1、目 录第 10 章 遥感图像的分析解译 .110.1 遥感图像的解译原理 .110.2 遥感资料概述 .210.2.1 遥感资料的种类 .210.2.2 遥感影像的一般性质 .710.2.3 数字图像的性质与特点 .910.3 遥感影像的解译标志 .1210.3.1 直接解译标志 .1210.3.2 间接解译标志 .1510.3.3 解译标志的可变性 .1610.4 遥感图像的目视解译方法 .1610.4.1 遥感资料的选择及影像处理 .1610.4.2 目视解译的原则和方法 .1710.4.3 目视解译的程序 .181第 10 章 遥感图像的分析解译遥感仪器自空中获得大量的地面目标的信息数据
2、，通过电磁波或磁带回收等的方式传送回地面，由地面接收站截获并加以记录。地面站收到的遥感信息必须通过适当的处理才能加以利用。将接收到的原始遥感数据加工制成可供观察和分析的可视图像和数据产品，这一过程称为遥感信息处理。根据所获得的遥感影像和数据资料，从中分析出人们感兴趣的地面目标的形态和性质，这一过程称为遥感图像解译。遥感图像的解译就是根据图像的几何特征和物理性质，进行综合分析，从而揭示出物体或现象的质量和数量特征，以及它们之间的相互关系，进而研究其发生发展过程和分布规律，也就是说根据图像特征来识别它们所代表的物体或现象的性质。遥感图像是按一定的几何原理缩小了的地面的电磁辐射影像图，反映着地面客观
3、的自然面貌，为我们提供了可以俯视和能够测量的地理区域。因此，通过对遥感图像的分析解译就可达到对地物进行认识和研究的目的。10.1 遥感图像的解译原理遥感的理论基础是建立在不同目标物的电磁波特征及其时空分布规律上的。遥感图像的成像过程是将地物的电磁辐射特性，用不同的成像方式形成各种图像，即地物(原型) 图像(模型)成 像 方 式 （ 几 何 属 性 ） ）电 磁 波 特 性 （ 物 理 属 性遥感图像形成的理论基础是物体的电磁辐射，即物体通过它们的电磁波能量来产生图像。图像解译（Interpretation）是指从图像获取信息的基本过程，即根据各专业(部门)的要求，借助各种技术手段和方法对遥感图
4、像进行综合分析、比较、推理和判断，识别出所需要的地物或测算出某种数量指标的过程。解译的过程就是成像的逆过程，即图像(模型) 地物(原型)形 状 大 小 （ 几 何 性 质 ） ）灰 度 或 色 调 （ 物 理 性 质其原理是：具体说来，解译就是从图像特征来判断电磁波的性质和空间分布，进而确定地物的属性，也就是从图像特征识别地物。所以，进行遥感图像的解译工作，必须要有一定的遥感物体的性质 电磁波能量 影像特征影像特征 电磁波谱 物体性质2图像和地面实况资料。遥感信息的解译方法有多种，根据解译信息的特征，可分为定性解译和定量解译；根据解译的技术和方法，可分为目视解译和自动化解译；根据解译内容，可分
5、为一般解译和专题解译等。其中最基本的解译方法是目视解译。所谓目视解译就是借助于简单的工具如放大镜、立体镜、投影观察器等，直接由肉眼来识别图像特性，从而提取有用信息，即人把物体与图像联系起来的过程。因此解译时，除了要有上面所述的遥感资料和地面实况资料外，解译者还需要有解译对象的基础理论和专业知识，掌握遥感技术的基本原理和方法，并且有一定的实际工作经验。目视解译的质量高低最后就取决于人（解译人员的生理视力条件和知识技能） 、物（物体的几何特性、电磁波特性） 、像（图像的几何、物理特性）三个因素的统一程度，即：应该指出，目视解译是遥感图像光学处理和自动解译技术的基础，遥感图像光学处理和自动解译技术是
