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小木虫 论文范文 遥感的原理与实践正文

遥感的原理与实践

2016-11-22 18:54| 发布者:


  在人类即将告别20世纪,并迈步跨入21世纪之际,上海市人民政府要求: 对20世纪末的上海城市发展状况,作一次全面的航空遥感调查,这是继1988年和1994年前两轮航空遥感调查之后的上海市第三轮航空遥感调查。本次航空遥感调查的目的是:运用现代信息技术手段,将20世纪末的上海城市发展状况,以数字化的形式真实、详细地记录下来,建立相应的遥感影像资料数据库,并对这些数据充分加以分析和利用,以便为未来的上海城市发展提供信息服务和决策参考。
  一、遥感的基本原理
  (一)基本概念
  遥感一词来源于英语“Remote Sensing”,其直译为“遥远的感知”,时间长了人们将它简译为遥感。遥感是20世纪60年代发展起来的一门对地观测综合性技术。自20世纪80年代以来,遥感技术得到了长足的发展,遥感技术的应用也日趋广泛。随着遥感技术的不断进步和遥感技术应用的不断深入,未来的遥感技术将在我国国民经济建设中发挥越来越重要的作用。
  关于遥感的科学含义通常有广义和狭义两种解释: 广义的解释: 一切与目标物不接触的远距离探测。
  狭义的解释: 运用现代光学、电子学探测仪器,不与目标物相接触,从远距离把目标物的电磁波特性记录下来,通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律。
  (二)系统的组成
  遥感是一门对地观测综合性技术,它的实现既需要一整套的技术装备,又需要多种学科的参与和配合,因此实施遥感是一项复杂的系统工程。根据遥感的定义,遥感系统主要由以下四大局部组成(参见下图): 1、信息源 信息源是遥感需要对其进行探测的目标物。任何目标物都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性,当目标物与电磁波发生相互作用时会形成目标物的电磁波特性,这就为遥感探测提供了获取信息的依据。
  2、信息获取 信息获取是指运用遥感技术装备接受、记录目标物电磁波特性的探测过程。信息获取所采用的遥感技术装备主要包括遥感平台和传感器。其中遥感平台是用来搭载传感器的运载工具,常用的有气球、飞机和人造卫星等; 传感器是用来探测目标物电磁波特性的仪器设备,常用的有照相机、扫描仪和成像雷达等。
  3、信息处理 信息处理是指运用光学仪器和计算机设备对所获取的遥感信息进行校正、分析和解译处理的技术过程。信息处理的作用是通过对遥感信息的校正、分析和解译处理,掌握或清除遥感原始信息的误差,梳理、归纳出被探测目标物的影像特征,然后依据特征从遥感信息中识别并提取所需的有用信息。
  4、信息应用 信息应用是指专业人员按不同的目的将遥感信息应用于各业务领域的使用过程。信息应用的基本方法是将遥感信息作为地理信息系统的数据源,供人们对其进行查询、统计和分析利用。遥感的应用领域十分广泛,最主要的应用有: 军事、地质矿产勘探、自然资源调查、地图测绘、环境监测以及城市建设和管理等。
  (三)遥感原理
  振动的传播称为波。电磁振动的传播是电磁波。电磁波的波段按波长由短至长可依次分为: γ-射线、X-射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。电磁波的波长越短其穿透性越强。遥感探测所使用的电磁波波段是从紫外线、可见光、红外线到微波的光谱段。
  太阳作为电磁辐射源,它所发出的光也是一种电磁波。太阳光从宇宙空间到达地球表面须穿过地球的大气层。太阳光在穿过大气层时,会受到大气层对太阳光的吸收和散射影响,因而使透过大气层的太阳光能量受到衰减。但是大气层对太阳光的吸收和散射影响随太阳光的波长而变化。通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有: 紫外、可见光和近红外波段。
