遙感數(shù)字影像處理

1、遙感數(shù)字影像處理,崔海山廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院地理信息科學(xué)系2005.1.20,教學(xué)目的,掌握和了解遙感圖像的機(jī)理遙感圖像的處理方法和過(guò)程如何從遙感數(shù)據(jù)中獲取自己所需要的信息,本講從整體上簡(jiǎn)單介紹了遙感技術(shù)的全貌，目的是讓同學(xué)們對(duì)遙感有一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)。遙感技術(shù)的根本目的在于獲取目標(biāo)地物的信息，為了獲取這種信息，遙感采用了與傳統(tǒng)技術(shù)不同的手段、角度、媒介，由此產(chǎn)生了與傳統(tǒng)觀察方法不同的效果和特點(diǎn)，從而遙感技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用

2、。,第一講 遙感機(jī)理,提綱,1緒論2遙感物理基礎(chǔ)3遙感平臺(tái)4遙感器及成像原理,1 緒論,1.1遙感的基本概念 遙感(Remote Sensing)對(duì)地表事物的遙遠(yuǎn)的感知，泛指一切無(wú)接觸的遠(yuǎn)距離的探測(cè)。狹義的遙感特指通過(guò)遙感器這類(lèi)對(duì)電磁波敏感的儀器，在遠(yuǎn)離目標(biāo)和非接觸目標(biāo)物體條件下探測(cè)目標(biāo)地物，獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息，進(jìn)行處理、分析與應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)和技術(shù)。遙感通常是指通過(guò)某種遙感器從空中或太空獲取地表各類(lèi)地物信息

3、，并對(duì)這些信息進(jìn)行提取、分析，以此來(lái)測(cè)量與判定地表目標(biāo)地物的性質(zhì)或特性。,遙感的觀測(cè)對(duì)象主要是地球表層的各類(lèi)地物，也包括大氣、海洋和地下礦藏中不同成分。地球表層各類(lèi)地物都具有兩種特征，一是空間幾何特征，一是物理、化學(xué)、生物的屬性特征。 過(guò)去的做法：坐井觀天（如氣象站觀測(cè)員利用水銀管狀溫度表觀測(cè)到的地表溫度只能代表幾平方米；水文工作者測(cè)到的土壤水分含量也只能代表幾平方米；農(nóng)業(yè)技術(shù)員看到小塊農(nóng)田的產(chǎn)量不可能表達(dá)大范圍的農(nóng)業(yè)情況；地質(zhì)

4、勘探者在一個(gè)點(diǎn)上采集到的巖石標(biāo)本無(wú)法畫(huà)出地質(zhì)巖性分布） 局限性：不是萬(wàn)能的。地學(xué)遙感的信息源是各種地物的反射電磁波強(qiáng)度紀(jì)錄，絕大部分應(yīng)用信息蘊(yùn)含在這些電磁波信息里。為了提取應(yīng)用信息，必須進(jìn)行一個(gè)非常重要的步驟——信息轉(zhuǎn)換，必須建立各種應(yīng)用模型，必須結(jié)合地面的輔助信息 現(xiàn)在的做法：遙感模型+GIS，可以作出作物產(chǎn)量、森林積蓄量、草場(chǎng)生物量、地表蒸發(fā)量、作物耗水量等參數(shù)的區(qū)域分布及其總量。,1.2遙感觀測(cè)對(duì)象及性質(zhì),地學(xué)基礎(chǔ)

5、、地學(xué)應(yīng)用和技術(shù)科學(xué)的交叉學(xué)科，高科技產(chǎn)業(yè),1.3學(xué)科性質(zhì),1.4 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì),遙感技術(shù)是20世紀(jì)70年代起迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性探測(cè)技術(shù)。遙感技術(shù)發(fā)展速度之快與應(yīng)用廣度之寬是始料不及的。僅經(jīng)過(guò)短短30多年的發(fā)展，遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于資源與環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)、軍事應(yīng)用、城市規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域。究其原因，在于遙感具有客觀性、時(shí)效性、宏觀性與綜合性、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn) ：天氣預(yù)報(bào)、氣候趨勢(shì)、國(guó)土整治、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量預(yù)測(cè)、重大災(zāi)情評(píng)估、植被土壤

6、類(lèi)型、地質(zhì)構(gòu)造等大范圍動(dòng)態(tài)信息,2 遙感物理基礎(chǔ),遙感技術(shù)是建立在物體電磁波輻射理論基礎(chǔ)上的。由于不同物體具有各自的電磁波反射或輻射特性，才可能應(yīng)用遙感技術(shù)探測(cè)和研究遠(yuǎn)距離的物體。理解并掌握地物的電磁波發(fā)射、反射、散射特性，電磁波的傳輸特性，大氣層對(duì)電磁波傳播的影響是正確解釋遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。,2.1 電磁波與電磁波譜,2.1.1．電磁波 一個(gè)簡(jiǎn)單的偶極振子的電路，電流在導(dǎo)線(xiàn)中往復(fù)震蕩，

