城市遥感基础

第一讲城市遥感基础1．天-空-地一体化遥感平台；2．高分辨率遥感新型传感器；3．高分辨率遥感图像的获取模式；4．遥感图像处理数学基础；5．国外高分辨率卫星影像介绍及适用性评价；6．国产高分辨率卫星影像介绍及适用性评价；7．航空和地面传感器高分辨率影像评价。地球空间信息技术（包括对地观测技术）已成为最有发展潜力的高新技术《Nature》2004年1月号指出美国劳动部已将地球空间技术与纳米技术和生物技术并列为当今最有前途和最具发展潜力的三大高新技术。1．天-空-地一体化遥感平台概述：平台是一种运载工具例如一些用于特殊活动或者目的的地面移动测量系统、平流层飞艇、探测气球、无人侦察机、卫星和航天器，它们装载某种特定的遥感传感器。1．天-空-地一体化遥感平台传感器－平台结合起来确定了遥感影像数据的特性，尤其是其分辨率。例如，当一个特定的传感器从更高的高度进行观测时，获取的影像面积增加的同时，可以观测到的细节信息却减少了。根据城市对遥感数据的分辨率需求、数据类型需求、时间需求和预算标准，用户可以确定哪一种影像数据是最合适的。航空遥感平台和卫星遥感平台通常都装载一种或多种传感器。1．天-空-地一体化遥感平台遥感平台：遥感平台：遥感中搭载传感器的工具统称为遥感平台（Platform）目前，平台成熟且能服务于综合应用的主要有：航天遥感平台航空遥感平台地面移动遥感平台遥感平台高度目的、用途其它静止轨道卫星36000km定点地球观测气象卫星(风云2号、GMS等)圆轨道卫星（地球观测卫星）500～1000km定期地球观测Landsat,SPOT,CBERS等航天飞机240～350km不定期地球观测空间实验SRTM等无线电探空仪100m～100km各种调查（气象等）超高度喷气机10000～12000m侦察大范围调查遥感平台高度目的、用途其它中低高度飞机500～8000m各种调查航空遥感飞艇500～3000m空中侦察各种调查直升机100～2000m各种调查航空遥感无线遥探飞机500m以下各种调查航空遥感飞机直升机牵引飞机50～500m各种调查航空遥感牵引滑翔机系留气球800m以下各种调查索道10～40m遗址调查吊车5～50m地面实况调查地面测量车0～30m地面实况调查车载升降台1．天-空-地一体化遥感平台遥感平台——航天遥感平台航天遥感平台主要指人造卫星、航天飞机和空间站上。传感器的监测需要知道卫星的轨道参数。卫星传感器需要将遥感影像数据发送到地面进行分析和处理。获得的高分辨率全色影像和成像光谱仪数据将能对城市空间数据的快速更新提供服务多波段和多极化方式的雷达数据，将能解决阴雨多雾情况下的城市全天候和全天时对地观测。1．天-空-地一体化遥感平台遥感平台——航天遥感平台常用轨道参数：轨道高度：轨道高度定义为卫星到地区表面的距离，单位通常为公里。通常情况下，遥感卫星飞行在离地面150公里到36000公里（GEO）。飞行高度影响着能看到地面的范围，影响着能看到地面多大的细节，影响着卫星的空间分辨率。轨道倾角：是卫星飞行平面和赤道平面的交角。卫星飞行的轨道倾角，跟传感器的视场、到地面的高度等都是可以观测的。轨道周期：完成一次完整飞行所需要的时间。重复飞行周期：两次连续经过同一个地方的时间差，通常用天来记录。遥感平台——航天遥感平台美国IKONOSⅡ卫星遥感平台——航天遥感平台美国华盛顿（1米）QuickBird卫星QuickBird卫星于2001年10月由美国DigitalGlobe公司发射，是目时世界上唯一能提供亚米级分辨率的商业卫星，具有很高的地理定位精度和海量星上存储。遥感平台——航天遥感平台遥感平台——航天遥感平台西班牙马德里体育场（0.61m）1．天-空-地一体化遥感平台遥感平台——航空遥感平台航空遥感平台的实现根据操作要求有几种类型的飞机。飞机的高度和飞行姿态对比例尺和获取的影像产生影响。