遥感原理与应用

遥感平台与传感器

遥感平台

• 定义：遥感中搭载传感器的工具
• 遥感平台类型
  • 地面平台(<100m)
    • 定义
      • 与地面或水面接触，近距离遥感,0-100m
    • 举例
      • 三脚架、遥感塔、遥感车/船
  • 航空平台(<30km)
    • 飞机(最广泛)
      • 按飞行高度
        • 低空平台（2km以内）
          • 直升机（常用）、侦察机
        • 中空平台（2-6km）
          • 轻型飞机
        • 高空平台（12-30km，对流层顶部）
          • 重型飞机
    • 气球
      • 低空气球
        • 12km以下的对流层，系留气球
      • 高空气球
        • 12 ～40km，自由漂浮
    • 无人机
      • 固定翼型无人机
      • 无人驾驶直升机
  • 航天平台(>150km)
    • 人造地球卫星(最主要、最常用)
      • 低高度、短寿命卫星
        • 高空间分辨率，重复周期短，用于资源详查与军事侦察
      • 中高度、长寿命卫星
        • 大部分对地观测卫星，如三种环境卫星
      • 高高度、长寿命卫星（35800km）
        • 也称地球同步卫星（静止卫星），用作通信卫星、气象卫星和地面动态监测
    • 高空探测火箭、宇宙飞船、航天飞机与空间轨道站
• 遥感卫星轨道
  • 按形状e
    • 圆轨道（偏心率e=0）
      • 相对恒定的运动速度，较均匀的覆盖特性
        • 如空间站
    • 椭圆轨道（偏心率0
      • 卫星在轨道上做非匀速运动
  • 按倾角i
    • 赤道轨道（i≈0）
      • 轨道面与赤道面重合
    • 极地轨道（i≈90）
      • 轨道面穿过地球南北极
    • 倾斜轨道
      • 轨道面倾斜于赤道
  • 最常见
    • 地球同步轨道
      • 定义：轨道运行周期与地球自转周期完全相等（大约一天）
      • 轨道高度：35800km
      • 优势
        • 视野广阔
        • 连续观测
      • 应用
        • 气象卫星和通信卫星
    • 太阳同步轨道
      • 定义：卫星轨道面绕地球的自转轴旋转，旋转方向及周期与地球公转方向和周期相等的轨道
      • 轨道高度：500 - 1000km，中低轨道
      • 轨道形状：近圆形轨道
      • 优势：卫星每天沿同一方向经过同一纬度的地面点时，地方时是相同的
        • 固定的太阳光入射角，相似的光照条件
      • 应用：绝大多数的地球资源卫星，如Landsat、SPOT

传感器概述

• 定义：收集、探测并记录地物电磁波辐射信息的仪器
• 类型
  • 按电磁波辐射来源
    • 主动式传感器
      • 工作原理
        • 主动向目标发射电磁波，并接收反射回来的信号
      • 能量来源
        • 自身发射的电磁波
      • 典型代表
        • 合成孔径雷达、激光雷达
    • 被动式传感器
      • 工作原理
        • 自身不发射电磁波，仅被动接收来自地物的辐射能量
      • 能量来源
        • 太阳光的反射或地物自身的热辐射
      • 典型代表
        • 摄影相机、多光谱扫描仪
  • 按成像原理
    • 摄影机
      • 原理：瞬间曝光，形成中心投影的照片
      • 分类
        • 框幅式
        • 缝隙式
        • 全景式
    • 扫描仪
      • 原理：逐点或逐行扫描，拼接成条带影像
      • 分类
        • 光机扫描仪
        • 扫帚式扫描仪
    • 雷达
      • 原理：利用微波成像，有独特的侧视成像方式
      • 分类
        • 真实孔径雷达
        • 合成孔径雷达
  • 按对电磁波信息的记录方式
    • 成像传感器
      • 输出结果是目标的图像
    • 非成像传感器
      • 输出结果是数据或曲线图
        • 如微波高度计
  • 按响应波段
    • 光场传感器
      • 响应波段：可见光、反射红外波段
    • 热场传感器
      • 响应波段：中红外、热红外波段
    • 微波传感器
      • 响应波段：响应微波波段
      • 分类
        • 主动微波传感器（SAR）
        • 被动微波传感器（AMSR-E）
• 组成
  • 收集器
    • 收集来自地面目标辐射的电磁波能量
  • 探测器
    • 将收集的电磁辐射能转变成化学能或电能
  • 处理器
    • 将探测器探测到的的化学能或电能等信号进行处理
  • 输出器
    • 输出获取的数据
• 性能
  • 空间分辨率
    • 遥感影像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小
  • 时间分辨率（重访周期）
    • 对同一目标进行遥感采样的时间间隔
    • 具体表现
      • 相邻两次探测的时间间隔越大，时间分辨率越低
    • 重复周期
      • 卫星轨道回归到同一空间位置的时间间隔
  • 波谱分辨率
    • 传感器接收电磁波辐射时能分辨的最小波长间隔
    • 两个维度
      • 波段数量
        • 波段越多，分辨率越高
      • 波段宽度
        • 波段越窄，分辨率越高
  • 辐射分辨率
    • 传感器接受波谱信号时能分辨的最小辐射差，在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级
    • 具体表现
      • 影像的灰度等级越多，其辐射分辨率越高，区分目标物属性能力越强
    • 衡量单位
      • 比特（bit），8 bit = 2⁸ = 256个灰度级 (常用)
  • 视场角FOV
    • 传感器对地扫描或成像的总角度，决定了一幅图像对地面的覆盖范围
    • 影响
      • 视场角越大： 覆盖范围越广，获取大面积数据的效率越高
      • 视场角越小： 覆盖范围窄，但影像边缘的几何变形通常也较小