6、深入和提高解译水平必不可少的技术，其处理结果仍然需要专业人员的目视鉴定。因此，这三种解译方法各有所长，应配合使用。10.2 遥感资料概述10.2.1 遥感资料的种类利用安装在遥感平台上的各种电子和光学遥感器，在高空或远距离处，可以接收到来自地面或地面以下一定深度的地物辐射或反射的电磁波信息，这些电磁波信息经过各种信息处理技术，可以加工处理成能解译的遥感影像或计算机用的数字图像。这种反映地物性质、数量和动态特征的遥感影像或计算机用的数字图像都是遥感资料，最常用的遥感资料是航空像片和卫星数字图像。遥感资料可分为影像资料和非影像资料两大类。各种传感器所获得的以影像形式记录下来的遥感信息均属遥感影像资
7、料。它包括各种地面遥感影像资料、航空和航天遥感影像资料，其形式有黑白正、负透明片和彩色透明片、黑色和彩色像片等。有的遥感信息不是以影像形式，而是以数字或图表形式表现出来，故称非影像数据资料，例如扫描传感器记录的数据磁带、地物光谱测试资料等都，其中反映影像信息的是数字图像。影像和磁带是遥感资料的两种主要形式。遥感图像直观逼真，便于目视定性解译，是最常用的遥感资料；遥感图像主要包括摄影像片、扫描图像和雷达图像以及经过影响增强处理所得到的各种图像。磁带数据精确，便于电子计算机定量运算和识别，可以大大提高解译速度及精度，不过需要一定的技术条件才能应用。影像可以通过模数转换(A/D)变成目视解译地面实况
8、与环境背景资料遥感图像和解译技术解译目标的基础理论和专业知识地学知识和分布规律 3数字记录到磁带上去；磁带上的数字也可以通过数模转换(D/A)变成模拟光点记录到胶片或像纸上去。所以，影像和磁带上的数字图像是相互联系、密切配合并可互相转化的两类基本的遥感资料，同时运用影像和磁带两种资料，可以取长补短，不至于丢损或少丢信息。1 遥感影像凡是只记录各种地物的电磁波振幅大小的胶片(或像片) ，都称为遥感影像。它包括：常规摄影成像的可见光黑白像片和彩色像片，非常规摄影成像的紫外摄影像片、红外彩色摄影像片和多波段摄影像片，此外还包括非摄影图像资料如用各种类型扫描仪成像的单谱段影像( 如紫外、红外、被动微波
9、影像和雷达影像 )和多波段扫描影像，以及数字磁带回放制作的影像(如“Landsat”的 MSS 和 TM 影像)。(1)摄影像片（Photograph）摄影像片是指各种航空航天摄影仪对地面物体拍摄，直接在感光材料上记录的影像。包括可见光全色黑白片，近红外黑白片，多波段黑白片，彩色片和假彩色片，都是直接在感光胶片上记录地物的光像。胶片上的感光材料是由 0.11大小的微粒所组成的，这个数量级相当于光波（0.322.5）的波长。因此在光学透镜成像时，物点与像点是点点对应连续记录的像平面。即记录在胶片上的像点的光分布或光强分布是连续的二维函数。若设像平面上各点的坐标为（、） ，影像的灰度为，则灰度是坐
10、标的函数，即g（、）称为灰度的空间分布函数。表达式为：（x、y）（uv）expi2（uxvy） dudv （10）式中（u、v）为（x、y）的付里叶变换。(2)扫描影像（Imagery）扫描影像是指各种航空航天扫描仪所获取的影像，即经过光电转换将光像、热像、微波像转换为光点，并在胶片上扫描而形成的影像，包括热红外扫描片，微波扫描片，多波段黑白扫描片，假彩色扫描片等。这种影像在扫描方向上是连续的，而扫描线的行与行之间是不连续的。设像平面上各点的坐标为（s，p） ，其中为扫描方向，为飞行方向，则影像的灰度也是坐标的函数，即（s，p） ，不过该空间分布函数在方向上是连续的，在方向上是离散的，即（s，
11、p）（u，v）expi2（usvp） duv （10）(3)数字化影像从数字磁带回放出来的影像，每一个数据对应一个像元，因此，在像平面（s、p）内，影像的灰度分布是离散的，即：（s，p）（u，v）expi2（usvp）uv （10）就成像机制而论，摄影像片主要取决于地物对可见光和近红外的反射特性；热红外影像主要取决于地物温度的差异；雷达影像是人工发射的无线电回波的图像。这是各具特点的三类基本的遥感影像。此外还有一种遥感影像即波带片，是既记录电磁波的振幅又记录电磁波的位相的胶片，合成孔径雷达记录的图像就是波带片。波带片不能直接看到地物的像，还需经过激光再现，4才能获得高分辨率的二维影像。2 遥感
