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遥感影像的判读


第12讲
课 题 :遥感影像的判读 目的要求:熟悉景物特征和判读标志,尤其是光谱特 征及空间特征。 重 点 :掌握目视判读的一般过程和方法 难 点 :影响景物特征及其判读的因素 教学课时:2课时 教学方法:授课为主、鼓励课堂交流 本次课涉及的学术前沿:遥感影像的解译

第12讲 遥感图像判读
“判读”(Interpretation)是对遥

感图像上的各种特征进行综合分析、比 较、推理和判断,最后提取出你所感兴 趣的信息。

这是一种人工提取信息的方法,使用 眼睛目视观察,借助一些光学仪器或在 计算机显示屏幕上,凭借丰富的判读经 验,扎实的专业知识和手头的相关资料, 通过人脑的分析、推理和判断,提取有 用的信息。

§10-1 景物特征和判读标志
一景物特征: 光谱特征Δ λ 空间特征 X, Y,Z 时间特征 t 偏振特性(在微波区 ) 景物的这些特征在图像上以灰度变化 的形式表现出来,因此图像的灰度是 以上特征的函数:

1 光谱特征及其判读标志
(1)光谱特性曲线用反射率与波长的关系表示, (2)波谱响应曲线用密度或亮度值与波段的关系 表示,如果不考虑传感器光谱响应及大气等的 影响,则波谱响应值与地物在该波段内光谱反 射亮度的积分值相应 (3)地物的波谱响应曲线与其光谱特性曲线的变 化趋势是一致的。地物在多波段图像上特有的 这种波谱响应就是地物的光谱特征的判读标志。

反 射 率

亮 度 值

光谱特性曲线 用反射率与波长的关系表示

波谱响应曲线
用密度或亮度值与波段的关系表示

2 空间特征及其判读标志

景物的各种几何形态为其空间特征, 它与物本的空间坐标X、Y、Z密切相关, 这种空间特征在像片上也是由不同的色 调表现出来。它包括通常目视判读中应 用的一些判读标志:形状、大小、图形、 阴影、位置、纹理、类型等

形状 指各种地物的外形、轮廓。从高空观 察地面物体形状是在X-Y平面内的投影; 不同物体显然其形状不同,其形状与物 体本身的性质和形成有密切关系。 大小 地物的尺寸、面积、体积在图像上按 比例缩小后的相似性记录。 图形 自然或人造复合地物所构成的图形

五角大楼QuickBird 影像

阴影 由于地物高度Z的变化,阻挡太阳光 照射而产生的阴影。它既表示了地物隆 起的高度,又显示了地物侧面形状。 位置 地物存在的地点和所处的环境。图像 上除了地物所在的位置还与它所处的背 景有很大关系。例如处在阳坡、阴坡的 树,可能长势不同或品种不同。

纹理 图像上细部结构以一定频率重复出现, 是单一特征的集合。实地为同类地物聚 集分布。 图像上的纹理包括光滑的、波纹的、 斑纹的、线性及不规则的纹理特征。

如树叶丛和树叶的阴影,单个地看是 各叶子的形状、大小、阴影、色调、图 形。当它们聚集在一起时就形成纹理特 征。

2003. 2. 11麦加QuickBird-2 影像

类型 各大类别组成类型。如水系类型、地 貌类型、地质构造类型、土壤类型、土 地利用类型等。在各自类型中,根据其 形状、结构、图形等又可分成许多种类。

水系影像

根据水系影像勾绘的图形

4 时间特征及其判读标志

对于同一地区景物的时间特征表现在 不同时间地面覆盖类型不同,地面景观 发生很大变化。 景物的时间特征在图像上以光谱特征 及空间特征的变化表现出来。

对于同一种类型,尤其是植物,随着出 芽、生长、茂盛、枯黄的自然生长过程, 景物及景观也在发生巨大变化。 又如洪水期和枯水期,及不同时期水 中含沙量变化都随时间而变。

同一春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线

二判读标志

1 直接判读标志 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大 小、形状、阴影、色调、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。

