遥感概论实习教程.doc

遥感室内实验教程

实验一、初识遥感影像

实验目的
1. 初步接触航空像片，对航片形成感性认识；
2. 了解航空像片的影像特点；
3. 初步识别航片上的典型地物。

实验步骤
1. 观察航片，尝试分辨三四种典型地物；
2. 与周围同学讨论，尝试解决关于航片的简单问题；

实验要求
编写实验报告，内容包括：①航片编号；②典型地物名称，根据；③关于航片的疑问。

二.遥感图像增强（名称）
原理 遥感图像可以表示为数字图像，它是以有序的数字反映地物或景观反射或发射电磁波的特征及其变化。通过对数字图像的处理和分析，可判别出地物的属性及其分布。
方法
可以通过调整数字图像的直方图，进行像元亮度值之间的数学运算或数学变换达到图像增强的目的。
常用的图像增强的方法有：对比度变换、彩色增强、滤波等。本实习主要是通过对比度变换、彩色合成来增强图像。
实验目的
1. 认识遥感图像的基本结构，了解数字图像；
2. 通过计算机中彩色合成的演示，了解加色法原理；

实验二、遥感图像增强（名称）

原理及方法简介
原理 遥感图像可以表示为数字图像，它是以有序的数字反映地物或景观反射或发射电磁波的特征及其变化。通过对数字图像的处理和分析，可判别出地物的属性及其分布。
方法 图像增强的目的是改善图像显示的质量，以利于图像信息的提取和识别。在方法上是通过突出重要信息，去除不重要或不必要信息来实现的。可以通过调整数字图像的直方图，进行像元亮度值之间的数学运算或数学变换达到图像增强的目的。
直方图是以统计图的形式表示图像亮度值与像元数之间的关系。在二维坐标系中，横坐标代表图像像元亮度值，纵坐标代表每一亮度或亮度间隔的像元数占总像元数的百分比。直方图形态分布可反映图像的质量。由于一幅遥感图像包含大量像元，其像元亮度值应符合统计分布规律，即假定像元亮度随机分布时，直方图应是正态分布。当直方图峰值偏向亮度坐标轴左侧或右侧时，说明图像偏暗或偏亮。其峰值过陡过窄，则表明图像高密度值过于集中。两者均表现为图像对比度较小，图像信息不清楚，图像质量较差。因此通过改变直方图形态可以改变图像质量。
常用的图像增强的方法有：对比度变换、彩色增强、滤波等。本实习主要是通过对比度变换、彩色合成来增强图像。
对比度大，反映图像的亮度值变化范围大，目标地物被识别的可能性就大；反之，目标与背景难以区别，识别的可能性就小。进行对比度扩展的主要方法有线性变换等。
在使用单波段图像时，由于成像系统动态范围的限制，地物显示的亮度值差异较小。又由于人眼对黑白图像亮度级的分辨能力仅有10～20级左右，而对色彩和强度的分辨力则可达100多种，因此将黑白图像转换成彩色图像可使地物的差别易于分辨。一般使用彩色合成的方法达到此目的。
1. 真彩色合成
在通过蓝、绿、红三原色的滤光片而拍摄的同一地物的三张图像上，若使用同样的三原色进行合成，可得到接近天然色的颜色，此方法称为真彩色合成。
2. 假彩色合成
由于多波段摄影中，一幅图像多不是在三原色的波长范围内获得的，如采用人眼看不见的红外波段等，因此由这些图像所进行的彩色合成称假彩色合成。
计算机的彩色合成原理与光学彩色合成原理相同，在计算机系统中，彩色合成的操作更简单，只要改变调色板，即改变各原色的合成比例和波段，就很容易改变影像的色彩。
进行遥感影像合成时，方案的选择十分重要，它决定了彩色影像能否显示较丰富的信息或突出某一方面的信息。以陆地卫星Landsat的TM影像为例，当4，3，2波段被分别赋予红、绿、蓝颜色进行彩色合成时，这一合成方案就是标准假彩色合成，是一种最常用的合成方案。实际应用时，常常根据不同的应用目的在实验中进行分析、调试，寻找最佳合成方案，以达到最好的目视效果。

