遥感光谱数据的获取

遥感技术从航空摄影测量逐步演变发展起来，大致经历了3个发展阶段：

1航空摄影测量发展阶段

目前仍保存着的最早一帧航空相片是1860年JW布莱克从气球上拍摄的波士顿市的相片。在地质上的应用则始于1913年，有人在飞机上用摄影机对着非洲利比亚的本格逊油田摄影成像，并用这套肮空相片编制了本格逊油田地质图。航空摄影遥感主要以飞机或者气球为运载工具，用航空摄影机对目标获取信息，然后再经过负片和正片过程得到最终的航空相片。航空摄影利用的是电磁波可见光全色波段，用感光胶片接受所摄目标物反射来的太阳光线感光、成像，一般感光片的感光范围是03～09μm。航空摄影大多数情况下是垂直摄影，即航空摄影机主轴保持沿铅垂方向进行拍照；在特殊情况下，利用专门相机进行斜倾摄影。航空摄影按所利用的电磁波波段、相应的感光片及所成图像的特点，分成4种，即：航空可见光全色黑白图像；航空可见光真彩色图像：航空红外假彩色图像：航空红外黑白图像。其中，航空可见光全色黑白图像和航空红外假彩色图像最为常用，它们主要利用地物波谱的宽波段反射强度特性。

2多光谱卫星遥感阶段

数字卫星成像首先是从气象卫星开始的，在1960年TIROS-1气象卫星提供了非常粗糙的卫星图像，主要用来展示云的样式。随后，在1970年代，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）发射了甚高分辨率辐射传感器（AVHRR）进行气象预报，它的地面分辨率是11km，我们在电视气象预报节目中看到它所获得的云图。同时，从1970年代开始，相继发射了一些搭载更高分辨率传感器的卫星。如：1972年7月23日，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）发射了第一颗专门用来进行地球表面监测和填图的地球资源技术卫星（ERTS-U），1975年被更名为陆地卫星（Landsat）。在Landsatl-3上都装有多光谱扫描仪（MSS），该扫描仪有4个波段，即绿、红和两个红外波段，地面分辨率约为80m。1982年，Landsat4搭载了专题制图仪（TM），它有7个波段，比MSS覆盖波谱范围更宽，波段宽度划分得更细些，更能反映地物反射光谱特性的变化规律，其地面分辨率除第6波段为120m外，均为30m。多光谱遥感的最典型特征是能够利用多个波段同时获取同一目标的多个波谱特征。这样就大大提高了遥感识别地物的能力。随后各国纷纷效仿，传感器的光谱范围从可见光、红外直至微波波段，应用范围也不断扩大。

3成像光谱遥感技术发展阶段

成像光谱遥感技术是多光谱技术发展的一次跨越。Hunt的研究结果表明特征矿物的吸收宽度大约在20～40nm，而多光谱遥感数据（例如，MSS和TM）的光谱分辨率仅为100nm左右，因此遥感科学家们开始研究高光谱分辨率和空间分辨率的遥感传感器。1981年，一台航天飞机多光谱红外辐射计（SMIRR）随着美国航天飞机“哥伦比亚”号对地球表面进行了一次有限航带的观测，第一次实现了从空间通过高光谱分辨率遥感直鉴别碳酸盐岩以及粘土高岭土矿物，由此拉开了成像光谱遥感岩性识别的新篇章。继JPL的AIS-1和AIS-2以及AVIRIS航空成像光谱仪研制成功之后，加拿大也先后研制成功了FIL/PML，CAS1及SFSI等几种成像光谱仪（童庆禧等，1993）。其他的还有：HIRIS（high resolution imaging spectrometer）成像光谱仪，在04～25μm范围内有192 个光谱波段，地面分辨率30m，在04～10μm波长范围光谱分辨率为94nm，10～25μm范围内为117nm（Goetz＆ Herring 1989；Kerekes ＆ Landgrebe，1991）。美国地球物理环境研究公司（Geophysical and Environ-mental Research Corporation）的63通道成像光谱仪（GER）是专门为地质遥感研究设计的，被多次用于岩性填图（郑兰芬等，1992；Bamaby W rockwell，1997）。除航空成像光谱仪外，美国和欧洲空间局（ESA）已制定了发展航天成像光谱仪的计划，其中美国的中分辨率成像光谱仪（MODIS）已经加入地球观测系统（EOS）发射入轨，对地球实现周期性的高光谱分辨率遥感观测。欧空局的中分辨率成像光谱仪（MERIS）也将于同时发射（童庆禧等，1993）。

从1990～1995年，Roger NClark等人先后利用AVIRIS数据在美国内华达州，卡普来特试验场进行了矿物和岩性的识别和填图，他们发现成像光谱仪不仅能区分地表发射光谱中总体亮度和坡度差异（多光谱技术MSS，TM和SPOT区分地物的基础），而且能得出用于识别特殊地物的光谱吸收波段，成像光谱数据的光谱分析可以对任何在测量光谱范围内有独特吸收特征的物质（矿物、植被、人T物体、水体、雪等）进行识别和填图（Clark，RNet al，1996）。