2间接标志 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。 如河流的流向,就常用一些判读的间 接标志。

三影响景物特征及其判读的因素

1地物本身的复杂性 地物种类的繁多; 同一大的类别中有 许多亚类、子亚类 ;各种内在或外部因 素的影响 . 不同类别出现相似或相同的判读标志, 而同一类别又出现不同的判读标志。

土地利用/覆盖(LULC)
USGS(美国地质局测量局) LULC分类体系(三级): 一级:
城市或围建的土地 农业用地 牧场地 森林地 水体 湿地 贫瘠地 冻土 常年降雪、冰川

植物反射特性曲线主要由: 叶子的色素 细胞结构 叶子的稠密程度 含水量等因素影响 色素的影响主要在0.4-0.7μm的可见光 区域. 细胞结构的不同,使反射特性改变主要表现 在红外部分。

大豆和玉米的叶子内部构造

玉米与大豆叶子反射特性曲线

近红外部分的反射还与叶子的稠密程度有关

1-6层叠置棉花叶的反射特性曲线

土壤的光谱特性曲线与以下一些因素有关: 与其所含水量 有机质含量 氧化铁含量 粘土、砂、粉砂相对百分含量 土壤表面的粗糙度有关

三种低含水量土壤的反射特性曲线

五种主要土壤光谱类型

土壤质地分类三角形

几种岩石的反射波谱曲线

各种建筑物屋顶的波谱特性

各种道路的波谱特性

水 的反射特性变化取决于:
水中悬浮泥沙的含量 叶绿素浓度 天然的和人造物质的注入 水的状态 水底物质(水深较浅时)

水中悬浮泥沙含量增大,反射率增高。 特别是在黄色和红色光区增高较大,另 一现象是近红外区也在增高。 泥沙含量高达100mg/L时的混浊水体, 水深超过30cm时,从上方测定水的反射 率,只与水体本身有关,而与水底的各 种特性无关。

叶绿素浓度增加时,蓝色光部分的反 射率显著下降,但绿色部分反射率上升, 在近红外区的反射率也略有提高 。

不同叶绿素含量的海水的反射特性曲线

2 传感器特性的影响 传感器特性对判读标志影响最大的是分辨力 (1)空间分辨力 瞬时视场内所观察到的地面的大小称空间分 辨力。 如Landsat MSS图像的空间分辨力(即每个像元 在地面的大小)为57m×79m;TM图像为 30m×30m;SPOT4图像,多光谱的为 20m×20m,全色的为10m×10m。

(2)几何分辨力 假定像元的宽度为a,则地物宽度在3a(海 拉瓦)或至少在 ( 康内斯尼)时,能被分 辨出来,这个大小称为图像的几何分辨力。

(3)辐射分辨力(传感器的探测能力) 辐射分辨力是指传感器能区分两种 辐射强度最小差别的能力。

传感器的输出包括信号和噪声两大 部分。如果信号小于噪声,则输出的是 噪声。 如果两个信号之差小于噪声,则在 输出的记录上无法分辨这两个信号。

实际输入信号功率要大于或等于2-6倍 等效噪声功率时,才能分辨出信号来。 等效噪声功率
式中:P―输入功率; S―输出电压; N―噪 声电压; R―探测率。

(4) 光谱分辨力 为光谱探测能力,它包括传感器总的 探测波段的宽度、波段数、各波段的波 长范围和间隔。

实际使用中,波段太多,输出数据量太大, 加大处理工作量和判读难度。 有效的方法是根据被探测目标的特性选择 一些最佳探测波段。 所谓最佳探测波段,是指 这些波段中探测各种目标之间和目标与背景之 间,有最好的反差或波谱响应特性的差别。 另一个有效方法是用影像融合的方法,将 多于三个以上波段的信息富集在一张彩色影像 上。