7、兩端出現(xiàn)正負(fù)交替的等量異種電荷，類(lèi)似電視臺(tái)的天線(xiàn)，不斷向外輻射能量，同時(shí)在電路中不斷的補(bǔ)充能量，以維持偶極振子的穩(wěn)定振蕩。當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間，變化的磁場(chǎng)激發(fā)了渦旋電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又激發(fā)了渦旋磁場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播，這就是電磁波。,2.1.2．電磁輻射 電磁波電磁場(chǎng)在空間的直接傳播稱(chēng)為電磁輻射。1887年德國(guó)物理學(xué)家赫茲由兩個(gè)帶電小球的火花放電實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電磁場(chǎng)在空間的直接傳播，驗(yàn)證了電磁輻射的存在。裝載在遙感平臺(tái)上的遙感器系

8、統(tǒng)，接收來(lái)自地表、地球大氣物質(zhì)的電磁輻射，經(jīng)過(guò)成像儀器，形成遙感影象。 2.1.3．電磁波譜 γ射線(xiàn)、X射線(xiàn)、紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)電波（微波、短波、中波、長(zhǎng)波和超長(zhǎng)波等）在真空中按照波長(zhǎng)或頻率遞增或遞減順序排列，構(gòu)成了電磁波譜。,目前遙感技術(shù)中通常采用的電磁波位于可見(jiàn)光、紅外和微波波譜區(qū)間?？梢?jiàn)光區(qū)間輻射源于原子、分子中的外層電子躍遷。紅外輻射則產(chǎn)生于分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷。無(wú)線(xiàn)電波是由電容、電感組成的振蕩回路產(chǎn)

9、生電磁輻射，通過(guò)偶極子天線(xiàn)向空間發(fā)射。微波由于振蕩頻率較高，用諧振腔及波導(dǎo)管激勵(lì)與傳輸，通過(guò)微波天線(xiàn)向空間發(fā)射。由于它們的波長(zhǎng)或頻率不同，不同電磁波又表現(xiàn)出各自的特性和特點(diǎn)?？梢?jiàn)光、紅外和微波遙感，就是利用不同電磁波的特性。電磁波與地物相互作用特點(diǎn)與過(guò)程，是遙感成像機(jī)理探討的主要內(nèi)容。,2.1.4 電磁輻射的傳播 電磁輻射通過(guò)不同的介質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度、波長(zhǎng)、相位、傳播方向和偏振面等將發(fā)生變化，這些變化可能是單一的，也可能是復(fù)合的。

10、電磁波可以采用頻率、相位、能量、極化等物理參數(shù)來(lái)描述。電磁波在傳播中遵循波的反射，折射，衍射，干涉，吸收，散射等傳播規(guī)律。 2.1.5 電磁輻射的測(cè)量與度量單位 遙感信息是從遙感器定量記錄的地表物體電磁輻射數(shù)據(jù)中提取的。為了測(cè)量從目標(biāo)地物反射或輻射的電磁波的能量，這里介紹兩種電磁輻射的測(cè)量方式和度量單位： 輻射測(cè)量（radiometry），以伽瑪射線(xiàn)到電磁波的整個(gè)波段范圍為對(duì)象的物理輻射量的測(cè)定，其度量單位略。

11、 光度測(cè)量（photometry），由人眼的視覺(jué)特性（標(biāo)準(zhǔn)光度觀察）評(píng)價(jià)的物理輻射量的測(cè)定，其度量單位略。,2.2 地物波譜特征,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(chēng)為地物波譜。地物波譜是電磁輻射與地物相互作用的結(jié)果。不同的物質(zhì)反射、透射、吸收、散射和發(fā)射電磁波的能量是不同的，它們都具有本身特有的變化規(guī)律，表現(xiàn)為地物波譜隨波長(zhǎng)而變的特性，這些特性叫做地物波譜特性。地物的波譜特征是遙感識(shí)別地物的基礎(chǔ)。,2.2.1 太陽(yáng)

12、輻射與地物反射波譜,被動(dòng)遙感的輻射源主要來(lái)自與我們?nèi)祟?lèi)最密切相關(guān)的兩個(gè)星球，即太陽(yáng)和地球。其中太陽(yáng)是最主要的輻射源。 1)太陽(yáng)輻射 指太陽(yáng)發(fā)出的電磁波輻射，習(xí)慣上稱(chēng)為太陽(yáng)光。太陽(yáng)輻射在從近紫外到中紅外這一波段區(qū)間內(nèi)能量最集中而且相對(duì)來(lái)說(shuō)最穩(wěn)定，太陽(yáng)強(qiáng)度變化最小。太陽(yáng)輻射接近于溫度為6150K的黑體輻射太陽(yáng)的電磁輻射主要集中在波長(zhǎng)較短的部分，即從紫外、可見(jiàn)光到近紅外區(qū)段。太陽(yáng)最大輻射的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λmax日＝0.47μm。

