遥感图像解译

遥感图像解译第一章：遥感图像解译的一般问题本章重点：①图1.0.1对应的遥感图像解译的特点；②地物信息传递的七个步骤；③质量评价的四个标准及其相关计算；遥感：通过各种传感器，在不接触目标条件下探测目标地物，获取其反射、辐射和散射的电磁波信息，并进行处理、分析和应用的一门科学和技术。★图1.0.1（欧空局发布的PROBA图像）表明了图像解译能力和人的视觉能力的关系：卫星遥感延伸了视觉器官功能，将肉眼看不到的地物目标所具有的某些特征信息通过对遥感图像的解译获取出来，人眼进行目视判读时因为个人经验等原因的限制，容易使目视判读解译出现很大的偏差，人工解译的程度和精度很大程度受到视觉能力的限制。★地物信息传递的七个过程：1.有选择地观测地学环境；2.由数据产生的局部概念模型；3.将地物图像数据转变成图像信息；4.图像信息的组织和管理；5.图像信息在新的层次上还原为地物信息；6.由地学信息产生的局部概念模；7.按照地学应用要求进行加工。图像解译按应用领域可以分为普通地学解译和专业解译（地质、土壤、军事等）；图像解译按组织方法可以分为：野外解译、飞行器目视解译、室内解译、综合解译。遥感信息的利用方式照遥感技术的发过程划分：1.瞬时信息的定性划分；2.空间信息的定位；3.瞬时信息的定量分析；4.时间信息的趋势分析5.多源信息的综合分析。解译产品和各种技术的发展(P11)：观察与测量仪器的改变；产品形式的改变；生产工艺的改变；新一代传感器的研制；地理信息系统的支持；遥感应用模型的深化.★遥感图像解译的质量要求解译质量的四个标准：1.解译的完整性:解译的完整性标志着所得出的结果与给定任务的符合程度。对解译完整性的评价一般以质量指标来表示，在个别情况下，也会进行数量的评价，即已揭示细部数量与总数量的百分比。2.解译可靠性：指出解译结果与实际的符合程度，决定于正确地物数量与实际总数量的比值关系。（可通过混淆矩阵表达：总体精度、Kappa系数、混淆矩阵（可能性）、生产者（制造者）精度以及用户精度。大部分遥感图像处理系统用一幅地表真实图像或地表真实感兴趣区计算一个混淆矩阵。）【后面有具体计算】3.解译的及时性:由于图像本身具备很强的时间特性，获取的影像一定要及时解译，否则过短时间后实际地物将与影像存在更大差别，不利于图像的解译精度。4.解译结果的明显性:解译成果应该根据任务的目标，用相应的符号、线清晰绘制出来，尽量使得解译成果可视化，以便人们理解和应用。解译的可靠性：混淆矩阵：有像元数（每一栏中的数值与地表真实像元中分类图像的标签相对应）和百分比（每个地表真实栏里的像元数除以一个给定地表真实类中的像元总数得到）两种形式。精度指标OverallAccuracy(总体精度)总体精度由被正确分类的像元总和除以总像元数计算。以上面的混淆矩阵为例：*总体精度=对角线正确分类之和/像元总数=(131003/256000)=51.1730%KappaCoefficientKappa系数kkkkkkkkkXXNXXXNK2k2211k2211)...()....(值不变为矩阵的行数对角线元素之和kXXXXXXXXXkkkkkkkk生产者精度：指假定地表真实为A类，分类器能将一幅图像的像元归为A类的可能性。以草地为例：生产者精度是64516/109484=58.9%.用户精度：指假定分类器将像元归到A类，则相应的地表真实类别是A的可能性。以草地为例：用户精度是64516/102421=63.0%.草地这一类的正确分类草地错分到森林本次分类被认为是草地的像元数真实是草地的像元数第二章、遥感研究对象的特性本章考点：①名词解释②地物的空间\时间\光谱特性以及意义③典型地物的光谱特性（结合图像说明）；时间特性（结合图表曲线说明）★太阳辐射水体的过程及现象；植被反射光谱特性曲线的特点。地面对象的空间分布特征：空间位置、大小（对面状目标而言）、形状（对面状和线状目标而言）、相互关系。空间分布任何地学研究对象均具备一定的空间特征。