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1、 遥感基础知识及遥感图像处理方法 郗凤明2007年8月 遥感的基础知识 遥感 远距离不接触物体而获得其信息 遥感数据是非常重要的源数据 遥感原理及遥感过程很复杂 可见光 反射红外遥感 热红外遥感 微波遥感 太阳辐射光谱 大气吸收 太阳辐射穿过大气层时 大气中的氧气 氮气 水蒸气等对不同波长的辐射有吸收作用 大气窗口 遥感数据的特征 空间分辨率 光谱分辨率 时间分辨率 辐射分辨率 空间分辨率 可以识别的最小地面距离或是最小目标的大小 指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小 表示方法一般有 种 像元 pixel 指单个像元所对应的地面面积的大小 如quickbird一个像元相当地面面积0 61
2、m 0 61m 的一个像元相当地面面积为28 5m 28 5m 多简称 线对数 linepairs 对于摄影系统而言 影像最小单元常通过1mm间隔内包含的线对数确定 单位为线对 mm 线对是指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的明暗对数 瞬时视场 IFOV 指遥感器单个探测元件的受光角度或观测视野 单位为毫弧度 mrad IFOV越小 最小可分辨单元越小 空间分辨率越高 一般来说 遥感系统的空间分辨率越高 其识别物体的能力越强 如 NOAA LANDSAT SPOT IKNOS QUICKBIRD 空间分辨率逐渐增高 其识别物体的能力也是逐渐增强 光谱分辨率 指遥感器所选用的波段数量的多少 各波
3、段的波长位置 及波长间隔的大小 通道数 每个通道的中心波长 带宽 如黑白航片用一个综合波段 0 4 0 7微米 LandsatMSS TM 个波段 MODIS有 个波段 高光谱数据专题研究的针对性强 对物体的识别精度高 遥感应用分析的效果好 但也有其缺点 时间分辨率 Temporalresolution 是关于遥感影像间隔时间的一项性能指标 遥感器按照一个的时间周期重复采集数据 这个重复周期又叫回归期 这种重复观测的最小时间间隔称为时间分辨率 如 landsat4 为 天 为 天 为几小时 辐射分辨率 辐射分辨率 radiantresolution 指遥感器对对光谱信号强弱的敏感程度 区分能力
4、 如 landsat MSS起初以 bits 取值范围0 63 landsat4 5 TM 个波段中的 个波段 分辨率的 以 bits 取值范围 0 255 MOIDS所有通道都用12bit 取值范围 0 2048 空间分辨率与辐射分辨率的关系 瞬时视场 越大 最小可分像素越大 空间分辨率越低 但是 越大 光通量获得的入射量越大 辐射测量越敏感 对微弱能量差异的检测力越强 则辐射分辨率越高 因此空间分辨率的增大 将伴随辐射分辨率降低 可见空间分辨率与辐射分辨率难以两全 地物波谱 地物的电池波的响应特性随电磁波长改变而有规律的变化 不同类型的地物 其电磁波响应特性不同 地物波谱特征是遥感识别地物
5、的基础 几种常见的地物波谱特征 植物 土壤 岩石 植物 在可见光的蓝紫光波段 反射率低于 至绿光反射率增高 曲线出现一个小反射峰 绿峰 之后 反射率急剧下降至 微米处 形成很深的红光吸收谷 红谷 进入红外区 反射率陡升 达到顶峰后 变化平缓 反射率在 左右 过 微米处反射率明显下降 曲线的起伏现象更突出 叶绿素吸收 水分吸收 卫星及卫星数据简介 中国遥感卫星地面站网 Landsat卫星 Landsat是美国于1972年在世界上第1次发射的真正的地球观测卫星 1 4号星均相继实效 现在运行的是5号星 6号星发射失败 1999年4月15日 陆地卫星 7 Landsat 7 发射成功 Landsat
