《遥感原理》笔记

绪论

• 遥感定义

  • 广义：指各种非直接接触、远距离探测目标的技术，往往是通过间接手段来获取目标状态信息。
  • 狭义：利用安装在遥感平台上的可见光、红外、微波等各种传感器，通过摄影、扫描等方式，从高空或远距离甚至外层空间接受来自地球表层或地表以下一定深度各类地物发射或反射的电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，进而识别出地表物体的性质和运动状态。
  • 简略：遥远的感知。

• 遥感分类

  • 根据遥感平台分类
    • 地面遥感
      • 遥感车
      • 手提平台
      • 地面观测台
    • 航空平台
      • 飞机
      • 气球
      • 其他航空器
    • 航天平台
      • 火箭
      • 人造卫星
      • 宇宙飞船
      • 空间实验室
      • 航天飞机
  • 根据传感器的探测波段分类
    • 紫外遥感：
    • 可见光遥感
      • 紫：
      • 蓝：
      • 青：
      • 绿：
      • 黄：
      • 橙：
      • 红：
    • 红外遥感
      • 近红外：
      • 中红外：
      • 远红外：
      • 超远红外：
    • 微波遥感：
  • 根据工作方式分类
    • 主动遥感
      • 侧视雷达
      • 微波散射计
      • 雷达高度计
      • 激光雷达
    • 被动遥感
      • 光学摄影
      • 电子扫描
      • 光机扫描
      • 固体自扫描
  • 根据数据的显示形式分类
    • 成像遥感
      • 数字图像
      • 模拟图像
    • 非成像遥感
      • 光谱辐射计
      • 散射计
      • 高度计
  • 根据波段宽度和波谱连续性分类
    • 常规遥感：分辨率：，举例：TM、SPOT、AVIRIS
    • 高光谱遥感：分辨率：，举例：Hyperion
    • 超光谱遥感：分辨率更高
  • 根据遥感的应用领域分类
    • 宏观上
      • 外层空间遥感
      • 大气层遥感
      • 陆地遥感
      • 海洋遥感
    • 微观上
      • 资源遥感
      • 环境遥感
      • 林业遥感
      • 渔业遥感
      • 城市遥感
      • 农业遥感
      • 水利遥感
      • 地质遥感
      • 军事遥感

• 遥感的特点

  • 优点
    • 宏观性与同步性
    • 时效性与动态性——动态、快速获取监测范围数据
    • 多波段性
    • 综合性与可比性
    • 经济性——应用领域多，经济效益高
  • 局限性
    • 遥感技术本身的局限性
    • 工作量大、周期长
    • 现有遥感图像处理技术难以满足实际需要
    • 易受天气条件影响
    • 遥感数据共享和集成难度较大

• 遥感过程

  • 信息收集：接收、记录电磁波信号
  • 信息接收与存储：在卫星地面接收站完成
  • 信息处理：目的是为了提取有用信息
  • 信息应用

• 遥感技术系统

  • 遥感平台系统（天-空-地）
  • 传感器系统（遥感技术系统核心部分）
  • 数据的接收记录和处理系统（地面接收站、处理站）
  • 基础研究和应用系统

遥感物理基础

• 电磁波
  • 产生
    • 当导体或电路中的某处有迅速变化的电流时，在该处就会产生一种电磁振荡，在周围空间就会产生向外传播的电磁波。
  • 特性
    • 横波
    • 叠加原理
    • 波粒二象性
      • 传播过程体现波动性。
      • 与物质作用体现粒子性。
      • 波长越长，波动性越明显。
      • 波长越短，粒子性越明显。
    • 干涉
    • 衍射
    • 偏振
  • 参数
    • 波长
    • 频率
    • 波数
    • 振幅
    • 速度
    • 相互转化关系
• 电磁波谱
  • 按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱。
  • 紫外波段（UV）
  • 可见光波段（VIS）
  • 红外波段（IR）
  • 微波波段

