遥感图像类型与特性

第四章遥感图像类型与特性学习内容遥感图像类型及基本属性光学摄影像片特性光机扫描图像特性固体自扫描图像特性成像雷达图像特性通过学习，掌握遥感图像的类型及遥感图像的基本属性，并掌握各种类型遥感图像的特性，为遥感图像解译等内容的学习打下基础。学习目的和要求学习重点与难点遥感图像的类型遥感图像的基本属性各种类型遥感图像的特性△各种遥感图像的空间特性、波谱特性一、基本概念§4.1遥感图像类型及基本属性1.影像影像——地物的电磁辐射信息经成像系统处理后产生的与原物相似的形象。影像的特点：点对点地表示地物目标。2.遥感影像遥感影像——遥感器对地表（目标物）通过摄影或扫描而获取的影像。3.遥感图像遥感图像——遥感影像经过处理或再编码后产生的与原物相似的形象。遥感影像根据成像方式划分：光学摄影成像——像片（连续）数字扫描成像——图像（离散）二、遥感图像的类型1.按遥感平台类型划分2.按影像记录的电磁波波段划分3.按图像比例尺划分4.按遥感器成像方式和工作波段划分根据不同的分类标准，可将遥感图像划分为不同的类型：4.按遥感器成像方式和工作波段划分常规摄影像片非常规摄影像片光机扫描图像固体自扫描图像天线扫描图像成像方式工作波段实例黑白全色像片（可见光）天然彩色像片（可见光）黑白红外像片（近红外）彩色红外像片（部分可见光、近红外）紫外像片（紫外）多波段像片（紫外—近红外）全景像片（可见光—近红外）红外扫描图像（中、热、远红外）多波段扫描图像（紫外—远红外）超多波段扫描图像（可见光—远红外）固体自扫描图像（可见光—近红外）成像雷达图像（微波）航空摄影像片航天摄影像片热红外图像Landsat/TM图像成像波谱仪图像SPOT/HRV图像SAR图像扫描图像光学摄影像片1.波谱特性三、遥感图像的基本属性空间特性、时间特性、波谱特性等基本属性的掌握，是进行遥感图像处理、解译分析及应用的基础。从波谱学的角度出发，依据不同地物的电磁波谱特性差异来识别区分目标物，是进行遥感解译应用的基本原理。在相同的成像条件下，相同地物具有相同或相似的波谱特性，不同地物具有不同的地物波谱特性。遥感图像记录了其相应的探测波段范围内不同地物的电磁波谱特性信息：表现—反映—电磁辐射能量（强度）的大小影像密度（灰度、色调）差异色彩的差异⑴光学摄影像片⑵热红外图像⑶成像雷达图像⑷多波段、超多波段图像遥感图像根据其探测波段、波谱分辨率、辐射分辨率等属性的不同，所反映的地物的波谱特性差异亦不同：2.空间特性（几何特性）遥感图像的空间特性，是从形态学的角度识别地物、建立解译标志、进行遥感数字图像处理等项工作的重要基础依据。遥感图像的空间特性主要涉及：空间分辨率比例尺投影性质几何畸变⑴空间分辨率空间分辨率——在遥感图像上所能分辨的最小目标的大小（地面分辨率）。成像遥感器的技术参数地物的空间特性地面分辨率取决于：地物与背景环境的反差⑵影像比例尺影像比例尺——影像上某一线段的长度与地面上相应水平距离的比值。不同类型的遥感影像因其投影性质的不同，会引起一定的影像几何畸变，从而造成一幅遥感图像上的比例尺是多变的。1mfH=例如，光学摄影像片的比例尺：H⑶投影性质与影像几何畸变不同类型的成像遥感器具有各自的成像方式和成像规律，从而不同的遥感影像具有不同的投影性质，同时产生不同性质的影像几何畸变。实际应用中，须掌握不同遥感影像的投影性质及影像几何畸变特性，并有效利用遥感影像的成像规律和特点，从而正确地进行图像处理及解译分析应用。SABCP1P2a1c1b1a2b2c2ffH负片（底片）正片（像片）负像正像①中心投影SP1P2O1O2O1'O2'O1、O2——像主点O1'、O2'——像底点像主点与像底点（垂直摄影）P2P1SO1O2O1'O2'O1、O2——像主点O1'、O2'——像底点像主点与像底点（倾斜摄影）PS3ACBS2S4S1acb②多中心投影（动态多中心投影）HSOABabβ③旋转斜距投影OA、OB——地距SA、SB——斜距3.