(5)时间分辨力 时间分辨力是指对同一地区重复获取 图像所需的时间间隔。 各种传感器的时间分辨力,与卫星的 重复周期及传感器在轨道间的立体观察 能力有关。

时间分辨力愈短的图像,能更详细地 观察地面物体或现象的动态变化。 与光谱分辨力一样并非时间越短越好, 也需要根据物体的时间特征来选择一定 时间间隔的图像。

从空间特征角度去判读时,应充分考 虑它们的投影特性。 传感器成像的几何投影特性影响也很 大。不同的传感器图像变形不同

3、目视能力的影响 人眼目视能力包括对图像的 空间分辨能力 灰阶分辨能力 色别与色阶分辨能力

人眼的空间分辨能力与: 眼睛张角(分辨角) 影像离人眼的距离 照明条件 图像的形状 反差等

实验证明: 正常人眼的分辨角为1ˊ,在明视距离 250mm处,能分辨相距75μm的两个点。 相当于6-7线对/mm。

解决人眼空间分辨能力的限制造成的 判读困难,可通过放大图像的比例尺, 使用光学仪器放大观察的方法来克服。

人眼对灰度(亮度)信息的分辨,主要 取决于视网膜上的视杆细胞的灵敏度,一 般人眼能分辨10多级灰阶。

解决的办法是对图像进行: 反差拉伸 进行密度分割 黑白发色等 可借助密度计来分辨灰度差。

人眼视网膜上的视锥细胞能感受蓝、 绿、红三原色。上面讲到人眼颜色的分 辨能力比对灰阶的分辨能力强得多,一般 来讲能达50种左右。 假如人眼借助密度仪能识别27=128 种灰阶,那么人眼借助仪器识别颜色的 能力可达(27)2=16384种。

§10-2 目视判读的一般过程和方法
一 判读前的准备 1、判读员的训练 判读员的训练包括判读知识、专业知 识的学习和实践训练两个方面。

训练包括野外实地勘察,多阅读别人 已判读过的遥感图像,以及遥感图像与 实地对照,并参与一些典型试验区的判 读和分类等,以积累判读经验。

2搜集充足的资料 需收集的资料包括历史资料、统计 资料、各种地图及专题图,以及实况测 定资料和其它辅助资料等等。 集中精力对变化的地区和原来资料 上没有记载的地区进行判读。

3了解图像的来源、性质和质量 什么传感器获取的?什么日期和地点? 哪个波段?比例尺、航高、投影性质?等 等。大多卫星遥感像片上印有各种注记, 能说明图像的来源、性质等。

应清楚了解的是图像的几何分辨力、 辐射分辨力、光谱波段的个数和波长区 间、时间重复性、像片的反差、最小灰 度和最大灰度等。

例如
MSS-4波段,对清澈的浅水透射能力较强,可 用于10-15m深的湖水和近海的水深探测,对 于描绘浅滩和暗礁很有利 MSS-5波段用于人文方面的判读较有利,如城 市、道路、新建区、采石场,因红色光散射较 小,有这些地物的地区图像反差较好。MSS-5 对混浊水,如泥沙注入清沏湖水现象显示也很 清楚,还对地貌和地质体的显示较清楚。 MSS-6和MSS-7强调植物、水和陆地的边界以 及土地类型等。

4 判读仪器和设备 像片判读设备一般用于三个基本目的: 像片观察、像片量测和像片转绘 像片观察设备比较简单,一般可用放 大镜和各种立体镜,在彩色合成仪和伪 彩色密度分割判读分析仪上观察更好。

立体变焦缩放判读转绘仪

目视判读大多在计算机屏幕上进行, 用影像合成、叠加、融合及增强等各种 手段,使影像上的信息显示得特别清楚, 在与地图叠加时可比较和分析,进行修 测和更新,也可直接用鼠标在屏幕上绘 图.