• 电磁辐射

  • 辐射能量
    • 电磁辐射能量的度量
    • 记作或
    • 单位为
  • 辐射通量/辐射功率
    • 单位时间内通过的辐射能量
    • 记作
    • 单位为
    • 是波长的函数
  • 辐射通量密度
    • 单位时间通过单位面积上的辐射能量
    • 记作
    • 单位为
  • 辐照度
    • 被辐射物体表面的辐射通量密度
    • 记作
    • 单位为
  • 辐射出射度
    • 向外发出辐射的辐射源物体表面的辐射通量密度
    • 记作
    • 单位为
  • 辐射亮度
    • 辐射源在某一特定方向单位投影面积单位立体角内的辐射通量密度
    • 记作
    • 为立体角
    • 为投影面积
    • 为方向角度
    • 单位为
    • 遥感观测到的是辐射亮度
• 电磁辐射源
  • 太阳
    • 太阳常数
      • 不受大气影响，在垂直于太阳辐射的方向，单位时间内单位面积的黑体接收到的太阳辐射辐照度总量。
      • 例题
        • 已知太阳常数和日地平均距离，求太阳的总辐射通量？
        • 以日地平均距离为半径，计算该距离上太阳辐射球面积为。
        • 乘以太阳常数，即为总辐射通量。
    • 太阳光谱
      • 太阳辐射与温度为的黑体辐射十分相似。
  • 地球辐射
    • 地球辐射的能量分布在近红外到微波的范围内，主要集中在。

• 朗伯体与非朗伯体

  • 非朗伯体
    • 辐射源（包括辐射或反射）向外辐射电磁波时，一般随变化。
    • 各向异性
  • 朗伯体
    • 辐射源（包括辐射或反射）向外辐射电磁波时，与无关。即入射能量以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向同性的反射能量的现象，一个完全的漫射体称为朗伯体。
    • 各向同性
  • 朗伯余弦定律
    • 在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规定方向单位立体角内发射（或反射）的辐射通量和该方向与表面法线方向的夹角的余弦成正比。

• 绝对黑体

  • 简称黑体，在任何温度对任何波长的电磁波都全部吸收而没有任何反射的物体。
  • 自然界不存在绝对黑体。
  • 黑体会对外辐射，辐射的电磁波的波长和能量只取决于黑体的温度；发出的辐射光谱连续。
  • 是典型的朗伯源，辐射亮度与角度无关。
  • 遵循黑体辐射定律。

• 黑体辐射定律

  • 普朗克定律
    
    • 公式：。为光速；为普朗克常量；为玻尔兹曼常量；为物体温度。
    • 辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。
    • 温度越高，辐射出射度越大，不同温度的曲线不相交。
    • 随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。
  • 斯特藩-玻尔兹曼定律
    • 公式：。其中为斯特藩-玻尔兹曼常数；为物体温度。
    • 黑体总辐射出射度随温度的增加而迅速增加。
    • 它与温度的四次方成正比。
    • 温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。
    • 是红外装置测定温度的理论基础。
  • 维恩位移定律
    • 公式：。其中为常数；为物体温度。
• 反射率
  • 公式：。其中为反射的辐射能量；为入射总能量。
  • 镜面反射
  • 漫反射
  • 实际物体反射
  • 反射波谱是地物的反射率随入射波长变化的规律。
  • 地物反射波谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。

• 典型地物的反射波谱特性曲线

  • 植被
    
    • 可见光波段有一个小的反射峰，位置在处，两侧（蓝）和（红）则有两个吸收带。这一特征是叶绿素的影响。
    • 在近红外波段（）有一反射的“陡坡”，至附近有一“峰值”，形成植被的独有特征。这一特征由于植被结构引起。
    • 在近红外波段（），反射率大大下降，特别以、和为中心是水的吸收带，形成低谷。
  • 水体
    
    • 水的浑浊成程度的影响
      • 在橙、红光段内，混浊水的反射率比清水的反射率高左右。在处，清水反射率降为零；含泥沙的水，在处的反射率还较高（左右），至附近，反射率才降为零。
      • 悬浮泥沙还导致反射率的峰值出现在之间，即可见光的橙、红光段。
    • 水中叶绿素含量的影响
      • 水中的叶绿素浓度对水的光谱反射率值的影响很明显。
      • 叶绿素的浓度增加会导致附近蓝光段的反射率显著下降。
      • 在附近绿光段的反射率则上升。
    • 水体污染的影响
  • 土壤
    
    • 土质越细反射率越高
    • 有机质和含水量越高反射率越低
    • 土壤质地
    • 土壤颜色
    • 土壤中铁氧化物的含量
    • 土壤矿物
    • 土壤结构
  • 岩石
    
