影机、多光谱摄影机等。 3.3.2扫描成像类型 1.光学一机械扫描仪光学一机械扫描（简称光机扫描）成像系统， 一般在扫描仪的前方 安装可转动的光学镜头，并依靠机械传动装置使镜头摆动，形成对地面目标的逐点逐行扫描。 遥感器光谱分辨率依赖于不同分光器和探测元件，其辐射分辨率取决于探测元件的灵敏度。在 光机扫描所获得的影像中，每条扫描带上影像宽度与图像地面分辨率分别受到总视场和瞬时视 场的影响。总视场(FOV)是遥感器能够受光的范围，决定成像宽度。解时视场角(IFOV)决定 了每个像元的视场。 一般说来，瞬间视场角对应的地面分辨单元是一个正方形，该正方形是瞬 间视场角对应的地表面积。严格说来，光机扫描中瞬间视场角对应的每个像元是个矩形。光机 扫描成像时每一条扫描带都有一个投影中心，一幅图象由多条扫描带构成，因此遥感影像为多 中心投景影。每条扫描带上影像的几何特征服从中心投景影规律，在航向上影像服从垂直投景影规律 2.推帚式扫描仪推帚式扫描采用线列（或面阵）探测器作为敏感元件，线列探测器在垂 直于飞行方向上做X向排列，当飞行器向前飞行完成Y向扫描时，线列探测器就向刷子扫地 一样实现带状扫描，推帚式扫描由此而得名 与光学一机械扫描相比，推帚式扫描代表了更为 先进的遥感器扫描方式。它具有感受波谱范围宽、元件接受光照时间长，无机械运动部件， 统可靠性高、噪声低、畸变小、体积小、重量轻、动耗小、寿命长等一系列优点。 SPOT卫星 上搭的高分率传成毁(HV)采用就是推帚式扫描系转 SPOT图像上空间分由相红 光敏元件中心、占间石确定（衡孝分 卫星在标准轨道高度上飞行时，SPOT图像上像 素分辨率在全色波段为13微米 多光谱波段为26微米，对应地面分辨率分别为10×10和 0×90平方米 其空间分辨率高于陆地卫星上的图像。 p0-5卫于009年5日 日晚上由阿里亚娜4型火箭送入太空。 它与前4颗SPOT卫星相比， sP0T-5卫右较 并推带有新的仪设名 ①高分雄立休成俊仪 这是新增加的最重要的 仪器设备 它能同时获取两幅图像，因此可用于制作更为确的地形图和高程图 成像位 可把全色图像分 ③植被相机， 几乎每天司 图像的分辨率为 3.3.3成像光谱仪 谣领域中 、波段 的新型遥园 同时 特征值随着波段 愈接近于连续波谱曲 ,这种既能成像 获取目标光谱曲线的 谱修 的技术称 成 文不 妆该周 的遥感器称 这类成像 光谱仪 的特点 探测器 间 像元的凝视 间增加 可以提高系统 或空间分辨率 可见光波段 由于目前器件成 成程度高 光谱维的分 可以提高到 的水 仪器体 比较 目前在可 近红外 语 很 足敏度 还不理想， 红外暂时不可能。具有代表性的面阵推帚型机载成像光谱仪是加拿大的CASI系 ,中国研伟 的成像光谱仪PI也属于这种类型。成像光谱仪影像的光谱分辨率高，每个成像波段的宽度可 以精确到0.01m,有的甚至到0.001m。成像光谱仪获得的数据不是传统意义上某个多光谱 波段内辐射量的总和，它可以看成是对地物连续光谱中抽样点的测量值。一些在宽度波段遥感 中不可探测的物质，在高光谱遥感中有可能被探测出来。 3.3.4微被成像系统 在电磁波谱中，波长在1m到1m的波段范用称为微波。微波遥感是研究微波与地物相互 作用机理以及利用微波遥感器获取来自目标地物发射或反射的微波辐射，并进行处理分析与应 用的技术。微波遥感分为主动微波遥感与被动微波遥感。微波成像系统主要以成像雷达为代表， 它属于主动微波遥感。 (I)真实孔径侧视雷达(Real Aperture Radar,RAR)孔径(aperture)的原 意是光学相机中打开快门的直径。在成像雷达中沿用这个术语，含义变成了雷达天线的尺寸
12 影机、多光谱摄影机等。 3.3.2 扫描成像类型 1. 光学－机械扫描仪 光学一机械扫描（简称光机扫描）成像系统，一般在扫描仪的前方 安装可转动的光学镜头，并依靠机械传动装置使镜头摆动，形成对地面目标的逐点逐行扫描。 遥感器光谱分辨率依赖于不同分光器和探测元件，其辐射分辨率取决于探测元件的灵敏度。在 光机扫描所获得的影像中，每条扫描带上影像宽度与图像地面分辨率分别受到总视场和瞬时视 场的影响。总视场 (FOV) 是遥感器能够受光的范围，决定成像宽度。瞬时视场角 (IFOV) 决定 了每个像元的视场。一般说来，瞬间视场角对应的地面分辨单元是一个正方形，该正方形是瞬 间视场角对应的地表面积。