中国科学院上海技术物理研究所是我国成像光谱仪的主要研制机构。1983年研制成功了第一台工作于短波红外光谱区（205～25μm）的6通道红外细分光谱扫描仪，其光谱分辨率在30～50nm之间。1987年，在国家和中国科学院黄金找矿任务的驱动下，该仪器发展到12个通道，其波段位置更趋于与地面粘土矿物、碳酸盐岩矿物的吸收波段相一致，因而在地质岩性识别方面具有更大的能力（童庆禧等，1993）。另外还有热红外多光谱扫描仪（TIMS），19 波段多光谱扫描仪（AMSS）以及71波段多光谱机载成像光谱仪（MATS）等。这些光谱仪的数据主要用于油气资源遥感（朱振海，1993）和矿物制图（王晋年等，1996）等方面，数据的处理技术和矿物识别的理论研究都取得了不同程度的进展（李天宏，1997）。

综观遥感光谱数据的获取，具有几个新的发展：

①扩展了应用光谱范围，增加了光谱波段；②提高了光谱和空间分辨率；③具有获得立体像对的功能，打破了只有航空相片才能有立体像对的能力（如SPOT图像）；④改进了探测器性能或探测器器件，即线、面阵CCD器件；⑤提高了图像数据精度；⑥应用领域纵向发展，如用TM图像数据直接可以识别赤铁矿、针铁矿等矿物。

在20世纪末和21世纪初，空间高光谱成像卫星已成为遥感对地观测中的一项重要前沿技术，在研究地球资源、监测地球环境中发挥越来越重要的作用。

高光谱分辨率遥感技术的发展是20世纪末的最后两个10年中人类在对地观测方面所取得的重大技术突破之一，是当前乃至21世纪初的遥感前沿技术、通过高光谱成像所获取的地球表面的图像包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。进入20世纪90年代后期，伴随着高光谱遥感应用的一系列基本问题，如高光谱成像信息的定标和定量化、成像光谱图像信息可视化及多维表达、图像-光谱变换、大数据量信息处理等的解决、高光谱遥感已由实验研究阶段逐步转向实际应用阶段，而作为高光谱遥感应用这一热点中的重点就是高光谱数据信息挖掘技术的提高和与之紧密相连的应用领域的扩展。

高光谱遥感数据最主要的特点是：将传统的图像维与光谱维信息融合为一体，在获取地表空间图像的同时，得到每个地物的连续光谱信息，从而实现依据地物光谱特征的地物成分信息反演与地物识别。它由以下3部分组成：

（1）空间图像维

在空间图像维，高光谱数据与一般的图像相似。一般的遥感图像模式识别算法是适用的信息挖掘技术。

（2）光谱维

从高光谱图像的每一个象元可以获得一个“连续”的光谱曲线，基于光谱数据库的“光谱匹配”技术可以实现识别地物的目的。同时大多数地物具有典型的光谱波形特征，尤其是光谱吸收特征与地物化学成分密切相关，对光谱吸收特征参数（吸收波长位置、吸收深度、吸收宽度）的提取将成为高光谱信息挖掘的主要方面。

（3）特征空间维

高光谱图像提供一个超维特征空间，对高光谱信息挖掘需要深切了解地物在高光谱数据形成的二维特征空间中分布的特点与行为，研究发现：高光谱的高维空间是相当空的，数据分布不均匀，且趋向于集中在超维立方体空间的角端，典型数据的差异性，可以映射到一系列低维的子空间，因此迫切需要发展有效的特征提取算法去发现保持重要差异性的低维子空间，从而有效地实现信息挖掘。

411 土地资源分类

（一）土地资源分类原则与依据

土地资源分类是土地资源研究的重要内容，是调查与制图的基本依据。建立科学地、系统地反映土地资源基本特征和地域差异的分类系统，是土地资源调查最基本的原则。在土地资源分类中，主要考虑的原则是：

（1）分类系统力求简洁，符合国家对土地资源基本数据及其动态状况的迫切要求。

（2）考虑土地资源属性，按土地资源性质与特点划分若干类型，以正确反映土地资源特征与本质差异。

（3）分类中做到归并相似性，区别差异性，由大到小，由高级到低级划分，最终建成一个上下联系、逻辑分明的科学分类系统。

（4）考虑应用遥感技术调查所能达到规定精度的可能性。

（5）考虑反映土地资源动态变化，将反映土地资源动态状况的因素作为划分某些类型的重要标志。

依上述原则，根据《国土资源遥感综合调查工作意见》（1997年12月，国家计划委员会国土地区司）、《土地遥感动态监测技术规定》（1997年6月，国家土地管理局），并参考《全国农业土地资源遥感调查技术报告》（1997年6月，国家统计局、中国科学院）等资料，在湖南省土地资源遥感综合调查中土地资源采用二级分类，对二级分类中的耕地采用三级分类。第一级依据国民经济主要用地构成和土地属性利用方向划分为：耕地、林地、草地、水域、城镇居民及工交建设用地、未利用土地。第二级是在第一级基础上，依据主要利用方式、利用条件和难易程度划分为19个类型：水田、旱地、有林地、灌木林、疏林地、其它林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、河渠、湖泊、水库坑塘、滩地、城镇用地、农村居民点用地、工交建设用地、沼泽地、裸土地、裸岩石砾地。水田划分为：山地水田、丘陵水田、平原水田、坡度大于25°的水田。旱地划分为：山地旱地、丘陵旱地、平原旱地、坡度大于25°的旱地。