12、磁带凡是不直接在胶片上光学成像的传感器系统，当它的探测系统输出视频电压信号时，都可以记录在磁带上，即使已经在胶片上的光像，也可以将它模拟化或数字化，再记录到磁带上去。磁带有两种：一种是模拟磁带，一种是数字磁带。(1)模拟磁带模拟磁带与录音磁带、录像磁带的原理一样。遥感传感器往往在探测系统中输出光象、热象、微波象、超声波象等电压信号，因此也可以把各种遥感信息的电压记录到磁带上去。由于探测系统输出的电压信号是按时序的电压曲线，每一条成像扫描线对应一条电压曲线，因此记录在磁带上的磁信息也是模拟电压曲线。回放时，模拟磁带可以复原为电压曲线。模拟磁带是一种暂时记录的工具。本来从探测系统输出的电压信号是可
13、以直接通过电光转化变成光信号，然后聚焦扫描成像的。但为了减轻平台的负载（特别是卫星遥感） ，使传感器的结构简单轻便，而且能记录大量信息，因此用模拟磁带来做暂时记录工具，这样电光转化系统及扫描成像系统可以放在地面接收站来工作。在卫星平台上，模拟磁带记录的信号，可以定期地用微波通讯发射回地面接收站，磁带又可以记录新的信号而抹去旧的信号。由此可见，模拟磁带可以重复地多次使用，记录并传递大量信息。(2)数字磁带探测系统输出的电压信号，经过一个模数转换器(A/D)，对电压曲线分段读数，然后把这些数据记录在磁带上，即成为数字磁带。回放时，数字磁带要经过数模转换(D/A)，将离散的数据连接成电压曲线，再经电
14、光转化，聚焦扫描成像。同样，数字磁带也是一种暂时记录工具，但这种工具比模拟磁带大大地前进了一步。数字磁带比影像资料具有更多的优点。它能直接送入（或经过磁带机转换以后送入）电子计算机进行各项数据处理，并能进行自动识别、自动分类和自动制图。它的缺点是不能直观看到影像，但经过数模转换就可再现为影像资料。具体地说来，不同的计算机兼容磁带具有不同的应用价值。粗制 MSS 计算机兼容磁带已加入辐射测量标准数据，适于作影像亮度数据分析；精致的计算机兼容磁带因几何精度高，适用于精确的定位和制图。目前，航天遥感信息的存在形式主要是数字，数字主要还是存储在磁带上，而数字磁带又分两种：一是高密度数字磁带，二是计算机
15、兼容磁带。高密度数字磁带(简称 HDDT) 每一英寸磁带上可记录 104 位以上二进制数据的数字磁带。由于遥感影像的信息量相当大，要用 HDDT 来记录。在这样短距离内要记录万位以上数据，只有采用并行记录格式。因此，这种数字磁带不能直接输入计算机，必须经过一个磁带转换机，将高密度磁带转换成计算机兼容磁带。计算机兼容磁带(简称 CCT) 一种记录遥感图像数据的计算机数字磁带。具有可靠、灵活、保真度高、处理精确等优点。是图像处理必不可少的设备。一般每卷 CCT 磁带的长度为 731.2 米，磁带宽 12.7 毫米，厚 0.05 毫米，磁带为 9 道，即 8 位数据加一位奇偶校验位，这里的每一位系指
16、二进制位。常用的磁带密度有三种，见表 10-1。密度以 BPI（Bits per inch，每一英寸字位数）表示，由于遥感图像数据量相当大，数据处理中心提供给用户的磁带为 1600BPI 和 6250BPI。5一般而言，计算机兼容磁带（CCT）和胶片是遥感信息资料产品的两个主要类型（按记录介质分） 。数据处理中心将接收站送来的高密度数字磁带首先处理成 CCT，然后根据需要，将有关 CCT 磁带数据经过数/模（D/A）转换，生产出各种胶片和像片。表 10-1 常用磁带密度记录密度 每卷最大存贮量 备注800 2.3107字节1600 4.6107字节6250 18107字节遥感技术中使用CCT