在航空摄影测量中，影像是记录在硬拷贝材质上或者用数码相机记录数字影像。例如多光谱扫描仪，获取的数据可以存储在磁带上和其他的海量存储设备里或者直接传输到接收站。1．天-空-地一体化遥感平台遥感平台——航空遥感平台飞机的飞行姿态受风的影响，其相对一个飞行轨道能够由三个不同的旋转角度来表示：旁向倾角航向倾角像片旋角机载卫星定位系统和导航系统能够在规则间隔下测量飞机的方位和三个旋转角度，用于校正由于飞机高度和方位误差造成的遥感数据的几何变形。1．天-空-地一体化遥感平台遥感平台——地面移动遥感平台地面移动遥感平台，目前主要：有服务于可量测影像数据采集的移动测量系统有服务于城市智能交通的路面检测系统有塔载传感器服务于城市污染监测的各类遥感监测平台星载传感器光学卫星：GeoEye-10.41mIKONOS1mCartosat-1（IRS-P5）2.5m；Cartosat-2（印度）－全色1mQuickBird0.61mRapidEye5个波段的多光谱影像，原始分辨率6.5m德国ALOS2.5m日本KOMPSAT-2韩国阿里郎卫星，1m全色以及4m多光谱WorldView-20.5m美国DigitalGlobe公司ZY-22.36m3-5m雷达卫星：COSMO-SkyMed1mTerraSARX德国1mRadasat-17种模式、25种波束，具有10m-100m多种分辨率Radasat-2加拿大3m2．高分辨率遥感新型传感器2．高分辨率遥感新型传感器航天遥感平台数码相机单面阵数码相机：EQ-90mm-CLR多面阵数码相机：DMC、UCD三线阵数码相机：ADS40EQ-90mm-CLR单面阵航空数码相机获取的是彩色影像。影像幅面小，通常为4kx4k或3kx4.5k左右。但其影像的分辨率高，当摄影比例尺为1：18000，航高3050米时，其影像分辨率达到0.16m，影像清晰度高于IKONOS影像（1.0m）和QuickBird影像（0.61m）。有的系统还装有高精度全球定位系统GPS和惯性测量装置IMS，可提供较高精度的影像外方位元素。相机无框标，但像元行列排列非常规则。DMC、UCD均由4个（全色波段）相机构成大幅面黑白影像和4个（红、绿、蓝＋红外）多光波构成大幅面彩色影像。ADS40（1）高度的区域覆盖能力（视场角,宽度）（2）高精度和准确度（空间的和放射性的）（3）多光谱影像（4）线性传感器特性（5）立体成像能力（6）直接的数字工作流程（7）可负担的传感器德国，Munich飞行高度：2500mGSD:25cmADS40影像RGB与近红外ADS40影像2．高分辨率遥感新型传感器中低空遥感平台无人机：UAVRS系统飞艇无人机飞艇无人机优点：无人机以其机动灵活、成本低、操作及维护简单等特点,在建筑物密集地区、地形复杂的丘陵及多云雾地区相对于常规的航空摄影测量方法具有更强的适应性。无人机搭载的高精度数码成像设备,具备面积覆盖、垂直或倾斜成像的技术能力,获取图像的空间分辨率达到分米级,能够满足1∶1万或更大比例尺遥感应用的需求。缺点：其获取的影像存在像幅小、数量多、基线短、重叠度不规则且倾角过大等问题。飞艇平流层飞艇与其他平台相比，具有以下几个特点：长期定点驻空可机动飞行，易于部署可承载大型载荷可重复使用良好的飞行特性效费比较高（充气一次4-5万，2层楼高的停放地）可实现综合信息服务地面遥感平台移动测量系统（mobilemappingsystem-MMS）MMS是为了满足社会对空间信息的需求而集成的一个系统,它集成了GPS、RS、INS和CCD等多种技术。实际上,MMS是集成了定位定姿模块、控制模块、影像采集模块和数据处理输出模块的一个移动的、自动采集各种三维连续地理空间数据的科学和技术,它使用一定的数据处理方法对所采集的数据进行处理和加工,最终生成各种空间信息应用系统所需要的图形、数据等信息。2．高分辨率遥感新型传感器3．