（二）土地资源分类系统及其含义

耕地（1）（注：括号内数字为地类代码，下同）

水田（11）：指有水源保证和灌溉设施，在一般年景能正常灌溉用以种植水稻、莲藕等水生农作物的耕地。按其所处地貌部位可划分为：山地水田（111）、丘陵水田（112）、平原水田（113）、坡度大于25°的水田（114）。

旱地（12）：指无水源无灌溉设施，靠天然降水生长作物的耕地。或有水源和灌溉设施，在一般年景不能正常灌溉的旱作物耕地。按其所处地貌部位，可划分为：山地旱地（121）、丘陵旱地（122）、平原旱地（123）、坡度大于25°旱地（124）。

林地（2）

有林地（21）：指郁闭度≥30%的天然林和人工林，包括用材林、经济林、防护林等成片林地。

灌木林（22）：指郁闭度>40%，高度在1米以下的矮林地和灌丛林地。

疏林地（23）：指郁闭度10%～30%的稀疏林。

其它林地（24）：指未成林造林地、迹地、苗圃及各类园地。

草地（3）

高覆盖度草地（31）：指覆盖度＞50%的天然草地、改良草地和割草地。此类草地一般水分条件较好，草被生长茂密。

中覆盖度草地（32）：指覆盖度在10%～50%的天然草地和改良草地。此类草地一般水分不足，草被较稀疏。

低覆盖度草地（33）：指覆盖度在10%～20%的天然草地。此类草地水分缺乏，草被稀疏，牧业利用条件差。

水域（4）

河渠（41）：指天然形成或人工开挖的河流及主干渠常年水位以下的土地。人工渠包括堤岸。

湖泊（42）：指天然形成的积水区常年水位以下的土地。

水库坑塘（43）：指人工修建的积水区常年水位以下的土地。

滩地（46）：指河、湖水域平水期水位与洪水位之间的土地。

城镇工矿居民用地（5）

城镇用地（51）：指大、中、小城市及县镇以上建成区用地。

农村居民点用地（52）：指镇以下的居民点用地。

工交建设用地（53）：指独立各级居民点以外的工矿用地，以及交通道路、机场、码头和特殊用地。

未利用土地（6）

沼泽地（64）：指地势平坦低洼、排水不畅、长期潮湿、季节性积水或常年积水，表层生长湿生植物的土地。

裸土地（65）：指地表土质覆盖，植被覆盖度在5%以下的土地。

裸岩石砾地（66）：指地表为岩石或石砾，其覆盖面积＞50%的土地。

412 遥感图像分析判读

（一）图像分析判读基础

一切地物由于其种类和环境条件不同，在不同波长电磁波的频段上，具有不同的地物波谱反射和辐射特征，在影像上表现为色调、形状、大小、阴影和纹理等信息的差异。通过借助影像上呈现的色调、形态的差异和变化，以及它们之间的组合规律，可以确定地物的范围、类别和特征，达到识别目标物的基本目的。依据目标物的位置、形状和大小，测量其长度或面积，构成了图像判读的基础信息。

（二）判读内容及其解译标志的建立

采用 TM卫星假彩色合成图像，基本上能全面反映我省各类土地类型的特征。通过室内遥感解译，对照已有调查成果并经野外实地验证，建立了湖南省土地资源类型遥感解译标志（表4-1）。

表4-1 湖南省土地资源类型遥感解译标志（R4G7B3）

413 图像分析判读与制图

（一）基本原则

以最新TM卫星图像和相应的地形图为主要信息源，采用人机交互方式和有关技术相结合的方法，对土地资源进行判读与制图。

1∶25万定性判读精度为：耕地和城镇≥95%，其他类型为85%～90%。定位精度为TM图像与地形图对点误差一般小于图上距离06 mm，最大不超过1 mm。

地类的判读，遵循先易后难，由浅入深，逐步展开的原则。

地类图斑的归并，以1∶25万TM卫星图像为依据，小于4 mm2（即375亩）的图斑舍去，并入相邻图斑。复合图斑归并时，按数量原则和类型接近原则处理，如旱地与水田归并时，将面积小的归并到面积大的图斑，小面积坑塘水库归并于耕地中。

（二）图像判读

首先输入县级影像栅格文件（TTF格式），在Coreldraw软件环境下，以影像文件作为判读背景（第一层），通过人机交互方式分层提取目标地类。第二层为地类界，第三层为地类属性，第四层为重要线状地物。

根据影像判读标志，通过人机交互方式，直接 *** 作鼠标，沿影像特征的边缘准确绘出全闭合的地类界，并赋地类属性及编号。逐县完成全省地类的判读和准确定位。全省共绘出各类地类图斑250593个。其中水田（11）35174个，旱地（12）60034个，有林地（21）27450个，灌木林（22）13722个，疏林地（23）64030个，其他林地（24）2082个，高覆盖度草地（31）8720个，中覆盖度草地（32）1921个，低覆盖草地（33）107个，河渠（41）837个，湖泊（42）324个，水库坑塘（43）8137个，滩地（46）1394个，城镇（51）1054个，农村居民点（52）24636个，工交建设用地（53）466个，沼泽地（64）374个，裸土地（65）130个，裸岩石砾地（66）1个。