严格说来，光机扫描中瞬间视场角对应的每个像元是个矩形。光机 扫描成像时每一条扫描带都有一个投影中心，一幅图象由多条扫描带构成，因此遥感影像为多 中心投影。每条扫描带上影像的几何特征服从中心投影规律，在航向上影像服从垂直投影规律。 2. 推帚式扫描仪 推帚式扫描采用线列（或面阵）探测器作为敏感元件，线列探测器在垂 直于飞行方向上做 X 向排列，当飞行器向前飞行完成 Y 向扫描时，线列探测器就向刷子扫地 一样实现带状扫描，推帚式扫描由此而得名。与光学－机械扫描相比，推帚式扫描代表了更为 先进的遥感器扫描方式。它具有感受波谱范围宽、元件接受光照时间长，无机械运动部件，系 统可靠性高、噪声低、畸变小、体积小、重量轻、动耗小、寿命长等一系列优点。 SPOT 卫星 上搭载的高分辨率传感器（ HRV ）采用就是推帚式扫描系统。 SPOT 图像上空间分辨率由相邻 光敏元件中心点间距确定 ( 像素分辨率 ) ，卫星在标准轨道高度上飞行时， SPOT 图像上像 素分辨率在全色波段为 13 微米， 多光谱波段为 26 微米，对应地面分辨率分别为 10×10 和 20×20 平方米，其空间分辨率高于陆地卫星上的 TM 图像。 SPOT-5 卫星于 2002 年 5 月 3 日 晚上由阿里亚娜 4 型火箭送入太空。 它与前 4 颗 SPOT 卫星相比， SPOT-5 卫星有较大 改进，并携带有新的仪器设备。其中包括： ① 高分辨率立体成像仪，这是新增加的最重要的 仪器设备，它能同时获取两幅图像，因此可用于制作更为精确的地形图和高程图； ② 两台高分辨率几何成像仪，通过把 2 张 5 米 分辨力图像相叠加的技术，可把全色图像分 辨力提高到 2.5 米 分辨率； ③ 植被相机，几乎每天可实现全球覆盖，图像的分辨率为 1 千 米 。 3.3.3 成像光谱仪 成像光谱仪是遥感领域中的新型遥感器，它把可见光、红外波谱分割成几十个到几百个波 段，每个波段都可以取得目标图像，同时对多个目标图像进行同名地物点取样，取样点的波谱 特征值随着波段数愈多愈接近于连续波谱曲线。这种既能成像又能获取目标光谱曲线的 “ 谱像 合一 ” 的技术称为成像光谱技术，按该原理制成的遥感器称为成像光谱仪。 这类成像光谱仪 的特点是，探测器积分时间长，像元的凝视时间增加，可以提高系统灵敏度或空间分辨率；在 可见光波段，由于目前器件成熟，集成程度高，光谱维的分辨率也可以提高到 1—2nm 的水平； 成像部件无需机械运动，仪器体积比较小。目前在可见光、近红外波段，此类成像光谱仪很多， 有的已经达到商品化的水平。其主要不足之处是，受器件限制，短波红外灵敏度还不理想，热 红外暂时不可能。具有代表性的面阵推帚型机载成像光谱仪是加拿大的 CASI 系统，中国研制 的成像光谱仪 PHI 也属于这种类型。成像光谱仪影像的光谱分辨率高，每个成像波段的宽度可 以精确到 0.01mm ，有的甚至到 0.001mm 。成像光谱仪获得的数据不是传统意义上某个多光谱 波段内辐射量的总和，它可以看成是对地物连续光谱中抽样点的测量值。一些在宽度波段遥感 中不可探测的物质，在高光谱遥感中有可能被探测出来。 3.3.4 微波成像系统 在电磁波谱中，波长在 1mm 到 1m 的波段范围称为微波。微波遥感是研究微波与地物相互 作用机理以及利用微波遥感器获取来自目标地物发射或反射的微波辐射，并进行处理分析与应 用的技术。微波遥感分为主动微波遥感与被动微波遥感。微波成像 系统主要以成像雷达为代表， 它属于主动微波遥感。 （ 1 ）真实孔径侧视雷达（ Real Aperture Radar ， RAR ） 孔径（ aperture ）的原 意是光学相机中打开快门的直径。在成像雷达中沿用这个术语，含义变成了雷达天线的尺寸
