遙感技術(shù)與應(yīng)用整理

遙感：不直接接觸物體本身，從遠(yuǎn)處通過傳感器探測和接受來自目標(biāo)物體的信息，經(jīng)過信息傳輸、加工處理及分析解譯，識別物體和現(xiàn)象的屬性及其空間分布等特征與變化規(guī)律的理論和技術(shù)。遙感分類按遙感平臺分，包括地面遙感、航空遙感、航天遙感按探測器的工作波段分，包括紫外遙感、可見光遙感、紅外遙感、微波遙感、多光譜遙感按遙感應(yīng)用領(lǐng)域，從大的研究領(lǐng)域可分為外層空間遙感、大氣層遙感、陸地遙感、海洋遙感等。按遙感資料的記錄方式可分為成像遙感和非成像遙感按傳感器工作方式可分為主動遙感和被動遙感遙感過程：信息源——》信息獲取（傳感器）——》信息記錄與傳輸一一》信息處理（地面站）——》信息應(yīng)用電磁波譜可見光（0.38-0.76微米）紫0.38-0.43藍(lán)0.43-0.47青0.47-0.50綠0.50-0.56黃0.56-0.59橙0.59-0.62紅0.62-0.76紅外波段（0.76-1000微米）近紅外0.76-3中紅外3-6熱紅外6-15超遠(yuǎn)紅外15-1000微波1mm—lm輻射能量Q：以電磁波形式傳遞的能量輻射通量①：單位時間通過某一面積的輻射能量0=dQ/dt輻射通量密度E：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量，E=dO>/dS輻照度I：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量I=dO）/dS?輻射出射度M：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量朗伯源：輻射量度L與觀察角。無關(guān)的輻射源，嚴(yán)格的說，只有絕對黑體才是朗伯源絕對黑體：如果一個物體對于任何波長的電磁輻射都全部吸收，則這個物體稱為絕對黑體。黑體輻射的三個特性a） 與曲線下的面積成正比的總輻射通量密度W隨溫度T的增加而迅速增加。（絕對黑體表面上，單位面積發(fā)出的總輻射能與絕對溫度的四次方成正比,稱為斯蒂芬-玻耳茲曼定律）熱紅外遙感就是利用這一原理探測和識別目標(biāo)物的。b） 波譜輻射能量密度的峰值波長Ama）R溫度的增加向短波方向移動。c） 每根曲線彼此不相交，故溫度T越高，所有波廠商的波譜輻射通量密度也越大。太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距太陽一個天文單位內(nèi)，太陽輻射在大氣上界處的垂直入射輻射通量密度（即單位面積單位時間黑體所接受的太陽輻射能量）。地物光譜發(fā)射率單位面積上地物發(fā)射的某一波長的輻射通量密度與同溫下很提在同一波長上的輻射通量密度之比，稱為地物光譜發(fā)射率記為絕對黑體灰體選擇性輻射體理想反射體（絕對白體）”.任何物體的發(fā)射率等于其吸收率根據(jù)能量守恒定理，入射到地表面的電磁波能量為E,被物體反射的能量為E,P被物體吸收的能量為成，透射過物體的電磁波能量為弓，有紅外波段中的太陽輻與地物發(fā)射情況 T近紅外0.76-3.Oum,太陽輻射通量密度與地物的輻射通量之比約為1000:1,因此，在此波段只反映地物對太陽輻射的反射，而基本上不反映地物本身熱輻射的高低。離開了太陽輻射就不能進(jìn)行近紅外遙感，故近紅外遙感只能在白晝成像。中紅外3-5um,太陽輻射能量與地物輻射之比為10:1,地物對太陽輻射能量的反射是主要的遙感信息。由于夜間沒有太陽輻射，夜間的遙感信息只能靠地物本身的熱輻射，這時對地面上的高溫物體效果較好。在此波段晝夜均可成像，但白天成像的影像解譯很困難。熱紅外，遙感使用的熱紅外波段是8-14um0太陽輻射能量與地物輻射之比1:10-106,此波段內(nèi)遙感響應(yīng)的主要是地物本身的熱輻射，地物反射的太陽輻射能量可以忽略不計遠(yuǎn)紅外，遠(yuǎn)紅外即15-30um波段。