遙感數(shù)字影像處理

1、遙感數(shù)字影像處理,崔海山廣州大學地理科學學院地理信息科學系2005.1.20,教學目的,掌握和了解遙感圖像的機理遙感圖像的處理方法和過程如何從遙感數(shù)據中獲取自己所需要的信息,本講從整體上簡單介紹了遙感技術的全貌，目的是讓同學們對遙感有一個大致的認識。遙感技術的根本目的在于獲取目標地物的信息，為了獲取這種信息，遙感采用了與傳統(tǒng)技術不同的手段、角度、媒介，由此產生了與傳統(tǒng)觀察方法不同的效果和特點，從而遙感技術得到了廣泛的應用

2、。,第一講 遙感機理,提綱,1緒論2遙感物理基礎3遙感平臺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)對地表事物的遙遠的感知，泛指一切無接觸的遠距離的探測。狹義的遙感特指通過遙感器這類對電磁波敏感的儀器，在遠離目標和非接觸目標物體條件下探測目標地物，獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息，進行處理、分析與應用的一門科學和技術。遙感通常是指通過某種遙感器從空中或太空獲取地表各類地物信息

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

4、勘探者在一個點上采集到的巖石標本無法畫出地質巖性分布） 局限性：不是萬能的。地學遙感的信息源是各種地物的反射電磁波強度紀錄，絕大部分應用信息蘊含在這些電磁波信息里。為了提取應用信息，必須進行一個非常重要的步驟——信息轉換，必須建立各種應用模型，必須結合地面的輔助信息 現(xiàn)在的做法：遙感模型+GIS，可以作出作物產量、森林積蓄量、草場生物量、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遙感觀測對象及性質,地學基礎

5、、地學應用和技術科學的交叉學科，高科技產業(yè),1.3學科性質,1.4 特點與優(yōu)勢,遙感技術是20世紀70年代起迅速發(fā)展起來的一門綜合性探測技術。遙感技術發(fā)展速度之快與應用廣度之寬是始料不及的。僅經過短短30多年的發(fā)展，遙感技術已廣泛應用于資源與環(huán)境調查與監(jiān)測、軍事應用、城市規(guī)劃等多個領域。究其原因，在于遙感具有客觀性、時效性、宏觀性與綜合性、經濟性的特點 ：天氣預報、氣候趨勢、國土整治、環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)長勢和產量預測、重大災情評估、植被土壤

6、類型、地質構造等大范圍動態(tài)信息,2 遙感物理基礎,遙感技術是建立在物體電磁波輻射理論基礎上的。由于不同物體具有各自的電磁波反射或輻射特性，才可能應用遙感技術探測和研究遠距離的物體。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，大氣層對電磁波傳播的影響是正確解釋遙感數(shù)據的基礎。,2.1 電磁波與電磁波譜,2.1.1．電磁波 一個簡單的偶極振子的電路，電流在導線中往復震蕩，

7、兩端出現(xiàn)正負交替的等量異種電荷，類似電視臺的天線，不斷向外輻射能量，同時在電路中不斷的補充能量，以維持偶極振子的穩(wěn)定振蕩。當電磁振蕩進入空間，變化的磁場激發(fā)了渦旋電場，變化的電場又激發(fā)了渦旋磁場，使電磁振蕩在空間傳播，這就是電磁波。,2.1.2．電磁輻射 電磁波電磁場在空間的直接傳播稱為電磁輻射。1887年德國物理學家赫茲由兩個帶電小球的火花放電實驗，證實了電磁場在空間的直接傳播，驗證了電磁輻射的存在。裝載在遙感平臺上的遙感器系

8、統(tǒng)，接收來自地表、地球大氣物質的電磁輻射，經過成像儀器，形成遙感影象。 2.1.3．電磁波譜 γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波（微波、短波、中波、長波和超長波等）在真空中按照波長或頻率遞增或遞減順序排列，構成了電磁波譜。,目前遙感技術中通常采用的電磁波位于可見光、紅外和微波波譜區(qū)間?？梢姽鈪^(qū)間輻射源于原子、分子中的外層電子躍遷。紅外輻射則產生于分子的振動和轉動能級躍遷。無線電波是由電容、電感組成的振蕩回路產