遥感图像处理

图像处理基本概念

• 光学处理（模拟处理）与数字处理
  • 现在遥感图像处理几乎都指的是数字处理
• 数字图像
  • 定义
    • 能在计算机里存储、运算、显示和输出的图像
  • 数字化
    • 定义
      • 将光学图像转换为数字图像的过程，又称模/数转换（A/D转换）
    • 步骤
      • 采样
        • 将连续空间坐标离散化，即确定像元的行列置。
          • 空间坐标离散化
      • 量化
        • 将连续的灰度值映射为离散的整数值（0～255等)
          • 亮度值离散化
  • 优点
    • 便于计算机处理与分析、图像信息损失低、抽象性强
• 灰度直方图
  • 定义
    • 在平面直角坐标系中，对应于每个灰度值，表示具有该灰度值的像元个数占总像元数百分比的图形
  • 性质
    • 直方图反映图像中灰度的分布规律（位置信息丢失）
    • 图像与直方图之间是多对一的映射关系
    • 子区域直方图的累加等于整幅影像的直方图
  • 应用
    • 判断图像总体质量
      • 两端分布
        • 高对比度，黑白分明但层次较少
      • 正态分布
        • 对比度适中、亮度均匀、层次丰富（理想影像）
      • 偏态分布
        • 像元值集中在小范围，对比度低，影像偏亮(255)或偏暗(0),层次少
    • 判断噪声类型
      • 如高斯噪声满足高斯分布，椒盐噪声在两端出现额外的尖峰
    • 作为图像分割阈值的选择依据
      • 直方图具有两个或两个以上的峰值时，说明图像中主要有两类或更多类别的目标地物

遥感数字图像校正

• 几何校正
  • 几何畸变
    • 像元在图像坐标系中的位置与其在地面参考坐标系中的真实位置不一致的现象
    • 分类
      • 内部变形（系统性变形）
      • 外部变形
        • 平台运动与姿态变化、地球曲率与地形起伏等
  • 定义
    • 对失真图像进行复原性处理，消除图像的几何畸变
  • 方法
    • 几何粗校正（系统几何校正）
      • 基于卫星轨道、姿态、传感器性能指标、扫描特征等参数，对影像几何变形进行校正
    • 几何精校正
      • 利用地面控制点校正图像的几何变形，实现空间位置高精度匹配
  • 类型
    • 配准
      • 同一区域内两幅影像之间相互对准，使同名像元几何位置匹配
        • 解决影像之间的对其问题
    • 校正
      • 影像对地图的对准，使影像与地图一样平面化
        • 解决影像与地图之间的对应关系
    • 正射校正
      • 对影像的逐个像元进行地形校正，使影像符合
        正射投影的要求
        • 解决地形高差造成的误差问题
    • 地理编码
      • 将影像配准到地理坐标系统，使影像具有地理位置信息
        • 赋予影像真实坐标
  • 主要步骤
    • 地面控制点的选择 (GCP)
      • 选取原则
        • 高对比度，便于在影像中精确识别
        • 稳定性，不随时间变化
        • 空间分布均匀（四角与中部）
        • 同一高程（若未进行地形校正）
      • 最小数量
        • (n+1)(n+2)/2（n阶多项式）
          • 一般多于理论最小数量
    • 映射关系
      • 几何校正的本质是建立待校正图像坐标到地理坐标（校正图像）的映射关系
      • 均方根误差RMS越小，几何校正精度越高；一般要求RMS ≤1个像元大小
    • 重采样
      • 定义：在几何校正中像元经过映射后往往对应到非整数位置，需要根据周围已知整数像元的灰度值，通过空间插值计算出该位置的灰度
      • 分类
        • 最近邻法
          • 取距离实际位置最近的像元的灰度值作为输出图像像元的灰度值

        •          双线性内插法
          

          • 取采样点周围4个像元的值参与计算，先计算水
            平（或垂直）方向两两像元的线性内插，所得到的两个内插值再进行一次内插
          • 缺点：损失边缘或线性信息，导致图像模糊
        • 三次卷积法
• 辐射校正
  • 辐射失真
    • 由于多种因素干扰，传感器的测量值与地物真实的光谱反射率或光谱辐射亮度之间的差异
    • 来源
      • 传感器自身条件
        • 光学系统误差-边缘减光
        • 探测器响应误差
      • 大气影响
        • 衰减
          • 太阳光在到达地物前，以及地物反射光在到达传感器前，都会被大气吸收和散射而减弱
        • 附加
          • 大气自身也会散射一部分太阳光直接进入传感器（程辐射），是造成影像模糊、对比度下降的主要原因 。
      • 光照与地形
  • 定义
    • 消除图像数据中依附在辐射亮度中各种失真的过程
  • 步骤
    • 传感器校正
      • 消除由于传感器灵敏特性变化而引起的辐射失真
    • 大气校正
      • 野外波谱测试回归分析法、辐射传递方程计算法
      • 波段对比法
        • 原理
          • 大气散射具有选择性：对短波（如蓝、绿光）影响大，对长波（如红外）影响小
        • 校正思路
          • 利用一个受大气影响很小的“清洁”长波段作为参考，来估算并校正受影响严重的短波段 。
        • 回归分析法
          • 选择最暗目标
            • 在影像中选择一系列最暗的目标（如深水、山体阴影）
          • 提取亮度值
            • 分别提取这些目标在“清洁波段”（如TM7）和“待校正波段”（如TM4）的亮度值
          • 绘制散点图并进行线性回归分析
            • 截距 a 即为待校正波段的大气干扰值
          • 校正计算
            • 从待校正波段的所有像元值中减去 a
        • 直方图法
          • 确定零反射地物区域
            • 影像中存在理论上反射率为零的地物（深水、阴影）
          • 查看亮度直方图
            • 查看这些区域在待校正波段的亮度值直方图

          •           确定最小亮度值
            

            • TM4直方图的起始亮度值 a （最小
              值）就代表了大气程辐射的影响
          • 校正计算
            • 从该波段的所有像元值中减去这个最小值a
    • 太阳高度和地形校正
      • 太阳高度角校正
        • 目的
          • 将不同光照条件下获取的影像校正为太阳垂直照射时的标准状态
        • 原理
          • 地物接收到的辐射能量与太阳高度角呈正比关系
      • 地形校正
        • 目的
          • 把倾斜面上获得的图像校正到平面上获取的图像
        • 原理
          • 根据坡面朝向与太阳入射方向的夹角 𝜃𝑖，修正辐射强度 => 需要DEM数据
  • 最终目标
    • 从数字量化值 (DN) 到地表反射率或辐射亮度
• 去除噪声
  • 全局噪声