  地面上的任何物体(即目标物),如大气、土地、水体、植被和人工构筑物等,在温度高于绝对零度(即0°k=-273.16℃)的条件下,它们都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性。当太阳光从宇宙空间经大气层照射到地球表面时,地面上的物体就会对由太阳光所构成的电磁波产生反射和吸收。由于每一种物体的物理和化学特性以及入射光的波长不同,因此它们对入射光的反射率也不同。各种物体对入射光反射的规律叫做物体的反射光谱。遥感探测正是将? 8幸瞧魉?邮艿降哪勘晡锏牡绱挪ㄐ畔⒂胛锾宓姆瓷涔馄紫啾冉希?佣?梢远缘孛娴奈锾褰?惺侗鸷头掷唷U饩褪且8兴?捎玫幕?驹?怼?nbsp;
  (四)遥感的分类
  为了便于专业人员学习和应用遥感技术,人们从不同的角度对遥感作如下分类: 1、按搭载传感器的遥感平台分类 根据遥感探测所采用的遥感平台不同可以将遥感分类为: 地面遥感,即把传感器设置在地面平台上,如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等;航空遥感,即把传感器设置在航空器上,如气球、航模、飞机及其它航空器等; 航天遥感,即把传感器设置在航天器上,如人造卫星、宇宙飞船、空间实验室等。
  2、按遥感探测的工作方式分类 根据遥感探测的工作方式不同可以将遥感分类为: 主动式遥感,即由传感器主动地向被探测的目标物发射一定波长的电磁波,然后接受并记录从目标物反射回来的电磁波; 被动式遥感,即传感器不向被探测的目标物发射电磁波,而是直接接受并记录目标物反射太阳辐射或目标物自身发射的电磁波。
  3、按遥感探测的工作波段分类 根据遥感探测的工作波段不同可以将遥感分类为: 紫外遥感,其探测波段在0.3~0.38um之间; 可见光,其探测波段在0.38~0.76um之间; 红外遥感,其探测波段在0.76~14um之间; 微波遥感,其探测波段在1mm~1m之间; 多光谱遥感,其探测波段在可见光与红外波段范围之内,但又将这一? ǘ畏段Щ?殖扇舾筛稣?ǘ卫唇?刑讲狻8吖馄滓8惺窃谧贤獾街泻焱獠ǘ畏段?冢?⑶乙步?庖徊ǘ畏段Щ?殖尚矶喾浅U?夜馄琢??牟ǘ卫唇?刑讲狻?nbsp;4、按遥感探测的应用领域分类 根据遥感探测的应用领域,从宏观学习角度可以将遥感分类为: 外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等; 从微观应用角度可以将遥感分类为: 军事遥感、地质遥感、资源遥感、环境遥感、测绘遥感、气象遥感、水文遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、灾害遥感及城市遥感等。
  (五)遥感技术的特点
  遥感作为一门对地观测综合性技术,它的出现和发展既是人们认识和探索自然界的客观需要,更有其它技术手段与之无法比拟的特点。遥感技术的特点归结起来主要有以下三个方面: 1、探测范围广、采集数据快 遥感探测能在较短的时间内,从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测,并从中获取有价值的遥感数据。这些数据拓展了人们的视觉空间,为宏观地掌握地面事物的现状情况创造了极为有利的条件,同时也为宏观地学习自然现象和规律提供了宝贵的第一手资料。这种先进的技术手段与传统的手工作业相比是不可替代的。
  2、能动态反映地面事物的变化 遥感探测能周期性、重复地对同一地区进行对地观测,这有助于人们通过所获取的遥感数据,发现并动态地跟踪地球上许多事物的变化。同时,学习自然界的变化规律。尤其是在监视天气状况、自然灾害、环境污染甚至军事目标等方面,遥感的运用就显得格外重要。