真实孔径侧视雷达 是按雷达具有的特征来命名的 它表明雷达采用真实长度的天线接收地物 射 持西 在 的实现方 去中 脉冲 生最优的 用发射的 最窄的 距离是沿达平台的航迹测量的，雷达通过 天线发射微波波束，微波波束的方向是垂直 侧形成窄长的 “条辐射带。 波束遇到地物后发生后向散射， 雷达 上的接收机通过 雷达天线按时间顺序先后接收到后向散射信号， 并按次序记录下后问能量的强度 计算机算出距离分辨率。方位与距离保持垂直， 方位分辨率与波束锐度成正比关系。正如光 系统需要大的透镜或镜像来获得较优分辨率一样，工作在它们极低频率上的雷达也需要较大的 天线或孔径来产生高分辨率的微波图像。 (2)合成孔径侧视雷达(Synthetic Aperture Radar SAR)合成孔径雷达就是利用雷边 与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一个较大的等效天线孔径 的雷达。合成孔径雷达是对真实孔径侧视雷达(RAR)的技术创新的产物。 利用合成孔径替 代真实孔径，提高雷达的方位向分辨率。合成孔径的设计思想就是通过一定的信号处理方法， 使得合成孔径宙达的等效孔径长度相当于 个很长的真实孔径宙达的天线。由于合成孔径等日 目标处于同波束内雷达所行进的距离，因此它是 个虚拟的天线长度，合成孔径雷达提高了方 位分辨率。通讨合成孔径技术可以提高方位分辨率，但无法解决距离分辨率提高的问颗。距盛 分辨率是根据区分相邻两点之间的回波延时和多普勒频移来实现的。于是RAR和SAR利用到 性调频技术，解决时带的矛盾，进而提高距离分辨率。目前，加拿大Radarsat卫星提供的SAR 图象已经进入商业运营。Radarsat-1卫星于1995年11月4日发射成功，设计寿命5年， 至今仍在正常运行】 Radarsat-2计划在近期内发射。卫星高度790~800km,倾角98.5 太阳同步轨道，雷达采用C波段（波长5.6cm),册极化，波束入射角在0~60°范围内 可调，用户可根据应用要求和地形条件选择合适的角度来获取图像。宽束模式Scan SAR可以 降低分辨率而得以频繁地获取同一地区的图像。不同成像模式为用户提供分辨率从10咖到 O0m的图像数据，以便于用户将Radarsat数据与其他传感器数据进行复合。 第四节遥感构像的几何特征 3.4.1分幅式航空摄影仪构像的几何特征 分幅式航空摄影仪拍摄的航空照片是对于地面点的中心投影像片。所谓中心投影，就是平 面上各点的投影光线均通过一个固定点（投影中心或透视中心），投射到一平面（投影平面） 上形成的透视关系。 3.4.2全景摄影机构像的几何特征 在全景摄影机构像中，随着物镜筒的转动，地表物体在后方向弧形胶片上聚焦成像。对于 每条狭缝的形成，其几何关系等效于一个画幅式航空摄影机沿旁向倾斜一个扫描角（后，以 中心线(y=0)成像的情况，同样，多光谱扫描仪获取的影象也存在投影变形。由于在动态扫 描的情况下 其构像方程都是对应于一个扫描瞬间（相对于某二象素武 一条扫描线)而建 的，不同成像瞬间的传感器外方位元素可能各不相同，因而相应的变形误差方程式只能表达该 扫描瞬间像幅上相应点、线所在位置的局部变形，整个图像的变形将是所有瞬间局部变形的综 △士里 3.4.3连续航带缝隙式摄影机构像的几何 连续航带缝隙摄母影机垂直干航行方向 当飞行器以速度向前运行时，感光底片也同时以速 显形成 影像。连续 影乐田的对 方向垂直 其构像的几何形态头 垂直成像 ,线列推最式谣感器与连续航带隙 式摄 属于中心投影 在航向上属于以时间为参数的正射投影 式遥感器，但此时，附加构 式摄影机构 线方程和附加构像 表扫描行间隔的 而不代表卷片速度 3.4.4侧视成象雷达构像的几何特征
13 真实孔径侧视雷达，是按雷达具有的特征来命名的，它表明雷达采用真实长度的天线接收地物 后向散射并通过侧视成像。 RAR 工作原理 在最简单的实现方法中，距离分辨率是利用发射的 脉冲宽度或持续时间来测定的，最窄的脉冲能产生最优的分辨率。在典型的二维微波图像中， 距离是沿雷达平台的航迹测量的，雷达通过天线发射微波波束，微波波束的方向是垂直于航线 方向，投在一侧形成窄长的一条辐射带。波束遇到地物后发生后向散射，雷达上的接收机通过 雷达天线按时间顺序先后接收到后向散射信号，并按次序记录下后向能量的强度，在此基础上 计算机算出距离分辨率。方位与距离保持垂直，方位分辨率与波束锐度成正比关系。正如光学 系统需要大的透镜或镜像来获得较优分辨率一样，工作在它们极低频率上的雷达也需要较大的 天线或孔径来产生高分辨率的微波图像。 （ 2 ） 合成孔径侧视雷达 (Synthetic Aperture Radar ， SAR) 合成孔径雷达就是利用雷达 与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一个较大的等效天线孔径 的雷达。合成孔径雷达是对真实孔径侧视雷达（ RAR ）的技术创新的产物。 利用合成孔径替 代真实孔径，提高雷达的方位向分辨率。