遥感地质基础综述

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1、遥感地质学 资源学院数地所 张洁 1 参考资料 2 主要内容 一 遥感图像处理 二地质解译标志与遥感图像地学分析方法 三遥感图像地貌解译及其应用 四遥感岩性解译与编图 五 遥感构造解译与编图 3 1 遥感图像处理 o遥感地质学研究方法 o遥感物理基础 o遥感图像类型与特性 o遥感图像处理方法 4 1.1 研究方法 o遥感地质学使用的方法，涉及地物波谱测试方 法、数理统计、模拟试验、模式识别、数字图 像处理、GIS、GPS及地学（包括地质、地理 、地貌，地图学等）的有关研究分析方法等。 5 图 1 .1 遥感地质工作流程图 6 1.2 遥感物理基础 o电磁波谱与电磁辐射 o太阳辐射及大气对辐射的

2、影响 o地球的辐射与地物波谱 7 一 电磁波谱与电磁辐射 1 电磁波 n电磁波是指在真空或物质中通过传播电磁场的振动 而传输电磁能量的波。 当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了涡旋 电场，变化的电场激发了涡旋磁场，使电磁振荡在 空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射. n在真空以光速传播 n电磁辐射具有波粒二象性 8 一 电磁波谱与电磁辐射 2 电磁波谱 按照电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递 减排列形成的一个连续谱带（图1.2)。 电磁波的波段从波长短的一侧开始，依次为： 射线X射线紫外线可见光红外线无线电波。 9 图 1.2 电磁波谱 10 2.电磁波谱 目前，遥感所使用的电磁波的波段有

3、： v紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只 有0.30.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但 探测高度在2000 m以下。 v可见光：波长范围为0.380.76m，人眼对可见光有 敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。 v红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近 红外、中红外、远红外和超远红外。 v微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的 影响。 一 电磁波谱与电磁辐射 11 一 电磁波谱与电磁辐射 3 电磁辐射的度量 n辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J n辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射能 量，=dw/dt，单位是w n辐射通量

4、密度（E）：单位时间通过单位面积上的辐 射能量，E=d /ds，单位：w/m2，S为面积 n辐照度（I）：被辐射物体表面单位面积上的辐射通 量，I=E=d /ds，单位：w/m2，S为面积 n辐射出射度（M ）：辐射源物体表面单位面积上的辐 射通量，M=E=d /ds，单位：w/m2，S为面积 n辐射亮度(L): 辐射源在某一方向，单位投影表面， 单位立体角内的辐射通量。 12 一 电磁波谱与电磁辐射 4 绝对黑体及辐射规律 o对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。 黑体吸收系数（，T）=100% 黑体反射系数（，T）=0% o普朗克公式 o斯忒藩-玻尔兹曼定律 o维恩位移定律 o自然界中黑体辐

5、射是不存在，一般地物辐射能量总要 比黑体辐射能量小。如果利用黑体辐射有关公式，则 需要增加一个因子，那就是发射率（比辐射率）。 o依据发射率与波长的关系，将地物分为三种类型：黑 体、灰体、选择性发射体。 13 二 太阳辐射及大气对辐射的影响 太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光。 o1 太阳辐射 太阳的光谱通常指光球产生的光谱，光球发射的 能量集中在可见光波段（图1.3)。 图1.3 太阳辐照 度分布曲线 14 二 太阳辐射及大气对辐射的影响 大气吸收减弱 大气散射减弱 云层反射减弱 大气折射变向 地物吸收减弱 传感器太阳辐射 地物 地物漫反射减弱 地物镜面反射减弱 2 大气对辐射的影响 1

6、5 二 太阳辐射及大气对辐射的影响 3 大气窗口 o电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较 高的波段称为大气窗口。 大气窗口波段透射率/%应用举例 紫外可见光 近红外 0.31.3 m90 TM1-4、 SPOT的HRV 近红外1.51.8 m80TM5 近-中红外2.03.5 m80TM7 中红外3.55.5 m 3.4-4.2m为 90% 4.6-4.9m为 50-60% NOAA的 AVHRR 远红外814 m6070TM6 微波0.82.5cm100Radarsat 16 三 地球的辐射与地物波谱 图1.5 太阳与地表辐射的电磁波谱 17 三 地球的辐射与地物波谱 1 地

7、球的辐射源 在0.32.5m波段（主要在可见光和近红外波段），地 表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。即 在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射 对地表进行探测和成像。 在2.56.0m波段（主要在中红外波段），地表反射太 阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。 在6.0m以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主 ，地表反射太阳辐射可以忽略。 18 三 地球的辐射与地物波谱 o2 地物波谱 地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而 变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。 地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现 。 地物波谱的作用：不同类型的地物，

8、其电磁波响应的 特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础 。 不同电磁波段中地物波谱特性 地物反射波谱：是研究可见光至近红外波段上地物反 射率随波长的变化规律。 可见光和近红外波段：主要表现地物 反射作用和地物的吸收作用。 热红外波段：主要表现地物热辐射作 用。 微波波段：主动遥感利用地物后向散 射；被动遥感利用地物微波辐射。 地物反射波谱曲线除随不同地物(反 射率)不同外，同种地物在不同内部 结构和外部条件下形态表现(反射率 )也不同。一般来说，地物反射率随 波长变化有规律可循，从而为遥感 影像的判读提供依据。 19 植物的光谱曲线 叶绿素吸收 水分吸收 叶片色素细胞结构含水量 控制叶