实验目的
1. 认识遥感图像的基本结构，了解数字图像；
2. 通过计算机中彩色合成的演示，了解加色法原理；
3. 理解遥感图像彩色合成的基本原理；
4. 掌握选用不同的合成方案产生不同的合成效果的方法，从而达到突出不同目标地物的目的；
5. 学习掌握图像直方图变化与图像亮度变化的关系；
6. 掌握图像拉伸的方法和过程。

实验步骤
一、合成三波段遥感数字图像
1. 安装并启动PCI 软件；
2. 从功能模块菜单中打开ImageWorks；
3. 点击Use Image File，进入对话框，选择遥感影像的一个波段；
4. 打开D：\遥感实习数据\837\4.tif；
5. 点击Accept；
6. 打开ImageWorks\Utility；
7. 点击File Utility\File\Export to，将单波段图像输出为PCI文件（.pix）；
8. 点击第二个Browse按钮选择目的地文件，路径与源文件相同，文件名为001.pix；
9. 在源图层中选择[8u]: uint8>Add>添加至目的地图层，点击Export；
10. 打开第二个波段文件：点击Utility\Tools\Transfer Layers，在对话框中选择源文件为3.tif，目标文件为001.pix，在源图层中选择[8u]: uint8>Add>添加至目的地图层，点击Transfer Layers；
11. 打开第三个波段文件：同上步操作，打开2.tif，并传递至001.pix文件；
12. 用同样的方法合成D：\遥感实习数据\887\002.pix；
13. 关闭所有窗口。

二、遥感图像增强之彩色合成
1. 重新打开ImageWorks，选择001.pix，并点击Accept&Load；
2. 在控制面板的Imagery下有三个影像内存区编号分别为1、2、3，及三个电子枪R、G、B，尝试将不同的内存区中的波段数据放于不同的电子枪，观察工作窗口中图像颜色的变化情况；
3. 调整回1－R、2－G、3－B。

三、遥感图像增强之图像拉伸
1. 在控制面板的Enhancements下有12个按钮，分别为：No Enhancement、Linear Enhancement、Root Enhancement、Adaptive Enhancement、Equalization Enhancement、Infrequency、Reset Brightness、Increase Brightness、Decrease Brightness、Reset Contrast、Increase Contrast、Decrease Contrast。各按钮含义参见《PCI软件培训教程》第四章；
2. 利用这些工具分别尝试做各种图像增强处理，观察工作窗口中图像对比度的变化情况。

实验要求
根据实验情况编写实验报告。

实验三、遥感图像的几何校正

原理及方法简介
遥感图像的几何校正是指从具有几何畸变的图像中消除畸变的过程。即建立遥感图像的像元坐标（图像坐标）与目标物的地理坐标（地图坐标）间的对应关系。
图像几何校正的过程主要包括：
1. 确定校正方法
通过图像中几何畸变的性质和可应用的进行几何校正的数据，确定进行几何校正的方法。主要指系统性校正，即将与传感器构造有关的校准数据，如焦距等，以及传感器的位置、姿态等测量值代入到消除图像几何畸变的理论校正公式中进行几何校正。
2. 确定校正式
主要指对图像的非系统性校正，利用控制点的图像坐标和地图坐标的对应关系，近似地确定所给定图像坐标和应输出的地图坐标之间的坐标变换式。坐标变换式常采用1、2次等角变换，2、3次投影变换或高次多项式。坐标变换式的系统可通过控制点的图像坐标值和地图坐标值经最小二乘法求出。
3. 验证校正方法和校正式的精度
检查几何畸变是否充分得到了校正，检查校正后的精度，当误差较大时，则调整校正式或对其中的参数进行修改。
4. 重采样和内插
为使校正后的输出图像的配置与输入图像相对应，需根据几何畸变的校正式对输入图像进行重采样，其方法主要有两种，即：对输入图像的各像元点在变换后的输出图像坐标系的相应位置进行计算，将各像元数据投影到该位置上；对输出图像的各像元在输入图像坐标系的相应位置进行逆运算，求出该位置上的像元数据。由于经几何校正后，输出图像坐标的网格点所对应的输入图像坐标通常不是整数值，因此必须用输入图像周围点的像元值对所求点的像元值进行内插，用于几何校正的内插方法有：最近邻内插法、双线性内插法、3次卷积内插法。
实际工作时一般采用三种校正方法：实地测点校正、用电子地图校正、图像校正图像。
计算机实现几何校正的过程有两个：坐标转换、重采样
坐标转换的方法有：多项式拟合（Polynomial）、小样条（Thin Plate Spline）
重采样的方法有五种：最近邻（Neareast Neighbour）、双线性(Bilinear)、立方卷积(Cubic)、8pt、16pt。