合成孔径的设计思想就是通过一定的信号处理方法， 使得合成孔径雷达的等效孔径长度相当于一个很长的真实孔径雷达的天线。由于合成孔径等于 目标处于同波束内雷达所行进的距离，因此它是一个虚拟的天线长度，合成孔径雷达提高了方 位分辨率。 通过合成孔径技术可以提高方位分辨率，但无法解决距离分辨率提高的问题。距离 分辨率是根据区分相邻两点之间的回波延时和多普勒频移来实现的。于是 RAR 和 SAR 利用线 性调频技术，解决时带的矛盾，进而提高距离分辨率。目前，加拿大 Radarsat 卫星提供的 SAR 图象已经进入商业运营。 Radarsat-1 卫星于 1995 年 11 月 4 日发射成功，设计寿命 5 年， 至今仍在正常运行， Radarsat-2 计划在近期内发射。卫星高度 790～800km ，倾角 98.5°， 太阳同步轨道，雷达采用 C 波段（波长 5.6cm ）， HH 极化，波束入射角在 0～60°范围内 可调，用户可根据应用要求和地形条件选择合适的角度来获取图像。宽束模式 Scan SAR 可以 降低分辨率而得以频繁地获取同一地区的图像。不同成像模式为用户提供分辨率从 10m 到 100m 的图像数据，以便于用户将 Radarsat 数据与其他传感器数据进行复合。 第四节 遥感构像的几何特征 3.4.1 分幅式航空摄影仪构像的几何特征 分幅式航空摄影仪拍摄的航空照片是对于地面点的中心投影像片。所谓中心投影，就是平 面上各点的投影光线均通过一个固定点（投影中心或透视中心），投射到一平面（投影平面） 上形成的透视关系。 3.4.2 全景摄影机构像的几何特征 在全景摄影机构像中，随着物镜筒的转动，地表物体在后方向弧形胶片上聚焦成像。对于 每条狭缝的形成，其几何关系等效于一个画幅式航空摄影机沿旁向倾斜一个扫描角 θ 后，以 中心线（ y=0 ）成像的情况，同样，多光谱扫描仪获取的影象也存在投影变形。由于在动态扫 描的情况下，其构像方程都是对应于一个扫描瞬间（相对于某一象素或某一条扫描线）而建立 的，不同成像瞬间的传感器外方位元素可能各不相同，因而相应的变形误差方程式只能表达该 扫描瞬间像幅上相应点、线所在位置的局部变形，整个图像的变形将是所有瞬间局部变形的综 合结果。 3.4.3 连续航带缝隙式摄影机构像的几何特征 连续航带缝隙摄影机垂直于航行方向，当飞行器以速度 向前运行时，感光底片也同时以速 度 同向卷动，从而使底片被缝隙连续暴光形成航带影像。连续航带缝隙式摄影机摄影所用的狭 窄缝隙与飞行器的飞行方向垂直，在每条缝隙曝光的瞬间，其构像的几何形态为中心投影，在 垂直成像条件下， CCD 线列推帚式遥感器与连续航带缝隙式摄影机成像方式相同，影象在旁向 属于中心投影，在航向上属于以时间为参数的正射投影，因此，连续航带缝隙式摄影机构像共 线方程和附加构像方程同样适用于 CCD 线列推帚式遥感器，但此时，附加构像方程中的 vf 代 表扫描行间隔的电子采样记录速度，而不代表卷片速度。 3.4.4 侧视成象雷达构像的几何特征
侧视雷达采用斜距投影，它与摄像机中心投影方式完全不同。其构像方程根据侧视雷达工 作方式分为以下两种：平面扫描斜距构像方程和圆锥扫描斜距构像方程，由侧视雷达构像方程 可知：侧视雷达在方位向和距离向用不同的方法记录影像。在方位向上，当地物目标通过照射 波束时，雷达记录一个特征条带：在距离向，雷达测量从飞机到地形目标的距离。在侧视雷达 构成的微波影像中，RAR真实孔径雷达分辨率是由成象雷达的斜距分辨率和方位向分辨率决定 的，它们分别由脉冲的延迟时间和波束宽度来控制。对于合成孔径雷达来说，微波影像方位向 分辨率与波束宽度和多普勒频移的识别精度等有关。这点不同于摄影成象的分辨率与扫描影像 的分辨率。 3.4.5立体观测构俊 目前，在已发射和计划发射的一些遥感卫星具备立体观测功能（主要的立体观测卫星及观 测参数见表3-11)，早期立体观测与航空立体摄影相似，用摄影机进行，如Spac©lab上的 RKA30/23相机和SIS一41G次航天飞机上的LFC大像幅相机的立体摄影。后来在航天遥感 使用的CCD相机上附加能左右步进旋转的平面镜，可以在相邻轨道间进行立体摄影（旁向倾斜 摄影)。由于邻轨在不同日期过境，时间、时间、光照、姿态的差异及气象条件的制约，往往 要求的时间内很难获得理想的立体像对。一些卫星开始利用二台或多台CCD相机进行同轨立体 观测（前后向），将CCD相机设计成前视、下视和后视（或平面镜前后步进式旋转）， 卫星 培时捧取二幅百相间能物成立体的影像。除了以上立体卫是外，雷卫星可以通相同轨道的 重复观测，或者在不同轨道的观测来获取同 -地区影像也可以构成立体模型成像（注意：光学 立体成像是视觉意义上的)，这部分可以参阅第六章InSAR和D-InSAR有关内容