时间特性遥感图像的时间特性，是从不同的时间尺度以及多时相的角度出发来进行地物或现象识别的基础依据。不同地物其波谱特性具有不同时间尺度意义上的时相变化特点（多时相效应）：自然变化过程节律利用多时相的遥感资料，有利于对地物或现象在时间序列上进行对比分析，从而掌握其在不同时间尺度意义上的动态发展历程。遥感图像时间特性的决定因素：成像遥感器的时间分辨率多源遥感图像的时相分辨率成像的季节、时间§4.2光学摄影像片特性光学摄影像片是指通过航空/航天摄影所获取的影像像片。根据摄影方式遥感器的结构和成像方式，可将光学摄影像片分为三种主要类型：帧幅式条幅式全景式帧幅式一、航空像片的类型二、航空像片的地面覆盖与影像重叠三、航空像片的波谱特性四、航空像片的空间特性EFCDAB像点位移与影像畸变abcdSfe正射投影中心投影T0fHraa0oSAA0NBB0△h+△h_b0brδh=△h+r/H_·δhδh像点位移（投影差）——由于中心投影的影响所造成的，地面上平面坐标相同但高程不同的点，在像平面上的像点坐标不同的现象。像点位移产生的原因：中心投影地表起伏②δh∝±△h像点位移的规律：δh=△h+r/H_·①δh∝r③δh∝1/H§4.3光机扫描图像特性光机扫描图像是由采用分立式多元探测器阵列的光机扫描遥感器，用光学机械扫描的方式进行对地覆盖，在运动状态下获取的多波段遥感图像。一、光—机扫描图像的空间特性1.地面覆盖与影像重叠光机扫描图像对地表的覆盖由三方面作用共同完成：地球自转卫星平台的航向运行遥感器的横向扫描⑴地面覆盖探测器单元瞬时视场30m×30m120m×120m瞬时视场的大小：TM1—5、7TM6TM探测器单元阵列1234576TM波段UVUV480m185km480mt=71.46ms………………………………TM1—5、7：6166条扫描线TM6：1542条扫描线⑵影像重叠①旁向重叠②航向重叠相邻轨道观测带间的旁向重叠率随纬度的不同而变化，如Landsat-4,5,7：纬度(°)01020304050607080重叠率(%)7.38.712.919.729.040.453.668.383.9卫星运行方向上的航向重叠率由地面处理机构进行人为分幅而形成，以便于图像的拼接。航向重叠率一般固定为15km（8%）。2.瞬时视场与图像像元⑴瞬时视场、地面分辨率探测器单元瞬时视场ββ瞬时视场——探测器单元以一定的立体角（瞬时视场角）所观测的地面范围。扫描影像的地面分辨率取决于瞬时视场的大小。航向D0D0D横D纵D纵=2θsecβHD横=2θsecβH22HD0=βH30m×30m120m×120m星下点瞬时视场（地面分辨率）：TM1-5、7TM679m×79m240m×240mMSS4-7MSS8⑵图像数字化及像元的形成为便于信息的传输、存储以及计算机处理，需要将探测器单元所接收的信号进行数字化，即按一定的规则进行采样和量化，形成离散、有限的数字图像数据。光机扫描为动态扫描，在扫描过程中瞬时视场在扫描线上连续移动，随之连续变化的地物辐射量被探测器单元所接收并被转换为连续变化的电信号（模拟信号）。采样过程原理图图像函数空间离散化①采样无重叠采样有重叠采样扫描线采样窗口采样过程①采样图像函数空间离散化像元6166×61661542×1542像元数目：TM1-5、7TM630m×30m120m×120m像元大小（对应地面面积）：TM1-5、7TM6①采样图像函数空间离散化像元是在扫描成像过程中通过采样而形成的采样点，是扫描影像中最小可分辨面积，也是进行计算机处理时的最基本单元。图像函数数值离散化②量化DN值DN值（亮度/灰度等级）的级别数目为2n（n=6,7,8,…12…）。DN=0DN=128DN=255DN=213DN=57像元的DN值反映了瞬时视场中一类或多类地物的综合电磁辐射信息：正像元混合像元（综合像元）混合像元的分解：空间分辨率的提高波谱分辨率的提高3.