卫星遥感概念与图示

发布时间：2011-04-02 15:02:25 来源：文档文库

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卫星遥感中可见光波段常出现以下几个概念

1、反射率：是指任何物体表面反射阳光的能力。这种反射能力通常用百分数来表示。比如说某物体的反射率是45%，这意思是说，此物体表面所接受到的太阳辐射中，有45%被反射了出去.英文表示：Reflectance

2、地表反射率：地面反射辐射量与入射辐射量之比，表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力。反射率越大，地面吸收太阳辐射越少；反射率越小，地面吸收太阳辐射越多，表示：surface albedo

3、表观反射率：表观反射率就是指大气层顶的反射率, 辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率，简称表观反射率，又称视反射率。英文表示为：apparent reflectance

4、行星反射率：行星反射率就是表观反射率。英文表示：planetary albedo

5、反照率：反照率是指地表在太阳辐射的影响下，反射辐射通量与入射辐射通量的比值。它是反演很多地表参数的重要变量，反映了地表对太阳辐射的吸收能力。英文表示：albedo；它与反射率的概念是有区别的：反射率（reflectance)是指某一波段向一定方向的反射，因而反照率是反射率在所有方向上的积分；反射率是波长的函数，不同波长反射率不一样，反照率是对全波长而言的。

6、光谱匹配(spectral matching)：将从遥感图像中提取的地物光谱与地面实测光谱或光谱数据库中的标准光谱作比较,根据其相似性识别地物或地物成分的方法,主要用于高光谱或成像光谱的地物识别中。光谱匹配可以对整个光谱进行比较,也可以从光谱曲线中提取一些特征参数。主要方法有：①阈值法；②交错相关光谱匹配；③光谱角度制图；④光谱编码匹配；⑤波形分析方法。

7．辐亮度
　　尽管辐射强度能够描述点源辐射在空间指定方向上的角密度，但是这个量不适用于扩展源。因为对于扩展源(比如天空)，无法确定探测器对辐射源所张的立体角。而且，即使在给定某个立体角时，扩展源的辐射功率不仅与立体角的大小有关，而且还与源的发射表面积和观测方向有关。所以此时必须按下列方式定义一个新的辐射量来描述扩展源的辐射功率在空间或源表面上的分布特性。这就是辐亮度。

8、校正与配准：校正和影像配准原理是一样的，几何校正是借助一组地面控制点，对一幅图像进行地理坐标的校正；把影像纳入一个投影坐标系中，有坐标信息地理参考；影像配准是用一影像对另一幅图像的校准，一式两幅图像的同名像元配准

几何校正是指消除或改正遥感影像几何误差的过程。遥感影像的几何畸变，大体分为两类：①内部畸变。由传感器性能差异引起，主要有：比例尺畸变（a），可通过比例尺系数计算校正；歪斜畸变（b），可经一次方程式变换加以改正；中心移动畸变（c），可经平行移动改正；扫描非线性畸变（d），必须获得每条扫描线校正数据才能改正；辐射状畸变（e），经2次方程式变换即可校正；正交扭曲畸变（f），经3次以上方程式变换才可加以改正；②外部畸变。由运载工具姿态变化和目标物引起。包括：由运载工具姿态变化（偏航、俯仰、滚动）引起的畸变，如因倾斜引起的投影畸变（g），可用投影变换加以校正；因高度变化引起的比例尺不一致（h），可用比例尺系数加以改正；由目标物引起的畸变，如地形起伏引起的畸变（i），需要逐点校正；若因地球曲率引起的畸变（j），则需经2次以上高次方程式变换才能加以改正。多光谱、多时相影像配准和遥感影像制图，必须经过上述几何校正。因人们已习惯于用正射投影地图，故多数遥感影像的几何校正以正射投影为基准进行。

配准是指同一区域内以不同成像手段所获得的不同图像图形的地理坐标的匹配。包括几何纠正、投影变换与统一比例尺三方面的处理。在多时相、多信息的复合综合分析时常需进行各种配准处理。是产生一个空间校准集合或匹配某一区域图像的过程。一般步骤为：①选取同名地物控制点；②输入计算机，实现控制点的相应配准。即作几何纠正、投影变换和比例尺配准处理。配准方法有：①相互配准。以多图像的一个分量作为参考图像，其它图像与其配准；②绝对配准。即定义一个控制格网，使所有图像与其配准。此外，在多光谱影像进行彩色合成时，必须进行不同波段影像的配准，以保证相同景物的有关像元能一一对应。

辐射校正（radiometric correction）是指对由于外界因素，数据获取和传输系统产生的系统的、随机的辐射失真或畸变进行的校正，消除或改正因辐射误差而引起影像畸变的过程。