此波段的地?zé)彷椛淠芰枯^大，其W,的數(shù)量約為ioow/皿，太陽輻射在此波段相對較小。但由于大氣的透過率不局，所以遠(yuǎn)紅外波段不能用于遠(yuǎn)距離遙感。光譜反射率通常反射率定義為物體的反射通量與入射通量之比，即：地物反射光譜特性曲線P26大氣散射瑞利散射，當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長小得多時發(fā)生的散射叫瑞利散射。這種散射主要由大氣中的原子和分子引起。 瑞利散射對可見光的影響很大。無云的晴空呈現(xiàn)藍(lán)色，就是因?yàn)樗{(lán)光波長短，散射強(qiáng)度較大，因此藍(lán)光向四面八方散射，使整個天空呈蔚藍(lán)色，而太陽輻射傳播方向的藍(lán)光則被大大削弱。這種現(xiàn)象在日出和日落時更為明顯，因?yàn)檫@是太陽高度角小，陽光斜射向地面，通過的大氣層比陽光直射時要厚得多。在太陽光線的傳播中，藍(lán)光波長最短，幾乎被散射殆盡，波長次短的綠光散射強(qiáng)度也居其次，大部分被散射掉了。只剩下波長最長的紅光，散射最弱，因此透過大氣最多。加上剩余的極少量綠光，最后合成呈現(xiàn)橘紅色，所以朝霞和夕陽都偏橘紅色。米氏散射，當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當(dāng)時發(fā)生的散射，稱為米氏散射。這種散射主要由大氣中的微粒（如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等）引起。云霧的粒子大小與紅外線的波長接近，所以云霧對紅外線的散射主要是米氏散射。因此，潮濕天氣米氏散射影響較大。C.無選擇性散射，當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射屬于無選擇性散射。這種散射的特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，也就是說，在符合無選擇性散射條件的波段中，任何波長的散射強(qiáng)度都相同。如云、霧粒子直徑雖然與紅外線波長接近，但相比可見光波段，云霧中水滴的粒子直徑就比波長大很多，因而對可見光中各個波長的光散射強(qiáng)度相同，所以人們看到云霧呈白色，并且無論從云下還是乘飛機(jī)從云層上面看，都是白色。17.大氣窗口：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”。18.TM影像分七個波段，量化灰度級8位TM0.45-0.52青綠30m0.52-0.60綠黃300.63-0.69紅300.76-0.90近紅外301.55-1.75近紅外3010.40-12.50熱紅外1202.08-2.35近紅外30ETM+8譜段多光譜ETM+0.50-0.90Pan150.45-0.52300.52-0.60300.63-0.69300.76-0.90301.55-1.753010.40-12.50602.08-2.353020.SPOT衛(wèi)星搭載HRV推帚式掃描儀SPOT衛(wèi)星上的HRV分成兩種形式:一種是多光譜型的HRV：波段1 0.50-0.59波段2 0.61-0.68波段3 0.79-0.89另一種是全色的HRV波段范圍0.51-0.73高分辨率衛(wèi)星影像：QuickBird-2,Geoeye-1,Worldview,IKONOS-1,IKONOS-1,Orbview-3,Orbview-4,Eowly-1遙感圖像特征：幾何特征、物理特征、時間特征。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、時間分辨率空間分辨率是指像素所代表的地面范圍的大小，即掃描儀的瞬時視場，或地面物體能分辨的最小單元。