目前大多软件中可以建立注记层,矢 量层或专题层,将影像放在背景上,直 接利用工具箱中的各种功能将判读结果 绘在透明的注记层、矢量层或专题层上

二 判读的一般过程 1、发现目标 根据图上显示的各种特征和地物的判 读标志,先大后小,由易入难,由已知 到未知,先反差大的目标后反差小的目 标,先宏观观察后微观分析等,并结合 专业判读的目的去发现目标。

有些地物或现象应通过使用间接判读 标志的方法来识别。 直接的判读标志+间接判读标志 识别。 例如:矿藏的遥感探测,要通过一些地质 构造类型、地貌类型、土壤类型甚至植 物生长的变异状态等间接标志来推断。

2、描述目标 发现的目标,应从光谱特征、空间特征、时 间特征等几个方面去描述。因为各种地物的这 些特征都各不相同,通过描述,再与标准的目 标特征比较,就能判读出来。 将描述的标准目标特征,分门别类地列记下 来,形成一览表,即建立判读标志,作为判读 的依据。

3、识别和鉴定目标 识别: 利用已有的资料、对描述的目标特征, 结合判读员的经验,通过推理分析(包 括必要的统计分析)将目标识别出来

1)对比分析 对比分析包括多波段、多时域图像、 多类型图像的对比分析和各判读标志的 对比分析。

2)综合分析

综合分析主要应用间接判读标志、已有的 判读资料、统计资料,对图像上表现得很不明 显,或毫无表现的物体、现象进行判读。

间接判读标志之间相互制约、相互 依存。根据这一特点,可作更加深入细 致的判读。 如:对已知判读为农作物的影像范围,按 农作物与气候、地貌、土质的依赖关系, 可以进一步区别出作物的种属

3)参数分析
参数分析是在空间遥感的同时,测定 遥感区域内一些典型物体(样本)的辐 射特性数据、大气透过率和遥感器响应 率等数据,然后对这些数据进行分析, 达到区分物体的目的。

这些数据判定未知物体属性可从两个方面 进行。 其一,用样本在图像上的灰度与其他影像块比较, 凡灰度与某样本灰度值相同者,则与该样本同 属性; 其二,由地面大量测定各种物体的反射特性或发 射特性,然后把它们转化成灰度。然后根据遥 感区域内各种物体的灰度,比较图像上的灰度, 即可确定各类物体的分布范围。

鉴定: 1) 野外选择一些试验场进行鉴定,或用 随机抽样方法鉴定。鉴定后要列出判读 正确与错误的对照表,最后求出判读的 可信度水平 2)利用地形图或专用图在确认没有变化, 图上可靠的区域对判读结果进行鉴定 3)还可以使用一些统计数据加以鉴定。

4、清绘和评价目标 图上各种目标识别并确认后应清绘成 各种专题图。对清绘出的专题图可量算 各类地物的面积,估算作物产量和清查 资源等,经评价后提出管理、开发、规 划等方面的方案。

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作业: 1、名词解释:空间分辨率、非监督分类 2、遥感图像处理软件的基本功能有哪些? 3、试综述数字图像处理的应用领域。

第13讲
课 题 :遥感影像目视判读举例 目的要求:熟悉景物特征和判读标志,尤其是光谱特 征及空间特征。 重 点 :掌握不同影像的判读方法 难 点 :多光谱影像和侧视雷达影像的判读 教学课时:2课时 教学方法:授课为主、鼓励课堂交流 本次课涉及的学术前沿:遥感影像的解译

§10-3 遥感图像目视判读举 例
一单波段像片的判读 对于单波段的可见光、近红外像片,从其色调 特征和空间特征来分析判读。 1黑白像片可结合空间特性来分析 2 采用图像增强方法
如反差增强能使不同亮度地物间的灰度差拉大, 区分类别就较容易,对于空间特征可用边缘增强来突 显地物的轮廓。

3 密度分割并用伪彩色技术来增强

上海地区2米全色影像

苏州市MSS-7 卫星图像和经密度分割增强后的伪彩色图像

黄海和东海的气象卫星热图像及其密度分割后的伪彩色图像

二热红外像片的判读 红外像片灰度与辐射功率成函数关系, 因此也就与温度和发射率的大小有直接 的关系,其中与温度的关系更密切。 热红外像片除了关心色调特征和空间 特征外,特别要注意其时间特征