6、 4 5 6号采用飞行高度为705km 轨道倾角为98度的太阳同步准回归轨道 通过赤道时刻为地方平均时上午9 39 它用16天时间对整个地球观测一遍 第17天返回到同一地点的上空 17日回归 卫星上搭载多光谱扫描仪 MSS 和专题扫描仪 TM 两种遥感器 TM是4号星以后搭载的 陆地卫星 7 Landsat 7 轨道高705km 倾角98 2 陆地卫星覆盖地球范围N81 S81 5 Landsat卫星数据的特点 MSS MultiSpectralScanner 多光谱扫描仪 选用可见光 近红外 0 5 1 1微米 谱段 四个波段 landsat1 3 18daysTM ThematicMapp
7、er 专题制图仪 使一种改进的多光谱扫描仪 可见光 短波红外 0 45 12 5微米 谱段 七个波段 landsat4 6 16daysETM EnhancedThematicMapper 改进专题制图仪 增加一个全色波段 pan landsat7 16days landsat1 3 MSS 空间分辨率为80m landsat4 6 TM 可见光 短波红外 TM1 5 7 波段的空间分辨率为30m TM6热红外波段的空间分辨率为120m landsat7 ETM 可见光 短波红外 ETM1 5 7 波段的空间分辨率为30m ETM 热红外波段的空间分辨率为60m 全色15m Landsat卫星
8、图像的扫描宽度为185km 表1MSS及TM的观测参数单位 mW cm2 sr 陆地卫星7号携带了增强型主题成像传感器 ETM 近极近环形太阳同步轨道轨道高度 705公里倾角 98 22o运行周期 98 9分钟24小时绕地球 15圈穿越赤道时间 上午10点扫描带宽度 185公里重复周期 16天卫星绕行 233圈1景约相当地面上185 170km2的面积 MSS TM的数据是以景为单元构成的 各景的位置根据卫星轨道所确定的轨道号和由中心纬度所确定的行号进行确定 这一系统称WRS worldreferencesystem 中国全土可用轨道号从113到151 行号从23到45的约530景覆盖 沈阳市
9、119 31 一景TM影像大约230M MSS为30M ETM为398M 光学机械扫描系统 TM影像数据特点 TM1 0 45 0 52微米 蓝波段 对水体穿透力强 对叶绿素与叶色素浓度反映敏感 有助于判别水深 水中叶绿素分布 沿岸水和进行近海水域制图等 TM2 0 52 0 60微米 绿波段 对健康茂盛植物绿反射敏感 对水的穿透力较强 用于探测健康植物绿色反射率 按 绿峰 反射评价植物生活力 区分林型 树种和反映水下特征等 对水体金属污染和化学污染研究的效果好 TM3 0 63 0 69微米 红波段 为叶绿素的主要吸收波段 反映不同植物的叶绿素吸收 植物健康状况 用于区分植物种类与植物覆盖度
10、 其信息量大 为可见光最佳波段 广泛应用于地貌 岩性 土壤 植被 水中泥沙流等方面的观测 TM4 0 76 0 90微米 近红外波段 对绿色植物类别差异最敏感 受植物细胞结构控制 为植物通用波段 用于生物量调查 作物长势测定 水域判别等 TM5 1 55 1 75微米 中红外波段 处于水的吸收带 1 4 1 9微米 内 反映含水量敏感 用于土壤湿度 植物含水量调查 水分状况的研究 作物长势分析等 从而提高了区分不同作物类型的能力 易于区分云与雪 TM6 10 4 12 5微米 热红外波段 可以根据辐射响应的差别 区分农 林覆盖类型 辨别地面湿度 水体 岩石 以及监测与人类活动有关的热特征 进行
11、热制图 TM7 2 08 2 35微米 中红外波段 此为地质学家增加的波段 处于水的强吸收带 水体呈黑色 可用于区分主要岩石类型 岩石的水热蚀变 探测与岩石有关的粘土矿物等 TM影像数据特点 Tm数据5个具有明确意义的特征变量 亮度 构成亮度的主要成分是可见光tm1 2 3的灰度值代表可见光蓝 绿 红光的亮度 Tm4 5对亮度也有贡献 绿度 对绿度贡献最大的是对植物高反射的TM4 TM3与TM4呈负相关NDVI NIR R NIR R 湿度 TM5 7处于水吸收带之间 受到水吸收带控制 对湿度反映敏感 透射度 Tm1 2研究水深 水下地形 浑浊度 热度 TM6热红外波段 陆地卫星影像常以彩色方
