第一章-遥感图像成像机理.pdf

压缩感知及应用压缩感知及应用闫敬文闫敬文教授教授（广东省汕头大学电子工程系（广东省汕头大学电子工程系)第第一章一章遥感图像成像机理遥感图像成像机理闫敬文（汕头大学工学院电子系 教授）1.遥感的发展历史遥感技术的发展总体上可分为四个阶段：1)、无记录的地面遥感阶段2)、有记录的地面遥感阶段3)、空中摄影测量阶段4)、航空遥感阶段2)遥感的常用分类按遥感平台分类：地面遥感、航空遥感、航天遥感、航宇遥感。按探测波段分类：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感。按工作方式分类：主动遥感、被动遥感或成像遥感或非成像遥感。按应用领域分类：从整体的应用领域或从具体的应用领域进行划分。1.1 遥感图像遥感图像遥感图像，又称遥感像片，是各种传感器所获信息的产物，是遥感探测目标的信息载体。就像我们生活中拍摄的照片一样，遥感图像同样可以提取出大量有用的信息。遥感图像是由空间坐标(x,y)处的地物反射的光组成的，是一个平面能量分布图，其亮度或称灰度（全色图像）可能逐点不同，这种变化在数学上可用连续函数f(x,y)表示。因为光是能量的一种形式，故f(x,y)必为非负值，并且是有限值，从而满足：0(,)f x y1.2遥感数字图像遥感数字图像遥感数字图像是以数字形式表示的遥感图像，最基本的单位是像元（Pixel，或称像素）。其数字记录方式主要指扫描磁带、磁盘、光盘等的电子记录方式。它是以光电二极管等作为探测元件，将地物的反射或发射能量，睛光电转换过程，把光的辐射能量差转换为模拟的电压差（模拟电信号），再经过模数（A/D）变换，将模拟量变换为数值（亮度值），存储于数字磁带、磁盘、光盘等介质上。遥感数字图像具有如下特点：1）便于计算机处理与分析；2）图像信息损失低；3）抽象性强；2.遥感器分类及其特点.遥感器的分类根据不同的观点可进行不同的分类。按其工作的影响波段，一般可分为可见光遥感器、红外光遥感器和微波遥感器三大类。按其物理原理分类，可分成纯光学的，光学机械式的，电光式的和纯电子式的几种。按遥感信息是否成像将遥感器分成非成像式的和成像式的两类，而成像式遥感器又进一步分成全息式和非全息式两种。按遥感器有无发射电磁波的能力而分成有源的和无源的，或习惯上称为主动式的和被动式的两类。遥感器被动方式主动方式扫描方式（图像方式）非扫描方式非扫描方式（非图像方式）扫描方式（图像方式）像面扫描主式物面扫描方式TV摄像机固体扫描仪光机扫描仪微波辐射计非图像方式图像方式（照相机）微波辐射计地磁测量仪重力测量仪傅立叶光谱仪其它黑白天然彩色红外彩色红外其它微波散射计微波高度计激光光谱仪激光高度计激光水深计激光测距仪物面扫描方式像面扫描方式微波散射计真实孔径雷达合成孔径雷达被动型相控阵雷达图 1-1 遥感器的分类波长（m）遥感器紫外可见光红外电波近短波中间热远亚毫米微波0.40.50.60.70.91.55.58.014.01000 10000100000摄影机（黑白胶片）（彩色胶片）（红外胶片）（彩红外胶片）固体扫描仪（SPOTHRV）（热敏摄像机）TV 摄像机光机扫描仪（机载 MSS）（LantsatMSS）（landsatTM）雷达微波辐射计表1-1 主要遥感器的工作波段.主要遥感器的特点1)光学遥感器光学遥感器所获取的信息中最重要的特征有三个，即光谱特性、辐射度量特性、几何特性。这些特性确定了光学遥感器的性能。2）遥感摄影机用于遥感的摄影机有：航空摄影机、多光谱摄影机、全景摄影机等。3）光机扫描仪光机扫描仪是对地表的辐射分光后进行观测的机械扫描型辐射计。它是把搭载扫描仪的飞行平台的移动与利用旋转镜或摆动镜对平台移动的直角方向进行扫描结合起来，从而得到二维信息的遥感器，是由采光、分光、扫描、控测元件、参照信号等部分构成。4）推帚式扫描仪将固体光电转换元件排成一排的探测器叫线性阵列传感器，使用线性阵列传感器的扫描仪叫推帚式扫描仪。5）成像光谱仪成像光谱仪基本上属于多光谱扫描仪，其构造与推帚式扫描仪和光机扫描仪相同，但具有通道数多，各通道的波段宽度较窄的特点。6）激光雷达通过发射光波，从其散射光、反射光的返回时间及强度、频率偏移、偏光状态的变化等测量目标距离及密度、速度、形状等物理性质的方法及装置叫光波雷达，由于实际上使用的光几乎都是激光，所以又叫激光雷达，或简称光雷达。3.遥感图像的分类遥感图像分类（classification）是一种按属性特征将图像的所有像元分为若干个类别的技术。对地球表面的遥感图像数据进行属性的识别和分类，可以达到识别图像所对应的实际地物，提取所需地物信息的目的。1）遥感图像的监督分类指导思想是：首先根据类别的先验知识确定判别函数和判别准则，然后将未知类别的样本观测值代入判别函数，再依据判别准则对该样本所属类。2）遥感图像的非监督分类指在没有类别先验知识的情况下，将所有 样本划分若干类别的方法，也称聚类。非监督分类只能把样本区分为若干类别，而不能给出样本的一些描述。3）遥感图像的混合像元分类遥感图像像元记录的是探测单元的瞬时视场角所对应的地面范围内的目标辐射能量总和。如果探测单元的瞬时视场角所对应的地面范围仅包括同一类性质的目标，则该像元记录的是同一性质的地面目标的辐射能量总和，这样的像元称为纯像元。如果探测单元的瞬时视场角所对应的地面范围包含了多类不同性质的目标，则该像元记录的是多类不同性质的地面目标的辐射能量总和，这样的像元称为混合像元。4）遥感图像的非光谱信息分类前述遥感图像分类算法都是基于光谱信息进行的，如果能引入除光谱信息以外的其他信息，可以进一步提高遥感图像的分类精度。同目视判读一样，除了图像上的灰度和色调之外，目标的形状、大小、纹理结构、目标之间的相互关系及活动目标的演变规律，也可以作为目标识别的重要依据。5）遥感图像分类的发展和展望传统的遥感图像分类方法如目视解译、监督分类和非监督分类，算法成熟、操作简单，仍然是目前应用较多的方法。近年来发展起来的分类新方法能够更准确地提取出目标地物，对图像分类有不同程度的改进，在实际应用中通常和传统分类方法结合起来使用。近年来遥感图像分类的发展主要体现在三个方面：多源信息、特征的综合利用新理论的发展和引入新算法的设计4.SAR图像的特点和传统的光学图像不同，SAR图像是通过天线发射有规律的无线电信号，同时接收地面返回的无线电回波信号，通过成像处理的方法将回波信号转换成人眼可见图像。图1.1 SAR回波数据经过距离向压缩和方位向压缩而得到SAR图像的过程(a)ERS-1 SAR (b)landsat TM图1.2 云层对SAR图像及光学图像的影响图 1.3 地形效应引起的几何变形(a)SAR图像(b)光学图像图 1.4 SAR图像的相干斑噪声