13、就遙感而言，被動(dòng)遙感主要利用可見(jiàn)光、紅外波段等穩(wěn)定輻射，而主動(dòng)遙感則利用微波，使太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)遙感的影響減至最小。,2)地物反射 太陽(yáng)光通過(guò)大氣層射到地球表面，地物會(huì)發(fā)生反射作用。物體對(duì)電磁波譜的反射能力用反射率表示。 3)地物反射波譜 從紫外、可見(jiàn)光至近紅外，遙感器接受的主要是來(lái)自地物反射太陽(yáng)輻射的能量，因此，在這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的地物波譜研究，主要是研究地物的反射波譜。地物的反射波譜是研究地面物體反射率隨波長(zhǎng)的

14、變化規(guī)律。地物波譜曲線(xiàn)的形態(tài)很不相同。除了不同地物反射率不同外，同種地物在不同的內(nèi)部和外部條件下反射率也不同。一般說(shuō)來(lái)，反射率隨波長(zhǎng)的變化，有規(guī)律可循，從而為遙感影象的判讀提供依據(jù)。幾種典型地物的反射光譜曲線(xiàn)如下：,研究發(fā)現(xiàn)，在自然界中，大部分地物的波譜值,具有一定的變化范圍，同一地物在同一譜段上具有不同的波譜值，多波段地物波譜測(cè)量數(shù)據(jù)分布在一定寬度的條帶內(nèi)。當(dāng)一類(lèi)地物波譜變化范圍與另一類(lèi)地物波譜變化范圍部分重疊時(shí)，地物波譜具有重疊性。

15、,2.2.2地物的熱輻射 1)熱輻射物理基礎(chǔ) 大量觀測(cè)事實(shí)證明，宇宙中的各種物體，如太陽(yáng)、各種星體、一定厚度的大氣層、人造飛行器、地球及地球上各種生物、非生物都是熱輻射源，它們一刻不停的輻射電磁波。電磁輻射能的強(qiáng)弱及其按波長(zhǎng)的分布，決定于物體的性質(zhì)與溫度，這種電磁輻射，稱(chēng)為熱輻射，也稱(chēng)為溫度輻射。,熱輻射中的幾個(gè)概念： 絕對(duì)黑體：在任何溫度下，對(duì)任何波長(zhǎng)的入射輻射的吸收系數(shù)(率) 恒等于1的物體，即 l。顯

16、然，絕對(duì)黑體的反射率＝0，透射率 ＝0。自然界不存在絕對(duì)黑體，試驗(yàn)中的黑體是人工方法制成的。 維恩位移定律(Wien’s Displacement Law) ：是指黑體的光譜出射度極值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度T成反比的規(guī)律。 斯忒藩-玻耳茲曼定律（Stefan-Boltzmann's Law） ：該定律揭示了絕對(duì)黑體總輻射出射度隨溫度變化的定量關(guān)系。從普朗克公式也可得出黑體出射度與溫度的關(guān)系。 基爾霍夫定律（Kirchh

17、off’s Law） ：該定律揭示了物體的光譜輻射出射度 與吸收系數(shù)(率) 的比值，是波長(zhǎng)、溫度的普適函數(shù)，它與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。,2)地表物體自身熱輻射 觀測(cè)表明，地球輻射接近于溫度為300K的黑體輻射。地球最大輻射的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λmax地＝9.66μm，地球自身的輻射主要集中在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的部分即6μm以上的熱紅外區(qū)段。在這一區(qū)段太陽(yáng)輻射的影響幾乎可以忽略不計(jì)，因此可以只考慮地表物體自身的熱輻射。 （1）

18、黑體或絕對(duì)黑體 發(fā)射率 ＝1，即對(duì)所有波長(zhǎng)黑體發(fā)射率都是一個(gè)常數(shù)1（反射率 ＝0，透射率 ＝0）。 （2）灰體 發(fā)射率 ＝常數(shù)<1，即灰體的發(fā)射率始終小于1且不隨波長(zhǎng)變化（反過(guò)來(lái)說(shuō)，物體對(duì)各種波長(zhǎng)的吸收率小于l，又近似地為一常數(shù))。 （3）選擇性輻射體 其發(fā)射率隨波長(zhǎng)而變化（具有選擇性吸收），而且 <1。自然界中，絕大多數(shù)物體為灰體。,2.2.3微波輻射與雷達(dá)遙感,微波遙感具有特有的

19、全天候、全天時(shí)對(duì)地觀測(cè)能力及一些地物穿透能力。成像雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射電磁輻射，對(duì)地表粗糙度，介電性質(zhì)地敏感性，多波段，多極化特性使之成為最重要地對(duì)地觀測(cè)前沿領(lǐng)域之一。成像雷達(dá)所提供的信息是地物對(duì)于雷達(dá)信號(hào)的后向散射。影響地物對(duì)雷達(dá)信號(hào)的后向散射能力的因素有：表面狀況（如：地形，粗糙程度）、電學(xué)性質(zhì)（介電常數(shù)）及含水量等。,2.2.4 地物波譜特性的測(cè)量,地物波譜是遙感研究的基礎(chǔ)。在電磁波中只有可見(jiàn)光和近紅外波段（0.3－2.5μm）是以地球表