遥感数字图像处理教程_02遥感图像的获取和数字化

第二章遥感数字图像的获取和存储•2.1遥感图像的获取和数字化•2.2常用遥感平台及其传感器特征•2.3遥感图像的类型•2.4遥感数字图像的级别和数据格式•2.5数字图像分辨率1960年由美国学者EvelynL.Pruit首次提出“遥感”。从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身，从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输及其处理分析，来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。2.1遥感图像的获取和数字化遥感系统：是一个从地面到空中乃至整个空间，从信息收集、存储、传输、处理到分析、判读、应用的技术体系，主要包括遥感试验、信息获取（传感器、遥感平台）、信息传输、信息处理、信息应用等5个部分。太阳传感器物体接收处理应用电磁波→数据数据→信息信息→知识电磁波遥感的过程传感器(remotesensor)：接受从目标物辐射（发射、反射等）的电磁波信息的装置。其性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。遥感平台(platform)：搭载传感器的移动物体；–近地面平台：汽车、高塔等；–航空平台：飞机、气球等；–航天平台：人造卫星、宇宙飞船、航天飞机；遥感技术的发展无记录地面遥感（1608年-1838年）——有记录地面遥感（1839年-1857年）1608年汉斯李波尔塞制造了世界第一架望远镜1609年伽利略制作了放大3倍的科学望远镜1839年达盖尔和尼普斯拍摄照片，第一次成功地把事物形象地记录在胶片上1849年法国人艾米劳萨达特制定摄影测量计划，成为有目的、有记录的地面遥感发展阶段的标志望远镜和照相机的出现，突破了远距离遥感的第一关；空中摄影遥感阶段（1859-1956年）1859年G.F.陶纳乔气球法国巴黎鸟瞰像片1860年J.W.布莱克与S.金乘气球升空至630m美国波士顿市照片1861年4月ThaddeusLowe教授在俄亥俄州辛辛那提登上气球进行气象观测1903年莱特兄弟发明飞机，1909年第一次从飞机上拍摄意大利森托塞尔地区上空像片，促使航空遥感向实用化迈进。第一次世界大战期间，航空摄影成为军事侦察的重要手段一次大战中欧洲战壕战争后期研制的航空摄影立体自动测图、二战前夕（1935年）研制成功的彩色摄影胶片，使航空遥感的几何分析与光谱分析前进了一大步1926年的RobertGoddard(1889-1945)及他的第一个液体燃料火箭二次世界大战，航空技术的发展，又突破了地面平台的限制，出现了航空遥感微波雷达出现，红外技术应用于军事侦察，使遥感探测的电磁波谱段得到了扩展航天遥感阶段（1957年-）20世纪50年代末，人造卫星的发射，使遥感技术平台上升到远离地球表面的太空，出现了航天遥感；1957年10月4日——苏联第一颗人造地球卫星发射成功1959年9月——美国“先驱者2号”探测器拍摄了地球云图，10月——苏联“月球3号”航天器拍摄月球背面照片1960年——美国“泰罗斯”与“雨云”气象卫星云图，美国海军研究局的普鲁伊特最早使用“遥感”一词1971年——美国“阿波罗”宇宙飞船对月球表面航空摄影测量1972年——美国地球资源卫星ERS-1（后成为陆地卫星）上天第一颗人造地球卫星SputnikI(前苏联)October4,1957(aboutthesizeofabasketball,weighing83kg[182lb]),withradioandonescientificinstrument)发射SputnikI用的Semiorka火箭Apollo8于1968年圣诞期间经过月球表面拍摄到的地球照片20世纪80年代——美国第二代试验型地球资源卫星，Landsat4,5。1986年，法国开始发射SPOT卫星系列。20世纪90年代——欧空局、日本相继发射ERS、JERS系列卫星，印度和俄罗斯发射IRS和RESURS1995年，加拿大发射RADARSAT-1,微波遥感技术重大进展。1999年，美国宇航局和地质调查局合作发射Landsat71999年10月，中巴地球资源卫星（CBERS-1）2000年，美国光谱成像公司成功发射高分辨率小卫星IKONOS，携带数字相机，1m与4m分辨率2000年，美国奋进号SRTM合成孔径雷达干涉成像雷达系统————世界第一个直接获取全球三维地形信息的双天线合成孔径雷达干涉测量系统为什么上世纪60年代遥感技术迅速发展?2、20世纪60年代遥感技术迅速发展的原因（1）传感器的发展•摄影:紫外波段---可见光---近红外波段黑白影像---多光谱影像扫描仪:多光谱---中远红外---微波雷达:微波被动式---主动式（2）空间技术的发展卫星---宇宙飞船(航天飞机)---空间站---小卫星群（3）计算机技术的发展（4）数学、物理及专业理论的发展遥感技术的分类1、按平台分：近地面遥感、航空遥感、航天遥感；2、按传感器的工作波段：可见光遥感、红外遥感、微波遥感等；3、按传感器的工作方式：被动遥感、主动遥感；4、按数据的表示方式：成像遥感、非成像遥感1、按平台分•近地面遥感：地物波谱仪或传感器设置在地面平台上，如车载，船载，手提，固定或活动高架平台等•航空遥感:传感器设置在航空器上，主要为飞机，气球等•航天遥感：传感器设置在环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机，空间站，火箭等2、按传感器的工作波段：紫外遥感：探测波段0.05-0.38um可见光遥感：探测波段0.38-0.76um红外遥感：探测波段0.76-1000um微波遥感：探测波段1mm-10m多波段遥感：探测波段在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干窄波段来探测目标。电磁波谱紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。可见光：波长范围：0.38～0.76μm，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。晴朗的白天工作。红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。