判读提取目标地物（地类）的最小单元：面状地类大于6×6个象元；图斑短边宽度最小为4个象元。

判读精度：耕地定性准确率＞98%，其他地类＞95%。计算机屏幕解译地类界线的线划描迹精度为一个象元。

重要线状地物单线绘出，其属性代码为：铁路“71”，公路“72”，河渠“73”。重要线状地物是指不宜在零星地类成数抽样中对其面积进行测算和扣除的线状地物。

判读完成后保存Coreldraw格式的CDR文件，并输出DXF矢量格式文件。

（三）矢量专题层面的生成与面积量算

从Coreldraw中导出ARC/INFO能够接受的DXF格式文件，转换成下一步所需Coverage恢复成原图像的投影系统，然后再转成统一的等面积分割圆锥投影坐标系统。

利用ARC/INFO的ARCEDIT模块进行图形编辑，逐图斑与线段赋给地类代码，完成相邻图幅接边，统一行政区划图、土地资源图、地理单元图和线状地物图的图廓边界。分别建立拓朴关系，四图层叠加组合成土地资源图，用以进行面积量算与汇总使用。

由于数字化过程中产生的随机误差和投影变形产生的系统误差，量算面积和理论面积总有一定的差值，面积平差就是针对这两种误差进行的。一级平差以标准图幅理论面积为控制面积，对该图幅内各县域量算面积按其所占比例进行平差，求得标准图幅内各县域的实际面积，在此基础上计算出全省各县级行政区的实际面积。二级平差是以县级行政区的实际面积为控制面积，对县域内各图斑的量算面积按其所占比例进行平差，求得县域内每一个图斑的实际面积，在此基础上计算出全省地类图斑的实际面积。

（四）重要线状地物面积校正

在二级面积平差完成后，分县进行重要线状地物面积扣除。重要线状地物宽度的平均值是将航片扫描成图像文件后，按平原、丘陵和山地三种地貌类型抽样布点，根据航片比例尺平均值得到的。铁路、公路的宽度包括路堤、路堑、道沟、取土坑和护路林。逐县按各自的平均宽度，换算出面积数据（亩），从相应地类面积中扣除，并将扣下的面积数据量分别加入所属地类中去。设某一地类图斑内有n条线状地物，其长度和宽度分别为Lij和bij（i=1，2，…，n），j为地类图斑编号，则该图斑应扣除的线状地物面积为：

湖南省国土资源遥感综合调查

（五）细小地物（零星地类）面积扣除

在二级面积平差完成后，分县进行零星地类面积的扣除。零星地类是指由于受比例尺精度限制，有些地类不能在图上反映出来，但它却是客观存在的。零星地类的存在影响了数字化地图对实际情况的真实反映。为了与实际更加吻合，需对零星地类作必要的处理。其基本思路是：通过抽样方法获得细小地物的统计分布特征，给出细小地物在主体地物中的统计成数，然后将这一成数落实到所有的主体地物中进行细小地物面积的成数调整。细小地物抽样分两种，一种是TM卫星影像中抽取小于6×6个象元的细小地物，另一种是从分辨率更大的航片上抽取更加细小的地物。这两种抽样方法都各自形成一个细小地物抽样成数数据，用于细小地物面积扣除。

（1）航片细小地物扣除

航片细小地物扣除分县进行，其主体地物只有耕地（11，12），非主体地物为河流（41）和工矿交通建设用地（53）两类。

设某一耕地图斑Aj被切为n个更小的图斑Aij（i=1，2，…，n），则：

湖南省国土资源遥感综合调查

式中j为该耕地图斑在该县土地资源图中的图斑号，i为Aj被切分开的各小图斑的序号。设Aj的实际面积为ARj（二级平差后的面积），ACj为j图斑的量算面积，则被切分的各小图斑Aij的实际面积ARij为：

湖南省国土资源遥感综合调查

式中ACij为各小图斑的量算面积。

设细小地物R对Aij的成数为Rijk，则细小地物k在图斑Aj中的扣除量为：

湖南省国土资源遥感综合调查

县域内细小地物在耕地中扣除总量ADk为：

湖南省国土资源遥感综合调查

当k=1时，ADk表示县域内耕地中水域（41）扣除总量；当k=2时，ADk表示县域内耕地中建设用地（53）扣除总量。ADk值要分别加入到县城分类面积（41，53）统计中去。

（2）TM影像图细小地物的扣除

其 *** 作方法与航片相同。主体地物也仅仅限于耕地，但非主体地物除河流（41）、工交建设用地（53）外，还包括各类草地（31，32，33）和未利用土地（64，65，66）等。

由于细小地物（零星地类）成数抽样是分县按平原、丘陵、山地三种地貌类型进行的，因此，县域内耕地中细小地物的扣除系数（成数）视耕地所处地貌位置的不同而有所不同。

（六）图形数据库和属性数据库集成

数据集成是将各种数据统一组织，按照一定标准，将数据建库，以交付运行的过程。

图形数据及属性数据包括土地资源数据、重要线状地物数据、行政界线数据等。以微机网络为硬平台，以ARC/INFO和ARCVIEW作为核心软平台，对图形数据、属性数据、图像数据进行整理、编辑裁切、编码，按不同的要求和规程分别建成图形数据库、属性数据库和图像数据库。

（1）属性数据集成

属性数据有两个来源：

第一在图形数据库集成时，每个层面的数据和每个图幅的数据都伴随一个属性数据文件，由这些属性数据文件集成的属性数据，简称属性库A。

第二由土地资源图、地理单元图、重要线状地物图、行政界线图经过ARC/INFO中的IDENTITY命令叠加形成的组合图，其所伴生的具有地理背景等属性的土地资源属性数据，经过重要线状地物校正、细小地物扣除形成的面积量算数据，所形成的属性数据库简称属性库B。

