第 3 章 地物光谱特征与遥感数字图像信息提取

第3章遥感图像识别与信息提取《遥感地学分析》GeographyAnalysisforRemoteSensing遥感地学分析《遥感地学分析》内容提要3.1遥感图像地物特征与识别3.1.1遥感图像地物特征3.1.2典型地物的反射光谱特征3.2遥感图像的目视解译3.2.1目视解译标志3.2.2目视解译方法与步骤3.3遥感图像的计算处理3.3.1遥感数字图像的概念3.3.2遥感数字图像预处理3.3.3遥感数字图像分类处理3.3.4遥感数字图像定量反演《遥感地学分析》3.1遥感图像地物特征与识别3.1.1遥感图像地物特征地物的反射光谱特性地物的发射光谱特性地物的透射光谱特性《遥感地学分析》3.1.1遥感图像地物特征在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对0.45~0.56μm的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达10~20m，清澈水体可达100m的深度。对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5cm的电磁波却有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土壤。《遥感地学分析》3.1.1遥感图像地物特征1、地物的反射光谱特性反射率地物的反射能量Pe占总入射能量Po的百分比，称为反射率ρ反射类型镜面反射（Specularreflection）入射波与反射波在同一平面内，入射角与反射角相等时，所形成的反射现象漫反射（Diffusereflection）无论入射波方向如何，其反射波分散到各个方向%100oePP《遥感地学分析》3.1.1遥感图像地物特征方向反射：朗伯体表面实际上是一个理想化的表面。它被假定为介质是均匀的、各向同性的，并在遥感中多用以作为近似的自然表面。电磁波的反射的三种形式《遥感地学分析》3.1.1遥感图像地物特征2、地物的发射光谱特性发射率地物发射电磁辐射的能力，以黑体辐射作为基准－指单位面积上观测地物发射的某一波长的辐射通量密度；－指与观测地物同温度下黑体的辐射通量密度；MM/MM《遥感地学分析》3.1.1遥感图像地物特征通常，根据发射率与波长的关系，将地物分为三种类型黑体，其发射率ελ=1，即黑体发射率对所有波长都是一个常数，并且等于1。灰体，其发射率ελ=常数＜1。即灰体的发射率始终小于1，发射率ελ不随波长变化。选择性辐射体，其发射率ελ＜1，发射率ελ随波长而变化。地物的发射波谱特性曲线《遥感地学分析》3.1.1遥感图像地物特征太阳辐射《遥感地学分析》3.1.1遥感图像地物特征3、地物的透射光谱特性透射率即地物透射的能量与入射总能量的百分率，称之为投射率τ=Eτ/Eο×100%《遥感地学分析》3.1.2典型地物的反射光谱特征1、岩石的反射光谱特征岩石的波谱特征是地质遥感的基础，不同的矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面的光滑程度、色泽等都会影响到其反射波谱特征。《遥感地学分析》3.1.2典型地物的反射光谱特征2、土壤的反射光谱特征自然状况的土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来说土质越细，反射率越高，有机质含量越高和含水量越高反射率越低。此外土壤的肥力也会对反射率产生影响。《遥感地学分析》3.1.2典型地物的反射光谱特征不同含水量的土壤反射光谱曲线三种土壤反射波谱曲线比较《遥感地学分析》3.1.2典型地物的反射光谱特征3、水体的反射光谱特征水体的反射主要在蓝光波段，其他波段吸收都很强，特别在近红外以后水体便成为一个吸收体。光谱反射特性可能包括来自三方面的贡献：水的表面反射、水体底部物质的反射和水中悬浮物质的反射。光谱吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关，而且还明显地受到水中各种类型和大小的物质——有机物和无机物的影响。