    • 矿物成分
    • 矿物含量
    • 风化程度
    • 含水状况
    • 颗粒大小
    • 表面光滑度
    • 色泽
  • 雪
    
    • 在可见光波段雪高反射率，近。
    • 在红外波段反射率下降很快，在和处降至零。
• 同物异谱和异物同谱
  • 同物异谱
    • 相同的地物由于周围环境、病虫害等影响，造成的相同的物种但是其光谱曲线不同。
    • 除利用光谱外，可利用对象的形状特性或其它辅助信息，即利用多类物体的特征。
  • 异物同谱
    • 不同的地物由于生长环境的影响光谱曲线相同。
• 影响地物反射波谱的因素
  • 太阳位置
  • 传感器位置
  • 不同的地理位置
  • 地物本身性质差异
  • 时间、生长周期
  • 大气状况
• 大气分层
  • 对流层
  • 平流层
  • 电离层
  • 外大气层
• 大气成分
  • 不变成分
    • 氮
    • 氧
    • 氩
    • 二氧化碳
    • 氦
    • 甲烷
    • 氧化氮
    • 氢
  • 可变成分
    • 臭氧
    • 水
    • 盐粒
    • 尘烟

• 大气对太阳辐射的影响

  • 吸收作用
    
    • 氧气：主要吸收小于的辐射；和处也有窄带吸收。这也是高空遥感很少使用紫外波段的原因。
    • 臭氧：数量极少，但吸收很强。、和处存在强吸收；对航空遥感影响不大。
    • 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。
    • 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。
    • 大气的吸收作用具有选择性
      • 臭氧吸收紫外线
      • 水汽和二氧化碳吸收红外线
  • 散射作用
    • 实质是电磁波传输过程中产生的一种衍射现象。
    • 瑞利散射
      • 发生于大气中的微小颗粒半径比电磁波的波长小很多的情况。
      • 散射强度与波长的四次方成反比。
      • 对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。
      • 导致图像模糊的主要原因之一。
      • 使晴天天空呈现蓝色。
      • 使朝霞和夕阳偏橘红色。
    • 米氏散射
      • 发生于微粒的直径接近或大于辐射波长的情况。
      • 对红外线的影响作用不能忽视。
    • 非选择性散射
      • 使云雾看起来是白色。
  • 反射作用
    • 表现为云层以及大气中较大颗粒的尘埃对太阳辐射的反射。

• 大气窗口

  
  • 通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段。
  • 是选择遥感工作波段的重要依据。
  • 常见大气窗口
    • ：包括全部可见光（透射率），部分紫外光（），部分近红外光（）。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。
    • ：近红外窗口，透射率，扫描成像，白天记录。
    • ：中红外窗口，透射率，白天夜间，扫描成像记录。
    • ：热红外窗口，透射率超过，白天夜间扫描。
    • ：微波窗口，白天夜间，扫描记录。

遥感平台

• 遥感平台指搭载传感器的工具或设备。

• 遥感平台类型

  • 地面平台
    • 地面或水上的装载传感器的固定或移动装置。
  • 航空平台
    • 高度在以内的遥感平台。
    • 飞机
      • 低空平台：
      • 中空平台：
      • 高空平台：
    • 气球
      • 低空气球：对流层
      • 高空气球：平流层
    • 无人机
      • 固定翼无人机
      • 无人驾驶直升机
  • 航空平台
    • 在超出大气层的地球附近空间或太阳系各行星间的飞行器。
    • 高空探测火箭
    • 人造地球卫星
    • 宇宙飞船
    • 航天飞机
    • 空间轨道站

• 遥感平台的姿态

  • 指平台坐标系相对于地面坐标系的倾斜程度，常用三轴的旋转角度来表示。定义卫星质心为坐标原点沿轨道前进的切线方向为轴，垂直轨道面的方向为轴，垂直平面的为轴。
  • 侧滚：绕轴旋转的姿态角
  • 俯仰：绕轴旋转的姿态角
  • 偏航：绕轴旋转的姿态角
  • 振动：除滚动、俯仰与偏航以外的非系统性的不稳定振动现象。振动随机性强，难以消除。

• 轨道参数

  • 轨道倾角：卫星轨道面与地球赤道面的夹角。
  • 重访周期/回归周期：卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，回到该地上空时所需要的天数。
  • 轨道周期：卫星绕地一圈所需要的时间，一般以分为单位。可计算出每天卫星绕地球的圈数。
  • 星下点：卫星质心与地球中心连线在地球表面上的交点。
  • 星下点轨迹：星下点在卫星运行过程中在地面的轨迹。
  • 回归轨道：卫星星下点的轨迹每天通过同一地面的轨道。
  • 准回归轨道：星下点每天通过的情况称为准回归轨道。
• 地球同步轨道
  • 卫星公转的角速度和地球的自转角速度相等。卫星轨道运行周期正好等于地球自转周期（），且卫星公转方向与地球自转方向相同，这样的卫星称地球同步轨道卫星。
  • 特点
    • 高度高（约）
    • 能长期大范围观测同一区域
    • 广泛应用于气象卫星和通讯卫星
• 太阳同步轨道
  • 卫星轨道面绕地球的自转轴旋转，旋转方向及周期与地球的公转方向及周期相等。
  • 卫星轨道平面与太阳光之间的夹角称为太阳光照角，且始终保持一致。
  • 特点
    • 轨道高度约
    • 近圆轨道、轨道倾角接近（也称近极轨卫星）
    • 可获取包括南北极在内的覆盖全球的遥感影像
    • 每天在同一方向同一地方时通过同一纬度地面点且有利用长时间监测