实验目的
1. 掌握遥感图像几何校正的主要过程；
2. 学习几何校正中控制点选择、方法选择等方法。

实验步骤
1. 启动PCI软件（实习步骤可参见《PCI软件培训教程》第五章）；
2. D：\遥感实习数据\837\001.pix作为已经校正好的参照图像；D：\遥感实习数据\887\002.pix作为未校正的图像。
3. 点击功能模块菜单中的GCPWorks；
4. 在出现的任务选项设置界面中设置参数使用默认值，点击Accept；
5. 在弹出的工作流程界面中按流程操作：首先选择未校正图像，D：\遥感实习数据\887\002.pix，选择三个波段，点击Load&Close；
6. 在工作流程面板上进行第二项：选择校正过的参考图像，D：\遥感实习数据\837\001.pix，选择三个波段，点击Load&Close；；
7. 采集控制点，依次在目标影像与参考影像中点击选择控制点，目标影像坐标将显示在Uncorr标签右边的文本框内；参考影像坐标将显示在Georef标签右边的文本框内。点击Accept as GCP；
8. 采集第二个控制点……，控制点最好均匀分布，采集16、7个控制点即可。误差要求：图幅中间为1，四周为2左右；
9. 保存控制点：File\Save GCP Text File，接受所有格式，命名，存为.Txt文件。如果工作未做完，下次工作时先通过File\Load GCP Text File找到控制点文件打开，恢复工作状态，可继续工作；
10. 校正：点击工作流程面板上的最后一项(Perform Registration to Disk)定义Outputfile(.pix)，Resampling Mode 选择Nearest，Memory改为256，点击Perform Registration。