属性库A以图形数据库界面为基础，外加属性数据显示和查询功能，达到了图形数据和属性数据的结合，实现了图形数据和属性数据的同步定位和条件组合查询、显示功能。属性库 B以 windows95为 *** 作环境，用MS-VISNAL BASIC作为系统界面的最后封装设计语言， *** 作简单，具有显示、查询、检索等功能。

（2）图像库集成

以陆地卫星TM数据经过深加工并套合行政界线和控制点的数据作为TM图像数据来源。对TM图像数据按图形数据库中的数据分幅进行裁切入库。在图形数据库系统界面的基础上增加了TM图形影像显示、查询功能。用ARCVIEW中的AVENUE进行界面封装设计。TM图像显示能达到相应比例尺的图形数据对应显示。航片影像能按检索要求和采样框架进行定位显示。

1、遥感的概念

所谓遥感，是从远距离感知目标物，也即从远距离探测目标物的物性。

广义遥感，已拓展到对地观测和对地外星体的观测。

狭义遥感是指不与目标物接触，从远处用探测器接收来自目标物的电磁波信息，通过对信息的处理和分析研究，确定目标物的属性及目标物相互间的关系。

2、遥感的分类

按遥感分类

(1)航天遥感 高度大于80km卫星、飞船、火箭、航天飞机

(2)航空遥感 高度小于80km飞机、气球

(3)地面遥感 放在地面上的遥感遥感车、船、塔

2按遥感媒介分类

(1)电磁波遥感 以电磁波为信息传播媒介的遥感

(2)声波遥感 以声波为信息传播媒介的遥感

(3)力场遥感 以重力场、磁力场、电力场为媒介的遥感

(4)地震波遥感 以地震波为媒介的遥感</ol>3、遥感分类

按遥感分类 (1)航天遥感 高度大于80km卫星、飞船、火箭、航天飞机(2)航空遥感 高度小于80km飞机、气球(3)地面遥感 放在地面上的遥感遥感车、船、塔

按辐射源分类(1)被动遥感(无源遥感):探测仪器直接接收记录地物反射来自太阳的电磁波或地物自身发射的电磁波，即电磁波来自天然辐射源——太阳或地球。 (2)主动遥感(有源遥感):传感器本身携带的人工电磁辐射源向地物发射一定能量的电磁波，然后接收从地物反射回来的电磁波。

按成像方式分类

(1)摄影遥感：以光学摄影进行的遥感。

(2)扫描方式遥感：以扫描方式获取图像的遥感。

4、遥感技术的特点

1、空间特性（探测范围大）—— 视野辽阔，具有宏观特性

2、波谱特性（信息丰富）—— 探测波段从可见光向两侧延伸，大大扩展了人体感官的功能

3、时相特性（周期短）—— 高速度，周期性重复成像

4、收集资料方便，不受地形限制

5、经济特性—— 工作效率高，成本低，一次成像，多方受益

6、数字处理特性—— 使其与计算机技术融合在一起，实现了多元信息的复合

5、一个完整的遥感技术系统应包括地物电磁辐射信息的收集、传输、处理、存贮直至分析与解译（应用）。

1、空间信息收集系统:主要完成遥感数据的采集传输工作

① 传感器:是收集、记录地物电磁辐射信息并发送至地面接收站的设备，是遥感工作系统的核心部分。

② 遥感:装载传感器的设备，又称为运载工具。

2、地面接收和预处理系统:主要完成遥感数据的接收、处理、存贮、分发和应用开发工作。

① 机载系统—— 一般采用直接回收方式，即信息被记录在胶卷或磁带上，待飞机返回时将得到的信息进行预处理

② 星载系统——地面系统，即卫星地面站地面站接收到的原始信号要经过预处理，制成图像胶片或计算机兼容磁带（CCT），提供给用户。进过预处理后，还要对资料进行存贮，这是为了方便用户查询而建的资料数据库及自动检索系统。

3、信息分析应用系统

是用户为一定目的而应用遥感信息时所采取的各种技术，主要包括遥感信息的选择技术、应用处理技术、专题信息提取技术等等。

第二章 遥感物理基础

1、电磁波谱

将各种电磁波按波长的大小（或频率的高低）依次排列成图表，就称为电磁波谱。按波长从短到长可分为：

2、大气窗口

电磁波在大气中传输过程中损耗较小，透射率很高的波段。

3、地物波谱特征

概念：地物波谱特征是指各种地物各自所具有的电磁波特性（反射、发射、吸收、透射）。

地物反射波谱特性：地物波谱反射率随波长变化而改变的特性。

地物反射特性曲线：将地物的波谱反射率与波长的关系在直角坐标系中描绘出的曲线。

影响地物反射波谱特征的因素：

1、水份 2、矿物成份 3、可溶盐量 4、风化作用 5、表面结构

6、季节、植被覆盖 7 、产状、坡向 8 、其它：如时间、气候条件等

4、几类常见地物反射波谱特性

1．植物：a在可见光的055μm（绿）附近有一个小反射峰，在045μm（蓝）和067μm（红）附近有两个明显的吸收带。b在07～08μm是一个陡坡，反射率急剧增高，在近红外波段08～13μm之间形成一个高的，形成反射峰。c以145μm、195μm和27μm为中心是水的吸收带。