遥感传感器

• 传感器

  • 是遥感技术系统的核心。
  • 传感器是收集、测量和记录从目标反射或发射来的电磁波的仪器。
  • 构造
    • 收集器：收集地物辐射来的能量
    • 探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能
    • 处理器：对收集的信号进行处理
    • 输出器：输出获取的数据
  • 分类
    • 按工作方式
      • 主动
      • 被动
    • 按信息记录方式
      • 成像
      • 非成像
    • 按成像原理与图像性质
      • 摄影成像
      • 扫描成像
      • 雷达成像
    • 按响应波段
      • 可见光及近红外
      • 热红外
      • 微波
      • 多光谱
      • 高光谱

• 摄影型传感器

  • 传统摄影依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像。
  • 数字摄影通过放置在焦平面的光敏元件，经光电转换，以数字信号来记录物体的影像。
  • 摄影型传感器工作波段主要在可见近红外波段，较多用于航空遥感探测。
  • 类型
    • 单镜头框幅式摄影机
    • 缝隙式摄影机
    • 全景摄影机
    • 多光谱摄影机
      • 对同一地区、同一瞬间获取多个波段影像的摄影机。
      • 可同时直接获取可见光和近红外范围内若干个分波段影像，增加目标物的信息量，提高影像的判读与识别能力。
      • 类型
        • 多镜头组合型
        • 多相机组合型
        • 光束分离型
  • 几何特征
    • 垂直摄影与倾斜摄影
    • 中心投影与垂直投影（正射投影）
      • 投影：用一组假想的直线将物体形状向几何面投影成像
      • 中心投影：投影射线汇聚同一点的投影
      • 投影中心：中心投影射线的汇聚点
      • 摄影像片和航片是地面景物的中心投影。
      • 地形图是地面景物的正射投影。
      • 摄影测量的主要任务之一，即如何把记录在中心投影像片上的地面景物转换成按图比例尺的正射投影地图。
      • 航片是地面的中心投影正像。
      • 两者区别主要体现
        • 投影距离方面
        • 投影倾斜面方面
        • 地形起伏方面
      • 像点位移
        
        • 位移量与地物高程成正比
          • 凸起：背离像主点
          • 凹陷：朝向像主点
        • 位移量与像点距像主点的距离（）成正比（时无位移）
        • 与摄影高度成反比
      • 像片的比例尺
        • 像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比，即。
        • 例题一
          • 已知某河流的宽度为，在像片上量得的宽度为，则该像片的比例尺为？
        • 例题二
          • 已知某地形图的比例尺为时，在地形图上量得两点的长度为，在像片上量得相应两点的长度为，则该像片的比例尺为？
          • 两点实际距离为
          • 比例尺为
      • 航向重叠与旁向重叠
        