9、片 反射率的 主要因素 主要吸收 带 20 不同植被类型的光谱曲线比较 识别植被的 理想波段 21 三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲 线 22 叶绿素含量不同时水体的光谱曲线 23 岩石的光谱曲线 24 1.3 遥感图像类型与特性 o遥感平台 o摄影成像 o扫描成像 o微波遥感与成像 o遥感图像的特征 25 一 遥感平台 o遥感平台（platform）是搭载传感器的工具 。 o根据运载工具的类型划分： n航天平台 150km以上 卫星、宇宙飞船 n航空平台 100m至十余 公里飞机、飞船、气球 n地面平台 050m 车、船、塔 26 二 摄影成像 o定义：摄影是通过成像设备获取物体影像的技

10、术。 o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。 o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。 o依据探测波段 n近紫外摄影 n可见光摄影 n红外摄影 n多光谱摄影 27 三 扫描成像 o扫描成像是依靠探测元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。 n光机扫描仪 n固体扫描仪 n成像光谱仪 28 总总 结结 摄影成像扫描成像 波谱范围 光谱分辨率 多光谱获取方 式 数据记录方式 投影方式 可见光+近红 外 相对低 多个镜头 胶片、数字 中心投影 可见光+近

11、红外+热红 外 相对高 单镜头，分光 数字 多中心投影 29 四 微波遥感与成像 o侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的 侧面，发射一个窄的波束，覆盖地面上这一侧面的一个条带， 然后接收在这一条带上地物的反射波，从而形成一个图像带。 随着飞行器前进，不断地发射这种脉冲波束，又不断地接收回 波，从而形成一幅一幅的雷达图像。 o雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时， 要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差 ，才有可能区分目标的不同部位。 o合成孔径雷达与侧视雷达类似，也是在飞机或卫星平台上由传 感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和

12、 接收天线分成许多小单元，每一单元发射和接收信号的时刻不 同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。 n目的：提高图象在飞行方向的分辨率。 30 地形畸变 透视收缩（透视收缩（foreshorteningforeshortening）： 山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往往表现 为较高的亮度； 坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。 叠掩叠掩(Layover)(Layover)： 当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的 情况，因此，在图象的距离方向，山顶和山底的相对位置 颠倒； 收缩度：坡顶的收缩度比坡底大 阴影阴影(Shadow)(Shadow)：

13、当后坡坡度较大，雷达波束不能到达后坡坡面时，没有回 波信号产生，图象上出现暗区 31 五 遥感图像的特征 o将遥感图像归纳为三个方面的特征： v几何特征 v物理特征 v时间特征 o这个三方面特征的表现参数即为： v空间分辨率 v光谱分辨率 v辐射分辨率 v时间分辨辨 32 1.4 遥感图像处理 o遥感技术的目的是为了获得地物的几何属性和物理属性。 原始的遥感图像并不能提供实现这个目的所需的准确而完 备的条件。 o为了实现这个目的，原始遥感影像需要经过图像处理，来 消除成像过程中的误差，改善图像质量。 o 遥感图像处理包括以下几个阶段： 图像的校正（预处理） 图像的变换 图像的增强 图像的分类

14、o所采用的手段有：光学图像处理和数字图像处理两种方法 。 33 1 光学图像处理 较成熟的遥感图像光学处理方法： n假彩色密度分割 n光学彩色合成 n反差增强 n边缘增强 n比值增强 n影像相减(差值法) n光学变换处理(低、高、带通滤波、方向滤波) 为了突出某一密度等级的色调（或相应地物 ），将图像（或影像）的色调密度分划成若 干个等级，并用不同的颜色分别表示这不同 的密度等级，得到一幅彩色的等密度分割图 像。这一技术过程就叫作密度分割处理，或 简称密度分割。 适用于轮廓简单、背景单调、目标特性与 影像密度有明确对应关系的地面景况的分 析判读。 34 2 数字图像处理 o图像校正 o图像增强

15、 o图像融合 o图像分类 依据数字图像数学特征，构造各 种数学模型和相应的算法，由计 算机进行运算(矩阵变换) 处理 ，获得更有利于实际应用的输出 图像及有关数据和资料。 35 图像校正 图像校正是指从具有畸变的图像中消除畸变的处理过 程。消除辐射量失真的叫辐射量校正，消除几何畸变的 叫几何校正。 p 辐射校正 由于传感器响应特性和大气的吸收、散射及其它 随机因素影响，导致图象模糊失真，造成图象分 辨率和对比度相对下降。这些都需要通过辐射校 正复原. 包括： 系统辐射校正、大气校正 p几何校正 校正遥感图像成像过程中所造成的各种几何畸变称为几何校正。 公式法、回归 分析法、直方 图校正法 最邻

16、近法、双线 性内插法、三次 卷积法 36 图像增强 o数字图像增强的目的是提高图像质量和突出所 需要信息，有利于分析判断。 o数字图像增强处理方法主要有：对比度增强（ 灰度增强）、空间滤波、彩色变换、图像运算 和多光谱变换。 37 n图像的差值运算有利于目标与背景反差较小的信息提取: 如冰雪覆盖区 黄土高原区的界线特征 海岸带的潮汐线等。 n差值运算还常用于研究同一地区不同时相的动态变化。 如监测森林火灾发生前后的变化和计算过火面积； 监测水灾发生前后的水域变化和计算受灾面积及损失； 监测城市在不同年份的扩展情况及计算侵占农田的比例等 。 n有时为了突出边缘，也用差值法将两幅图像的行、列各移一位 ，