数字图像增强：突出有用信息，提高视觉效果

• 空间域增强
  • 定义
    • 在图像平面上直接针对每个像元灰度值进行处理，处理后的像元位置不变
      • 空间域是指图像所在的二维平面
  • 点运算
    • 通过拉伸或扩展图像的亮度分布，使之占满整个动态范围（0～255），以分出更多亮度等级，扩大地物之间亮度差异
    • 又称对比度拉伸、对比度增强或灰度变换，是辐射增强的主要方法
    • 处理单元
      • 单个像元
        • 仅与该像元自身灰度有关
    • 分类
      • 线性变换（可分段）
      • 非线性变换
        • 指数变换
          • 拉伸高亮度部分；压缩低亮度部分
        • 对数变换
          • 拉伸低亮度部分，压缩高亮度部分
        • 直方图均衡化
          • 定义：利用灰度分布统计特性进行自动增强
          • 目标：使图像中各灰度级的像元数尽量均匀分布，从而扩大整体对比度、改善视觉效果
          • 效果：各灰度级所占图像的面积近似相等，频率小的灰度级背被合并，频率高的灰度级被保留。因此可以增加图像上大面积出现的地物与周围地物的反差
  • 邻域运算
    • 定义
      • 基于像素的空间邻域关系，使用卷积运算的方法进行计算处理，以达到抑制图像噪声、增强图像对比度、增强图像边缘、提取图像特征
    • 处理单元
      • 像元与其邻域
        • 结合周围像元灰度进行计算
    • 主要方法
      • 图像卷积运算
        • 利用邻域像元灰度加权求和的图像处理方法
        • 卷积核上对应的值称为权重，卷积核大小与邻域大小一致
    • 分类
      • 图像平滑
        • 概念
          • 利用邻域运算减弱图像中像元之间的灰度突变
        • 目的
          • 抑制噪声、改善图像质量、突出图像的主体信息
            • 消除噪声
        • 方法
          • 均值滤波（模糊细节）
            • 将每个像元在以其为中心的邻域内取平均值来代替该像元值
            • 模板越大，平滑效果越明显，但图像细节越模糊
            • 平滑阈值T：当 |e - e'| › T 时，e'代替e
          • 中值滤波（保持细节）
            • 将每个像元在以其为中心的邻域内取中间亮度值来代替该像元值（非卷积）
      • 图像锐化
        • 概念
          • 突出图像的边缘和轮廓、线性目标或某些亮度变化率大的部分
            • 突出边缘

        •                  罗伯特梯度
          

          • 梯度是函数的一阶导数，反映了相邻像元的灰度变化率
          • 梯度大的位置=>边缘，梯度值代替边缘处像元值=>突出边缘
          • t1卷积绝对值 + t2卷积绝对值 =替换> 左上角像元

        •                    索伯尔梯度
          

          • t1卷积绝对值 + t2卷积绝对值 =替换> 中间像元

        •                拉普拉斯算子
          

          • 4邻域的值相加再减去该像元值的4倍，8邻域同理
          • 不检测均匀的亮度变化，而是检测变化率的变化率
        • 定向检测
          • 通过设计不同方向的卷积模板专门检测图像中某一方向的边缘或纹理特征
          • 用途
            • 提取地貌构造线、道路、山脊等具有方向性的线性地物
• 频率域、彩色增强和图像运算
  • 频率域增强
    • 频率
      • 图像像元的灰度值随位置变化的频繁程度
        • 高频部分
          • 较短的像元距离内灰度值变化的频率大
        • 低频部分
          • 较短的像元距离内灰度值变化的频率较小
    • 傅里叶变换
      • 将图像从“空间域”转换到“频率域”
    • 滤波

      •                         频率域平滑
        

        • 理想低通滤波器
        • Butterworth低通滤波器
        • 指数低通滤波器

      •                         频率域锐化
        

        • 理想高通滤波器
        • Butterworth高通滤波器
        • 指数高通滤波器
    • 傅里叶逆变换
      • 转换回"空间域"得到增强后的图像
  • 彩色增强
    • 概念
      • 将灰度图像变为彩色图像以及通过数字图像组合进行各种彩色变换以改善图像可视性
    • 伪彩色增强
      • 一幅黑白图像的不同灰度按一定的函数关系变换成彩色
        • 密度分割法：按灰度分层
    • 彩色合成
      • 不同波段的图像存放在红绿蓝不同颜色通道的存储器中，并依照加色法彩色合成原理，在屏幕上进行叠置，构成彩色图像
      • 真彩色合成
        • R-红光，G-绿光，B-蓝光
          • 合成后的影像十分接近自然界的色彩
      • 假彩色合成
        • 各工作波段被赋予的颜色与波段所代表的真实颜色不同，合成得彩色不表示地物的真实颜色
        • 标准假彩色：R-近红外，G-红，B-蓝

    •                 HLS变换
      

      • Hue（色度-横切圆周）Lightmess（明度-中轴）Saturation（饱和度-半径）
      • HLS与RGB变换主要指的是这两种颜色坐标系统之间的变换
  • 图像运算
    • 概念
      • 多光谱遥感影像
      • 完成空间配准后的两幅或多幅单波段影像
    • 加法运算
      • 提高整体亮度，减少噪声影响
    • 差值运算
      • 动态监测
    • 比值运算
      • 消除地形坡度和方向等环境条件的影响（同物异谱）
    • 混合运算
      • 归一化植被指数（NDVI=（NIR-R）/（NIR+R），提取植被）
• 多光谱增强与图像融合
  • 多光谱增强
    • 目的
      • 减少信息冗余（ 多光谱图像各波段间的相关性），实现数据压缩
      • 突出主要信息，生成更具解译效果的新波段数据