红外像片

图2 凌晨4:00成像

图1 午后13:00成像

三多光谱像片的判读 对于多光谱像片可以使用比较判读 的方法,将多光谱图像与各种地物的光 谱反射特性数据联系起来,达到正确判 读地物的属性和类型。 1彩色(假彩色)合成 2地物的光谱响应曲线

上海地区8米多光谱影像

8米分辨率(城市规划)

南京市假彩色卫星影像(MSS7、5、4)

可见光

外近红

草和沥青无法区分, 水泥和土壤的色调也十分接近

草与水泥的色调又十分相近,无法区分, 沥青和土壤的色调也比较接近。

多光谱卫星影像处理、分析、辨识的 主要研究內容包括: 影像融合 特征提取 区块分割 材质分析 地貌比对

湖州市 spot5 NDVI波段、第一主成分波段、全色波段合成的影像

纹理区块分割

雪峰附近北大河岩群遥感影像解译图

野马滩岩体遥感影像解译图

野牛台岩体

黄河三角洲潮沟解译图

黄河三角洲滩涂开发利用现状图

四 侧视雷达像片的判读 1 侧视雷达图像的色调与地物特性的关系: 1) 与入射角有关 由于地形起伏和坡向不同,造成雷达波入 射地面单元的角度不同。朝向飞机方向的坡面 反射强烈,朝天顶方向就要弱些,背向飞机方 向反射雷达波很弱,甚至没回波。没回波的地 区称为雷达盲区。

地形起伏与反射强度的关系

几何特征

2) 与地面粗糙程度有关 地面地物微小起伏如果小于雷达波波长, 则可看成“镜面”,镜面反射雷达波很少返回 到雷达接收机中,因此显得很暗; 当地面微小起伏大于或等于发射波长时会 产生漫反射,雷达接收机接收的信号比镜面反 射强。 另外一种称为“角隅反射”,其反射波强 度更大,如下图所示。

各种表面的反射

3)与地物的电特性有关 一切物体的电特性量度是复合介 电常数。这个参数是各种不同物质 的反射率和导电率的一种指标。
当然地物的电特性应与其它引起色调 变化的因素结合起来分析。如水面很平 坦时,造成镜面反射,反射波还是很弱。

一般金属物体导电率很高,反射雷 达波很强,如金属桥梁、铁轨、铝金属 飞机等。水的介电常数为80,对雷达波 反射也较强,地面物体不同的含水量将 反映出不同的反射强度。含有不同矿物 的岩石,有不同的介电常数,在雷达影 像上能显示出来。

2 侧视雷达图像的几何特征和其它特征

西藏东南山区雷达图像

2002.8

RADARSAT-1影像28米分辨率

ERS-1. 影像




30米分辨率的ERS-1 and ERS-2 获得的高程图

A:SAR影像分类图

C:TM影像

TM

B:SAR影像

D:IRS影像

五 多时域图像的判读 在遥感中利用遥感影像判读和监测地 面的动态变化是十分有效的。利用这种 动态变化还可以进一步识别地面物体的 性质和作定量分析。

36天以后负片

36天以后正片 两个时间的MSS图像叠合提取洪水淹没区范围

冬小麦各生长阶段的波谱特性

棉花等生长日历反射率变化

大豆和玉米不同生长期的二维反射率变化模式

图(a)为太原市郊晋词地区 79年5.1日的MSS卫片图像, 该地 区种植水稻 。5月份水稻田灌水 与晋阳湖水面的色调相近为红色, 都有水的特征 1979年10月23日的卫片上 (见图(b))这个地区只有晋阳湖 仍为红色,水的特征。水稻已成 熟收割,无水的迹象。 两个时期的像片相对照, 就能绘出水稻面积,再根据水稻 单产,可估算出水稻总产量。 (b)上中间河流为汾水,它的 右上方为太原市,①所示的淡青 色地区为菜地。

崇明岛冲淤变化对比图

作业:
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1、名词解释:植被指数、中值滤波、区 域分割、图像的分类 2、什么是直接判读标志?什么是间接判 读标志? 3、试论述数字图像处理的基本特点。


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