17、磁带的两头分别有磁带开始标志 BOT（Beginning of Tape）和磁带终止标志EOT（End of Tape） ，其格式称为 LGSOWG 格式（Landsat Ground Station Operation Working Group） 。一般 CCT 包括卷目录文件（Volume Directory File） ，HAAT 文件（The Header ncillary Annotation and Tailer File）和图像数据文件，磁带的最后还有一个零卷目录文件（ull Volume Directory File） 。3 影像上的灰度与磁带上的数据无论是光学模拟产生的影像
18、还是磁带回放的数字化影像，都记录了地物的反射或发射的电磁辐射信息，即记录地物的电磁辐射的强度和分布。我们用一个二维光强度函数f(x,y)表示在像面坐标（x,y）处，函数 f 的值就是该点上图像上的光强度（亮度） ，函数f(x,y)通常被定义在一个矩形范围内，称为一幅图像。影像上的黑白色调通常用灰度(gray)表示,所以将坐标（x,y）处的单色图像 f 的强度称为该点图像的灰度值。像片上每一个单元的灰度 g 是地物三维空间坐标(X，Y，Z)、电磁波波段( )和成像时间(t)的函数，即g=f(X，Y，Z， ，t) （ 10-4）在某一特定时间，在若干波段上测量的图像集合，称为多光谱图像；而在一个特
19、定的波段上，不同时间获取的图像，称为多时域图像。如图 10-1，绘出了通常采用的图像坐标系统的取向：X 轴指向图像行数增加的方向，Y 轴指向图像列数增加的方向。函数 fi(x,y)在空间任一位置上具有 P 个灰度数值，构成一个 P 维向量，称之为多维图像元素或像元（Pixel） 。一幅遥感影像实际上是各种不同的灰阶在二维平面上的分布，所谓灰阶即灰度的等级。从原则上讲界于黑白之间的灰度可以分成无数等级，但实际应用中常分为有限个灰度等级灰阶。影像上的灰度与磁带上的数据是一一对应的。XY12p 波段 时间 t序号 1,2,P图 10-1 图像坐标系统的取向6(1)辐射量与灰度遥感影像上的灰度是模拟地
20、物的辐射量模型，以 Landsat 的 MSS 影像为例，表102 为部分地物的反射率，其取值介于，该反射率被记录在影像上就是灰度，也就是说灰度值是介于之间的数值。若为黑色，为白色，则介于之间的灰度是连续的，且可取任意多个等级。表 10-2 地物的反射率地物 MSS:0.50.6m MSS:0.60.7m MSS:0.70.8m MSS:0.81.1m雪 0.89 0.92 0.90 0.85湿沙土 0.10 0.13 0.11 0.18干粘土 0.08 0.10 0.35 0.50凝灰岩 0.48 0.49 0.50 0.53柳树 0.40 0.34 0.48 0.51深水 0.08 0.0
21、6 0.04 0.02(2)灰阶与磁带数字由于数字磁带是以二进制为基础记录影像灰度的，因此灰度的等级也要按二进制来划分灰阶，例如 Landsat 的 HDDT 记录 28256 个灰阶，而 CCT 记录 27128 个灰阶或2664 个灰阶。要将地物反射率或发射率转换成灰阶，就要进行适当的数字变换。令反射率(或发射率)最大值等于 255，最小值为 0，再用内插法将其余反射率灰阶化，便可得到记录到磁带上去的数字，内插一般用线性，也可用非线性内插。线性内插灰度值计算公式为：gx（2550） （p xp min）/(p maxp min) （105）式中 gx 为任一地物在任一波段上的灰度值，p x