        • 地物相互衔接及立体观察：航向重叠为
        • 多航线摄影：旁向重叠为

• 扫描型传感器

  • 扫描成像：依靠探测原件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。
  • 瞬时视场角（IFOV）：扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接收到的目标物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角。即扫描仪的空间分辨率。
  • 固有优势
    • 扫描成像光谱响应区间宽
    • 数据易存储与传输
    • 系统集成性好，数据可用性更高
  • 探测器性能指标
    • 瞬时视场角（IFOV）
    • 信噪比（SNO）
    • 光谱灵敏度
  • 常见扫描成像遥感器
    • 光机扫描仪
      • 又称光学机械扫描仪。借助遥感器本身沿着垂直遥感平台飞行方向的横向光学机械扫描，获取覆盖地面条带图像的成像装置。
      • 特点
        • 光机扫描为行扫描；每条扫描线/扫描线组均有一个投影中心，所得影像为多中心投影影像。
        • 飞行方向和扫描方向的不一致。
        • 在每条扫描线上，距离平台投影中心越远，像点变形越大。
    • CCD固体自扫描成像仪
    • 光机扫描仪与CCD固体自扫描成像仪对比
      • 光机扫描仪（摆扫式）
        • 优点
          • FOV大。
          • 像元配准好。
          • 探测元件定标方便，数据稳定性好。
          • 进入物镜后再分光，光谱波段范围可以做得很宽。
        • 缺点
          • 像元凝视时间短。
          • 提高光谱和空间分辨率以及信噪比相对困难。
      • CCD固体自扫描成像仪（推扫式）
        • 优点
          • 像元凝视时间大大增加，有利于提高系统的空间分辨率和光谱分辨率。
          • 没有光机扫描结构，仪器的体积小。
        • 缺点
          • FOV增大困难。
          • 面阵CCD器件标定困难。
          • 大面阵的短波和红外探测器研制仍是技术难点。
    • 成像光谱仪
      • 在获取大量目标窄波段连续光谱图像的同时，获得每一个像元几乎连续的光谱数据。
      • 类型
        • 线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪
        • 面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪
• 微波遥感
  • 指通过传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来认识地物的技术。

• 微波遥感特点

  • 能全天候、全天时工作
  • 对某些地物具有特殊的波谱特征
  • 对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透力
  • 对海洋遥感具有特殊意义

• 微波遥感方式

  • 主动
    • 雷达（侧视雷达）：成像
    • 微波高度计：不成像
    • 微波散射计：不成像
  • 被动
    • 微波辐射计：成像
    • 微波散射计：不成像

• 雷达与侧视雷达

  • 用于测定目标的位置、方向、距离和运动目标的速度。
  • 成像基本条件
    • 发射的波束照在目标的不同部位要有时间先后差异。
  • 距离分辨率
    • 物理含义：脉冲宽度设为，光速为，两个不同距离的目标产生两个回波，要使两个回波不完全重叠，才能分清是哪一个回来的信号，必须有。
    • 具体公式：。
    • 距离分辨率与距离无关。
    • 俯角越大，距离分辨率越低；俯角越小，距离分辨率越大（与被动成像的差别）。
  • 方位分辨率
    • 公式为。其中天线长为；雷达波长为；视角为；雷达到地面目标斜距长。
  • 侧视雷达会出现的图形变形
    • 前坡缩短
    • 顶底倒置
    • 阴影
  • 合成孔径雷达
    • 基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。即小天线+信号处理=大天线。
    • 分辨率与天线长度有关，为。

遥感图像及其特征

• 空间分辨率

  • 空间分辨率：指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小；或指遥感器区分两个目标的最小角度或线性距离的度量。
  • 地面分辨率：指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小。
  • 表示方法
    • 像元大小
      • 单个像元所对应的地面面积大小
      • 空间尺度转换
        • 降尺度：粗（低）分辨率→高分辨率
        • 升尺度：高分辨率→粗（低）分辨率
    • 线对数
      • 对摄影系统而言，影像的最小单元常通过间隔内包括的线对数（Line Pairs，LP）确定，单位为。
      • 线对数指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的明暗条对。
    • 瞬时视场角（IFOV）
      • 指遥感器内单个探测元件的受光角度或观测视野。
      • IFOV越小，最小可分辨单元（可分像素）越小，空间分辨率越高。
    • 视场角（FOV）
      • 指遥感器对地扫描或成像的总角度，它决定了一幅图像对地面的覆盖范围。
    • 基高比
      • 指航空摄影时，摄影基线与相对航高的比值。
      • 视场角越大，基高比就越大，高程测量精度就越高。
      • 基高比越大，影像航向重叠越小，反之越大。

• 波谱分辨率

  • 指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。
  • 通常情况，光谱分辨率越高，则对地物特征的识别能力越强。
  • 不同波谱分辨率的传感器对同一地物探测效果有很大区别。间隔愈小，分辨率愈高。
  • 波段并非简单的越多越好。
  • 传感器的波段设计必须考虑目标地物的光谱特征值。

• 辐射分辨率

  • 指传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。
  • 在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级，或遥感器对光谱信号强弱的敏感程度区分能力。

