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遥感原理与应用-孙家炳.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：5.88M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    §1.1 概述
    §1.2 物体的发射辐射
    §1.3　地物的反射辐射
    §1.4地物波谱特性的测定
    §2.1遥感平台的种类
    §2.2 卫星轨道及运行特点
    §2.3 陆地卫星及轨道特征
    §3.1扫描成像类传感器
    §3.2微波成像类传感器（侧视雷达)
    §4.1　图像的表示形式
    §4.2 遥感数字图像的存贮
    §4.3遥感数字图像处理系统
    §4.4 遥感图像处理系统与GIS和GPS的集成
    §5.1 遥感传感器的构像方程
    §5.2遥感图像的几何变形
    §5.3 遥感图像的几何处理
    §6.1 遥感图像的辐射校正
    §6.2 遥感图像增强
    §6.4 图像锐化
    §6.5多光谱图像四则运算
    §6.6 图像融合
    §6.7 遥感图像和DEM复合
    §7.1 景物特征和判读标志
    §7.2 目视判读的一般过程和方法
    §7.3遥感图像目视判读举例
    §8.1 基础知识
    §8.2 特征变换及特征选择
    §8.3 监督分类
    §8.4 非监督分类
    §8.5 非监督分类与监督分类的结合
    §8.6 分类后处理和误差分析
    §8.7 非光谱信息在遥感图像分类中的应用
    §8.8 句法模式识别概述
    §8.9 计算机自动分类的新方法
    §9.1遥感技术在测绘中的应用
    §9.2遥感技术在环境和灾害监测中的应用
    §9.3 遥感技术在地质调查中的应用
    §9.5 遥感技术在其它各种专业领域中的应用
    前 言 遥感是在不直接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知的一门探测技术。具体 地讲是指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传感器获取反映地表特征的各种数据， 通过传输、变换和处理，提取有用的信息，实现研究地物空间形状、位置、性质及其与环境 的相互关系的一门现代应用技术科学。 1858 年世界上第一张航空像片获得后，出现的航片判读技术是现代遥感技术的雏 形，由于技术上的限制，在整整一个世纪中，一直发展十分缓慢，仅仅是在航片几何处理上 有很大的突破，航空摄影测量的理论和光学机械模拟测图仪器发展到比较完善的地步。 1956 年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，为遥感技术的发展创造了新的条件， 科学家对随后发射的卫星上回收的成千上万张地球照片进行分析，注意到卫星摄影拍摄范围 大，速度快，成本低，在短期内内能重复观测，有利于监测地表的动态变化。并发现了许多 在地面或近距离内无法看到的宏观自然现象。在这同时传感器技术长足发展，出现了多光谱 扫描仪、热红外传感器和雷达成像仪等，使得获取信息所利用的电磁波谱的波长范围大大扩 展，显示信息的能力增强，一些传感器的工作能力达到全日时，全天候，并且获取图像的方 式更适应现代数据传输和处理的要求。计算机技术的发展和应用，使海量卫星图像数据的处 理、贮存和检索快速而有效，尤其在图像的压缩、变换、复原、增强和信息提取方面，更显 示了它的优越性。这样就大大突破了原先航片目视判读的狭隘性，"遥感"（Remote Sensing） 这一更加广义和恰当的新名词，很自然地在二十世纪六十年代出现。 美国在"双子星座"（Gemini），天空实验室（Skylab）和雨云（Nimbus）等卫星和 宇宙飞船上进行遥感试验的基础上，1972 年 7 月 23 日发射了第一颗地球资源卫星（ERTS-1）， 后改称陆地卫星（LandSet），星上载有 MSS 多光谱扫描仪和 RBV 多光谱电视摄像仪两种传感 器系统，空间分辨力 80 米，是一颗遥感专用卫星，五年多发射下来的大量地表图像经各国 科学家分析和应用，得到了大量成果，可称为遥感技术发展的第一个里程碑。 1982 年美国发射的陆地卫星 4 号（LandSet-4）上装载的 TM 专题制图仪，将光谱 段从 MSS 4 个波段增加到 7 个波段，空间分辨力提高到 30 米。1986 年法国发射的 Spot 卫 星上装载的 HRV 线阵列推扫式成像仪将空间分辨力提高到 10 米，被称为第二代遥感卫星。 目前已发展到第三代遥感卫星，1konos 卫星上遥感传感器空间分辨力达到 1 米。快鸟（Quick bird）卫星达到 0.61 米。 遥感技术的发展不仅仅表现在传感器空间分辨力的提高，其它各个方面发展也十分