    •       主成分变换       （K-L变换/PCA变换）
      

      • 核心思想：纯粹由数据驱动的统计方法，变换后的新坐标轴（主成分）具有统计意义（方差最大化）
      • 效果
        • 信息集中，噪声分离
      • 第一主分量 (PC1)： 集中了原始数据中最大比例的信息量，通常反映了地物的总体亮度特征
      • 第二、三主分量 (PC2, PC3)： 依次捕捉剩余的主要信息，常常突出不同地物类型之间的差异
      • 后续主分量： 最后几个分量主要包含的是噪声
    • 缨帽变换（K-T变换）
      • 核心思想：变换后的新坐标轴具有明确的物理景观含义
      • 效果
        • 分离植被/土壤/水体信息
      • 第一分量为亮度，反映图像总体反射值
      • 第二分量为绿度，近红外与可见光部分的差值，反映了健康绿色植被的覆盖密度和生长状况
      • 第三分量为湿度，反映了TM1-4与TM5,7的差值， TM5,7（水的吸收带）对植被和土壤的湿度非常敏感
  • 图像融合
    • 将来自不同传感器的图像数据进行运算处理，生成一幅比任何单一数据源都更精确、更丰富、信息更完整的合成图像的技术 。
    • 示例
      • Landsat ETM+
        • 全色波段 (Band 8)：空间分辨率为15米
        • 多光谱波段 (Bands 1-5, 7)：空间分辨率为30米
    • 步骤
      • 配准
        • 几何校正时需将低空间分辨率图像重采样成高空间分辨率图像
      • 直方图调整
        • 使图像的亮度趋于一致
      • 融合
        • 代数法
          • 相乘：SAR影像与光学影像
          • 相关系数加权法：全色影像与多光谱影像
        • HLS变换融合
          • 高分辨率的全色影像替换低分辨率的亮度(L)分量
        • 基于PCA变换
          • 高分辨率影像替换第 1 主分量
        • 小波变换融合
          • 将全色影像中的高频细节与多光谱影像中的低频色彩信息进行合并

影像分类：识别地物类型

目视解译

• 影像解译
  • 从遥感影像上获取目标地物信息的过程，（即按照应用目的，将影像中代表不同地物的像元区别开）也称为影像分类，信息提取
• 目视解译：运用丰富的专业背景知识，通过肉眼观察，经过综合分析、逻辑推理、验证检查，把地物信息提取和解析出来的过程
• 目标地物特征
  • 地物电磁波谱
    • 地物对电磁波有吸收、反射、透射、发射等作用
  • 几何性状与空间结构特征
  • 影像时间特征
  • 地物波谱数据多尺度特征
• 目视解译标志
  • 直接解译标志
    • 色调和色彩
      • 同物异谱
        • 同一物体或性质相同的物体在不同条件下具有不同的光谱反射率（如自身湿度不同，处于坡向不同），从而表现出不同的色调
      • 异物同谱
        • 不同物体具有基本相同的反射光谱的物理现象
    • 阴影
      • 本影
        • 地物本身未被阳光直接照射形成的阴影，如山体的背阴坡的暗区
      • 落影
        • 地物背光方向上地物投落到地面的阴影，如云层的阴影，电线杆投射的阴影
    • 位置和布局
      • 位置：指目标地物分布的地点
      • 相关布局：多个目标地物之间的空间配置关系
    • 纹理
      • 地物影像轮廓内的色调变化频率，由许多细小地物色调组合成，是单一细部特征的集合
    • 大小
      • 形状
        • 图案
  • 间接解译标志
    • 地形地貌
      • 土壤土质
        • 植被
          • 气候
            • 水系
              • 人类活动
• 影响地物特征及解译的因素
  • 地物本身复杂性
    • 同物异谱、同谱异物
    • 种类不同，不同地物波谱受影响因素也不同
  • 传感器特性
    • 空间分辨率、辐射分辨率、时间分辨率、光谱分辨率
  • 人为因素
    • 主观因素（专业知识储备）与人眼分辨力
• 原则
  • 要基于影像特征
  • 遥感解译分类体系要基于影像解译的可能性
  • 先图外、后图内、先整体、后局部
  • 充分利用影像的信息特征和处理技术
  • 多信息、多方法综合分析
  • 室内解译与室外判读相结合
  • 严格遵循目视解译程序
• 基本步骤
  • 准备工作
    • 明确任务、收集资料
  • 初步解译与判读区的野外考察
    • 建立目视解译标志
    • 解译标志的验证
  • 室内判读
    • 先图外、后图内、先整体、后局部
  • 野外验证与补判
  • 成果整理
    • 编绘成图、资料整理与文字总结

计算机分类后处理

• 去噪
  • 平滑处理
    • 边界修正
• 精度评价
  • 概念
    • 要进行评价的遥感分类图像
    • 假设精确的参考图
  • 面积精度评价法
    • 比较两幅图像上每种类别的数量差异，如面积、像元数目等表示分类精度
  • 位置精度评价法
    • 比较两幅图像位置之间的一致性，一般以像元为单元
    • 混淆矩阵(误差矩阵)
    • 总体精度
      • 分子:所有对角线元素的和；分母：总像元数
      • 所有分类正确的像元占总像元数的比例
      • 表示每一个随机样本的分类结果与真实类型相一致的概率
    • 制图精度
      • 实际为第 j 类的像元中，被正确分类的比例。
      • 对角线元素除以实测总和（行和）
      • 表示从参考图像中任取一个样本，与分类结果图像同一位置类别一致的条件概率
    • 用户精度
      • 被判为第 i 类的像元中，实际确属第 i 类的比例
      • 对角线元素除以分类总和（列和）
      • 表示从分类结果图像中任取一个样本，与参考图同一位置类别一致的条件概率
    • Kappa系数
      • Kappa系数用于衡量分类结果与真实类别之间的一致性。不仅考虑到分类结果的正确率，还考虑了随机一致性（偶然正确）的影响。
      • undefined
        • k = 1
          • 极好的一致性
        • k = 0
          • 一致性不比可能性（偶然性）更好

