地物光谱特征与遥感数字图像信息提取.ppt
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1、第2章 遥感图像识别与信息提取,Geography Analysis for Remote Sensing,遥感地学分析,内容提要,2.1遥感图像地物特征与识别2.1.1 遥感图像地物特征2.1.2 典型地物的反射光谱特征2.2 遥感图像的目视解译2.2.1 目视解译标志2.2.2 目视解译方法与步骤2.3 遥感图像的计算处理2.3.1 遥感数字图像的概念2.3.2 遥感数字图像预处理2.3.3 遥感数字图像分类处理2.3.4 遥感数字图像定量反演,2.1遥感图像地物特征与识别,2.1.1 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,2.1.1 遥感图像地物特征,
2、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 0.56m的蓝绿光波段,一般水体的透射深度可达1020 m,清澈水体可达100 m的深度。对于一般不能透过可见光的地面物体,波长5 cm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。,2.1.1 遥感图
3、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,称为反射率反射类型镜面反射(Specular reflection)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(Diffuse reflection)无论入射波方向如何,其反射波分散到各个方向,2.1.1 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,光谱反射率曲线,同一地物在不同情况下会出现不同的光谱特性,2.1.1 遥感图像地物特征,2、地物的发射光谱特性发射率
4、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;,2.1.1 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=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=常数1。即灰体的发射率始终小于1,发射率不随波长变化。选择性辐射体,其发射率1,发射率随波长而变化。,地物的发射波谱特性曲线,2.1.1 遥感图像地物特征,太阳辐射,2.1.1 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,=E/E100%,2.
5、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。,2.1.2 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。,2.1.2 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,2.1.2 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
6、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。,2.1.2 典型地物的反射光谱特征,水体的反射光谱特征,2.1.2 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(0.40.76 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(0.70.8 m)有一
7、反射徒坡,至1.1 m 附近有一峰值;中红外波段(1.32.5 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。,2.1.2 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,2.2 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。,目视解译,2.2.1 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
8、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。,色调和颜色(tone and color),图型(pattern),2.2.1 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
9、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。,阴影,形状,纹理(Texture),大小(size),2.2.1 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(geographical Environment)或生态环境(ecological Environment)总是存在着一
10、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。,位置、相关布局,a.Thermal electric Haynes steam plant in Long Beach,CA,b.A sawmill with its associated piles of row and finished lumber,c.Vogtle nuclear power plant near Augusta,GA,2.2.2 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
11、识,2.2.2 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,2.2.2 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。,2.2.2 遥感图像解译方法与步骤,信息复合法利用专题图和
12、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。,2.2.2 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,2.2.2 遥感图像解译方法与步骤,目视解译步骤,2.3 遥感数字图像信息提取,3.3.1 遥感数字图像的概
13、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,2.3.1 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,是活生生的或绘画式的描述。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,2.3.1 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
14、的整数值通过遥感图像获取的信息:-目标地物的大小、形状及空间分布特点(几何特征)-目标地物的属性特点(物理特征)-目标地物的动态变化特点(时间特征),一、遥感数字图像的获取二、遥感数字图像的预处理三、遥感数字图像的变换、增强和融合四、遥感数字图像分析,2.3.2 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,二、遥感数字图像预处理(一)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D
15、EM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,总体来说,辐射校正的方法有两种:一是分析辐射失真的过程,建立辐射失真的数学模型,然后对此数学模型求逆的过程,用此逆过程求得遥感图像失真前的图像。二是利用实地测量的地物真实辐射值,寻找实测值与失真值之后的图像之间经验函数关系,从而得到辐射校正的方法。,(一)辐射校正,1.遥感器校正(1)因传感器的灵敏度特性引起的辐射误差校正,光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象(边缘部分比中心部分发暗),1.遥感器校正(2)光电变换系统的特性引起的辐射误差校正通过定期地面测定,根据测量值进行校正。预先测定各波段的辐射值(Lb)和记录值(DNb)
16、之间的校正增量系数(A)以及校正偏差量(B)。校正公式:Lb=A*DN+B,(一)辐射校正,2.大气校正以红外波段最低值 校正可见光波段回归法相对散射模型,(一)辐射校正,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,(一)辐射校正,2.大气校正,野外波普测试回归分析法 在获取地面目标图像的同时,预先在地面设置反射率已知的标志或事先测出若干地面目标的反射率,把由此得出的地面实况数据和遥感器输出值进行比较,以消除大气
17、的影响。,(一)辐射校正,回归法,原理 选择可见光和红外波段(受大气影响小)进行二维散点图,建立线性回归方程。,(一)辐射校正,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度值;STEP2:根据此灰度值的幅度确定大气类型(选择合适的散射模型);STEP3:根据模型和初始灰度值预测其它波段的灰度值;STEP4:对每个波段进行大气纠正。,(一)辐射校正,3.地形辐射纠正,(一)辐射校正,太阳光线和地表作用以后再反射回遥感器的太阳光的辐射亮度和地面倾斜度有关。设光线垂直入射时水平地表收到的光照强度为I0,则光线垂直入射时倾斜角为的坡面生入射点的光照强度I为:因此,校正后的图
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