投影性质动态多中心投影185km185km（385个投影中心）480m动态多中心投影的影像亦存在像点位移。像点位移的大小与卫星平台运行高度、地表起伏高差以及扫描角有关。由于卫星平台运行高度较高，总扫描角较小（11.56°），所以当地表相对高差较小且成图精度要求不高时，可将图像近似看作是垂直投影（正射投影）。当成图精度要求较高时（如TM1:5万成图），应根据DEM进行几何精校正。4.影像比例尺陆地卫星Landsat/TM图像的原始比例尺为1:336.9万，经地面处理后放大为1:100万或1:50万、1:25万等。实际中，可根据具体情况，利用遥感图像处理软件生成满足一定精度要求的各种比例尺的成果图。5.影像畸变⑴像点位移⑵全景畸变由于扫描角的变化造成影像纵横向比例尺发生变化。ABABU（扫描方向）V（卫星平台前进方向）扫描带⑶地球自转引起的图像歪斜畸变△Ui△U（10km±）二、光—机扫描图像的波谱特性1.光机扫描图像（数据）的波谱意义扫描图像由一定数目的像元组成，像元DN值是在扫描成像过程中,对采样窗口中的亮度/灰度等级进行量化编码而形成的数字数值。DN值反映了像元内地物的综合电磁辐射信息，代表了相应探测波段范围内地物反射/发射电磁波能力的大小。2.波谱分辨率与多波段效应多波段效应——相同地物在不同波段的遥感图像上以及不同地物在同一波段的遥感图像上具有各不相同的波谱特性信息，从而形成不同波段的遥感图像识别和区分地物的能力（解像力）不同，具有各自的波段效应。Landsat/TM（专题制图仪）Landsat/MSS（多光谱扫描仪）TM10.45～0.52μm（30m）————TM20.52～0.60μm（30m）MSS40.5～0.6μm（79m）TM30.63～0.69μm（30m）MSS50.6～0.7μm（79m）TM40.76～0.90μm（30m）MSS60.7～0.8μm（79m）MSS70.8～1.1μm（79m）TM51.55～1.75μm（30m）————TM610.4～12.5μm（120m）MSS810.4～12.6μm（240m）TM72.08～2.35μm（30m）————应用：植被分类；土壤（干燥土壤）类型识别；判别水深、水质、水中叶绿素分布、沿岸水流、泥沙及近海水域制图。该波段受瑞利散射影响严重，造成图像模糊（反差降低）。TM1（0.45～0.52μm）属可见光中的蓝绿光波段。对水体穿透能力强（0.4～0.5μm为电磁辐射的“水下窗口”）。对叶绿素、叶色素的浓度较敏感。应用：判别水下地形、泥沙流、水体混浊度、大的地质构造轮廓；监测水体污染（水面油污、金属化合物污染）；植被分类、生长范围、生长活力；地层岩性、第四纪松散沉积物分类。该波段受瑞利散射的影响，造成反差降低，地物边界模糊。TM2（0.52～0.60μm）属可见光中的绿黄光波段。对水体穿透能力较强（一般为10～20m，水质清澈时可达100m）。叶绿素在该波段有反射“绿峰”。应用：判别水中泥沙含量、流向、水体混浊度、悬移质状况；区分具有宽平浅滩的沙质海岸和淤泥质海岸、沙地与沼泽的过渡带；植被分类、覆盖度、健康状况；地质岩性、构造、地貌、土壤等解译。TM3（0.63～0.69μm）属可见光中的橙红光波段。对水体有一定的透射能力（一般2m）。叶绿素在该波段有吸收“红谷”。应用：研究水体分布、划分水陆界线、反映微水系，判断富水的土壤、地层，寻找浅层地下水、识别古河道；植被分类、调查生物量及作物长势、病虫害监测（是植被调查的通用波段）；地质岩性、构造、地貌、土壤类型解译。TM4（0.76～0.90μm）属摄影红外波段。该波段为水体的强吸收波段，图像上水体呈黑色调，水陆界线十分明显。叶绿素在该波段有强反射峰。应用：用于调查土壤湿度、植物含水量、水分状况研究、作物长势分析等；区分云和雪（雪的影像色调较深）；对岩性、土壤类型的判定也有一定作用。TM5（1.55～1.75μm）属短波红外波段。该波段处于水的吸收带（1.4～1.9μm），故对