《遥感地学分析》3.1.2典型地物的反射光谱特征水体的反射光谱特征《遥感地学分析》3.1.2典型地物的反射光谱特征4、植被的反射光谱特征植被的反射波谱曲线规律性明显而独特，主要分为三个波段：可见光波段（0.4~0.76m)有一个小的反射峰，位于0.55m(绿光波段）处，两侧蓝光波段（0.45m）和红光波段(0.67m)则有两个吸收带；近红外波段（0.7~0.8m）有一反射徒坡，至1.1m附近有一峰值；中红外波段（1.3~2.5m）受绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率下降，在1.45、1.95和2.7m为中心是水的吸收带，开成低谷。《遥感地学分析》3.1.2典型地物的反射光谱特征矿区红杉林反射曲线的蓝移现象绿色植物有效光谱响应特征《遥感地学分析》3.2遥感图像目视解译目视解译是用肉眼或借助于简单的工具如放大镜、立体镜、投影观察器等，直接由肉眼来识别图像特性，从而提取有用信息，即人把物体与图像联系起来的过程。具备的基本知识：专业知识、地理区域知识、遥感系统知识。《遥感地学分析》3.2.1目视解译标志1、直接解译标志色调（tone）：色调是识别目标地物的基本依据。由于地物属性的差别，在遥感图像上表现出色调上的差别。一般来说由于人眼的局限性，在图像可分出16个灰度级。颜色（colour）：由于目标地物在不同波段中反射或发射电磁辐射能量的差异性，由此而表现在彩色图像颜色的差异性。颜色也是目视解译的基本标志之一。图型（pattern）：目标地物有规律排列而成的图形结构。《遥感地学分析》3.2.1目视解译标志阴影（shadow）：阴影是遥感图像上由于电磁辐能量被遮挡而产生的辐射能量减弱。由于阴影的存在，可据此地物的性质或高度，应注意的是阴影的形状与大小受到辐射能量入射角的影响。形状（shape）：是指目标地物在遥感影像上呈现的外部轮廓。由于不同地物的顶视平面的差异，可据此判断目标地物的性质。纹理（texture）：是指遥感图像中目标地物内部色调有规则变化造成的影影结构。大小（size）：指遥感图像上目标地物的形状、面积与体积的度量关系。是遥感图像上测量目标地物最重要的数量特征之一。同时根据其大小可以推断地物的属性。《遥感地学分析》3.2.1目视解译标志2、间接解译标志位置（site）：指目标地物分布的地点。任何地物与其周围地理环境（geographicalEnvironment）或生态环境(ecologicalEnvironment)总是存在着一定的空间关系，并受到周围环境的某种程度的制约。相关布局（association）：是指多个目标地物间的空间配置关系。《遥感地学分析》3.2.2遥感图像解译方法与步骤1、目视解译的认知过程自下向上过程图像信息获取特征提取识别证据选取自上向下过程特征匹配提出假设图像辨识《遥感地学分析》3.2.2遥感图像解译方法与步骤2、图像解译方法遥感资料的选择及影像处理遥感资料的选择资料类型选择波段选择时间选择比例尺选择遥感图像的处理影像放大影像数字化图像处理《遥感地学分析》3.2.2遥感图像解译方法与步骤目视解译的方法直判法–是根据遥感影像目视判读直接标志，直接确定目标地物属性与范围的一种方法。对比分析法–对比分析法包括同类地物对比分析法、空间对比分析法和时相动态对比法。不仅是同一遥感影像图进行对比，而且要借助不同时相的遥感影像图之间进行对比。综合推理法–综合考虑遥感图像多种解译特征，分析、推理某种目标地物的方法。《遥感地学分析》3.2.2遥感图像解译方法与步骤信息复合法–利用专题图和地形图等信息与遥感影像图重合，根据这些辅助信息识别遥感影像图上目标地物的方法。地理相关分析法–根据地理环境中各种地理要素之间的相互依存，相互制约的关系，借助专业知识，分析和推理某种地理要素性质、类型、状况与分布的方法。