9、生電磁輻射，通過偶極子天線向空間發(fā)射。微波由于振蕩頻率較高，用諧振腔及波導管激勵與傳輸，通過微波天線向空間發(fā)射。由于它們的波長或頻率不同，不同電磁波又表現(xiàn)出各自的特性和特點。可見光、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與過程，是遙感成像機理探討的主要內容。,2.1.4 電磁輻射的傳播 電磁輻射通過不同的介質時，其強度、波長、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)據中提取的。為了測量從目標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量方式和度量單位： 輻射測量（radiometry），以伽瑪射線到電磁波的整個波段范圍為對象的物理輻射量的測定，其度量單位略。

11、 光度測量（photometry），由人眼的視覺特性（標準光度觀察）評價的物理輻射量的測定，其度量單位略。,2.2 地物波譜特征,地物的電磁波響應特性隨電磁波長改變而變化的規(guī)律，稱為地物波譜。地物波譜是電磁輻射與地物相互作用的結果。不同的物質反射、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別地物的基礎。,2.2.1 太陽

12、輻射與地物反射波譜,被動遙感的輻射源主要來自與我們人類最密切相關的兩個星球，即太陽和地球。其中太陽是最主要的輻射源。 1)太陽輻射 指太陽發(fā)出的電磁波輻射，習慣上稱為太陽光。太陽輻射在從近紫外到中紅外這一波段區(qū)間內能量最集中而且相對來說最穩(wěn)定，太陽強度變化最小。太陽輻射接近于溫度為6150K的黑體輻射太陽的電磁輻射主要集中在波長較短的部分，即從紫外、可見光到近紅外區(qū)段。太陽最大輻射的對應波長λmax日＝0.47μm。

13、就遙感而言，被動遙感主要利用可見光、紅外波段等穩(wěn)定輻射，而主動遙感則利用微波，使太陽活動對遙感的影響減至最小。,2)地物反射 太陽光通過大氣層射到地球表面，地物會發(fā)生反射作用。物體對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、可見光至近紅外，遙感器接受的主要是來自地物反射太陽輻射的能量，因此，在這一波長范圍內的地物波譜研究，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的

14、變化規(guī)律。地物波譜曲線的形態(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部和外部條件下反射率也不同。一般說來，反射率隨波長的變化，有規(guī)律可循，從而為遙感影象的判讀提供依據。幾種典型地物的反射光譜曲線如下：,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，多波段地物波譜測量數(shù)據分布在一定寬度的條帶內。當一類地物波譜變化范圍與另一類地物波譜變化范圍部分重疊時，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 大量觀測事實證明，宇宙中的各種物體，如太陽、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。電磁輻射能的強弱及其按波長的分布，決定于物體的性質與溫度，這種電磁輻射，稱為熱輻射，也稱為溫度輻射。,熱輻射中的幾個概念： 絕對黑體：在任何溫度下，對任何波長的入射輻射的吸收系數(shù)(率) 恒等于1的物體，即 l。顯

16、然，絕對黑體的反射率＝0，透射率 ＝0。自然界不存在絕對黑體，試驗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應的波長與溫度T成反比的規(guī)律。 斯忒藩-玻耳茲曼定律（Stefan-Boltzmann's Law） ：該定律揭示了絕對黑體總輻射出射度隨溫度變化的定量關系。從普朗克公式也可得出黑體出射度與溫度的關系。 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、溫度的普適函數(shù)，它與物體的性質無關。,2)地表物體自身熱輻射 觀測表明，地球輻射接近于溫度為300K的黑體輻射。地球最大輻射的對應波長λmax地＝9.66μm，地球自身的輻射主要集中在波長較長的部分即6μm以上的熱紅外區(qū)段。在這一區(qū)段太陽輻射的影響幾乎可以忽略不計，因此可以只考慮地表物體自身的熱輻射。 （1）

18、黑體或絕對黑體 發(fā)射率 ＝1，即對所有波長黑體發(fā)射率都是一個常數(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且不隨波長變化（反過來說，物體對各種波長的吸收率小于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微波輻射與雷達遙感,微波遙感具有特有的

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