感器獲取的圖像，但同時要求鑲嵌的圖像之間要有一定的重疊度。數(shù)字圖像鑲嵌的關(guān)鍵是：1.如何在幾何上將多幅不同的圖像連接在一起。因為在不同時間用相同的傳感器以及在不同時間用不同的傳感器獲得的圖像，其幾何變形是不同的。解決幾何連接的實質(zhì)就是幾何糾正，按照前面的幾何糾正方法將所有參加鑲嵌的圖像糾正到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。去掉重疊部分后將多幅圖像拼接起來形成一幅更大幅面的圖像。2.如何保證拼接后的圖像反差一致，色調(diào)相近，沒有明顯的接縫。第6章遙感圖像的輻射處理6.1遙感圖像的輻射校正輻射校正是指消除或改正遙感圖像成像過程中附加在傳感器輸出的輻射能量中的各種噪聲的過程。遙感圖像的輻射誤差主要包括：1） 傳感器本身的性能引起的輻射誤差；2） 地形影響和光照條件的變化引起的輻射誤差；3） 大氣的散射和吸收引起的輻射誤差。大氣對陽光和來自目標(biāo)的輻射產(chǎn)生吸收和散射，消除大氣的影響是非常重要的，在圖像匹配和變化檢測中消除大氣影響尤為重要。消除大氣影響的校正過程稱為大氣校正。6.2遙感圖像增強(qiáng)遙感圖像增強(qiáng)是為特定目的，突出遙感圖像中的某些信息，削弱或除去某些不需要的信息，使圖像更易判讀。圖像增強(qiáng)的實質(zhì)是增強(qiáng)感興趣目標(biāo)和周圍背景圖像間的反差。常用的圖像增強(qiáng)處理技術(shù)可以分為兩大類：空間域和頻率域的處理。主要內(nèi)容包括基于直方圖的處理、圖像平滑以及圖像銳化等?？臻g域處理是指直接對圖像進(jìn)行各種運算以得到需要的增強(qiáng)結(jié)果。頻率域處理是指先將空間域圖像變換成頻率域圖像，然后在頻率域中對圖像的頻譜進(jìn)行處理，以達(dá)到增強(qiáng)圖像的目的。直方圖均衡是將隨機(jī)分布的圖像直方圖修改成均勻分布的直方圖，其實質(zhì)是對圖像進(jìn)行非線性拉伸，重新分配圖像像元值，使一定灰度范圍內(nèi)的像元的數(shù)量大致相等。直方圖正態(tài)化是將隨機(jī)分布的原圖像直方圖修改成高斯分布。直方圖匹配是通過查找表使得一個圖像的直方圖與另一個圖像直方圖類似，亦屬于非線性變換。密度分割與直方圖均衡類似。產(chǎn)生一個階梯狀查找表，原始圖像的灰度值被分成等間隔的離散的灰度級，每一級有其灰度值。進(jìn)行密度分割時，需知道輸出直方圖的范圍和密度分割層數(shù)，然后建立階梯級查找表，使得輸出的每一個層有相同的輸入灰度級。最后對每一層賦新灰度值或顏色，就可以得到一幅密度分割圖像。灰度反轉(zhuǎn)是指圖像灰度范圍進(jìn)行線性或非線性取反，產(chǎn)生一幅與輸入圖像灰度相反的圖像，其結(jié)果是原來亮度的地方變暗，原來暗的地方變亮。6.3圖像平滑1,圖像平滑的目的在于消除各種干擾噪聲，使圖像中高頻成分消退，即平滑掉圖像的細(xì)節(jié)，使其反差降低，保存低頻成分。圖像平滑包括空間域處理和頻率域處理兩大類。包括：鄰域平均法，其思想是利用圖像點（X，y）及其鄰域若干個像素的灰度平均值來代替點（X，y）的灰度值，結(jié)果是對亮度突變的點產(chǎn)生了“平滑”效果。低通濾波法是用濾波方法將頻率域中一定范圍的高頻成分濾掉，而保留其低頻成分以達(dá)到平滑圖像的目的。6.4圖像銳化銳化是增強(qiáng)圖像中的高頻成份，突出圖像的邊緣信息，提高圖像細(xì)節(jié)的反差，也稱為邊緣增強(qiáng)，其結(jié)果與平滑相反。圖像銳化處理有空間域（對鄰區(qū)窗口內(nèi)的圖像微分）和頻域處理（高通濾波）兩種。6.5多光譜圖像四則運算1.減去運算：Bm=BX—BY（6—69）其中BX、BY為兩個不同波段的圖像或者不同時相同一波段圖像。當(dāng)為兩個不同波段的圖像時，通過減法運算可以增加不同地物間光譜反射率以及在兩個波段上變化趨勢相反時的反差。而當(dāng)為兩個不同時相同一波段圖像相減時，可以提取波段間的變化信息。當(dāng)用紅外波段與紅波段圖像相減時，即為植被指數(shù)，即VI=B1R—BR加法運算 B=i （6—71）通過加法運算可以加寬波段，如綠色波段和紅色時段圖像相加可以得到近似全色圖像；而綠色波段，紅色波段和紅外波段圖像相加可以得到全色紅外圖像。3.乘法運算!-1 （6—72）通過乘法運算結(jié)果與加法運算結(jié)果類似。除法運算B=Bx/By（6—73）通過比值運算能壓抑因地形坡度和方向引起的輻射量變化，消除地形起伏的影響；也可以增強(qiáng)某些地物之間的反差，如植物、土壤、水在紅色波段與紅外波段圖像上反射率是不同的，通過比值運算可以加以區(qū)分（見表6—2）。因此，比值運算是自動分類的預(yù)處理方法之一。

類別紅波段紅外波段紅波段/紅外波段植被暗很亮更亮水稍亮很暗更暗房屋較亮較亮不變植被、水、土壤在紅/紅外波段灰度及比值結(jié)果表6—表6—2歸一化差分植被指數(shù)（NDVI）NDV1(6—74)TNDV1=、務(wù)+月TNDV1=、務(wù)+月5變換NDVI(TNDVI)（6—75）而差分比值運算：NDV1=及-為(6-76)可以消除部分大氣影響。6.6圖像融合圖像融合是指將多源遙感圖像按照一定的算法，在規(guī)定的地理坐標(biāo)系，生成新的圖像的過程。全色圖像一般具有較高空間分辨率，多光譜圖像光譜信息較豐富，為提高SPOT多光譜圖像的空間分辨率，可以將全色圖像融合進(jìn)多光譜圖像。通過融合既提高多光譜圖像空間分辨率