  3、获取的数据具有综合性 遥感探测所获取的是同一时段、覆盖大范围地区的遥感数据,这些数据综合地展现了地球上许多自然与人文现象,宏观地反映了地球上各种事物的形态与分布,真实地体现了地质、地貌、土壤、植被、水文、人工构筑物等地物的特征,全面地揭示了地理事物之间的关联性。并且这些数据在时间上具有相同的现势性。
  二、遥感的调查实践
  (一)资料获取
  上海市第三轮航空遥感调查采用1: 10000和1: 50000两种航摄比例尺,以彩红外的成像方式对上海全市范围展开调查。航空遥感调查的第一步是资料获取。资料获取是整个航空遥感调查的基础性工作,其进行的好坏将直接影响以后各项工作的质量与效果。资料获取的工作大致可分成四个阶段来进行:
  1、第一阶段为前期工作,前期工作主要有:确定调查的时间、拟定调查的航线和完成航摄任务的招投标。
  (1)确定调查的时间 城市航空遥感调查的时间一般选择在秋季或冬季。因为秋季或冬季这段时间,我国大局部地区通常晴好天气较多,空气能见度较高,地面植被的遮挡较少,因而所获取的影像资料也就较为清晰。在航空遥感调查中,针对大区域的大比例尺、完整覆盖的航摄飞行来说,其很难在一个较短的时期内完成。因此需要结合当地的气象情况,选择一个合适的时间段,来实施针对大区域的大比例尺、完整覆盖的航摄飞行。根据气象部门提供的气象资料,表明调查当时上海地区正值暖冬和春寒,在此期间晴好天气为多,空气能见度也高,经过反复斟酌,我们把调查的时间段定在1999年12月至2000年5月。
  (2)拟定调查的航线 拟定调查的航线首先要确定飞行的航向,其次要在有经纬度的地图上画出详细的飞行路线。飞行的航向一般是根据被调查地域的形状来确定。通常地域形状呈南北向延伸,其航向定为南北向; 地域形状呈东西向延伸,其航向定为东西向。画详细的飞行路线应充分考虑航片的纵向重叠和旁向重叠。一般说来纵向重叠按40-60%左右考虑,旁向重叠按25-30%左右考虑。本次航空遥感调查按照市有关部门的要求,结合上海的实际情况,我们把1: 10000比例尺的飞行航向定为东西向飞行,1: 50000比例尺的飞行航向定为南北向飞行,飞行的详细路线与上海市地形图图幅的中心线相一致,航片的纵向重叠按60%设计,旁向重叠按30%设计。这样做不仅有利于航片的后期处理,也有利于测绘部门用航片来修测地形图。
  (3)完成航摄任务的招投标 资料获取的实质性工作是要完成航摄任务。但作为遥感调查的业主单位,一般不具备这方面的条件和能力来承担这项任务。因此,必须通过市场招投标,选择一家有仪器设备、有技术经验的专业化企业来完成此项任务。我们在开展航摄任务招投标的过程中,首先是编制好航摄任务的招标书。编制招标书的关键是要明确航摄任务的技术要求,其中应包括: 航摄的时间、区域,航摄的比例尺、摄影种类,航摄的飞行路线、飞行姿态,航摄的纵向和旁向重叠率,航摄相机的规格,航摄胶片的规格,飞行器(飞机)上的必要装备等。其次是进行航摄任务的投标、开标、评标和商务谈判。其中评标是由我们业主选定的专家们对各投标方的投标书进行技术评价,主要是评价各投标书中提出的航摄实施方案是否真正满足招标方的航摄技术要求。在投标方的实施方案能够真正满足招标方的技术要求的前提下,再根据开标时投标方的商务报价,按最低价中标的原则确定中标单位,然后业主和中标单位通过商务谈判最终签订项目合同。
  2、第二阶段为航摄准备,航摄准备的主要工作有:检查仪器设备及采购材料、召开航空遥感飞行协调会和进行航摄试飞。
  (1)检查仪器设备及采购材料 航摄准备首先要对航摄的各种仪器设备作严格的检查。检查的内容主要包括: 飞行器及飞行器上的通讯与导航设备,航摄相机和航摄平台。检查的目的是要确保这些仪器设备能正常工作,并达到仪器设备本身所规定的性能指标。其次是采购有关的材料,主要有航摄的胶片和胶片冲洗液。为了获得大面积、高质量的遥感影像资料,目前这些材料仍需从国外进口。要注意的是:由于从国外进口这些材料得有一个周期,因此必须提前一段时间预先订购,并确保这些被订购的材料在正式实施航摄之前到货。