22、 为任一地物在任一波段上的反射率，p max 为最大反射率，p min 为最小反射率，将表 10-2 中的数字代入上式，逐个计算，可得到表 10-3,这些数值都是介于 0255 之间的正整数，便于记录到每个像元为位的磁带上去。表 10-3 影像的灰度数值地物 MSS:0.50.6m MSS:0.60.7m MSS:0.70.8m MSS:0.81.1m雪 246 255 249 235湿沙土 23 31 25 45干粘土 17 23 93 136凝灰岩 130 133 136 144柳树 108 91 130 139深水 17 11 6 0经过灰阶化的辐射量就可以直接记录到数字磁带上，这种数字
23、磁带资料就是遥感数字图像。回放数字影像磁带时，输出的即为影像上对应像元的灰度值。如果将灰阶从 8 转换到 7，只要两级并一级就可以完成，实际上仍需按（10-4 ）式计算，这里不再赘述。710.2.2 遥感影像的一般性质1投影类型通常使用的地形图是正射投影，其投影线是垂直平行线；而影像是一种中心投影，投影线从一固定点(投影中心)出发，见图 10-2。由图可见正射投影的影像为物体顶部的平面形象，各像点间的距离只与相应物点间的水平距离有关，而与物体的高低起伏和投影距离无关，图中 A、B 两点的投影点重合为一点 a。中心投影则不然，其影像为物体的侧面形象，各像点间的距离随物体的高低起伏和投影距离而变化
24、，图中 A、B 两点的象点为 a,b。2 比例尺遥感影像的比例尺是一幅影像上两点之间的距离与地面上相应距离的比值。当地面平整时，其比例尺 1/m 应为焦距 f 与航高 H 的比值：（10-6）Hfm1当地面起伏不平时，设高差为 h，其比例尺为：（10-7）f由此可见，同一张遥感影像上各点的比例是不同的。影像的比例尺取决于：）成像的高度（） ，一般比例尺与其成反比。）遥感装置的视场角（） ，比例尺与其成反比。焦距（）与比例尺成正比。）复制影像时的放大系数。由于采用地球卫星和高空飞机获得影像，因而就改变了过去关于航空遥感影像的比例尺的概念。目前遥感影像所采用的大、中、小比例尺的划分相似于过去地形图
25、比例尺的划分，即：小比例尺：比例尺500 000中比例尺：比例尺500 00050 000大比例尺：比例尺50 0003 影像的色调和灰度由遥感系统检出的一个物体所反射、发射或散射的各个波段的电磁辐射在强度方面的变化在黑白影像上表现为灰度的变化，灰度对人眼所产生的响应就是明度，明度是一种只能大致确定的主观感觉。色调则是电磁辐射强度变化在彩色影像上的表现，它取决于物体的属性、成像方式和影像处理过程。影像的色调和灰阶主要反映地物的性质，二者之间的关系如表 10-4。图 10-2 正射投影与中心投影比较8表 10-4 影像的色调和灰阶与地物性质之间的关系波 段 0.3m2.5m 35m,814m m
26、m，cm 等微波色调或灰阶 反映物体的化学成份， 例如岩性等 反映地物的发射率和温度， 以及与温度有关的因素 反映地物的介电常数、 导电性能等4 影像反差影像反差的一种定义是影像最亮和最暗部分之间的比值，常用来表示： max min （10） max 是影像上最大亮度值， min 是影像上最小亮度值。注意：当 max min 时，； min时，是无穷大。除了描述一整幅画面以外，反差也可用来描述一物体与相邻背景之间的亮度比值。反差在确定辨别和检出目标的能力方面是一项极为重要的因素。具有低反差的影像是单调的，近于均一的灰色色调“冲洗过”似的，低反差可能由于下述原因引起：）构成地面的各种物体和背景在
27、遥感系统所记录下来的波长谱段上可能具有近于一致的电磁响应，换句话说，画面本身具有一个低反差比。）大气对电磁辐射的散射能降低一幅影像的反差，这一影响在摄影遥感谱段的较短波长部分最为明显。）遥感系统对于检出和记录地面反差可能缺乏足够的灵敏度。不正确的记录技术也可能导致低反差图像，尽管实际上有极高的反差。低反差的图像不论其原因何在，都能够通过摄影和数字图像处理方法加以改进，即所谓的影像增强。5 影像的分辨率影像的分辨率是指组成影像的最小单元像元的大小和像元的灰阶或色标可以区分的最小差异，像元的大小称为影像的几何分辨率，像元可取的最小灰度差 ，称为影像的灰度分辨率。(1)几何分辨率几何分辨率包括空间分