2土壤：没有明显的波峰波谷，土质越细反射率越高，有机质含量越高含水量越高，反射率越低

3 水体：反射主要在蓝绿波段，其它波段吸收都很强，近红外吸收更强。水中含泥沙时，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时，近红外波段明显抬升。

4 岩石：形态各异，没有统一的变化规律。岩石的反射波谱曲线受矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽等影响

第三章 遥感图像类型及特性

1、中心投影

是设想地物投射出一束投影直线，经过投影中心聚焦至投影面上成像。在航空摄影中，地面景物是投影物，镜头为投影中心，摄影胶片即为投影面。其特点为：

① 点的投影仍为点

② 直线的投影仍是直线，仅当直线的延长线通过投影中心，该直线的像就成 为一个点

③ 面的投影仍为面，只有通过投影中心的平面其像为一直线

2、彩色合成

真彩色合成：图像上显示的色调与地物的真实颜色相同或相近。

假彩色合成：任意三个波段或者经过处理产生的三个分量图像分别用红、绿、蓝显示而合成彩色。

3、彩红外航片

像片上影像的色调与实际地物不一致。它在摄影时加用黄滤光片，滤去蓝光，并使用彩色红外胶片摄影而得。

4、至少五个卫星图像

Landsat陆地卫星（MSS、TM、ETM传感器）。SPOT卫星（HRV传感器）。中巴资源一号卫星CBERS-1(CCD、WFI、IRMSS传感器)。IKONOS卫星。Quickbird数据

5、各波段卫星图像的解译特点

①TM1（045～052μm）属蓝光波段

对水体有较强的穿透力，有利于浅水底部地貌判读；一般地物在此波段的反射率较低，而雪的反射率最大，所以在此波段图像上的雪地与其他地物分界明显，植被最暗，水体次之，新鲜雪最浅。但蓝光波段影像受大气散射影响严重，有时影像会模糊不清。

②MSS4（05～06μm）、TM2（052～06μm）属绿光波段

对水体有一定的透视能力，在清澈的水域，能反映几十米的深度，有利于观察水下地形，这在海岸带调查中作用很大。

植被在此波段的反射率相对出现峰值，图像上易于区分植被的分布范围及生长密度，可用于林业资料分布，草场分布情况的调查。

对水体污染（特别是由污染）情况也有好的反映。

对陆地上颜色较浅的地层岩性和第四系松散沉积物、城市居民区、道路、采石场等均有明显的反映（呈浅色调）。

③MSS5（06～07μm）、TM3（063～069μm）属红光波段

对水体有一定的透视能力，有利于反映水体混浊程度和泥沙流动情况。

各类岩石（沉积岩、岩浆岩、变质岩）在此波段有较大差别，同时该波段图像能较好地反映地貌特征，有利于地质地貌判读。

能区分健康植被和病害植被。在这一波段，健康植被反射率低，呈深色调，病害植被具有较高反射率，呈浅色调。

④MSS6（07～08μm）、MSS7（08～11μm）、TM4（076～09μm）属深红－近红外

这几个波段效应相似，是水的强吸收和植被的强反射阶段

对水和湿地反应灵敏，水陆边界清晰，有利于研究水体分布、岸线轮廓、土壤含水性、浅层地下水等方面的调查。

对平原区与水体有关的地质体有良好反映。如充水断层为黑色、淡黑线段，隐伏隆起与凹陷为浅与深相间组成的环带，此外，对研究平原区的石油构造、第四纪沉积物类型、新老洪积扇的划分等有帮助。

对植被反映敏感，易于圈定植被分布范围，能区分树林、农作物、草地，对植被的病虫害调查较好，健康植被对近红外波段具有较强的反射，为明亮的浅色调，而病害植被为较深色调。

从整体上说，MSS7、TM4的图像清晰、立体感强，能较清楚地显示各种地物细节。

⑤TM5（155～175μm）属近红外波段

主要用于探测地物含水量、土壤湿度（植物含水量）植被长势的调查，及地质调查中的岩石分类（不少岩石的反射高峰值在此波段内）。并能区分雪与云，雪比云深。

⑥TM7（208～235μm）属近红外波段

这是应地质工作者的要求而专门设计的。

主要用于探测岩石类型，对粘土类矿物、碳酸盐类矿物及其岩性的研究有利（暗色调）。有利于区域地质填图、大型蚀变带的研究。

在TM7图像上水体呈黑色，其它物体影像与可见光差不多。

⑦MSS8（104～126μm）、TM6（104～125μm）属热红外波段

此波段记录的是地物自身的热辐射信息。提供热显示的温度场资料。探测与热异常有关的石油天然气、煤、铀、硫化矿床氧化带等矿产，探测地热、森林火灾（3～5μm）等。

6、四个分辨率

空间分辨率：指像素所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。

波谱分辨率：传感器能分辨的最小波长间隔。间隔越小，波谱分辨率越高。

辐射分辨率：是指传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射差。表现为每一个像元的辐射量化级。

时间分辨率：指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。

7、像元

是组成数字化影像的最小单元。在遥感数据采集，如扫描成像时，它是传感器对地面景物进行扫描采样的最小单元。

8、瞬时视场角

从卫星到这最小面积间构成的空间立体角称瞬时视场。卫星的空间分辨率与卫星的高度有关，卫星高度越高，分辨率越低，而且与卫星视角有关，视角越倾斜，观测面积越大，分辨率就差。