• 时间分辨率

  • 指对同一地点进行采样（观测）的时间间隔，即采样的时间频率。

• 陆地卫星

  • Landsat卫星系列（美国）
    • 概况
      • 至今共三代，颗卫星。
      • Landsat-1于1972年发射。
      • Landsat-5于1984年发射，2011年停止接收数据，在轨工作27年。
      • Landsat-6发射失败。
      • 最新在轨工作的Landsat-8于2013年发射。
    • 轨道特征
      • 高度：
      • 近极地、准圆形、太阳同步、准回归轨道
    • 传感器
      • 多光谱扫描仪（MSS）
      • 专题制图仪（TM）
      • 陆地成像仪和热红外传感器
    • 数据产品
      • 原始数据产品（Level 0）
      • 辐射校正产品（Level 1）
      • 系统几何校正产品（Level 2）
      • 几何精校正产品（Level 3）
      • 高程校正产品（Level 4）
  • SPOT卫星系列（法国主导、欧盟相关国家参与）
    • 概况
      • 至今共颗卫星。
      • SPOT-1于1986年发射。
    • 轨道特征
      • 高度：（北纬附近）
      • 倾角：
      • 周期：
      • 重访周期：
      • 近极地、准圆形、太阳同步、准回归轨道
    • 传感器
      • 线阵列推帚式扫描仪HRV
  • 高空间分辨率陆地卫星
    • GeoEye-1（地球之眼-1）：美国
    • QuickBird（快鸟）：美国
    • WorldView-1和WorldView-2：美国
    • EROS-B：以色列
    • 高分一、二、三号：中国；太阳同步回归轨道
    • 高分四号：中国；地球同步轨道
  • 中国地球资源卫星
    • 概况
      • 至今共颗卫星。
      • ZY-1发射于1999年，为中国与巴西共同投资。
    • 轨道特征
      • 高度：
      • 倾角：
      • 回归周期：
      • 太阳同步回归轨道
    • 传感器
      • CCD相机
      • 红外扫描仪
      • 宽视场成像仪

• 气象卫星

  • 类型
    • 地球静止轨道气象卫星
      • 轨道高度：近
      • 轨道倾角：
      • 绕地球一周需
      • 卫星公转角速度与地球自转角速度相等
    • 太阳同步轨道（极地轨道）气象卫星
      • 轨道高度：
      • 轨道倾角：约
      • 每天定时飞经同一地区上空两次
  • 特点
    • 高时间分辨率。
    • 成像面积大，有利于获得宏观同步信息，减少数据处理量。
    • 资料来源连续及一致性。
  • 美国NOAA卫星
  • 中国气象卫星
    • 风云一号：极轨轨道气象卫星
    • 风云二号：静止轨道气象卫星
    • 风云三号：极轨轨道气象卫星
    • 风云四号：静止轨道气象卫星
• 海洋卫星
  • 海洋水色卫星
  • 海洋地形卫星
  • 海洋动力环境卫星

遥感图像处理

• 定义

  • 对遥感图像进行辐射校正和几何校正、图像整饰、投影变换、镶嵌、特征提取、分类以及各种专题处理等一系列操作，以求达到预期目的的技术。
• 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：包括对模拟图像的空间离散化运算（采样）和亮度值的离散化处理（量化）。
  • 优点
    • 便于计算机处理和分析
    • 图像信息损失低
    • 抽象性强

• 遥感数字图像校正

  • 几何校正
    • 目的
      • 纠正内外部因素引起的变形，从而实现与标准图像或者地图的几何整合，使之能与地理信息系统和空间决策支持系统中的其他空间数据信息一起使用。
    • 一些术语
      • 配准：同一区域内两幅图像之间的相互对准，一般以一幅标准图像去校正另一幅图像，以使两幅图像中的同名像元几何位置匹配。
      • 校正：图像对地图的对准，使图像像地图一样平面化，也成为地理参考过程。
      • 地理编码：是校正的一个特例，还包括比例尺的归一化和像元尺寸和坐标的标准化，以使来自不同传感器的图像或地图能够方便地进行不同图层间的互操作。
      • 正射校正：对图像的逐个像元进行地形校正，使图像符合正射投影的要求。
    • 主要过程
      • 地面控制点的选取：注意数目和采集要求
      • 多项式校正的模型：多项式模型、共线模型
      • 重采样：最近邻方法、双线性内插法、三次卷积内插方法（辛克函数）
  • 辐射校正
    • 目的
      • 消除图像数据中依附在辐射亮度中各种由于传感器自身条件、薄雾等大气条件、太阳位置和角度条件及某些不可避免的噪声引起的辐射失真。
    • 主要过程
      • 传感器校正：对光学系统特性引起的失真校正、对光电转换系统特性引起的失真校正
      • 大气校正：野外波谱测试回归分析法、辐射传输方程计算法、波段对比法
      • 太阳高度和地形校正
  • 去除噪声
    • 全局噪声
    • 局部噪声
    • 周期噪声
    • 探测器条纹