  (2)召开航空遥感飞行协调会 召开航空遥感飞行协调会是航摄准备一项很重要的工作。召开这个协调会就是把负责上海地区空中管制及参加本次航摄任务的各有关单位请来,围绕本次遥感调查的航摄任务进行充分地讨论和协商,在参加会议的各方达成共识的基础上,确定航摄飞行的管制方案,明确各自的保障任务和责任,最后将会议结果形成航空遥感飞行协调会会议纪要。该会议纪要应就飞机的地面保障、飞行的空中保障、航摄区域与飞行高度、航摄飞行的调配和航摄飞行的管制等内容作出具体规定,明确业务要求。会议纪要一旦形成,便成为各方执行任务的行动规范,参加会议的所有单位都必须严格遵守。
  (3)进行航摄试飞 航摄试飞也是航摄准备的一项必要工作。在上述两项工作均已顺利完成的基础上,便可开始进行航摄试飞。航摄试飞的主要任务是检验航摄飞行的协调与配合、熟悉航摄区域的地理环境、校正航摄仪器和进行航摄的试拍。其中检验航摄飞行的协调与配合是检验航摄人员在航摄飞行过程中,与气象部门、空中管制部门和地面指挥塔的协调与配合;熟悉航摄区域的地理环境是熟悉被摄地区地物基本要素的分布情况; 校正航摄仪器是校正装载航摄相机平台的基准; 进行航摄的试拍是选择具有明显地形地物特征的小范围区域进行试拍。在结束航摄试飞后,要立即对以上的试验结果进行分析和总结,发现问题及时解决,以便为正式实施航摄创造良好的条件。
  3、第三阶段为实施航摄,主要工作有: 收集气象资料、执行航摄任务和监控航摄质量。
  (1)收集气象资料 收集气象资料对实施航摄来说至关重要。为了确保航摄任务的顺利实施,航摄人员必须与气象部门保持密切联络,及时收集每一天、每一周的气象预报,随时掌握航摄期间的天气情况及变化趋势。同时,要根据所收集到的气象资料,设计好具体的航摄飞行方案,主要是确定每次航摄飞行的具体时间和区域。由于天气状况变幻莫测,因此在设计航摄飞行方案时,往往要同时拟定几套方案以供备用。一旦天气发生突变,首选方案无法实施时,便可选择备用方案付诸实施,这样就不会耽搁执行航摄任务的进度。
  (2)执行航摄任务 执行航摄任务就是对航空遥感被调查区域进行正式拍摄。在每次执行航摄任务之前,仍需对飞机的机务状况作常规检查,如飞机的仪表是否正常、机械是否有故障、燃料是否充足等。另外还要检查是否携带了本次航摄的飞行路线图。若飞机的常规检查未发现异常情况,便可开始进行航摄飞行。当飞机起飞升空后,飞行员要及时校准飞行航线,注意保持飞行高度,并控制好飞机的飞行姿态。航摄人员要注意控制好航摄平台的基准,监视航摄相机工作是否正常,并认真作好航摄记录。在航摄飞行的过程中,飞行员要听从机场塔台的指挥,服从指挥人员的调度,一旦遇到特殊情况,应按命令及时返航。
  (3)监控航摄质量 在每次执行完航摄任务之后,应及时把航摄胶卷从航摄相机中取出,并立即送交承担航摄任务单位的洗印中心进行处理。处理的过程主要有:显影、定影、水洗、晾干和晒印像片。在冲洗胶卷时,须控制好冲洗液的浓度、温度和冲洗的时间,要尽可能使胶片的色饱和度达到最佳处理效果。待冲洗完胶卷并晾干后便可晒印成像片。监控航摄质量主要是通过晒印出来的航摄像片,对航摄的质量进行技术评定,着重是评定航摄像片的覆盖区域与航摄路线的基线是否有偏差,航摄像片的纵向与旁向重叠是否满足设计要求。若发现有这两种问题造成的“航摄漏洞” ,必须做好有关的记录,另行拟定补飞的航摄计划,安排航摄补飞。
  4、第四阶段为资料验收,资料验收的主要工作有: 检查航摄成果和接收航摄资料。