实验要求
根据实验情况编写实验报告。

实验四、航空像片的判读

原理及方法简介
1. 特点
航空像片是在航空遥感平台上通过摄影机所获得的可见光和红外光的光学摄影像片。它采用中心投影方式成像，对于没有经过正射纠正的像片，受中心投影的控制，其边缘分布物体，常发生误差和畸变。从航空像片上可以看到地物的顶部轮廓，这与日常生活中观察目标地物的视角不同。
根据航空摄影的方法和胶片的类型，航空摄影可分为普通摄影、红外摄影和多光谱摄影。其中，普通和红外摄影的航片又各分为彩色和黑白两种，目前最常用的是彩色红外摄影航片，简称彩红外航片。各种摄影航片在判读时所建立的解译标志等略有差别，总的判读方法和判读过程相似。
2. 判读标志
像片的判读标志又称解译标志，它是指能够反映和表现目标地物信息的遥感影像的各种特征，这些特征能帮助判读者识别遥感影像上目标地物或现象。解译标志分直接判读标志和间接判读标志。
直接判读标志是指能够直接反映和表现目标地物信息的遥感影像的各种特征，它包括遥感摄影像片上目标地物的大小、形状、阴影、色调与颜色、纹理、图型和位置及与周围的关系等，解译者利用直接解译标志可以直观地识别遥感像片上的目标地物。
⑴　大小
⑵　形状
⑶　色调与颜色
⑷　阴影
⑸　纹理
⑹　图型
⑺　位置及与周围的关系
间接解译标志是指能够间接反映和表现目标地物信息的遥感影像的各种特征，借助它可以推断与目标地物的属性相关的其他现象。
由于判读的结果需要依据判读人员的经验和知识，所以判读熟练程度的不同，会在判读结果上产生差异。因此，在由多个判读人员对同一地区进行判读时，或者对一些专业地物进行判读时，为减少由判读人员造成的判读误差，通常要预先建立好判读标志。
3. 判读方法
航空像片的判读基本上是为每个特定专业服务的，通用的方法有：
⑴　直接判读：通过上述影像的判读标志直接辨认地物并解译专业内容。
⑵　逻辑推理与宏观分析：在直接判读的基础上，分析这些影像特征所反映的地物之间的内在联系，并在逻辑推理的基础上，进一步对影像特征之间的关系进行宏观规律的分析，通常要用几张或十几张航片结合起来进行分析。只有掌握了宏观规律以后才能理解局部的影像特征。
⑶　野外校核：任何遥感影像的解译结果都必须经过一定的野外校核和检查，以检查其分类程度和制图程度的准确性。检查的方法有路线线段检查和统计抽样检查。
4. 判读程序
航空像片判读的具体工作程序一般可分为准备工作、室内判读、野外工作、室内转绘制图和总结。
⑴　准备工作：包括工具准备和资料准备。进行航片判读应准备的工具包括立体镜、放大镜和绘图工具等。判读应准备的资料包括航空像片及有关的资料、地形图、地理文献等。航空像片收集后，要进行航空像片的整理工作，之后进行航片作业面积的绘制和像片略图的制作。
⑵　室内判读：在室内首先应建立航片判读的标志，即根据已经对研究区域的了解，进行判读标志的建立。通常判读标志的建立过程要与野外调查相结合，通过野外的路线调查确立不同专业制图的影像标志。在建立判读标志的基础上，利用目视和立体镜进行室内判读。进行室内判读的顺序是由水系入手，根据水系的位置和流向确定分水岭和流域范围，从而判读区域内的高低地势。之后进行平原和山地，以及林地和农田的划分，从而划分出大的地貌单元。然后进行居民点和道路的判读，将自然景观和人文景观划分开。最后开始进行专业判读。在室内判读时，还应记下难点和疑点并拟定野外校核的路线。
⑶　野外校核：野外校核的目的主要有二，即核对室内判读结果和解决疑难问题。可采用路线调查与统计抽样相结合的原则进行一定数量的野外抽样检查，具体校核工作内容需根据各专业要求而定。
⑷室内转绘制图和总结：室内转绘制图是将航片的纠正和转绘两方面工作结合进行。转绘的方法有网格法、任意网格法、辐射网格法、光学机械转绘法和目估法等。总结包括对转绘图进行清绘等制图工作，根据专业需要进行面积量算工作，以及编写报告和图件说明书等工作。
实验目的
1. 学习航空像片判读的基本原理和方法；
2. 掌握航空像片判读中判读标志的建立方法；
3. 解译判读各土地覆盖类型在航片上的影像特征。
实验步骤
1. 准备实验工具：铅笔、橡皮、直尺、透明纸等；
2. 进行航片土地覆盖的判读；
3. 根据航片解译标志的建立方法，建立目标地物的解译标志并完成表3.1；
4. 根据判读标志，观测各目标地物的分布和相互关系；
5. 将透明纸蒙在航片上，勾绘目标地物的边界；
实验要求
根据实验情况编写实验报告，内容包括：①判读区域的判读标志表；②判读区域的土地覆盖解译图；③判读区域的土地覆盖分布规律说明。
表3.1 实验区判读标志
判读标志
地物类型
形状
色调
纹理
图型
阴影
其它
地物1