高分辨率遥感图像的获取模式遥感器在扫描工作方式上，基本分为三种模式:摆扫成像、推扫成像、凝视成像(a)摆扫成像(b)推扫成像(c)凝视成像摆扫成像模式原理：设飞行方向为Y轴，航线与地理正北的夹角为航向角ψ，飞行接收地面指令摆扫Θ角对地面指定目标进行扫描成像。地面目标对应的辐射信息经光学系统收集，聚集在CCD线阵列元件上，CCD输出端获得平行于航线的一条影像线。当光学透镜继续摆扫，摆扫角不断增大（或减小）时，传感器横向摆扫扫描得到垂直于航线的一条影像带。一个横向扫描周期结束，传感器关闭回扫至起点。通过飞机的运动实现沿航向方向的纵向扫描，开始下一横向扫描，根据成像任务计划与上一横向扫描条带达到一定的重叠率，形成对地面的连续扫描条带。特点：可以根据任务要求大幅度调整摆扫角，对地面进行定向观测获得垂直航向较宽范围内的连续影像条带。推扫成像模式原理：通过平台自身的沿轨飞行运动和穿轨方向同其速度相配合的线阵探测器的电扫描相结合获得影像。特点：光学系统的视场就是有效的全视场，其瞬时视场则由线阵探测器像元决定。这种仪器没有光机扫描结构，其功能实际上由阵列探测器的自扫描代替，具有相对较低的帧频。为了对地进行垂直或斜视观测，望远系统前安有指向反射镜，可以改变观察角度。推扫系统要获得比较大的视场，可以采用焦平面拼接技术。目前，国外大多数卫星（QuickBird，Ikonos-1）在扫描方式上，仍然还是采用主流的推扫工作原理。特别是，我国已经开展的系列卫星遥感相机、高分辨率成像光谱仪、三线阵CCD、高分辨率宽覆盖CCD可见光相机等也都采用推扫成像模式。凝视成像模式原理：凝视成像相机一般由光学系统、焦平面阵列探测器、成像电路等基本组成部分构成。在凝视成像系统中，采用面阵焦平面阵列探测器作为辐射接收器，通过光电转换，将接收的辐射能变为电信号，在将电信号放大处理，形成目标图像。其中，面阵焦平面阵列探测器是构成凝视成像系统的核心元件。优点：（1）能够提供的积分时间较长，有益于提高信噪比；（2）可同时观测全视场内发生的现象，成像效率高；（3）各帧图像之间的时间间隔只受积分时间、数据采集速率和数据传输能力的限制，因而可以达到很高的时间分辨率。（4）在“凝视”模式中不需要光机扫描机构，系统质量较轻，功耗较低。遥感物理基础电磁波，电磁波谱，物体的辐射，辐射传输方程。4．高分辨率遥感处理基础遥感传感器被动遥感传感器、主动遥感传感器。传感器类型4．高分辨率遥感处理基础园林遥感三维重建目标识别城市管理灾害监测影像城市高分辨率遥感影像遥感影像几何纠正遥感影像辐射校正影像配准影像镶嵌影像增强……影像解译影像分类影像融合特征选择可选操作具体应用处理变化检测环境监测………高分辨率遥感影像处理一般流程4．高分辨率遥感处理基础5.国外高分辨率卫星影像介绍及适用性评价1994年克林顿签署总统令，允许私人公司发射高分辨率卫星和销售产品。高分辨率卫星的主要特点是地面分辨率高，全色波段为1至5m，有的甚至小于1m。QuickBird卫星分辨率：0.61米全色2.44米多光谱幅宽16.5公里450公里高的太阳同步轨道拥有者：美国DigitalGlobe公司5.国外高分辨率卫星影像介绍及适用性评价QuickBird卫星应用城市规划与监测中的应用5.国外高分辨率卫星影像介绍及适用性评价左图为印度德里市从左至右是2000年到2005年的变化监测，图中红色区域为变化区域QuickBird卫星应用城市、海洋水污染监测中的应用通过过QuickBird卫星影像可以直观的监测出城市污水企业所排放的工业废水情况，能及时的作出对环境影响程度的评估,如图所示，在污水放管道的上方（B处和C处）藏有暗道排放，从图片中可以清晰的监测出该管道的精确位置，在A处可以看到由于污染严重，河水表面积累了一层厚厚的油污和浮游物体，给环境带来极大负面影响。QuickBird卫星应用农业、林业中的应用采用QuickBird多光谱数据可以对林业的病虫灾害进行快速