  (1)检查航摄成果 在接收航摄资料之前,必须对航摄成果进行严格的检查,检查主要是通过阅读航摄胶片、像片来进行。首先是检查航摄像片的覆盖区域是否涵盖了本次遥感调查的全部区域。其次是检查航摄胶片的清晰度与色饱和度是否达到业主规定的要求。再则是检查航摄像片是否存在倾斜角偏大,旋转角突变、渐变等造成的航摄漏洞以及补正航摄质量检查等。待完成上述检查内容,未发现任何重大问题,并航摄的质量完全达到技术考核的标准,方可进行资料的接收。
  (2)接受航摄资料 接收航摄资料,应先列出接收内容的详细清单。接收的内容主要包括: 航摄胶卷、航摄像片和航摄记录。在接收航摄资料时,要根据清单的内容一一核对查收。若在接收航摄资料的过程中,没有发现航摄资料有任何缺漏,接收人便可在资料验收书上签字。至此航空遥感调查资料获取的整个工作就告一段落。
  (二)数据处理
  航空遥感调查的第一步--资料获取,仅仅是完成了遥感数据的采集工作。此时的遥感数据还是未作数字化加工的原始数据,这样的数据还不能直接被计算机来加以分析利用。因此,在完成了航空遥感调查的第一步即资料获取之后,还须进行航空遥感调查的第二步--数据处理。数据处理的主要任务是: 运用摄影测量专业扫描仪及计算机软硬件,在有经验的技术人员的人工干预下,对原始的遥感数据进行扫描、校正及拼接等加工处理,最后建立相应的遥感影像资料数据库。数据处理的工作大致分为四个方面,这四个方面的工作可以交叉进行。
  第一个方面的工作为数字化扫描。数字化扫描是航空遥感调查中数据处理的首要工作。数字化扫描的任务是把记录在胶片上的遥感数据转换成计算机可储存与处理的数字化形式。
  开展数字化扫描的工作,实施单位必须具备必要的电子设备,其中最重要的设备是摄影测量专业扫描仪和计算机。摄影测量专业扫描仪要求其扫描的分辨率范围至少要在100~5000dpi,并且要既能扫描大幅面(23cm×23cm以上)的底片,又能扫描大幅面的像片。而计算机则要求CPU芯片的处理速度越快越好,内存至少要512Mb,硬盘至少要75Gb。另外扫描软件在采购摄影测量专业扫描仪时也会随机提供。
  在开始数字化扫描之前,操作人员必须先确定航片的扫描分辨率。对于一幅航片究竟采用什么样的分辨率来进行扫描非常重要。因为扫描分辨率定得太高,由扫描所得的数据其冗余就太多;而扫描分辨率定得太低,由扫描所得的数据其损失又太大。因此,选择合适的扫描分辨率就成了执行数字化扫描任务的关键。所谓选择合适的扫描分辨率,就是要寻找一种能使扫描所得的数据既不产生较多冗余又不造成较大损失的扫描分辨率。那么扫描一幅航片其扫描的分辨率到底取决于什么呢?
  经过分析发现: 它只取决于航摄胶卷的解像力。本次航空遥感调查,我们选用柯达2443彩红外反转片,其解像力为63线/mm,换算成线密度为15.87u。这就是说胶片感光本身的分辨率为每隔15.87微米的距离能显现1个像素点,距离再小它就无法分辨。由此我们可以得出,航片扫描分辨率的线密度应大于15.87u,而不能小于15.87u,否则由扫描所得的数据就会产生冗余。然而,航片扫描分辨率的线密度应大于15.87u多少呢?如果大得太多,反过来也会对扫描所得的数据造成信息损失,对此只有通过做试验来确定。经过若干次的试验,我们觉得把航片扫描分辨率的线密度定在17u比较合适,换算成扫描分辨率接近于1500dpi。按这样的分辨率来进行扫描,虽说会? 猩傩淼男畔⑺鹗В??溆跋煳⒉蛔愕馈K?宰钪瘴颐前押狡?纳?璺直媛识ㄔ诹?500dpi。
  当确定了航片的扫描分辨率之后,即可进行数字化扫描的工作。在扫描的过程中,对每条航线图像质量相近的航片必须进行预扫。为了尽量减少扫描过程中的信息损失,预扫时应在充分尊重航摄底片原始信息的前提下,不断地调整扫描的亮度、色彩饱和度和对比度等参数,力求使扫描的结果达到地物成像清晰、色调区域平衡、反差均衡适中。待预扫的亮度、色彩度和对比度等参数确定以后,便可对每条航线图像质量相近的航片进行批量扫描。按此程序周而复始地重复,直至完成整个数字化扫描的任务。