    快，遥感平台由遥感卫星，宇宙飞船，航天飞机有一定时间间隔的短中期观测，发展为以国 际空间站为主的多平台、多层面、长期的动态观测。还计划发射小卫星群，获取任意时相的 卫星影像，以适应不同遥感监测项目的要求。遥感传感器的光谱探测能力也在急速提高，成 像光谱仪的出现，能探出到地物在某些狭窄波区光谱辐射特性的差别，目前已在运行的有 36 个波段的 MODIS 成像光谱仪，未来成像光谱仪的波段个数将达到 384 个波段，每个波段 的波长区间窄到 5nm。在立体成像方面，由邻轨立体观测发展到同轨立体观测，使立体影像 能在很短时间内获得，并且几何关系相对简单，处理更方便，侧视雷达立体成像和相干雷达 （INSAR）的出现，使立体测量方法更多样化，同时实现全天候作业。 遥感图像处理硬件系统也从光学处理设备全面转向数字处理系统，内外存容量的迅 速扩大，处理速度急速增加，使处理海量遥感数据成为现实，网络的出现将使数据实时传输 和实时处理成为现实。遥感图像处理软件系统更是不断翻新，从开始的人机对话操作方式 （ARIES I2S101 等）。发展到视窗方式（ERDAS，PCI，ENVI 等），未来将向智能化方向发展。 另一个特点是与 GIS 集成，有代表性的是 ERDAS 与 ARCIINFO 的集成。遥感软件的组件化也 是一个发展方向，遥感软件的网络化，实现遥感软件和数据资源的共享和实时传输。 大量多种分辨力遥感影像形成了影像金字塔，再加上高光谱、多时相和立体观测影 像，出现海量数据，使影像的检索和处理发生困难，建立遥感影像数据库系统已迫在眼前， 目前遥感影像数据的研究是以影像金字塔为主体的无缝数据库，影像数据库涉及到影像纠 正，数据压缩和数据变换等理论和方法，还产生了"数据挖掘"（或知识发现）之类的新的理 论和方法。为了能将海量遥感数据中的所需信息富集在少数几个特征上，又形成了多源遥感 影像融合（指多种传感器、多分辨力、多波段、多时相间）的理论和方法。 在遥感图像识别和分类方面，开始大量使用统计模式识别，后来出现了结构模式识 别、模糊分类、神经元网络分类，半自动人机交互分类和遥感图像识别的专家系统。但在遥 感图像识别和分类中尚有许多不确定性因素尚需作深入研究。 在遥感的应用方面有大量成果，有些领域有突破性进展，总的看来是从定性分析走 向定定量分析，如从作物类型的识别到作物估产。另一方面是从宏观分析到微观分析，从农 业生产的宏观分析如大面积干旱探测到精细农业，即用遥感方法指导和实施作物的技术管理 措施。 未来要建立的数字地球是对真实地球及其相关现象数字化描述的一个虚拟地球。遥 感技术将为数字地球提供动态的高分辨力、高光谱影像，用遥感影像生成的三维数字地面模 型（DEM），以及地物和环境的各种属性数据等一些数字地球中最基础的数据。
    随着遥感技术日新月异的发展，尤其在许多领域里的应用有新的突破的情况下，原 来的教材已不适应现在的本科教学。近五年来，我校教学改革不断深入，又创建了"遥感科 学与技术"新专业，结合多年的教学经验，在这次的教材编著中，突出当今遥感的新成就， 注入新内容，如遥感平台和新型传感器方面，介绍了空间站、小卫星、高空间分辨力传感器 IKONOS 等）、高光谱传感器（MODIS 成像光谱仪等）、相干雷达（INSAR）等；在处理方法方 面编入了多源遥感影像融合、数字影像镶嵌、辐射校准处理、自动分类中的新方法以及新的 遥感图像处理软硬件和 3S 集成系统等；尤其在遥感技术应用一章中，编入了许多国内外有 重大影响的遥感成果，如遥感探测南极陨石、遥感监测 1998 年长江特大洪水、沙尘暴、臭 氧空洞、山体滑坡、大兴安岭森林火灾、南极冰川流速以及遥感方法快速修测和更新地形图 等等。对于一些曾使用过一段时间的、陈旧的光学处理方法和过时的图像处理系统等被淘汰 的技术不再编入本书。 本书不仅能作为攻读硕士研究生的专业参考教材，而且还可以作为本科毕业生从事 遥感教学、科研和生产的指导工具。教材以讲解遥感的基本理论、成熟的已商品化的和普遍 使用的遥感技术和方法为主，同时具体叙述遥感在各个领域中的应用实例，帮助学生掌握实 际技能。书中还引导学生关注遥感新技术和发展趋势，紧跟国际上遥感发展的步伐。 本书共分九章，第 1 章"电磁波遥感物理基础"由管玉娟编写；第 2 章"遥感平台及 运行特点"和第 3 章"遥感传感器及其成像原理"由倪玲编写；第 4 章"遥感图像数字处理的基 础知识"和第 8 章"遥感图像自动识别分类"由潘斌编写；第 5 章"遥感图像几何处理和第 6 章"遥感图像辐射处理"由周军其编写；孙家抦教授编写了第 7 章"遥感图像目视判读"和第 9 章"遥感技术应用"，并且对全书进行了统一编审。 由于受编写时间和作者水平之限，全书难免存在缺点甚至错误，敬希读者批评指正。 第 1 章 电磁波及电磁波谱 §1.1 概述...................................................................................................................... 3 §1.2 物体的发射辐射.................................................................................................. 7 §1.3 地物的反射辐射................................................................................................. 19 §1.4 地物波谱特性的测定......................................................................................... 25 §1.1 概述 遥感即遥远感知，是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知 的一种技术，空间中的电磁场、声场、势场等由于物体的存在而发生变化，测量这些场的变