• 数字图像增强

  • 空间域增强
    • 在图像平面上直接针对每个像元点进行处理，处理后的像元位置不变，包括点运算和邻域运算。
  • 频率域增强
    • 空间频率：图像像元的灰度值随位置变化的频繁程度可以用频率来表示，这是一种随位置变化的空间频率。
    • 平滑：保留低频部分，抑制高频部分。
    • 锐化：保留高频部分，抑制低频部分。
  • 彩色增强
    • 伪彩色增强：把一幅黑白图像的不同灰度按一定的函数关系变换成彩色，得到另一幅彩色图像。
    • 假彩色增强：对于多波段遥感图像，选择其中的某三个波段，分别赋予红、绿、蓝三种原色。
    • HLS变换
  • 图像运算
    • 加法运算
    • 差值运算
    • 比值运算
    • 植被指数
      • 根据地物光谱反射率的差异作比值运算可以突出图像中植被的特征、提取植被类别或估算绿色生物量，通常把能够提取植被的算法称为植被指数。
      • 设表示红光波段的反射值，表示近红外波段的反射值。
      • 比值植被指数：
      • 归一化植被指数：

遥感图像目视解译

• 遥感图像分类
  • 定义
    • 对地球表面及其环境在遥感图像上的信息进行识别和分类，从而达到识别图像信息所对应的实际地物、提取所需地物信息的目的。
  • 目的
    • 将图像中每个像元根据其在不同波段的光谱亮度、空间结构特征或者其他信息，按照某种规则或算法划分为不同的类别。

• 遥感图像解译

  • 定义
    • 从遥感图像中获取目标地物信息的过程。
  • 目视解译
    • 指专业人员通过直接观察或借助判读仪器在遥感图像上获取特定目标地物信息的过程。
  • 计算机解译
    • 以计算机系统为支撑环境，利用模式识别技术与人工智能技术相结合，根据遥感图像中目标地物的各种影像特征，结合专家知识库中目标地物的解译经验和成像规律等知识进行分析和推理，实现对遥感图像的理解，完成对遥感图像的解译。
• 目标地物特征
  • 色
    • 色调
    • 颜色
    • 阴影
  • 形
    • 形状
    • 纹理
    • 大小
    • 图形
  • 位
    • 空间位置
    • 相关布局

• 目视解译标志

  • 定义
    • 又称判读标志，指能够反映和表现目标地物信息的遥感影像各种特征，这些特征能够帮助解译者识别遥感图像上目标地物或现象。
  • 直接解译标志
    • 色调和色彩
    • 阴影
    • 位置和布局
    • 大小
    • 形状
    • 图案
    • 纹理
  • 间接解译标志
    • 地形地貌
    • 土壤、土质
    • 植被
    • 气候
    • 水系
    • 人类活动

• 目视解译原则

  • 遥感图像目视解译要基于影像特征。
  • 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。

• 目视解译方法

  • 直接判定法
  • 对比分析法
  • 信息复合法
  • 综合推理法
  • 地理相关分析法

• 目视解译的步骤

  • 准备工作
  • 初步解译与解译区的野外考察
  • 室内详细解译
  • 野外验证与补判
  • 成果整理

• 影响地物特征及其解译的因素

  • 地物本身的复杂性
  • 传感器特性的影响
  • 目视能力的影响
• 目视解译优缺点
  • 优点
    • 能够充分的利用先验知识、专家知识库，一般目视解译精度较高。
    • 可以作为计算机自动分类的地表真实参考值。
  • 缺点
    • 效率低、费时费力，需要较大的人力成本。
    • 需要具有专业知识的判断专家。

遥感数字图像计算机解译

• 模式
  • 指某种具有空间或几何特征的某种事物的标准形式。
• 模式识别
  • 对被识别的模式作一系列的测量，然后将测量结果与“模式字典”中一组“典型的”测量值相比较，得出所需要的分类结果的过程。
• 光谱特征向量
  • 同名地物点在不同波段图像中亮度的观测量构成一个多维的随机向量。
• 光谱特征空间
  • 指所有波段的亮度轴构成的直角坐标空间，同类地物具有聚类的效应。