昼夜工作。微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。昼夜工作。3、按传感器的工作方式：被动遥感：不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量主动遥感：由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号主动遥感与被动遥感反射太阳辐射被动遥感目标物发射被动遥感主动遥感雷达•雷达（Radar）意为无线电测距和定位。其工作波段都在微波范围,少数也利用其他波段。•雷达是由发射机通过天线在很短的时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。•按照雷达的工作方式可分为：成像雷达和非成像雷达。成像雷达中又可分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达。拉曼激光雷达系统示意图4、按数据的记录方式：成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成（数字或模拟）图像。如：摄影机、扫描仪、成像雷达。可分为3类：摄影成像类型（光学/电成像类型）扫描成像类型（光电成像类型）微波成像类型（雷达成像类型）非成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号输出或记录在磁带上而不产生图像。如：辐射计、雷达高度计、散射计、激光高度计等。①摄影成像原理：通过成像设备获取物体影像的技术。②摄影成像类型摄影方式传统摄影：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。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影像。探测波段：近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影摄影型传感器③常见摄影机：分幅式摄影机、全景式摄影机、多光谱摄影机、数码摄影机④特点1)历史悠久、较为完善、使用广泛。2)信息量大、分辨率高3)受到感光剂的限制，感光范围0.29－1.10微米，而且只能在晴朗的白天工作。1)航空摄影机外观SWDC主体由四个高档民用相机（单机像素数为3900万，像元大小6.8μm）经外视场拼接而成（见图4和图5），系统中集成了GPS和自动控制等关键技术。2）彩色红外照相机红外摄影是利用近红外区域的红外线进行成像的摄影。彩色红外胶片的彩色只能称为伪彩色，因为它将红外成像显示为红色，并非人眼所感知的可见光的效果。图中大片红色的草坪，我们日常所见其实是绿色。扫描成像原理：依靠探测元件和扫描镜对目标物以瞬时视场为单位进行逐点逐行取样，从而得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。探测波段：紫外、可见光、红外、微波。成像方式：目标面扫描的方式影像面扫描的方式扫描成像传感器目标面扫描的方式收集系统直接对目标面扫描，一点一行顺序收集目标面上各单元的信息，然后拼成一幅图像。如MSS、TM、成像雷达。影像面扫描的方式收集系统不直接对地面扫描，而是利用光学系统将目标的辐射信息在靶面上聚焦形成一幅影像，然后利用摄像管中的电子束对靶面扫描来收集其数据，或者依靠CCD组成的阵列进行电子扫描来获取数据，是推扫式扫描成像。如HRVTM扫描原理ΔTM的扫描镜可在往返两个方向进行扫描和获取数据（MSS只能单方向扫描）。扫描轨迹CCD工作原理1）CCD线阵上的每个点同时露光，保证了每个点上都有最大限度的曝光时间。2）机械部件大大简化，运行稳定，几何精度比较高。3）灵敏度高，可以探测到地面0.5％的反射变化信息。CCD的优点5、按波段宽度及波谱的连续性：高光谱遥感：遥感进展中的新技术，其图像由多达数百个波段的非常窄的连续光谱段组成（常用的多光谱扫描仪只有几个~十几个波段，波段宽度通常小于10nm），光谱覆盖了可见光、近红外、中红外、远红外区域全部光谱段，其光谱仪成像多采用扫描式或推扫式，可以收集200以上波段的数据，所的图像中每一个像元均能得到连续的反射率曲线（而传统的光谱仪在波段之间存在间隔）。常规遥感：宽波段遥感，波段宽度一般大于100nm,波段在波谱上不连续。传感器分辨率•分辨率-----传感器最具实用意义的指标。•传感器的分辨率是指传感器区分自然特征相似或光谱特征相似的相邻地物的能力。是衡量遥感数据质量特征的一个重要指标。•分为：辐射分辨率；空间分辨率；时间分辨率；光谱分辨率。遥感图像的辐射分辨率指传感器能区分两种辐射强度最小差别的能力。在遥感图像上表现为每一个像元的辐射量化级。遥感图像的空间分辨率空间分辨率：每个像元对应空间的大小。表征影像分辨地面目标细节能力的指标。航空影像(0.5m)IKONOS(1.0m)SPOT-4(10m)QuickBird(0.61m)SPOT-5(2.5m)Landsat-7ETM+(15m)小街区：24,000m2•空间分辨率单位以米表示。•空间分辨率数值越大分辨率越低。•空间分辨率=地面分辨率•像素：空间分辨率越高，像素越小•解像力•瞬时视场角：角分辨率，与遥感平台高度一起决定地面的分辨单元大小•高空间分辨率：小于10m，GeoEye、快鸟、Ikonos、Spot，对特定地区进行定点监测•中空间分辨率：10-100m，ASTER、TM，土地利用、土地覆盖、资源、地表景观•低空间分辨率：空间分辨率大于100m，NOAA，大范围的环境遥感监测遥感数据类型分辨率/m应用IKONOS1城市规划、土地管理SPOT-HRV1-320宏观规划、国土资源SPOT-HRVPan10立体量测ETM1-5，730陆地资源调查ETM660地面热性质调查ETMPan15规划、管理Landsat-MSS4-780陆地资源调查Radarsat-SAR1Seasat-VIR20海洋调查Seasat-SAR10海洋调查JERS-VNR30JERS-SWIR60NOAA-AVHRR15温室气体—二氧化碳国土资源遥感动态监测利用遥感和地理信息系统技术恢复重建了我国20世纪80年代末期的土地利用状况，全面掌握了近10余年来全国土地利用的变化特点，构成了完整的多期全国1:10万比例尺土地利用时空数据库纽约世贸中心—９１１以前纽约世贸中心—９１１以后日本富津电厂工业