计算机解译

• 计算机解译基础知识
  • 遥感数字图像
    • 定义
      • 以数字形式表示的遥感影像，记录传感器探测目标地物时获取的地物反射、辐射的电磁波信息
    • 基本单位
      • 像素（具有空间特征、属性特征）
    • 存储格式
  • 定义：遥感数字图像的计算机解译（计算机分类）以遥感数字图像为研究对象，在计算机系统支持下，综合运用地学分析、遥感图像处理、地理信息系统、模式识别与人工智能技术，实现地学专题信息的智能化获取
  • 模式识别(模式分类)
  • 对表征事物或现象的各种形式的信息
    • 描述、辨认、分类和解释事物和现象
  • 光谱特征空间
    • 光谱特征向量
      • 同名地物在不同波段图像中亮度的观测值构成的多维随机向量
    • 为了度量图像中地物的光谱特征，建立一个以各波段图像的亮度分布为子空间的多维光谱特征空间
    • 同种地物在相同的条件下，应具有相同的或相似的光谱特征和空间信息特征，即同类地物像元的特征向量将集群在同一特征空间区域
  • 特征提取
    • 光谱特征提取
      • 特征变换
        • 将图像信息集中在少数几个特征图像上，使数据量减少
          • K-T变换、K-L变换等
    • 纹理特征提取
      • 灰度共生矩阵法，空间自相关函数法等
    • 形状特征提取
      • 基于边界的···，基于区域的···
  • 特征选择
    • 意义：在众多的分类特征中选择一组最佳的特征影像进行分类，去除冗余与噪声信息
    • 策略
      • 选择各类平均可分性最大的特征
      • 选择最难分的类别具有的可分性最大的特征
    • 方法
      • 单独选择法：根据每个特征所有类别的可分性，取最大的前m个特征
      • 扩充最优特征子集：选择对所有类别可分性最大的特征，增加到特征子集，重新计算，逐步增加
      • 选择对最难分的类做出贡献最大的特征子集：找出最难分的类，选择可分性最大特征，然后逐步扩充特征集
      • 去掉对最难分的类做出贡献最小的特征子集：找出最难分的类，逐步去掉可分性最小特征
• 计算机解译类别
  • 监督分类
    • 概念：根据已知训练区提供的样本，通过选择特征参数，求出特征参数作为决策规则，建立判别函数以对各待分类影像进行的图像分类，又称训练场地法
    • 步骤
      • 确定分类体系和感兴趣的类别数
      • 特征变换和特征选择
      • 选择训练样区
        • 典型性和代表性
        • 时间和空间上的一致
        • 数量要满足训练要求
        • 根据影像及地物特征确定训练样区的大小
        • 位置要分布均匀且便于定位
      • 确定判决函数和判决规则
      • 对非训练区的图像区域进行分类
      • 分类效果评估
    • 方法
      • 最小距离法
        • 计算待分类像元到每一类别集群中心的距离，哪类离它最近该未知矢量就属于哪类
        • 距离分类
          • 欧式距离
            • 曼哈顿距离
              • 马氏距离
      • 平行算法（盒式决策规则）、特征曲线窗口分类法
      • 最大似然法
        • 假设各类别在特征空间中服从正态分布，通过训练样本估计各类别的统计参数（均值、协方差矩阵等），再计算待分像元属于各类别的后验概率，最终将像元判定为后验概率最大的类别。
  • 非监督分类
    • 概念：以不同影像地物在特征空间中类别特征的差别为依据的一种无先验（已知）类别标准的图像分类
    • 方法
      • 分级集群法、ISODATA聚类
      • K-均值聚类
        • 聚类准则：使每一聚类中，多维样本点到该类别的中心的距离平方和最小
        • 基本思想：通过迭代，逐次移动各类的中心，直到得到最好的聚类结果为止
    • 步骤
      • 确定分类数量
        • 选择集群类别中心(随机选择)
          • 类别中心的处理
            • 像元初始归类
              • 重分类
  • 区别
    • 根本区别：是否利用训练样区来获取先验的类别知识
    • 非监督分类不受类别先验知识的影响，因此分类所得到的每一类别究竟代表什么实际地物仍然不清楚。要确定类别与实际地物的关系还需进行归纳分析，抽样，实地辨认。
    • 选择标准
      • 当光谱特征类能够和唯一的地物类型相对应
        • 非监督分类
      • 当两个地物类型对应的光谱特征类差异很小时
        • 监督分类
  • 影响遥感图像分类的主要因素
    • 未充分利用遥感图像提供的多种信息
      • 如计算机解译缺少空间信息、地物形状等
    • 提高遥感图像分类精度受到限制
      • 大气状况的影响
        • 吸收与散射会改变传感器接收到的能量；不同成像时段、季节或天气条件下，大气成分差异显著
      • 下垫面的影响
        • 地表覆盖类型差异大,混合像元；地形起伏影响入射角与反射角

遥感影像及其特征

航空摄影及其影像特征

• 定义
  • 将传感器安装在飞机上，按照一定的要求对目标物体摄影，获取影像的过程
• 类型
  • 垂直摄影（像元倾斜角<3°）
  • 倾斜摄影（像元倾斜角>3°）
• 几何特征
  • 中心投影
    • 投影距离
    • 投影幕倾斜
    • 地形起伏
  • 特征点线
    • 在水平像片上，像主点、像底点和等角点重合，主横线和等比线重合
    • 像主点o，像底点n，等角点c，主纵线vv，主横线hoho，等比线hchc，主合线hihi
  • 像点位移
    • 地形的起伏和投影面的倾斜会引起像片上像点位置的变化
    • 像片倾斜
      • 倾斜误差
        • 倾斜误差的方向在像点与等角点的连线上
        • 倾斜误差的大小与像片倾斜角成正比
        • 倾斜误差的大小与像点距等角点距离的平方成正比，与摄影机的焦距成反比
    • 地形起伏
      • 投影误差
        • 投影误差的大小与像点距像主点的距离成正比
        • 投影误差与航高成反比
        • 投影误差与高差成正比
  • 比例尺
    • 航空像片上某一线段长度与地面相应线段长度之比
    • 水平像片的比例尺
      • 当地面平坦而水平，像片的比例尺各处相等
        • 像片主比例尺=镜头焦距/航高
      • 当地面地形起伏较大，像片的比例尺各处不相等
    • 倾斜像片的比例尺
      • 等比线将像片分成两部分：包含像主点部分，比例尺小；包含像底点部分，比例尺大
        • 主小底大
      • 同一条像水平线上比例尺一致，等比线上的比例尺等于同一航高水平像片的比例尺
      • 同一像点纵向和横向比例尺不同
      • 比例尺的变化与像片倾角成正比，倾角越大，比例尺变化越剧烈