14 侧视雷达采用斜距投影，它与摄像机中心投影方式完全不同。其构像方程根据侧视雷达工 作方式分为以下两种：平面扫描斜距构像方程和圆锥扫描斜距构像方程，由侧视雷达构像方程 可知：侧视雷达在方位向和距离向用不同的方法记录影像。在方位向上，当地物目标通过照射 波束时，雷达记录一个特征条带；在距离向，雷达测量从飞机到地形目标的距离。在侧视雷达 构成的微波影像中，RAR 真实孔径雷达分辨率是由成象雷达的斜距分辨率和方位向分辨率决定 的，它们分别由脉冲的延迟时间和波束宽度来控制。对于合成孔径雷达来说，微波影像方位向 分辨率与波束宽度和多普勒频移的识别精度等有关。这点不同于摄影成象的分辨率与扫描影像 的分辨率。 3.4.5 立体观测构像 目前，在已发射和计划发射的一些遥感卫星具备立体观测功能（主要的立体观测卫星及观 测参数见表 3-11 ），早期立体观测与航空立体摄影相似，用摄影机进行，如 Spacelab 上的 RMKA30/23 相机和 SIS － 41G 次航天飞机上的 LFC 大像幅相机的立体摄影。后来在航天遥感 使用的 CCD 相机上附加能左右步进旋转的平面镜，可以在相邻轨道间进行立体摄影（旁向倾斜 摄影）。由于邻轨在不同日期过境，时间、时间、光照、姿态的差异及气象条件的制约，往往 要求的时间内很难获得理想的立体像对。一些卫星开始利用二台或多台 CCD 相机进行同轨立体 观测（前后向），将 CCD 相机设计成前视、下视和后视（或平面镜前后步进式旋转），卫星过 境时获取三幅互相间能构成立体的影像。 除了以上立体卫星外，雷达卫星可以通过相同轨道的 重复观测，或者在不同轨道的观测来获取同一地区影像也可以构成立体模型成像（注意：光学 立体成像是视觉意义上的），这部分可以参阅第六章InSAR和D-InSAR有关内容
第四章遥感图像处理 谣感技术的目的县为了获得地物的几何属性和物理属性。原始的谣成图像并不能地提供实 现这个日的所需的准确而完的条件。为了实现这个日的，原谣成影像需要经时图像外理 来消除成像过程中的误差，改善图像质量 谣感图像处理包括以下几个阶段：图像的校正（预 处 划俊的分类。 所采用的手段有： 光学图像处理和数字图修 处理两种方法。 本章重 握几何校正与图象变换方 第一节谣感图像的校正 由于遥感成像过程中多种因素 使器成图像质的意成。成图像款的正处到 就是消除遥感图像因辐射度失真 气消光和几何畸变等造成的图像质量的衰减。 遥感图像质 量衰减 ]原因和作用结果都不相同，因此一般采用不同的校正处理方法 4. 感图像辐射失真或辐射畸变进行的图象校正。由于这种校正是通过纠正辐射亮度的 办法来实现 因 畸变的因素()由遥感器的灵敏度特性引起的辐射失真（②）太 高度及地形引起的辐射失真 是分析辐射失真的过程，建立 是利用实地测量的地物的真实辐射值，寻找实测值与失真之后的图像之间的经验函数关系 从而得到辐射校正的方法。显然，第一种校正方法是与失真过程有关的，第二种校正方法是与 失真过程无关的： 4.1.2大气校1 为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正，称作大气校正。 1、 影响遥感图像辐射失真的大气因素(1)大气的消光（吸收和散射）(2)天空 光（大气散射）照射(3)路径辐射 2、 大气校正方法常用的大气校正方法有两类。 一类为基于理论模型的方法，该方法必 须建立大气辐射传递方程，在此基础上近似地求解。另一类方法为基于经验或统计的方法，如 回归分析方法。利用大气辐射传输方程来建立大气校正模型在理论上是可行的。实现精确的大 气校正，必须找到每个波段像元亮度值和地物反射率的关系。这需要知道模型中成像时刻气溶 胶的密度、水汽的浓度等大气参数。在现实中， 一般很难得到这些数据，需要专门的观测来准 确地测量这些数据，因此其方法应用受到一定限制。 413几何校正 1.几何校正校正遥感图像成像过程中所造成的各种几何畸变称为几何校正。