12、式表现 最常用的是 标准假彩色 MSS 7 5 4分别付给R G BTM 4 3 2分别付给R G B 天然真彩色 1 B2 G3 R SPOT SPOT是地球观察卫星系统 是由瑞典 比利时等国家参加 由法国国家空间研究中心 CNES 设计制造的 1986年发射第一颗 到1998年已经发射了四颗 SPOT的轨道是太阳同步圆形近极地轨道 高度830km左右 卫星的覆盖周期是26天 重复感测能力一般3 5天 部分地区达到1天 法国SPOT 41998年3月发射 卫星轨道参数 轨道高度 832公里轨道倾角 98 721o轨道周期 101 469分 圈重复周期 369圈 26天降交点时间 上午10 3
13、0分扫描带宽度 60公里 两侧侧视 27o扫描带宽 950公里 SPOT4 传感器为2台高分辩率可见光扫描仪 HighResolutionVisiblesensor HRV 它能满足资源调查 环境管理与监测 农作物估产 地质与矿产勘探 土地利用 测制地图及地图更新等多方面的需求 SPOTHRV 优点 图像空间分辨率高 可达10 20米 地面扫描宽度117公里 每台60公里 两台间重叠3公里 灵敏度高 在良好的光照条件下可探测出低于0 5 的地面反射变化 带有可定向的反射镜 使仪器具有偏离天顶点 倾斜 观察的能力 倾角 27o 可获得垂直与倾斜图像 使重复周期从26天缩短到4 5天 具有立体观测
14、能力 SPOT SPOT4 在3的增加了宽视植被探测仪VGTVGT的分辨率是1 15km扫描宽度为 2250kmSPOT5 在改进4的基础上增加了1台高分辨率立体成像仪 空间分辨率可达2 5m SPOT1 3 SPOT5 CBERS CBERS 1中巴资源卫星由中国与巴西于1999年10月14日合作发射 是我国的第一颗数字传输型资源卫星 卫星参数 太阳同步轨道轨道高度 778公里 倾角 98 5o重复周期 26天平均降交点地方时为上午10 30 相邻轨道间隔时间为4天扫描带宽度 185公里星上搭载 CCD传感器 IRMSS红外扫描仪 广角成像仪 CBERS数据 CBERS 由于提供了从20米
15、256米分辨率的11个波段不同幅宽的遥感数据 成为资源卫星系列中有特色的一 可见光 近红外 0 45 0 83 的分辨率为20m 空间分辨率较高 目视解译的精度较高 数据免费 但计算机分类的效果据说十分不好 我没有试验过 CBERS 1卫星资料索引 SPOTandCBERS属于推扫式扫描系统 MODIS数据的主要特点 中等分辨率的航天成像光谱仪 36个光谱通道 0 4 14 3微米 其中可见光20个通道 热红外16个通道 谱带窄 空间分辨率 ch1 2为250m ch3 7为500m 其余的为1000m 宽视域 扫描角士55o 扫描宽度达2330km 周期短 1 2天可对全球观测一次 具有较高
16、的辐射分辨率 所有通道都用12bit 212 2048 记录 且有较高的校正精度和灵敏度 数据免费 MODIS 1999年12月18日 美国成功地发射了地球观测系统 EOS 的第一颗极地轨道环境遥感卫星Terra EOS AM1 这颗卫星是美国国家宇航局 NASA 地球行星计划中总数15颗卫星的第一颗 也是第一个提供对地球过程进行整体观测的系统 目标是实现空间平台上对太阳辐射 大气 海洋和陆地进行综合观测 获取有关海洋 陆地 冰雪圈和太阳动力系统等信息 进行土地利用和土地覆盖研究 气候季节和年际变化研究 自然灾害监测和分析研究 长期气候变率和变化研究以及大气臭氧变化研究等 进而实现对大气和地球环境变化的长期观测和研究 用DODIS做的NDVI图 IKONOS 2高分辨率商业卫星 自1994年美国总统克林顿签署总统令 允许商业公司销售高分辨率卫星图像以后 美国发射了4颗高分辨率商业卫星 其中失败了3颗 晨鸟 IKONOS 1和快鸟 1 只有SpaceImaging公司的第2颗卫星IKONOS 2于1999年9月24日发射成功 目前运行正常 其地面分辨率1m Pan 4m Ms 地理定位精