对地卫星及其影像特征

• 陆地卫星
  • 轨道特征
    • 中等高度卫星：轨道高度为700-900km
    • 近圆形轨道
      • 使卫星在不同地区获取的影像比例尺基本一致，保证地物尺度在空间上可比
      • 卫星速度接近匀速
        • 便于扫描仪用固定频率对地面扫描成像
        • 避免扫描行之间出现重叠或空隙
    • 近极地轨道
      • 与赤道基本垂直，实现全球覆盖观测，便于大范围研究。
    • 太阳同步轨道
      • 地方时一致
        • 卫星在同一纬度、不同经度穿过时保持相同地方时，利于长期对比分析
      • 光照条件一致
        • 避免不同太阳高度角导致的阴影与亮度变化，便于多时相影像比较
      • 能源稳定
        • 太阳电池板能获得稳定照度，保障卫星持续供电
    • 可重复轨道（准回归轨道）
      • 轨道参数与规律
        • 陆地卫星在近极地太阳同步轨道上运行，绕地球一圈约需99–103分钟（轨道周期）。
      • 轨道重复使得卫星能够在固定间隔时间观测同一地区，有利于对地表进行动态监测和时间序列分析等长期研究
      • 重复周期
        • 定义：卫星轨道回归到同一空间位置的时间间隔
        • Landsat 8 每16天重复覆盖一次同一地区
  • Landsat
    • 传感器
      • 多光谱扫描仪MSS
      • 专题制图仪TM
        • TM1蓝光波段
          • 对水体的穿透力强，且是叶绿素吸收波段
        • TM2绿光波段
          • 健康植物的绿色反射峰值区域，“绿峰”评价植物活力
        • TM3红光波段
          • 叶绿素主要吸收波段
        • TM4近红外光波段
          • 该波段细胞结构成反射率主要影响因素，对绿色植物类别差异最敏感
        • TM5近红外光波段（短波红外波段）
          • 水的吸收带
        • TM6热红外波段
          • 记录来自地物表面发射的热辐射能力
        • TM7近红外光波段（短波红外波段）
          • 水的强吸收带，地质学研究
      • 增强型专题成像传感器ETM+
        • PAN波段
          • 分辨率为15m，用于增强分辨率
        • 辐射定标误差率提高了一倍
        • TM6热红外波段分辨率由120m提高到了60m
      • 陆地成像仪OLI和热红外传感器TIRS
  • SPOT系列
    • 以法国为主，联合比利时、瑞典等欧共体
  • 高空间分辨率陆地卫星
    • 空间分辨率≤10m的对地观测卫星
      • IKONOS卫星：商业亚米级遥感的 开创者（1m分辨率）
• 气象卫星
  • 地球静止轨道气象卫星GMS
  • 太阳同步轨道（极地轨道）气象卫星POMS
• 海洋卫星
  • 海洋水色卫星
    • 海洋水色要素，如叶绿素浓度、悬浮泥沙、溶解有机物（黄色物质）、海表温度等
  • 海洋地形卫星
    • 海平面高度、海面地形起伏、波高、海流及海面风速
  • 海洋动力环境卫星
    • 海面风场、浪场、流场及能量交换特征

遥感物理基础

电磁波谱与太阳辐射

• 电磁波
  • 由相振荡且相互垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传播能量与动量的过程称为电磁波，也称为电磁辐射
  • 性质
    • 电磁波是横波
    • 在真空中以光速传播
    • 波粒二象性
    • c = f · λ （频率为f、波长为λ）
  • 电磁波谱
    • 将各种电磁波按照其在真空中传播波长的长短或频率的大小递增或递减的顺序依次排列
• 常用波段及特性
  • 紫外线（0.01-0.38um）
    • 用途
      • 探测臭氧、碳酸盐岩分布与检测油污
    • 缺陷
      • 大气层中的臭氧对其有强烈吸收与散射作用
      • 大多数地物在该波段反射较小
  • 可见光（0.38-0.76μm）
    • 人眼可见，反映地物颜色、形态
    • 优点
      • 大部分地物具有良好的亮度反差特性，易于区分
  • 红外线（0.76-1000um）
    • 近红外（0.7-3μm）
      • 植被反射强，用于植被监测
        • 主要源于太阳辐射
    • 热红外（8-14μm）
      • 包括
        • 中红外
        • 远红外
        • 超远红外
      • 用途
        • 反映地物热辐射，用于温度反演，如城市热岛效应与水体热污染研究
      • 优点
        • 昼夜工作
  • 微波（1mm-1m）
    • 优点
      • 微波是主动式遥感，受大气层中云、雾的散射影响小，对云层、地表植被等穿透性好，不受光照等条件限制，能全天候全天时工作
• 电磁辐射的度量
  • 辐射能量
    • 电磁辐射能量的度量W
  • 辐射通量
    • 单位时间内通过的辐射能量Φ
  • 辐射通量密度
    • 单位时间内通过单位面积的辐射能量E
    • 分类
      • 辐照度I（被辐射物体）
      • 辐射出射度M（辐射源物体）
  • 辐射亮度L
• 电磁辐射源
  • 太阳辐射
    • 用途
      • 被动遥感最重要的辐射源，主要利用可见光与近红外波段
    • 太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，在垂直于太阳辐射方向，单位时间内，单位面积黑体接收到的太阳辐射辐照度总量的大小为I=1.36X103W/m²
    • 太阳光谱与5777K的黑体辐射特征基本一致，大部分能量集中在可见光和近红外波段
  • 地球辐射
    • 主要指地球自身的热辐射，是热红外遥感的主要辐射源，接近300K的黑体辐射
  • 人工辐射源
    • 主动式遥感采用人工辐射源
      • 微波雷达
        • 海洋遥感及多云多雨地区
      • 激光雷达
        • 测定卫星的速度等、测量地形
  • 太阳辐射与地球辐射的关系
    • 0.3～2.5μm（可见光和近红外波段）
      • 地表以反射太阳辐射为主
        • 只能白天探测
    • 2.5～6.0μm（中红外波段）
      • 均为被动遥感的辐射源。
        • 夜间探测排除太阳辐射
    • 6.0μm以上(热红外波段)
      • 以地球自身的热辐射为主
        • 全天候探测--地热状态

物体的发射辐射特征（自身辐射）

• 黑体辐射(黑体的热辐射)
  • 绝对黑体：任何温度，对任何波长的电磁辐射都全部吸收，而没有任何反射的理想物理（吸收率α(λ,T)=1，反射率ρ(λ,T)=0）
  • 黑体辐射规律
    • 普朗克定律：黑体的辐射出射度M是波长λ和温度T的函数
    • 斯蒂芬-玻尔兹曼定律
      • 𝑀 = 𝜎 · 𝑇⁴（𝜎为常数）
      • 黑体总辐射出射度与温度的四次方成正比
    • 维恩位移定律
      • 𝜆max ⋅ 𝑇 = 𝑏（𝑏为常数）
      • 辐射最大值对应的峰值波长与黑体的温度成反比
  • 不同温度黑体在不同波长的辐射出射度曲线
  • 一般情况下，太阳与地球以及其它恒星都是绝对黑体，则可以用与这些天体相同大小以及同样辐射出射度的黑体温度作为其有效温度。
• 实际物体的发射辐射
  • 发射率(比辐射率)
    • 𝜀 = 𝑀/𝑀黑
  • 基尔霍夫定律
    • 𝑀/𝛼 = 𝑀黑
  • 地物的热辐射强度与温度的四次方成以及发射率成正比
  • 地物的发射波谱特征
    • 同一地物，表面粗糙或颜色较深时，发射率较高
    • 比热大，尤其是具有保温作用的地物，发射率较高