影响图像几 何畸变的因素主要包括： 1)湿感器的内部畸变： 由遥感器结构引起的畸变，如遥感器扫 描运动中的非直线性等。 (2)遥感平台的运行状态：包括由于平台的高度变化、速度变化 轨道信移及路态变化引起的图像略变」 (3)地球本身对遥感图像的影响：包括地球的自转 高程的变化、地球曲率等引起的图像畸变。几何校正包括几何粗校正和几何精校正。 的方右西轴 函数（改为过程），用此逆函数（改为过程）求得遥感图像畸变前的图像。 是利用实地测 的地物的真实坐标值， 寻找实测值与畸变之后的图像之间的函数关系，从而得到几何校正的方 法。实际工作中常常将两种方法结合起来 2几何校正的方法 般地面站提供的遥感图像数据都经过几何粗校正，因此这里主要介 。该方法包括两个步骤： 步是构建 个模拟几何 以建立原始畸变图 畸变的数学模型 对应关 :不同图传 关系把原始 中 完成标准图像空间中每 一像元亮度值的 现两 不图像 即直接转换法与重采样法 直接转 换法从原 的转换通常有 法， 1 空 白像元 罗出发
15 第四章 遥感图像处理 遥感技术的目的是为了获得地物的几何属性和物理属性。原始的遥感图像并不能地提供实 现这个目的所需的准确而完备的条件。为了实现这个目的，原始遥感影像需要经过图像处理， 来消除成像过程中的误差，改善图像质量。 遥感图像处理包括以下几个阶段：图像的校正（预 处理），图像的变换，图像的增强，图像的分类。所采用的手段有：光学图像处理和数字图像 处理两种方法。 本章重点是掌握几何校正与图象变换方法。 第一节 遥感图像的校正 由于遥感成像过程中多种因素影响，致使遥感图像质量的衰减。遥感图像数据的校正处理 就是消除遥感图像因辐射度失真、大气消光和几何畸变等造成的图像质量的衰减。遥感图像质 量衰减产生的原因和作用结果都不相同，因此一般采用不同的校正处理方法。 4.1.1 辐射校正 针对遥感图像辐射失真或辐射畸变进行的图象校正。由于这种校正是通过纠正辐射亮度的 办法来实现的，因此称作辐射校正。 1 、造成遥感图像辐射畸变的因素 (1) 由遥感器的灵敏度特性引起的辐射失真 (2) 太阳 高度及地形引起的辐射失真 2 、辐射校正的方法 总的来说，辐射校正的方法有两种：一是分析辐射失真的过程，建立 辐射失真的数学模型，然后对此数学模型求逆过程，用此逆过程求得遥感图像失真前的图像； 二是利用实地测量的地物的真实辐射值，寻找实测值与失真之后的图像之间的经验函数关系， 从而得到辐射校正的方法。显然，第一种校正方法是与失真过程有关的，第二种校正方法是与 失真过程无关的。 4.1.2 大气校正 为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正，称作大气校正。 1 、 影响遥感图像辐射失真的大气因素 （ 1 ）大气的消光（吸收和散射） （ 2 ）天空 光（大气散射）照射 （ 3 ）路径辐射 2 、 大气校正方法 常用的大气校正方法有两类。一类为基于理论模型的方法，该方法必 须建立大气辐射传递方程，在此基础上近似地求解。另一类方法为基于经验或统计的方法，如 回归分析方法。 利用大气辐射传输方程来建立大气校正模型在理论上是可行的。实现精确的大 气校正，必须找到每个波段像元亮度值和地物反射率的关系。这需要知道模型中成像时刻气溶 胶的密度、水汽的浓度等大气参数。在现实中，一般很难得到这些数据，需要专门的观测来准 确地测量这些数据，因此其方法应用受到一定限制。 4.1.3 几何校正 1. 几何校正 校正遥感图像成像过程中所造成的各种几何畸变称为几何校正。影响图像几 何畸变的因素主要包括： （ 1 ）遥感器的内部畸变：由遥感器结构引起的畸变，如遥感器扫 描运动中的非直线性等。 （ 2 ）遥感平台的运行状态：包括由于平台的高度变化、速度变化、 轨道偏移及姿态变化引起的图像畸变。 （ 3 ）地球本身对遥感图像的影响：包括地球的自转、 高程的变化、地球曲率等引起的图像畸变。 几何校正包括几何粗校正和几何精校正。几何校正 的方法有两种：一是分析几何畸变的过程，建立几何畸变的数学模型，然后对此数学模型求逆 函数（改为过程），用此逆函数（改为过程）求得遥感图像畸变前的图像。二是利用实地测量 的地物的真实坐标值，寻找实测值与畸变之后的图像之间的函数关系，从而得到几何校正的方 法。实际工作中常常将两种方法结合起来。 2. 几何校正的方法 一般地面站提供的遥感图像数据都经过几何粗校正，因此这里主要介 绍一种通用的精校正方法。该方法包括两个步骤：第一步是构建一个模拟几何畸变的数学模型， 以建立原始畸变图像空间与标准图像空间的某种对应关系，实现不同图像空间中像元位置的变 换；第二步是利用这种对应关系把原始畸变图像空间中全部像素变换到标准图像空间中的对应 位置上，完成标准图像空间中每一像元亮度值的计算。 实现两个图像空间的转换通常有两种方 法，即直接转换法与重采样法。 （ 1 ）直接转换法 从原始畸变图像空间中的像元位置出发