波普分辨率是指傳感器在接收目標(biāo)輻射的波譜時能分辨的最小波長間隔，間隔越小，波譜分辨率越高。輻射分辨率是指傳感器接收波譜信號時，能分辨的最小輻射度差。在圖像上表現(xiàn)為每一像元的輻射量化級（量化位數(shù)）時間分辨率指對同一地點(diǎn)進(jìn)行遙感采樣的時間間隔，即采樣的時間頻率，也稱重放周期。數(shù)字圖像是一種空間坐標(biāo)和灰度均不連續(xù)的、用離散的數(shù)字表示的圖像遙感圖像數(shù)字處理：以計算機(jī)系統(tǒng)為支撐環(huán)境，利用模式識別技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)遙感圖像中目標(biāo)地物的各種影像特征（顏色、形狀、紋理與空間位置等），結(jié)合專家知識庫中目標(biāo)地物的解譯經(jīng)驗(yàn)和成像規(guī)律等知識進(jìn)行分析和整理，實(shí)現(xiàn)對遙感圖像的理解，完成對遙感圖像的解譯。遙感圖像處理的主要內(nèi)容有：幾何處理、輻射處理、圖像濾波與增強(qiáng)、圖像變換、特征提取、遙感分類、信息融合、圖像壓縮與存檔、專題信息提取與目標(biāo)識別、其他高端處理存儲格式BSQ、BIP、BIL圖像直方圖：描述了圖像中每個亮度值的向元數(shù)量的統(tǒng)計分布它是灰度級的函數(shù)，表示圖像中具有每種灰度級像元的個數(shù)或比例，反映圖像中每種灰度出現(xiàn)的頻率。圖像直方圖畫法：確定圖像像元的灰度值范圍，以適當(dāng)?shù)幕叶乳g隔為單位將其劃分為若干等級，以橫軸表示灰度級，縱軸表示每一灰度級具有的像元個數(shù)或該像元占總像元數(shù)的比例值，作出的條形統(tǒng)計圖即為灰度直方圖。直方圖的性質(zhì)a.直方圖反映了圖像中的灰度分布規(guī)律。它描述每個灰度級具有的像元個數(shù)但不包含這些像元在圖像中的位置信息。任何衣服特定的圖像都有唯一的直方圖與之對應(yīng)，但不同的圖像可以有相同的直方圖。如果一幅圖像有兩個或兩個以上不相連的區(qū)域組成，并且每個區(qū)域的直方圖已知，則整幅圖像的直方圖是該兩個區(qū)域的直方圖之和。多波段間的統(tǒng)計分布遙感圖像幾何畸變的來源傳感器成像方式引起的圖像變形(全景投影變形、斜距投影變形)、傳感器外方位元素變化的影響、地形起伏的影響、地球表面曲率的影響、大氣折射的影響、地球自轉(zhuǎn)的影響遙感圖像的幾何校正包括粗校正和精校正數(shù)字圖像幾何校正的一般過程準(zhǔn)備工作——》輸入原始數(shù)字影像——》建立校正變換函數(shù)——》確定輸出影像范圍——》像元幾何位置變換——》像元的灰度重采樣——》輸出校正數(shù)字影像灰度重采樣幾何校正過程中，由于校正前后圖像的分辨率可能變化，像元點(diǎn)位置相對變化等原因，不能簡單的用原圖像灰度值代替輸出圖像像元灰度值。由于計算后的(x,y)多數(shù)不在原圖的像元中心處，因此必須重新計算新位置的亮度值。通常有三種方法：最近鄰法、雙線性內(nèi)插法和三次卷積法。最近鄰法幾何精度差、灰度失真大，但方法簡單，計算速度快。雙線性內(nèi)插法精度明顯提高，幾何上比較準(zhǔn)確，保真度較高。缺點(diǎn)是破壞了原來的數(shù)據(jù)，但具有平均化的濾波效果，從而使對比度明顯的分界線變得模糊。三次卷積可得到較高的圖像質(zhì)量。缺點(diǎn)是計算量很大，破壞了原來的數(shù)據(jù)，但具有圖像的均衡化和清晰化的效果。當(dāng)變形比較嚴(yán)重時，必須使用三次卷積法，以保證質(zhì)量。輻射畸變因素：傳感器的靈敏度特性、大氣、太陽局度及地形等。輻射校正主要包括傳感器的靈敏度特性引起畸變的校正、由太陽高度及地形等引起的畸變的校正和大氣校正。程輻射：相當(dāng)部分的大氣散射光未經(jīng)地物反射，通過大氣吸收后，直接進(jìn)入傳感器的輻射叫程輻射。