地物2

地物3

地物4

……

实验五（综合实验）、遥感数字图像人机交互目视解译

原理及方法简介
1. 影像的特征
常用的遥感扫描影像都是卫星遥感影像，如TM、SPOT和Quick Bird遥感影像，相对于航空像片来说，这些影像具有以下特征：
① 像幅面积大，宏观性强：遥感影像反映的地面景观，是一种自然综合概括后的景观，使我们比较容易找出一些地表大区域的宏观规律。一般说来影像空间分辨率越低，它对地面景观的概括性越强，对景物细节的表现力越差。
② 影像的多波段性：遥感扫描影像采用多波段方式记录地表各种地物的电磁波信息，每个波段都提供了丰富的信息。丰富的信息量有助于对目标地物的综合分析，而且可以通过假彩色合成形成解译红外彩色特征的假彩色影像。
③ 影像的数字记录形式：多光谱图像大多数是以数字的形式记录在磁带上的，数字形式的图像可以充分用于计算机中，进行遥感图像的数字处理，从而极大地增强对遥感数据的分析处理能力，也可获得一般光学处理难以获得的效果。
④ 影像的多时相性和动态观测：地球资源卫星与飞机不同，一旦发射进入太空，就一刻不停地围绕地球运转，并以一定时间周期重复扫描地球表面，向地面接收站发送最新获取的扫描影像。利用地球资源卫星提供的遥感影像，可以对同地区感兴趣的目标地物进行动态监测，及时了解其变化。
⑤ 陆地卫星影像的近垂直投影：陆地卫星因航高较大，因此因地形起伏而产生的像点位移较小，同时，由于其传感器的视场角较小，因此在同一幅影像内，其像片中心点与像幅边缘之间的比例尺大体一致，一般经过粗纠正后，影像就可用作判读。
⑥ 可得到大面积的同等、适中的太阳高度角的影像，这有利于对地表的解译分析。
⑦ 取得资料容易，不受地区和国家的限制。
⑧ 成本低廉。据有关资料报道，整个西半球，如果用航空像片摄影成图，约3亿美元，而用卫星像片编制成图只需3000美元。
2. 判读标志
判读航空像片所采用的直接判读标志和间接判读标志，一般也适用于判读卫星图像。由于卫星图像反映了广大地区多波段和多时相的同步环境信息，是地表自然综合体的高度综合性图像，因此比航空像片要概括得多。其主要判读标志包括以下内容和特征：
① 色调：卫星图像上的色调是地物电磁辐射特征的反映。其中黑白影像的色调是地物波谱特征的直接记录，彩色合成图像上的色彩是地物在几个波段上的波谱特性的综合反映。利用卫星影像上的色调和色彩进行地物识别，是卫星图像判读的重要依据。在单波段（黑白）影像上，色调是由波段的光谱效应直接产生的。各波段的光谱效应决定了各波段的主要应用目的和领域。
② 图型：卫星图像的图型标志是地物形态特征和波谱特征的综合反映。地物在影像上的图型结构，主要取决于地物的平面形态和高低起伏特征，当然也与地物的波谱特征所造成的基本色调有关。图像的图型结构通常表现为由不同形状、色调及纹理特征组合而成的图案，即包括点状、斑状、条状、块状、格状、垅状、环状等组成的各种纹理图案。为了更好地细分不同地物的图型特征，可再细分为粗、细、疏、密、明显、模糊等类型和等级，并与其色调特征结合起来进行描述，如“灰或浅灰色的细斑纹状图型结构”。
3. 判读方法
遥感扫描影像的判读，应遵循“先整体，后局部，勤对比，多分析”原则。
先整体，后局部：即对影像作整体的观察，了解各种地理环境要素在空间上的联系，综合分析目标地物与周围环境的关系。有了区域整体概念后，就可以在区域背景与总体特征指导下对具体目标判读，这样可以避免盲目性和减少判读错误。
勤对比，多分析：在判读过程中进行若干对比分析，例如多波段对比、多时相对比、不同地物的对比；多分析是指以一个解译标志为主，多方面综合运用其它解译标志，对遥感影像进行综合分析。色调和颜色在卫星遥感影像中具有主要作用，因此扫描影像解译时，要重视色调和颜色解译标志的运用。
在运用色调和颜色解译标志对遥感影像进行解译的过程中，应注意到一些解译标志往往具有区域性和条件性，影像的色调、颜色、阴影、图型、纹理等会随影像所在的区域、成像季节和环境条件的改变而变化，因此要根据具体情况，结合其他解译标志，如空间位置、形状等进行综合分析，也可借鉴前人的判读标志和解译经验，结合野外校核进行。在借鉴以往判读标志和解译经验时，注意不能生搬硬套。
在目视判读实践中，卫星影像解译比航空像片解译难度更大，因此，熟悉地物在不同波段的光谱特性，了解地物在不同空间分辨率影像上的表现，掌握不同假彩色合成影像的特征，熟练运用扫描影像解译标志与解译方法，是进行目视解译的重要基础。
由于卫星影像多采用数字图像形式记录，故在解译时多采用人机交互目视判读的方法，在计算机上利用遥感图像处理平台进行解译。
实验目的
1. 认识和掌握实验时提供的卫星图像各波段的光谱效应；
2. 学习和掌握陆地卫星遥感图像的判读方法。
实验步骤
1. 启动PCI 软件；
2. 从功能模块菜单中打开ImageWorks；
3. 打开D：\遥感实习数据\887\002.pix；
4. 点击Edit\Vector，打开矢量编辑工具；
5. 点击New Layer，创建一个新图层，命名为“water”，填写描述信息，其余保持缺省值，点击Accept；
6. 在Vector Editor面板上点击“新线”（New Line），在工作窗口中的图像上开始沿河流边界解译。注意在解译前先观察图像整体有哪些河流，分布情况如何，决定从何处开始解译后将图像放大到适宜大小再开始解译；
7. 解译过程中练习使用Vector Editor面板上的各功能按钮，按钮功能请参见《PCI软件培训教程》第四章相关内容；
8. 解译完成后保存解译成果：File\Save Vectors，在出现的对话框里选中要保存的矢量图层，点击Save & Close；
9. 用同样的方法创建新矢量层“plant”，尝试进行植被覆盖的解译；
10. 解译完成后保存解译成果并关闭所有窗口。