建立空间转换关系，确定每个像元在标准图像空间中的正确位置。（②）重采样法该方法的特 点是用标准图像空间中的像元点G位置反求其在原始畸变图像空间的共轭点F(化，Y),然后再 利用某种方法确定这一共轭点的灰度值，并把共轭点的灰度值赋给标准图像空间对应点g 重采样法能够保证校正空间中网格像元呈规则排列，因而是最常用的几何精校正方法之一。 线性内插法比与最近邻法相比，计算量增加了，但提高了精度，改善了灰度不连续现象及线状 特征的块状化现象。其缺点是这种方法对图像起到平滑作用，使图像变得模糊。由于这种方法 计算量和精度适中，因而常常被采用。(3)双三次卷积内插法该方法采用一元三次多项式 来近似函数。从理论上讲，函数是最佳的插值函数，它考虑到原始畸变图像空间中共轭点周围 其它像元对共轭点灰度值都有各自的贡献，并认为这种贡献随着距离增加而减少。为了提高内 插精度，双三次卷积内插法采用共轭点周围相邻的十六个点来计算灰度值，这种一元三次多项 式内插过程实际上是一种卷积运算，放称为双三次卷积内插。该方法的优点是内插获得好的图 像质量，细节表现更为清楚。但位置校正要求更准确，对控制点选取的均匀性要求更高。其缺 占是救据计算最大 第二节图像变换 谣感图像数据量很大，直接在空间域中讲行处理，涉及计算量很大。因出，往往采用各和 图像变换的方法对图像讲行外理。 在图像外理中，堂常将图像从空间域转换到另一种域，利用 文种域的特性来快速」 方便地处理或分析图像（如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理） 将空间域的处理转换为变换域的处理， 不仅可少计算最 而日可得更右效的处理 理结果需要再转换到空间域。这种转换过程称为图像变换。 遥感影像处理中的图像变换不仅是 数值层面上的空间转换，每一种转换都有其物理层面上的特定的意义。遥感图像处理中的图像 使立叶换 沃尔什变换 K-换 这里主要介绍傅立叶变换、 亦场知亦三轴方 4.2.1傅立叶变换 傅立叶变换是图像处理中最常用的变换 的傅立叶变换 的傅立叶变 般函数f(x》 标准函数的 权求和 权函数亦即 ,设f是R上的 值或复值 则 事征图由 度变化剧烈程度的指标 是灰 度在 平面空间上的梯度 如 :面积的沙漠在图像中 片灰度变化缓慢的区域 对应的频 值很低：而对于地表属 家 图像中是 片灰度变化刷 的区 此的 率值较高 立叶变换在实际中 常明 的物理 意又· 设f 量有限 模信号 其傅 的 纯粹的数学意 叶变换 到频 周阴函女率线装到空回吸。热可双，得琴的物理义是将图像的灰度布函殿 果看，傅立叶 换是将图像从空间域 是将图像从 变换为图像的频率分布函数，傅立叶逆变换是将图像的频率分布函数变换为灰度分布函数。 、傅立叶变换的实现方法傅立叶变换的实现方法有两种： 是光字图像处理万式 数字图像处理方式。(1)光学傅立叶变换（②）数字图像处理中的傅立叶变换由于运算过程中 傅立叶变换的指数部分是周期重复的，充分利用这一特性可减少计算步骤，加快计算速度，由 此发展出了 套快速傅立叶变换算法。现在的数字图像处理普遍采用这种算法。傅立叶变换在 图像平滑、边缘增强、去噪声、纹理分析等图像处理和分析中有重要应用，这将在下 一节图像 增强中详细介绍。 4.2.2K-1变换 K-L变换在遥感图像处理中又称作主成份分析或主分量分析。遥感多光谱影像波段多， 些波段的遥感数据之间有不同程度的相关性，造成了数据冗余。K-L变换的作用就是保留主要 信息，降低数据量，从而达到增强或提取某些有用的信息的目的。从几何意义来看，变换后 的主分量空间坐标系与变换前的多光谱空间坐标系相比，旋转了一个角度，而且新的坐标系的