物体的反射辐射特征

• 地物波谱特性的测定
  • 能量分配公式P0​=Pρ​+Pα​+Pτ​
    • P0为入射总能量，Pρ为反射能量，Pα为吸收能量，Pτ为透射能量​
  • 1 =ρ + α + τ
    • ρ为反射率；α为吸收率，τ为透射率
  • PS：不透明物体没有透射1 =ρ + α =ρ + 𝜀
  • 地物波谱特性通常都是用地物反射辐射电磁波来描述
• 地物的反射率与反射波谱
  • 反射率
    • 定义
      • 地物对某一波段的反射能量与入射能量之比
      • undefined
    • 反射率大的物体，遥感传感器接收到的能量越大，呈现在影像上色调越浅
    • 反射类型
      • 镜面反射
      • 漫反射
      • 实际物体反射
  • 反射波谱
    • 反射波谱
      • 地物的反射率随波长变化而变化的规律
    • 以波长为横坐标，以反射率为纵坐标，将所有测量得到的地物在每一个波长处的反射率连接起来得到的曲线，称为地物的反射波谱曲线
• 典型地物的反射波谱特性
  • 植物
    • 波谱特征
      • undefined
      • 红光(0.65um)和蓝光(0.45um)波段两个吸收谷 （被叶绿素吸收进行光合作用）
      • 绿光波段(0.55um)有个小反射峰(视觉上为绿色)
      • 近红外波段(0.75-1.35um)有一个反射峰（植被中的多孔薄壁细胞组织对近红外波段有较强反射作用）
      • 中红外波段三个吸收谷1.45um 1.95um和2.7um(水分的吸收带)
    • 影响因素
      • 植物类型
      • 生长季节
        • 监测长势与物候变化
      • 含水量越高，反射率越低
        • 干旱预警与灌溉指导
      • 病虫害
        • 病虫害早期预警
  • 土壤
    • 波谱特征
      • undefined
      • 自然状态下土壤表面的反射曲线比较平滑，没有明显的反射峰和吸收谷
    • 影响因素
      • 土壤类别
        • 土质越细，反射率越高
      • 成土矿物
        • 识别矿物组成
      • 有机质含量
        • 估算土壤肥力
      • 含水量
        • 干旱预警与灌溉指导
  • 水体
    • 波谱特征
      • undefined
      • 水体的反射率较低，小于10%，在蓝光波段反射率最高。
      • 随着波长的增加，反射率下降。
      • 纯净水在近红外波段反射率为零
    • 影响因素
      • 浑浊度
        • 水中含有泥沙，在可见光波段的反射率会增加，峰值出现在黄红区
      • 叶绿素含量
        • 水中含有水生植物叶绿素时，
          近红外波段反射率明显抬高
      • 有机物质含量
  • 岩石
    • 外部环境和表面特征如颗粒大小只会导致反射率变化，谱带位置、宽度和吸收特征一般较稳定
  • 道路
    • 水泥路反射率最高（色调浅），沥青路反射率最低

大气对太阳辐射的影响

• 大气结构与大气成分
  • 大气结构
    • 外层大气（>1000km）
      • 温度1000℃以上，对卫星基本无影响
    • 电离层（80-1000km）
      • 温度高达600-800℃，空气稀薄
        • 无线电波在电离层发生全反射
    • 平流层（12-80km）
      • 温度随高度增加而上升
        • 臭氧层吸收紫外线，保护生物
    • 对流层（7-12km）
      • 温度随高度增加而下降
        • 天气变化最复杂的层，水汽和云层影响太阳辐射透过性
  • 大气成分
    • 气体分子
      • N2和O2占99%，其他微量气体(二氧化碳、甲烷、臭氧、水汽等)
    • 固态、液态悬浮微粒
      • 霾，尘埃，液态水和固态水及气溶胶
• 大气散射
  • 作用
    • 太阳辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开
  • 分类
    • 瑞利散射
      • 条件
        • d<<λ
      • 主要颗粒
        • 原子与分子
          • 又称分子散射
      • 结论
        • （1）散射率(散射强度)与波长的四次方成反比
        • （2）瑞利散射对可见光的影响较大，当电磁波波长>1um时，对红外辐射的影响很小
      • 场景
        • 蓝天：短波蓝光散射率大，散射强度更强，布满天空
        • 夕阳红：太阳斜射，辐射路径长，短波被散射殆尽，橙红色长波剩余
        • 微波波长较长，即使是小水滴也只能形成瑞利散射，因此具有极强的穿透云层的能力
    • 米氏散射
      • 条件
        • d≈λ
      • 主要颗粒
        • 烟、尘埃以及气溶胶
      • 结论
        • （1）散射率(散射强度)与波长的二次方成反比
        • （2）米氏散射对红外线的影响不容忽视
    • 非选择性散射
      • 条件
        • d>>λ
      • 主要颗粒
        • 小水珠、大颗粒尘埃
      • 结论
        • 散射强度与电磁波的波长无关
      • 场景
        • 白色云雾：所有颜色的可见光大致等量散射，组合呈白色
• 大气吸收
  • 太阳辐射中的绝大部分紫外线被O2与O3吸收
  • CO2和水主要吸收红外区域（水是大气中最重要的吸收介质）
• 大气反射
  • 在较低较厚的云层状态下，光学遥感传感器几乎接收不到任何实际地物信息
    • 解决方案：选择无云天气
• 大气窗口（大气透射）
  • 定义
    • 电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段
    • 对地遥感所用的部分
  • 常用波段
    • 紫外、可见光与近红外波段（0.3-1.3um）
      • 遥感成像的最佳波段
      • 成像方式
        • 摄影
        • 扫描
    • 近红外与近-中红外波段（1.5-1.8um、2-3.5um）
      • 白天日照条件好时探测植物含水量、云雪分布与地质制图
      • 成像方式
        • 光谱仪
        • 扫描仪
    • 中红外波段（3.5-5.5um）
      • 混合光谱范围
        • 仅能扫描方式成像
    • 远红外波段（8-14um）
      • 热辐射光谱
        • 夜间成像，测量目标温度
    • 微波波段（0.8-25cm）
      • 发射光谱范围
        • 全天候，主动遥感