根据空间分布的平面形态，把地面对象分为三类：面状、线状、点状；面状对象：其空间位置由表示界限的一组x，y坐标确定，并可以相应地求得其大小和形状参数。（1）连续而布满整个研究区域：高度等；（2）间断成片且大面积分布：湖泊等；（3）分散但分布在研究区域的大面积上：果园等。线状对象:其空间位置由表示线形轨迹的一组x，y坐标确定，在空间上呈线状或带状分布.点状对象:空间位置由其实际位置或中心位置的x，y坐标确定，实地上分布面积较小或呈点状分布。相互关系:（空间结构）相互关系是某个区域内地物目标的空间分布特征。往往地面目标受某种空间分布规律的影响，其分布呈现一定的空间组合形式，这种形式仅通过单一目标是难以反映出来的。地面对象的空间分布既可以是自然形成的，也可以是人为影响的结果。(比如用地频率)★空间分布在遥感应用研究中的应用（用途，意义）：1.分析探测对象的空间分布以选择具有合适空间分辨率的遥感图像；2.探测对象的空间分布特征也是遥感图像上识别目标的参考依据；计算机自动分类主要应用图像的光谱亮度值，而较少利用地物对象的空间分布和形状信息，主要受到算法和理论技术上的制约。目视解译中，充分利用了地物的空间分布和形状信息等。时间特征：两方面含义：①一是自然变化过程，即其发生、发展和演化【发展】；②二是节律，既事物的发展在时间序列上表现出某种周期性重复的规律【周期】。★意义：1.遥感研究时相变化，主要反映在地物目标光谱特征随时间的变化上。2.处于不同生长期的作物，光谱特征不同，即光谱响应的时间效应。3.可以通过动态监测光谱特征来了解研究对象的变化过程和变化范围。4.充分认识地物的时间变化特征以及光谱特征的时间效应，有利于确定识别目标的最佳时间，提高识别目标的能力。从上图可以看出，两种植被的光谱反射率的变化趋势基本相似；开始及100天时反射率基本相似；30天时反射率相差较大；在不同的时间段上，它们的反射率大小也发生变化：如对λ2而言，开始种植时大豆的反射率大于玉米，而在成熟之后玉米的反射率大于大豆。也就是说，利用地物间反射率差别较大的时域图像以及反射率大小随时间变化的关系，可以区别两种相似的植被类别。绿波：指春季自然植被叶子开始发青时，在遥感图像上所反映出的一条曲线。褐波：指秋季自然植被的叶子开始发黄时，在遥感图像上所反映出的一条曲线（这两个曲线通常是全球性的平均日期线）波谱反射和辐射特性★意义：1.任何物体本身都具有发射、吸收和反射电磁波的能力。2.相同的物体一般具有相同的电磁波谱特征，不同的物体由于物质组成和结构不同具有相异的电磁波谱特征。3.相同物体在不同时间上具有不同的电磁波谱特征。4.遥感的基本出发点——可以根据遥感仪器所接收到的电磁波谱特征的差异来识别不同的物体。三种典型特性：反射特性1)水体电磁辐射特性太阳辐射水体的过程（作业）：大部分被水体吸收，所以不论在哪个波段，水体的图像特征均表现为深色调；部分被水面直接反射，部分被水底反射，部分被水体杂质和有机生物体等散射，散射程度取决于水质。白天水体吸收热量，发射低于周边背景物体，因此在红外影像上往往表现为暗色调。夜间则相反，水体吸收太阳辐射之后，在夜间比背景的发射强，因此可以利用水体在夜间的强反射特性（白色）识别水体。通过研究水体对可见光的散射特性来研究水质。如：水域遭受水体富营养化的影响，藻类等水生生物大量繁殖，水生生物体的叶绿素等改变了清水在近红外波段的强吸收性，使曲线显示出近红外的“陡坡”效应。这些效应可以用于红外图像的水质研究。水体的发射波谱特性水体具有比热大、热惯量相对大的特点，对红外几乎全部吸收，因此具有较高的辐射发射率；由于热惯量较大并且温度传递以对流交换形式进行，使得水体表面可以保持稳定和相对均一的温度（保温）；由于辐射通量与绝对温度的4次方成正比，使得水体与周围地物微小的温度差异都会引起较大的辐射通量变化，因此可以通过红外图像进行水体检测；水体的微波特性被视为平面，以镜面反射为主，后向散射信号弱，传感器接收信号弱，雷达图像上水体呈黑色。