• 特征变换

  • 概念
    • 将原始图像通过一定的数学变换生成一组新的特征图像，这一组新图像信息集中在少数几个特征图像上。
  • 目的
    • 数据量有所减少，去相关，有助于分类。
  • 常用特征变换
    • 主成分变换
      • 基本思想
        • 一种线性变换，均方误差最小的最佳正交变换
        • 是在统计特征基础上的线性变换
      • 目的
        • 数据压缩
        • 新的特征图像之间互不相关
        • 增加类别的可分性
      • 几何意义
        • 把原始特征空间的特征轴旋转到平行于混合集群结构轴的方向上
    • 穗帽变换
    • 哈达玛变换

• 计算机分类

  • 分类的核心是确定判别函数和判别准则。
  • 判别规则：判读特征矢量属于某类所需的判断依据。
  • 判别函数：各个类别的判别区域确定后，某个特征矢量属于哪个类别可用一些函数来表示和鉴别，这些函数称为判别函数。

• 监督分类

  • 定义
    • 以建立统计识别函数为理论基础，依据典型样本训练方法进行分类的技术。
  • 训练（学习）
    • 利用一定数量的已知类别函数求解待定参数的过程。
  • 思想和基本过程
    • 根据对研究区域的了解（先验知识），从遥感数据中选择能代表各分类的训练样区（样本）。
    • 对样本数据依据选用的分类器进行统计分析，提出各类别的特征数据，并建立适用的判别准则。
    • 使用判别准则对每个像元归属类别进行判定。
    • 输出分类结果。
  • 主要步骤
    • 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。
    • 确定判决函数和判决规则。
    • 根据判决函数和判决规则对非训练样区的图像区域进行分类，并对类别进行编码。
    • 分类效果评估。
  • 常见方法
    • 最小距离分类法
    • 最大似然分类法
  • 优点
    • 可以控制适用于研究需要以及区域地理特征的信息类别，即可以有选择性地决定分类类别，避免出现不必要的类别。
    • 可以控制训练样区和训练样本的选择。
    • 光谱类别与信息类别的匹配。
    • 通过检验训练样本数据可以确定分类的准确性，估算分类误差。
    • 避免了非监督分类对光谱集群类别的重新归类。
  • 缺点
    • 主观性
    • 由于图像中间类别的光谱差异，使得训练样本没有很好的代表性。
    • 训练样本的获取和评估花费较多人力时间。
    • 只能识别训练中定义的类别。

• 非监督分类

  • 定义
    • 人们事先对分类过程不施加任何先验知识，而仅凭遥感影像数据的光谱特征分布规律，即自然聚类的特性，进行“盲目”的分类。
  • 主要步骤
    • 确定分类数量。
    • 选择集群类别中心。
    • 类别中心的处理。
    • 像元初始归类。
    • 重分类。
  • 常见方法
    • 分级集群法
    • K-均值算法
    • ISODATA聚类法
  • 优点
    • 不需要预先对所要分类的区域进行广泛了解。
    • 人为误差的几率较小。
    • 面积很小的独立地物均能被识别。
  • 缺点
    • 形成的光谱类别与信息类别并不完全一一对应，需要通过目视判读建立两者之间的对应关系。
    • 分析人员很难控制分类产生的类别并对其进行识别。
    • 光谱类别的解译识别工作量大而复杂。
• 计算机解译的其他方法
  • 模糊聚类法
  • 人工神经网络分类法
  • 专家系统分类法
  • 支持向量机
• 分类精度的评价
  • 通常用分类图与标准数据进行比较，以正确分类的百分比来表示分类精度。
  • Kappa系数
    • Kappa系数是一个测定两幅图之间吻合度或精度的指标。
    • 为误差矩阵中的总列数（总的类别数）
    • 为混淆矩阵中第行第列上像素数量（正确分类的数目）
    • 为第行的总像素数量
    • 为第列的总像素数量
    • 为用于精度评估的总像素数量
    • Kappa系数值的意义
      • ：评价者间的意见完全一致
      • ：评价者间意见一致程度是依据偶然的
      • ：评价者间的意见程序还不如偶然的
      • ：说明有意义
      • ：说明已经取得了相当满意的一致程度
      • ：说明一致程度不够理想

遥感专题制图

• 遥感影像地图
  • 是一种以遥感影像和一定的地图符号来表现制图对象地理空间分布和环境状况的地图。
• 制图步骤
  • 遥感影像信息选取与数字化
  • 地理基础底图的选取与数字化
  • 遥感影像几何纠正与图像处理
  • 遥感影像镶嵌与地理基础底图拼接
  • 地理基础底图与遥感影像复合
  • 符号注记图层生成
  • 影像地图图面配置
  • 遥感影像地图制作与印刷