《遥感地学分析》3.2.2遥感图像解译方法与步骤3、解译步骤准备工作包括资料收集、分析、整理和处理初步解译、建立解译标志包括路线路勘，制订解译对象的专业分类系统和建立解译标志室内解译野外验证包括解译结果校核检查，样品采集和调绘补测成果整理包括编绘成图，资料整理和文字总结《遥感地学分析》3.2.2遥感图像解译方法与步骤准备工作确定研究区域确定研究区域的地物分类系统与判读标志室内详细判读野外验证与补判目视解译成果转绘与制图目视解译步骤《遥感地学分析》3.3遥感数字图像信息提取3.3.1遥感数字图像的概念图象、数字图象遥感数字图象3.3.2遥感数字图像处理遥感数字图像的获取遥感数字图像预处理遥感数字图像的变换、增强和融合遥感数字图像分析《遥感地学分析》3.3.1遥感数字图像的概念图象、数字图象物理世界中客观对象的一种表示数字图像–客体或可见图像的数字表述。它实际上是具有某种数值的一些点按行(横)和列(纵)排成的二维矩阵模拟图像–指空间坐标和明暗程度都连续变化的、计算机无法直接处理的图像《遥感地学分析》3.3.1遥感数字图像的概念遥感数字图象–指以遥感方式获得的以数字形式表述的遥感影像–遥感数字图像最基本的单位是像素–像素的属性特征常用灰度值来表示，即该像素位置上亮暗程度的整数值《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理一、遥感数字图像的获取通过接收、记录目标物的电磁波特征的仪器，即传感器获得的数字图像获取过程《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理二、遥感数字图像预处理1、辐射校正消除图像数据中依附在辐射亮度里的各种失真的过程称为辐射校正。完整的辐射校正包括遥感器校正、大气校正，以及太阳高度和地形校正。遥感器纠正：遥感器的设计大气辐射纠正：地形辐射纠正：需要DEM地物反射模型纠正：需要和成像时刻取得同步的地面地物光谱测量数据《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理大气纠正方法以红外波段最低值校正可见光波段回归法相对散射模型《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理以红外波段最低值校正可见光波段前提假设：大气散射的影响主要在短波波段，红外波段中清洁的水体几乎不受影响，反射率值应当为0。由于散射影响，而使得水体的反射率不等于0，推定是由于受到了天空辐射项的影响。直方图法确定纠正方法：差值法《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理回归法7TMbiaiTMi原理选择可见光和红外波段进行2维散点图，建立线性回归方程。7TMbiaiTMi《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理相对散射模型STEP1:根据某个可见光波段的直方图选出黑暗地物的初始灰雾值；STEP2:根据此灰雾值的幅度确定大气类型（选择合适的散射模型）；STEP3:根据模型和初始灰雾值预测其它波段的灰雾值；STEP4:对每个波段进行大气纠正。《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理地形辐射纠正需要DEM简单的处理方法比值法：有效消除阴影的影响。光照状况TM1TM2TM1/TM2阳坡28420.66阴坡22340.65《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理2、几何校正造成几何位置的畸变有原因：遥感器本身引起的畸变外部因素引起的畸变处理过程中引起的畸变《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理遥感器本身引起的几何畸变与遥感器的结构、特性和工作方式不同而异。这些因素主要包括：1）透镜的辐射方向畸变像差；2）透镜的切线方向畸变像差；3）透镜的焦距误差；4）透镜的光轴与投影面不正交；5）图像的投影面非平面；6）探测元件排列不整齐；7）采样速率的变化；8）采样时刻的偏差;9)扫描镜的扫描速度变化。遥感器本身引起的畸变《遥感地学分析》3.3.2遥感数字图像处理影响图像变形的外部因素包括：1）地球的曲率2）大气密度差引起的折光3）地形起伏4）地球自传5）遥感器轨道位置和姿态等外部因素引起的畸变《遥感地学分析》3.3.2遥感数字