微波遥感

• 微波的电磁波谱特性
  • 微波的散射
    • 面散射
      • 镜面散射
        • 介电常数大散射系数强。如水比土壤介电常数大，散射信号强
      • 粗糙表面散射
        • 表面越粗糙，后向散射信号越强
    • 体散射
      • 在介质内部产生的散射
    • 强散射
  • 微波的辐射
    • 地物低温状态下的重要辐射特性
• 微波遥感的特点
  • 微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候、全天时工作能力
  • 微波对地物具有一定的穿透能力
  • 微波对地物具有特殊的波谱特征
  • 雷达遥感图像中包含相位信息和极化信息，可获取高程信息
  • 微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的信息
• 缺陷
  • （1）空间分辨率低，地物判读困难（2）图像噪声消除困难
• 微波遥感方式
  • 主动式
    • 主动向地面发射微波脉冲，然后接收其回波信号
    • 传感器
      • 成像雷达 、微波散射计、微波高度计
  • 被动式
    • 只接收地物自身发射的微弱微波辐射能量
    • 传感器
      • 微波辐射计
        • 海面温度、海冰分布、土壤湿度、大气水汽含量监测
• 成像雷达
  • 真实孔径雷达（侧视雷达）
    • 工作原理
      • 分辨率完全依赖于雷达天线的实际物理尺寸
    • 斜距投影
      • 雷达接收的回波图像以斜距为横轴来绘制
    • 距离分辨率
      • 在雷达脉冲发射的方向上，能分辨的两个目标之间的最小距离
      • 两个维度
        • 脉冲持续时间越小,距离分辨率越小,分辨能力越强
        • 入射角越大,距离分辨率越小,分辨能力越强
    • 方位分辨率
      • 在雷达飞行方向上能分辨的两点之间的最小距离
      • 影响因素
        • 波速宽度越小，方位分辨率越小，分辨能力越强
  • 合成孔径雷达(SAR)
    • 传统痛点
      • 真实孔径雷达的分辨率受限于天线物理尺寸的大小，在卫星上难以做出足够大的天线来获得高分辨率
    • 核心思想
      • SAR通过平台运动，在目标经过波束照射的时间里，收集大量带有不同“方位角信息”的回波，用相干处理把这些回波“合成”，就像拼接出了一根超长的虚拟天线。
    • 方位分辨率
      • SAR的方位分辨率与距离无关，只与天线的孔径D有关，孔径D越小，方位分辨率值越小，分辨能力越强。

基础理论

定义与本质

• 定义
  • 广义遥感：非接触式远距离探测
  • 狭义遥感：（1）电磁辐射信息（2）地面物体
• 本质：电磁波的发射、传输、接收与解析

分类体系

• 按遥感平台
  • 地面遥感
    • 三脚架
  • 航空遥感
    • 飞机/气球
  • 航天遥感
    • 卫星/飞船
  • 航宇遥感
    • 星际飞船
• 按电磁波谱
  • 紫外遥感（0.05-0.38um）
  • 可见光遥感（0.38-0.76um）
  • 红外遥感（0.76-1000um）
    • 近红外
    • 中红外
    • 热红外
  • 微波遥感（1mm-1m）
    • 主动
    • 被动
  • 多波段遥感：多个光谱区间
• 按传感器工作方式
  • 主动遥感：传感器主动发射电磁能量并接受目标地物的后向散射信号（雷达、激光雷达）
  • 被动遥感：传感器仅被动接受目标地物自身辐射和反射能量（依赖太阳/地物辐射）
• 按数据显示形式
  • 成像遥感：传感器接受的目标电磁辐射信号可以转化为图像
  • 非成像遥感
    • 光谱辐射计、散射计和高度计等
• 按波段宽度和波谱连续性
  • 高光谱遥感：利用很多狭窄的电磁波波段（波段宽度<10nm）产生光谱连续的图像
  • 常规遥感（宽波段遥感）：波段宽度>100nm
• 按应用场景

遥感的优点

• 空间覆盖范围广阔，有利于同步观测，不受地形影响
• 光谱覆盖范围广，信息量大，可实现全天候全天时探测
• 时效性强，具有动态和连续监测能力

遥感的趋势

• 高空间分辨率
• 高光谱分辨率
• 高时间分辨率

遥感过程

• 信息应用
  • 信息处理
    • 信息接收与转储
      • 信息收集

遥感技术系统

• （1）遥感平台系统
• （2）传感器系统
• （3）数据接收记录和处理系统
  • 地面接收站
  • 地面处理站
• （4）基础研究和应用系统

补充知识点

遥感应用流程

• 1.问题分析与遥感信息源选择
• 2.遥感图像处理
  • 几何校正、参考数据获取、特征提取与选择、信息提取等
• 3.数据统计分析与模型建立
• 4.结果解释表达与应用

扫描性传感器

• 光机扫描仪
  • 原理
    • 借助传感器本身沿着垂直于遥感平台飞行方向进行横向扫描，获取地面条带图像。
  • 代表
    • Landsat卫星的MSS、TM和ETM+传感器

• 推帚式扫描仪(CCD固体扫描仪)
  

  • 原理
    • 将固体光电转换元件（CCD）排成一排作为探测器的扫描仪
  • 立体成像
    • 同轨立体观测
      • 在同一平台上安装前视、正视、后视三个或多个线性阵列传感器。在一次飞越过程中，从不同角度对同一地物成像，直接获取立体像对。
    • 异轨立体观测
      • 传感器具备侧摆能力。在相邻的两个不同轨道上，通过调整传感器的指向，对同一区域进行两次成像，形成立体像对。
  • 特点
    • 无扫描机械运动部件
      • 重量轻，几何关系稳定，可靠性高
    • 驻留时间长
      • 探测器观测时间长，信噪比高，辐射分辨率得以提高
    • 灵敏度高
• 成像光谱仪