28、辨率，影像分辨率和地面分辨率三种情况。空间分辨率是指传感器收集系统的最小鉴别角(角分辨率)或瞬时视场角 o，影像分辨率是指影像上像元的大小或影像上每毫米长度内所能分辨出的线条数，它由空间分辨率和胶片分辨率决定。而地面分辨率则是影像上能被分辨出的地面线度或面积，也即像元所应对的地面线度，所以它由像元大小和影像比例尺所决定，像元越小，比例尺越大，地面分辨率愈高。对一定的遥感影像，地面分辨率是一定值，不随影像的缩放变化，但影像分辨率则发生变化。注意：人眼能分辨影像上单位长度内的线条数的能力称为人眼分辨率，与影像和地面分辨率不同，人眼有时能分辨出像元，有时则不行，要视像元大小而定。随着影像的缩放，像元
29、大小也跟着缩放，即影像分辨率发生变化，但地面分辨率不变，信息量不能增加。下面以 Landsat 的 Mss 为例来说明影像分辨率、地面分辨率与人眼分辨率（105） 。9表 105 Mss 的影像分辨率、地面分辨率与人眼分辨率像幅（mm 2） 比例尺人眼分辨率线对毫米每幅能分辨的像元数影像分辨率 750 万幅像元数像元点大小 S,P(m)地面分辨率m255551851853703707407401336 万1100 万150 万125 万2752757.5 万92592585 万18501850342 万370037001369 万172357791141582283165579(2)灰度分辨率
30、在不同波段，用不同传感器获得的影像灰度很不相同，在光场范围内反映了不同结构的地物对相同波长的光具有不同的反射率，在热场范围内反映了地物亮度温度的差异；在微波场范围内则反映了各地物的介电常数等等。在可见光波段，摄影成像的灰度是连续的，分级是人为的，可分为 23、2 4、2 52n 级，但受仪器的限制，目前最好的密度计10，即可分为 1024 级。光机扫描成像，则受探测器灵敏度的制约，如 Landsat 产生的 CCT 磁带所记录的密度分为 27128。热红外波段，由仪器的灵敏度和探测率决定，可量测的亮度温度范围为 TB(1)到 TB(2)之间，例如-1050，亮度温度的分辨率为 TB，设 0.1
31、，则用 9512 级的灰阶来对应亮度的分辨率是有意义的，若 ，则只能用 564 级，更精细的划分就失去了意义。(3)几何分辨率与灰度分辨率的关系从表面上看几何分辨率和灰度分辨率可以不断提高，但实际上对于一定的传感器来讲两者是相矛盾的，要提高几何分辨率就是要缩小瞬时的地面视场。敏感元件所接收到的辐射功率也就随之而减少，接收到的辐射率小，影像上的灰度等级就不可能多，即灰度分辨率就要降低。在应用过程中，有时为了提高几何分辨率而牺牲灰度分辨率，有时为了提高灰度分辨率而牺牲几何分辨率，当然只有提高探测器的灵敏度来使二者都有所提高。10.2.3 数字图像的性质与特点1 遥感数字图像遥感数字图像是以数字形式
32、表示的遥感影像。遥感数字图像最基本的单位是像元。像元是成像过程的采样点，也是计算机图像处理的最小单元。像元具有空间特征和属性特征。由于传感器从空间观测地球表面，因此每个像元含有特定的地理位置的信息，并表征一定的面积。像元的属性特征采用灰度值来表达，其数值是由传感器所探测到的地面目标地物的电磁辐射强度决定的。由于传感器上探测元件的灵敏度直接影响有效量化的级数，因此，不同传感器提供的有效量化的级数是不同的，目前多数传感器提供的数字图像是 256 级。一个像元内只包含一种地物的像元称为正像元，如水体，它的灰度值代表了水体的光谱特征。像元内包括两种或两种以上地物的称为混合像元，如出苗不久的麦田，它的一个像元灰度值内包含麦苗和土壤的光谱特征。传感器自空间对地观测，一方面在 x 方向构成了地理位置密切相邻的一行数据，另一