圖像增強(qiáng)的概念：圖像增強(qiáng)與變換的主要內(nèi)容：空間域增強(qiáng)、頻率域增強(qiáng)、彩色增強(qiáng)、多圖像代數(shù)運(yùn)算、多光譜變換偽彩色密度增強(qiáng)是把黑白圖像的各不同灰度級按照線性或非線性的映射函數(shù)變換成不同的彩色，得到一幅彩色圖像的技術(shù)。偽彩色密度分割：將一幅單波段黑白遙感圖像按灰度的大小，劃分為不同的層，并對每層賦予不同的顏色，使之變?yōu)橐环噬珗D像，這種方法稱為偽彩色密度分割。顏色可以用明度(Intensity,I)、色調(diào)(Hue,H)和飽和度(Saturation,S)來表示，它們稱為色彩的三要素。融合：多光譜影像經(jīng)過顏色空間變換，以高分辨率影像分量進(jìn)行替換，最終得到高分辨率的多光譜影像。HIS變換融合方法流程圖主成分變換主成分變換也稱為主分量分析或K-L變換。K-L變換是在統(tǒng)計特征基礎(chǔ)上的多維正交線性變換，不丟失信息是其特征之一。對某一多光譜圖像X,利用K-L變換矩陣A進(jìn)行線性組合，而產(chǎn)生一組新的多光譜圖像Y,表達(dá)式為Y=AXX 變換前多光譜特征空間的像元矢量Y——變換后多光譜特征空間的像元矢量A——一個n*n的線性變換矩陣通過采用主成分分析就可以把圖像中所含的大部分信息用假想的少數(shù)波段表示出來，這意味著信息幾乎不丟失但數(shù)據(jù)量可以減少。事實(shí)上，第一主分量集中了最大的信息量最后的分量幾乎全是噪聲。K-L變換的應(yīng)用歸納如下：數(shù)據(jù)壓縮、圖像增強(qiáng)、分類前預(yù)處理。圖像分類的基本原理(同物同譜、異物異譜)遙感圖像分類就是利用計算機(jī)對遙感圖像中各類地物的光譜信息和空間信息進(jìn)行分析，選擇作為分類判據(jù)的特征（光譜特征、紋理特征等），并用一定的手段將特征空間劃分為互補(bǔ)重疊的子空間，然后將圖像中的各個像元劃歸到各個子空間去。遙感圖像分類的理論依據(jù)是：在理想的條件下，遙感圖像中的同類地物在相同的條件下應(yīng)具有相同或相似的光譜信息特征和空間信息特征，從而表現(xiàn)出同類地物的某種內(nèi)在的相似性，即同類地物像元的特征向量將集群在同一特征空間區(qū)域，而不同地物的光譜信息特征或空間信息特征應(yīng)不同，因而將集群在不同的特征空間區(qū)域。46.監(jiān)督分類VS非監(jiān)督分類監(jiān)督分類是一種有先驗(yàn)類別標(biāo)準(zhǔn)的分類方法。首先要從欲分類的圖像區(qū)域中選定一些訓(xùn)練樣區(qū)，在這些訓(xùn)練樣區(qū)中地物的類別是已知的，通過學(xué)習(xí)來建立分類標(biāo)準(zhǔn)，然后計算機(jī)將按同樣的標(biāo)準(zhǔn)對整個圖像進(jìn)行識別和分類。它是一種由已知樣本外推未知區(qū)域類別的方法。即從圖像上已知目標(biāo)類別區(qū)域中提取數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出代表總體特征的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分類。采用這種方法必須事先知道圖像中包含哪幾種地物類別。非監(jiān)督分類是一種無先驗(yàn)類別標(biāo)準(zhǔn)的分類方法。對于待研究的對象和區(qū)域,沒有已知類別或訓(xùn)練樣本作標(biāo)準(zhǔn)，而是利用圖像數(shù)據(jù)本身能在特征測量空間中聚集成群的特點(diǎn)，先形成各個數(shù)據(jù)集，然后再核對這些數(shù)據(jù)集所代表的物體類另U。當(dāng)圖像中包含的目標(biāo)不明確或沒有先驗(yàn)確定的目標(biāo)時，則需將像元先進(jìn)性聚類，用聚類方法將遙感數(shù)據(jù)分