16 建立空间转换关系，确定每个像元在标准图像空间中的正确位置。 (2) 重采样法 该方法的特 点是用标准图像空间中的像元点 G 位置反求其在原始畸变图像空间的共轭点 F(X,Y) ，然后再 利用某种方法确定这一共轭点的灰度值 ，并把共轭点的灰度值赋给标准图像空间对应点 g 。 重采样法能够保证校正空间中网格像元呈规则排列，因而是最常用的几何精校正方法之一。 双 线性内插法比与最近邻法相比，计算量增加了，但提高了精度，改善了灰度不连续现象及线状 特征的块状化现象。其缺点是这种方法对图像起到平滑作用，使图像变得模糊。由于这种方法 计算量和精度适中，因而常常被采用。 （ 3 ）双三次卷积内插法 该方法采用一元三次多项式 来近似函数。从理论上讲， 函数是最佳的插值函数，它考虑到原始畸变图像空间中共轭点周围 其它像元对共轭点灰度值都有各自的贡献，并认为这种贡献随着距离增加而减少。为了提高内 插精度，双三次卷积内插法采用共轭点周围相邻的十六个点来计算灰度值，这种一元三次多项 式内插过程实际上是一种卷积运算，故称为双三次卷积内插。该方法的优点是内插获得好的图 像质量，细节表现更为清楚。但位置校正要求更准确，对控制点选取的均匀性要求更高。其缺 点是数据计算量大。 第二节 图像变换 遥感图像数据量很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。因此，往往采用各种 图像变换的方法对图像进行处理。在图像处理中，常常将图像从空间域转换到另一种域，利用 这种域的特性来快速、方便地处理或分析图像（如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理）， 将空间域的处理转换为变换域的处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理，有时处 理结果需要再转换到空间域。这种转换过程称为图像变换。遥感影像处理中的图像变换不仅是 数值层面上的空间转换，每一种转换都有其物理层面上的特定的意义。遥感图像处理中的图像 变换主要有：傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换、小波变换、 K-L 变换、 KT 变换等。 这里主要介绍傅立叶变换、 K-L 变换和 KT 变换三种方法。 4.2.1 傅立叶变换 傅立叶变换是图像处理中最常用的变换。它是进行图像处理和分析的有力工具。 1 、傅立叶变换的数学定义 传统的傅立叶变换是一种纯频域分析，它可将一般函数 f(x) 表示为一簇标准函数的加权求和，而权函数亦即 f 的傅立叶变换。设 f 是 R 上的实值或复值 函数，则 f 为一能量有限的模拟信号，具体定义如下： 一维傅立叶变换. 2 、图像傅立叶变换的物理意义 图像的频率是表征图像中灰度变化剧烈程度的指标，是灰 度在平面空间上的梯度。如：大面积的沙漠在图像中是一片灰度变化缓慢的区域，对应的频率 值很低；而对于地表属性变换剧烈的边缘区域在图像中是一片灰度变化剧烈的区域，对应的频 率值较高。 傅立叶变换在实际中有非常明显的物理意义，设 f 是一个能量有限的模拟信号， 则其傅立叶变换就表示 f 的谱。从纯粹的数学意义上看，傅立叶变换是将一个函数转换为一系 列周期函数来处理的。从物理效果看，傅立叶变换是将图像从空间域转换到频率域，其逆变换 是将图像从频率域转换到空间域。换句话说，傅立叶变换的物理意义是将图像的灰度分布函数 变换为图像的频率分布函数，傅立叶逆变换是将图像的频率分布函数变换为灰度分布函数。 3 、傅立叶变换的实现方法 傅立叶变换的实现方法有两种：一是光学图像处理方式，一是 数字图像处理方式。(1) 光学傅立叶变换 (2) 数字图像处理中的傅立叶变换 由于运算过程中 傅立叶变换的指数部分是周期重复的，充分利用这一特性可减少计算步骤，加快计算速度，由 此发展出了一套快速傅立叶变换算法。现在的数字图像处理普遍采用这种算法。傅立叶变换在 图像平滑、边缘增强、去噪声、纹理分析等图像处理和分析中有重要应用，这将在下一节图像 增强中详细介绍。 4.2.2 K-L 变换 K-L 变换在遥感图像处理中又称作主成份分析或主分量分析。遥感多光谱影像波段多，一 些波段的遥感数据之间有不同程度的相关性，造成了数据冗余。 K-L 变换的作用就是保留主要 信息，降低数据量，从而 达到增强或提取某些有用的信息的目的。 从几何意义来看，变换后 的主分量空间坐标系与变换前的多光谱空间坐标系相比，旋转了一个角度，而且新的坐标系的