2)植被电磁辐射特性植被光谱反射特性的表现特点由于受到植被生育阶段和物候期的影响，相同的植被在不同的生长阶段表现出来的反射率也不一样。处于健壮生长期的绿色植被的叶绿素占压倒优势，衰老期绿叶变成黄叶，因此其波谱特征也发生改变。不同种类、不同环境下的植物的反射率不同，这是区别各种植被的重要特征。健康状况不同的相同植被，其反射率也不同。植被的发射波谱特性植物的发射特性差异是由株体从地面和太阳辐射中获得并储存热量多少而定的；草株体小，从地面或太阳辐射取得热量少，储藏热量的可能性也小，白天地面增温时它也随之增温；晚上地面辐射加强，它很快把热量辐射出来，逐渐形成晚上近地面层空气温度倒置状况。树木，白天由于树叶对红外波段的吸收（2um)，树叶表面又有水汽的蒸腾作用，降低了树叶表面温度，使树林具有比周围地面低的温度；晚上，储有大量热量并具有很高发射率的树和地面都进行辐射，树的发射率较地面的强，相对温度较高，故在夜间辐射温度相对较高，白天则相对较低。分析图（b）中的曲线在0.6-0.7μm的阶段有明显的吸收，是由于叶绿素的吸收造成的，由于草的生长快，叶绿素含量高所以吸收最强同时草的叶片最薄所以0.9的由于细胞结构的反射也是最强的。（作业）榕树的反射特性：健康的榕树在可见光波段内，其反射率稍低于有病虫害的榕树;在近红外部分则高于病虫害榕树；中红外又反过来。且病虫害越严重，细胞结构的反射率就越低植被的微波特性：依据植物群聚的郁闭度和密度，以后向散射的强弱造成的影像色调和影纹结构来识别其为何种群落，森林通常将具有浅色的影像色调，草本植被也具有浅灰色调，水稻则具有浅黑色调等。3)岩石和矿物电磁辐射特性岩矿物的发射波谱特性岩矿物的发射率与其表面特性：粗糙度、色调有关。一般说来，粗糙表面比平滑表面发射强，暗色地物比浅色地物有较高发射率，所以在同样温度条件下发射率高的物体热辐射强。某些岩浆岩的发射率极小值所对应的波长不同。利用这种特性可用热红外遥感进行岩类识别。（p21）4)土壤电磁辐射特性土壤的发射波谱特性土壤的发射辐射是由土壤温度状况决定的，土壤温度与水分的蒸腾散失、风化和化学溶解、微生物活性及有机质的分解速度有关，与种子萌发和植物生长有关。影响土壤热特性的最重要因素是土壤水分和土壤空气温度。当地表潮湿时，表层土温度主要由蒸发控制；一旦表层土比地下土层干时，温度将由土壤热惯性确定。热惯量大的物质与热惯量小的物质相比，昼夜之间具有较均一的表面温度。P21~22土壤的微波特性：决定土壤微波辐射特性的主要因素是土壤的表面结构（粗糙度和粒度）和土壤的电特性（介电常数和导电率）。（介电常数和含水量成正比）5)人工地物目标电磁辐射特性人工建筑物的红外发射特征取决于建筑材料的热特性。当物体接受太阳、天空辐射或地下热流补给时温度上升，温度上升的速度则与物体的热惯性有关。各种道路的波谱曲线形状大体相似，但由于建筑材料的不同，存在一定的差异，如水泥路的反射率最高，次之为土路、沥青路等。名词解释：同谱异物：在某一个谱段区，两个不同地物可能呈现相同的谱线特征。同物异谱：可能同一个地物，处于不同状态，如对太阳光相对角度不同，密度不同，含水量不同等等，呈现不同的谱线特征。绝对定标：通过各种标准辐射源，确定不同波谱段成像光谱仪入瞳处辐射值与成像光谱仪输出之间的定量关系相对定标：确定场景中各像元之间、各探测器之间、各波谱之间以及不同时间测得的辐射量的相对值。★波谱反射和辐射特性的研究意义是现代遥感技术的重要组成部分；为传感器的研制、频道选择直接提供科学依据；在具体应用中选择合理波段、波段组合以及在遥感图像处理中建立图像分析的定量标准；是有效提取专题信息和进行成像机理分析的重要依据和基础。研究方法：①用光谱仪测定实际光谱；②用理论公式推导地物理想光谱值；③通过影像分析确定波段对应值(波谱响应)。影响波谱特性曲线的主要因素：①大气散射；②地形（坡度、粗造度）；③太阳高度和视角；