9、真实孔径侧视雷达

RAR直接将地物目标的回波信号记录在移动的照像胶卷上。通过增大安装在上（飞机）的天线长度和缩短工作波长来改变方位分辩率，缺点是分辩率随距离增大迅速变坏。

10、合成孔径侧视雷达

合成孔径是利用的前移把实际的天线看成是天线阵列中的一个独立收发单元，对雷达回波信号进行专门的存贮处理来合成的。SAR可以在远距离获得高分辩率图像，而不用增加天线的长度，但是其设备复杂、造价昂贵，需要很复杂的信号处理技术。

地物的电磁波波谱是遥感的一种基本信息——波谱信息。物体在同一时间、空间条件下,其发射、反射、吸收和透射电磁波的特性是波长的函数。地物的反射光谱特征,通常以横坐标代表波长,以纵坐标代表光谱反射率或光谱亮度系数作出的相关曲线,是地物的反射波谱曲线。不同的物体由于其组成成分、内部结构和表面状态以及时间、空间环境的不同,电磁波的辐射性能也不同,即具有不同的波谱曲线形态。同类地物有相似的波谱曲线形态,因此,地物波谱是遥感识别地物的主要依据。为了识别地物,必须掌握各种地物波谱曲线上某些重要特征,如植物都在045μm、065μm、145μm、195μm处有吸收谷,在076μm附近有一个反射峰,使波谱曲线陡升。

对地物波谱曲线形态的分析,除曲线的形态特征外,还可以对曲线上的峰和谷所在的波长位置,峰的高度(或深度)、宽度、斜率和对称度等加以比较。

目前地物波谱在遥感技术中的应用主要有反射波谱、发射波谱和微波波谱。其中可见光和近红外区的反射波谱特性应用最广,研究较深。

一、实验目的

学会用ENVI软件的Profiles功能做遥感影像X、Y方向和任意水平方向的地物反射波谱剖面测量，以及Z剖面（波谱维方向）的地物反射波谱测量，掌握用DN

DN: Di5ital Number，遥感影像像元亮度值。

－反射率计算公式将图像DN值换算为反射率值，比较分析DN值剖面与反射率值剖面的差异。

二、实验内容

（1） TM 遥感影像的X、Y方向和任意方向地物反射波谱剖面测量；

（2）水体、岩溶石山、碎屑岩土山、农田、市区和飞机场六种典型地物的Z 剖面（波谱维方向）的地物反射波谱测量；

（3）由DN计算反射率，DN剖面与反射率剖面差异比较分析。

三、实验要求

预习本实验，认真观摩老师演示。掌握ENVI的X、Y方向和任意方向地物反射波谱剖面制作；掌握ENVI的Z 剖面（波谱维方向）制作；学会使用图像DN值转换成反射率的方法。测量结果存档。编写实验报告。

四、技术条件

①微型计算机；②桂林市TM 1～7波段数据；③ENVI软件；④Photoshop软件（ver60以上）和ACDSee软件（ver40以上）。

五、实验步骤

（1）数据输入。选择“File>OpenImage File”，出现文件目录窗口，找到存放桂林市TM 1～7波段数据的子目录并打开。

（2）建立空间子集。

1）存储为标准的ENVI文件，在主菜单栏上选择“File>Save File As>ENVI Standard”，如图4-1所示，出现建立新文件对话框。

2）在“New File Builder”对话框中，单击Import File…按钮，出现如图4-2所示“Craete New File Input File”对话框，选中桂林市TM 1～7波段数据，点击OK按钮，返回到“New File Builder”对话框。

图4-1 建立新文件对话框

图4-2 建立新输入文件对话框

3）在“New File Builder”对话框中，可以通过Reorder File…按钮改变输入波段的顺序。

4）选择输出到“File”或“Memory”，点击OK按钮。

需要注意的是，空间子集只有当选用具有相同空间维数的波段时才能被建立。

（3）提取图像波谱图（Z 剖面）。

ENVI的“Z”剖面用于交互地绘制光标处像元的波谱图（所有波段）。波谱可以从多波谱数据集中提取，这些数据集包括MSS、TM，以及诸如GEOSCAN（24 波段）、GERlS（63波段）、AVIRIS（224波段）等高波谱Dimension数据。

1）在主窗口菜单栏上选择“Tools>Profiles>Z Profile（Spectrum）”，出现一个与主窗口图像中选中像元对应的图表窗口：“Spectral Profile”对话框，在该对话框中，默认显示Zoom 十字光标指向地物的波谱曲线，如图4-3所示。

2）在“Spectral Profile”对话框中移动直线到新的波段位置，单击鼠标右键选择“Load New Bnad”可以交互地改变显示在显示窗口内的波段。“Z”剖面窗口内的竖直线表明了当前显示窗口显示的相应波段。

图4-3 光谱剖面图对话框

3）在“Spectral Profil e”对话框中，选择“Options>Collect Spectral”功能绘制多波谱，该功能允许通过在主窗口中选择像元点，将多个互相叠加的Z 剖面图（波谱）绘制在“Spectral Profile”窗口内。

图4-4 输出绘图到ASCIl文件对话框

4）在“Spectral Profile”对话框中，选择“File>Save Plot As>Image File”，将该剖面图（波谱）保存成Image File格式，保存方法同实验二中“图像输出”方法。还可以选择“File>Save Plot As>ASCII”保存为ASCIl形式，当选择保存为ASCII形式时，出现如图4 -4 所示“Output Plots to ASCII File”对话框。