实验要求
根据实验情况编写实验报告。

实验六、非监督分类
原理及方法简介
非监督分类（unsupervised classification）指不必对影像地物获取先验知识，仅依靠影像上不同类地物的光谱信息进行特征提取，以提取出统计特征的差别来达到分类目的的分类方法。非监督分类主要采用聚类分析方法，聚类是把一组像元按照相似性归成若干类别，即“物以类聚”。其目的是使得属于同一类别的像元之间的距离尽可能的小而不同类别像元间的距离尽可能的大。常用的方法有：分级集群法、非分级集群法。（详见《遥感导论》P199）。
实验目的
了解并掌握非监督分类的过程和方法。
实验步骤
1. 启动PCI软件；
2. 从功能模块菜单中打开ImageWorks；
3. 打开D：\遥感实习数据\837\001.pix；
4. 增加一个空通道：点击File\Utility\Edit\Add Channels，在弹出的对话框中将8 bit后的Channels to add标签下数值改为1，点击Add；
5. 在主工作窗口点击Classify\Sessions；
6. 在弹出的窗口中选择D：\遥感实习数据\837\001.pix；
7. 在Session Selection对话框中点击New Session；
8. 出现工作通道设置界面，选择Unsupervised，具体设置如下图：

9. 点击Accept；
10. 使用默认值，点击Classify，完成非监督分类；
11. 进行分类特征标志修改：点击主工作窗口Classify \ Class Labelling；
12. 在弹出的界面中可修改分类特征标志“Value、Name、Colour”；
13. 进行合并类操作：点击主工作窗口Classify \ Aggregate，点击Accept；
14. 在弹出的界面中，左边选框中选择要去掉的类，在右边选框中选中要合并的另一类作为结果类，然后点击Add；
15. 在合并类界面中点击Apply to Output Channel，即完成了两个类的合并；
16. 完成后关闭所有打开的窗口。

实验要求
根据实验情况编写实验报告。