    化就可以获得物体的信息。因而电磁波、机械波（声波）、重力场、地磁场等都可以用作遥 感。例如：蝙蝠可以发射 25 000~ 70 000 Hz 的超强声波并接受这些声波的反射回波，进而 它可以觅食或自由的飞行。人们利用重力场来探测地形变化或地质构造。但目前人们所说的 “遥感”，一般是指电磁波遥感，它是利用电磁波获取物体信息，本书着重讨论电磁波遥感 技术。 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物 体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波的反射或发射辐射特征。 因此遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理之上的，要深入学习遥感技术，首 先要学习和掌握电磁波以及电磁波谱的性质。本章主要介绍电磁波的发射和反射特性、地物 波谱特性曲线的应用等。 1.1.1 电磁波 根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一变化的 磁场又在较远的区域内引起新的变化电场，并在更远的区域内引起新的变化磁场。这种变化 的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。γ射线、 X 射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。电磁波是一种横波，如 图 1-1 所示 图 1-1 电磁波——横波 还可以用下列方程组表示： 式中ε为介质的相对介电常数，μ为相对导磁率，c 为光速。 电磁波具有波粒二象性。即：波动性与粒子性。这里主要讲波动性。 单色波的波动性可用波函数来描述，它是一个时空的周期性函数，由振幅和相位组 成，一般成像原理只记录振幅，只有全息成像时，才既记录振幅又记录相位。 光的波动性形成了光的干涉、衍射、偏振等现象。下面对三者逐一说明。 由两个（或两个以上）频率、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的电磁波在空
    间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此会出现交叠区某些地方振动加强，某 些地方振动减弱或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。 一般地，凡是单色波都是相干波。取得时间和空间相干波对于利用干涉进行距离测 量是相当重要的。激光就是相干波，它是光波测距仪的理想光源。微波遥感中的雷达也是应 用了干涉原理成像的,其影像上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光影 像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。 光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象称为光的衍射。从夫朗和费衍射装 置的单缝衍射实验中可以看到：在入射光垂直于单缝平面时的单缝衍射实验图样中，中间有 特别明亮的亮纹，两侧对称地排列着一些强度逐渐减弱的亮纹。如果单缝变成小孔，由于小 孔衍射，在屏幕上就有一个亮斑，它周围还有逐渐减弱的明暗相间的条纹，其强度分布如图 1-2 所示。 一个物体通过物镜成像，实际上是物体各点发出的光线，在屏幕上形成的亮斑组合 图 1-2 衍射光强度分布 而成。 研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要意义。 另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。 电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，许多散射光、反射光、透射光都是部分偏振 光。偏振在微波技术中称为“极化”。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的 偏振这一特性。 1.1.2 电磁波谱 我们知道，电磁波是电磁场的传播，而电磁场具有能量，因而波的传播过程也就是 电磁能量的传播过程。 不同的电磁波由不同的波源产生。γ射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、微 波、无线电波等都属于电磁波。如果我们按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺 序排列，就能得到电磁波谱图（图 1-3），