◎在“Select Plots to Output”文本框中选择样本的波段，该波段数在“Numb of items selected”文本框中相应的显示。

◎选择“X Precision”和“Y Precision”的精度。

◎ 选择浮点型的精度输出，有一般型（Normal）和科学型（Scientific）两种。

◎点击Choose按钮选择输出路径。

（4）提取水平X、Y剖面波谱图。

在主窗口菜单栏上选择“Tools>Profiles>X Profile”或者“Tools>Profiles>Y Profile”，d出X或者Y剖面绘制对话框，如图4—5所示。在主窗口中，鼠标左键移动位置可以看到不同行或者列的剖面。

图4-5 TM7波段图像X方向（水平方向）DN剖面图

（5）提取任意剖面。

1）在主窗口菜单栏上选择“Tools> Profiles> Arbitrary Profile（Transect）”，出现“Spatial Profile Tool”对话框，如图4-6所示，在该对话框中选择绘制剖面的窗口。

图4-6 空间剖面工具对话框

2）在选择的窗口上绘制剖面，单击左键绘制起点，如想继续绘制折线则继续单击左键，单击右键结束绘制，此时在绘制的剖面线上会出现绿色按钮，可以按住左键移动剖面线位置，确定好起点、终点和剖面线位置后，再次单击右键完成剖面线绘制，这时会出现剖面图。

在“Spatial Profile Tool”对话框中，还可以通过选择“Options>Create Transect from Vector/Endpoint/ASCII Data”从外部文件中获取剖面线。提取的任意剖面效果如图4-7所示。

图4-7 TM7波段图像任意方向DN剖面图

3）在“Spatial Profile Tool”对话框中，选择“File> Save Annotation”或“Save Transect Points to ASCII…”，可以将剖面线保存为注记文件或者文本文件。

（6）表观大气反射率计算。

一般我们拿到的TM 数据都是灰度值（DN值），必须转换为反射率才能进行一些遥感反演运算。通过下列公式将DN值转换为地表（表观）反射率：

地表表观反射率＝π·Lλ·d2/ESUNλ·coθs s　（4-1）

式中：Lλ为辐射亮度值；d为天文单位的日地距离；ESUNλ为太阳表观辐射率均值；θ s为以度为单位的太阳高度角。

图4-8 ENVI陆地卫星校正对话框

ENVI软件的定标工具可以利用定标系数完成ASTER、MSS、TM、ETM＋、QuickBird等传感器的辐射定标。将遥感数据的DN值转换成表观大气反射率，本次实验介绍桂林市TM 遥感影像即对Landsat传感器定标方法，具体 *** 作步骤如下：

1）在ENVI主菜单中，选择“File>Open Exteml Filea>Lalndsat>GeoTIFF with Metadata”、打开桂林市Landsat5 TM数据。

2）在ENVI主菜单中，选择“Basic Tools>Preprocessing>Calibration Utilities>Landsat Calibrioan”，在打开的“Landsat Calibrtaion Input File”对话框中，选择桂林市Landsat5 TM 文件，单击OK按钮，出现“ENVI Landsat Calibration”（陆地卫星校正）对话框（图4-8）。

3）在“ENVI Landsat Calibration”对话框中，ENVI将自动从元数据中获取下列参数：Landsat卫星类型（Landsat Satellite Sensor）；图像成像时间（Data Acquisition Month/Day/Year）；太阳高度角（Sun Elevation）。

4）定标类型（Calibration Type）包括Radiance（辐射亮度值）和Reflectance（反射率），选择Reflectance（反射率）（注意：这里选择的Reflectance（反射率）为表现大气反射率，并不是地表真实反射率，关于DN值转成地表真实反射率，将在“实验十九遥感图像辐射校正”中详细讲解）。

5）点击Edit Calibration Parameters按钮，可以打开定标参数对话框，可以自己修改定标参数。

如果定标的数据格式是ENVI标准或者TIF格式，需要手动输入“ENVI Landsat Calibratino”对话框中的参数（Landsat卫星类型、图像成像时间和太阳高度角），并且每次只能定标一个波段。

6）选择输出路径及文件名，单击OK按钮，执行定标过程。

（7）遥感地物波谱测量，完成上述 *** 作后，分别提取：①漓江沿江水体，五个部位；②岩溶石山，五个部位；③碎屑岩土山，五个部位；④农田，五个部位；⑤桂林市区，五个部位；⑥飞机场，五个部位的波谱信息，保存Image File格式和ASCII形式到自己的工作文件夹内

（8）选取任意剖面对桂林市TM 影像进行DN 值波谱测量和表观大气反射率波谱测量，比较二者差异，用WORD文件记录，取名为《同名地物DN 值与反射率任意剖面波谱测量差异分析》，存入自己的工作文件夹。

六、实验报告

（1）简述实验过程。

（2）回答问题：①ENVI软件可以测量几种类型的地物遥感波谱剖面？其中，哪些是空间维的剖面？哪些是波谱维的剖面？②空间维剖面曲线和波谱维剖面的起伏分别反映什么含义？对遥感地质应用有何实际意义？③什么是DN？其与反射率有何关系？为何要用它来计算反射率？

实验报告格式见附录一。

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