遥感影像产生辐射误差（即灰度失真）的因素主要有：①大气对电磁波辐射的散射和吸收；②太阳高度与传感器观察角的变化；③地形起伏引起的辐射强度变化；④传感器探测系统性能差异，如光学系统或不同探测器在灵敏度、光谱响应和透光性能上的差异；⑤影像处理，如摄影处理等。影像灰度失真与影像空间频率有关。空间频率愈高，即目标愈小时，辐射误差愈大。辐射校正实际上是影像恢复（或称复原）的一个内容。校正方式有两类：①传感器辐射校正。通常采用内部校准光源和校准楔，如陆地卫星多光谱扫描仪的辐射校正；②影像辐射畸变校正。常采用物理或数学（校正曲线或各种算法）方法，如空间滤波、平滑化，校正各种灰度失真及疵点、灰点、条纹、信号缺失等分布在整个影像上的离散形式的辐射误差。其中大气影响的校正还可通过实测反射辐射通量和影像密度，并对数据进行回归分析来进行校正。

几何配准 geometric registration

将不同时间、不同波段、不同遥感器系统所获得的同一地区的图像(数据)，经几何变换使同名像点在位置上和方位上完全叠合的操作。

双向反射率BRDF的定义

物体表面对电磁波的反射有三种形式：

" 镜面反射(mirror reflection)

反射能量集中在一个方向，反射角=入射角

" 漫反射(diffuse reflection)

整个表面都均匀地向各向反射入射光称为漫反射

" 方向反射(directional reflection)

介于漫反射和镜面反射之间，各向都有反射，

但各向反射强度不均一。

实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗糙表面。当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的中心的2π空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。漫反射又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。

介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射，也称非朗伯反射。产生方向反射的物体在自然界中占绝大多数，即它们对太阳短波辐射的散射具有各向异性性质。当遥感应用进入定量分析阶段，我们必须抛弃“目标是朗伯体”的假设。

目前大部分应用还都采用朗伯近似。

描述方向反射不能简单用反射率表述，因为各方向的反射率都不一样。

对非朗伯体而言，它对太阳短波辐射的反射、散射能力不仅随波长而变，同时亦随空间方向而变。

所谓地物的波谱特征是指该地物对太阳辐射的反射、散射能力随波长而变的规律。地物波谱特征与地物的组成成份，物体内部的结构关系密切，通俗讲地物波谱特征也就是地物的颜色特征。

而地物的方向特征是用来描述地物对太阳辐射反射、散射能力在方向空间变化的，这种空间变化特征主要决定于两种因素，其一是物体的表面粗糙度，它不仅取决于表面平均粗糙高度值与电磁波波长之间的比例关系，而且还与视角关系密切。

设波长为λ，空间具有δ分布函数的入射辐射，从 (θ0，φ0) 方向，以辐射亮度L0 (θ0，φ0，λ)投射向点目标，造成该点目标的辐照度增量为dE (θ0，φ0，λ) = L0 (θ0，φ0，λ) cosθ0 dΩ。传感器从方向(θ，φ)观察目标物，接收到来自目标物对外来辐射dE的反射辐射，其亮度值为dL (θ，φ，λ)。

则定义双向反射率分布函数：

双向反射率分布函数（BRDF）的物理意义是：来自方向地表辐照度的微增量与其所引起的方向上反射辐射亮度增量之间的比值。

这样定义的BRDF为什么可以恰当地表达地物的非朗伯体特性呢？

众所周知，在现实世界中投射到地物表面上的辐射能量往往有两部份组成，即来自太阳的直射辐射与天空散射辐射，而传感器在方向上测得的辐射亮度是空间入射辐射场的综合效应，它不仅与该点地物的反射特性有关，而且与辐射环境（即入射辐射亮度的空间分布函数）有关。

为了摆脱辐射环境的影响，我们采取两个措施：其一，设定入射辐射场为δ分布函数，其二，采用比值形式。

这样定义的 f 有如下三个特点：

" 与辐射环境无关，它仅与该地物的反射辐射特性有关，并且具有的 (Sr)-1 因次。

" 它是θ0，φ0， θ，φ，λ 五个自变量的函数，在2π空间中无论是入射还是反射均有无穷多个方向。（从概念上说要完整地表达一个物体的非朗伯体特性需要有无穷多个测量数据，而且这组无穷多个测量数据仅与一个具体对象相联系，例如对某一棵树的BRDF测量结果一般不同于对另一棵树的测量结果。实际上它使得对物体的非朗伯体的描述几乎成为不可能。所以重要的问题是能否对一类地物建立一种模型，从无穷多个测量数据集中找到一组个数有限的子集，它足以表征这类地物共同的对入射辐射的反射、散射特性，并且它与这类地物的空间结构特征有着稳定的函数关系，我们把这样的特殊子集称之为这类地物的方向谱。）