    电磁波谱 图 1-3 电磁波谱区段的界限是渐变的，一般按产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划 分。习惯上人们常常将电磁波区段划分如表 1-1 所示。 电磁波谱表 1-1 波段 长波 中波和短波 超短波 微波 超远红外 远红外① 中红外 近红外 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 红外 波段 可见 光 波长 大于 3000m 10 ~ 3000m 1 ~ 10m 1mm ~ 1m 0.76 ~ 1000μm 15 ~ 1000μm 6 ~ 15μm 3 ~ 6μm 0.76 ~ 3μm 0.62 ~ 0.76μm 0.59 ~ 0.62μm 0.38 0.56 ~ 0.59μm ~ 0.50 ~ 0.56μm 0.76μm 0.47 ~ 0.50μm 0.43 ~ 0.47μm 0.38 ~ 0.43μm
    紫外线 X 射线 γ射线 10-3 ~ 3.8×10-1μm 10-6 ~ 10-3μm 小于 10-6μm ①也有人将 0.76~15μ看作近红外，将 15~1000μm 看作远红外。 从电磁波谱图可见，电磁波的波长范围非常宽，从波长最短的γ射线到最长的无线 电波，他们的波长之比高达 1022 倍以上。遥感采用的电磁波波段可以从紫外一直到微波波 段。遥感器就是通过探测或感测不同波段电磁波谱的发射、反射辐射能级而成像的，可以说 电磁波的存在是获取图像的物理前提。在实际的遥感工作中根据不同的目的选择不同的波谱 段。 1.2.1 黑体辐射 §1.2 物体的发射辐射 1860 年，基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明了凡是吸 收热辐射能力强的物体， 它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的 热发射能力也就弱。 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。 一个不透明的物体对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用，且此物体的光谱 吸收率α(λ,T)与光谱反射率ρ（λ，T）之和恒等于 1，实际上对于一般物体而言，上述 系数都与波长和温度有关，但绝对黑体的吸收率α(λ,T)≡1,反射率ρ（λ,T）≡0；与之 相反的绝对白体则能反射所有的入射光，即：反射率ρ（λ,T）≡1，吸收率α(λ,T)≡0， 与温度和波长无关。 理想的绝对黑体在实验上是用一个带有小孔的空腔做成的（图 1-4），空腔壁由不 透明的材料制成，空腔器壁对辐射只有吸收和反射作用，当从小孔进入的辐射照射器壁上时 大部分辐射被吸收，仅有 5% 或更少的辐射被反射，经过 n 次反射后，如果有通过小孔射出 的能量的话，也只有（5%）n，当 n 大于 10 时，认为此空腔符合绝对黑体的要求。黑色的 烟煤，因其吸收系数接近 99%，因而被认为是最接近绝对黑体的自然物体。恒星和太阳的辐 射也被看作是接近黑体辐射的辐射源。
    1900 年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度 Wλ和其温度的关系以及按 图 1-4 绝对黑体 波长λ分布的辐射定律： 式中： —— 分谱辐射通量密度，单位 W／（cm2·μm）； —— 波长，单位是μm； —— 普 朗克常数(6.6256×10-34J·s)； —— 光速(3×1010cm/s)； —— 玻耳兹曼常数(1.38 ×10-23J／K)； —— 绝对温度，单位是 K。 图 1-5 为几种温度下用普朗克公式（1-2）绘制的黑体辐射波谱曲线 图中可直观地看出黑体辐射的三个特性： 图 1-5 几种温度下的黑体波谱辐射曲线 （1）与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度 W 是随温度 T 的增加而迅速增加。 总辐射通量密度 W 可在从零到无穷大的波长范围内。对普朗克公式进行积分，即 可 得到从 1cm2 面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密度的表达式为： 式中： 为斯忒藩一玻耳兹曼常数， T 为绝对黑体的绝对温度（K）。 从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方 成正比，称为斯忒藩－玻耳兹曼公式。对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可 以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度（T）。热红外遥感就是利用这一原理探
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