  第二个方面的工作为几何校正。航空遥感调查是通过航空摄影来获取遥感影像资料的。由于航空摄影采用的是中心投影,即空间任意一点均通过某一固定点(投影中心)被投射到一平面(投影面)上而构成其影像。因此,当被摄地区地面起伏较大或航摄的飞行姿态出现较大倾斜时,均会使航片上的像素点产生像点位移,从而造成遥感影像的几何畸变,同时也造成航片上各处的比例尺不尽相同。由被摄地区地面起伏较大所引起的遥感影像几何畸变称为投影误差,由航摄的飞行姿态出现较大倾斜所引起的遥感影像几何畸变称为倾斜误差。对于这两种误差,包括比例尺的差异,我们都要予以消除。这样中心投影的航片才能被当作正射投影的平面图来使用。
  鉴于上海地区地面较为平坦,基本没有地势起伏,所以对因地势起伏较大而产生的投影误差我们可以忽略不计。然而,上海的地面上有许多高楼,这些高楼的高低起伏也会引起投影误差,但是对因这种情况造成的投影误差,无须消除也无法消除。另外,由于空中存在着气流的缘故,航摄的飞行姿态较难控制,航摄时其飞行姿态难免会出现较大的倾斜。所以,本次航空遥感调查所获得的航片存在着一定程度的倾斜误差,同时也存在着航片各处的比例尺不同。为此,对已经完成数字化扫描的航片,我们还须对其影像所含的倾斜误差和比例尺的不同进行几何校正,拟通过几何校正来消除该影像的几何畸变和比例尺差异。
  所谓几何校正,就是将一幅含有几何畸变和比例尺差异的原始遥感影像,通过一种数学变换,生成一幅符合数字化地图实际的新的遥感影像。几何校正的具体方法为: 先在每幅原始遥感影像上选取若干个控制点,再求出这些控制点在数字化地图上对应点的真实坐标,然后把这些已知坐标的控制点代入计算机的校正软件进行运算。校正运算实际上包含着两个基本的运算过程: 一是将每个原始像素点的行列值换算成它在新生成的遥感影像中的坐标值,二是重新计算出每个原始像素点在新生成的遥感影像中的像元亮度值。当所有的控制点被选好后,其校正运算的过程由计算机校正软件自动完成。而控制点的选取则需要人工干预,其选择的准确性与合理性将直接影响到校正的处理效果。
  在几何校正的过程中,我们需要着重把握好两个关键环节。一是选取什么样的像素点作为控制点。根据以往几何校正的经验,通常选择原始遥感影像上地面的突变点来作为控制点,比如道路的交叉口、河流的分叉或拐弯处等。另外像小河的桥梁、建筑物的房基等也适合选作控制点。这样选择的好处是: 作为控制点的地物标志明显,易于识别。二是在每幅原始遥感影像上选取多少数目的控制点。从理论上讲被选择的控制点的数目应越多越好,但选择得太多会使几何校正的工作量太大,反过来选择得太少又达不到几何校正所需的精度。这个问题究竟应该如何把握,目前还没有很好的解决办法,仍需通过几何校正的具体实践,视每幅原始遥感影像的几何畸变程度来逐一确定。按照我们的实践经验,对几何畸变程度较小的原始遥感影像来说,被选择的控制点的数目可以少一些,通常不少于15个; 对几何畸变程度较大的原始遥感影像来说,被选择的控制点的数目可以多一些,通常要在30个以上。在同一幅原始遥感影像中,不同的区域其几何畸变的程度也不同。原则上也是几何畸变较大的区域,被选择的控制点的数目多一些; 而几何畸变较小的区域,被选择的控制点的数目少一些。另外在选取控制点时,每幅原始遥感影像的中心区域应少? ∫恍??闹芮?蛴Χ嘌∫恍??蛭?行那?虻募负位?湟?人闹芮?虻募负位?淅吹眯  5?强刂频愕姆植加?×康鼐?龋?绕涫窃诩负位?涑潭认嘟?耐?磺?蛞??鹊胤植肌U庋??竦玫男U?跋衿渚?炔拍苈?阋?螅?⑶艺?逍砸埠谩?nbsp;
  第三个方面的工作为图像拼接。经过数字化扫描及几何校正后的数字化遥感影像,均为一幅幅具有相同比例尺的影像图。这些影像图互相之间都存在着局部的重叠。所谓图像拼接就是通过对相邻影像图的无缝拼接处理,把这些影像图相互间的重叠局部去掉,从而为在逻辑上将这些影像图整合成覆盖上海全市的一幅影像图创造条件。图像拼接的具体工作步骤为: 首先是进行色差处理,借助PhotoShop软件中的色彩调整功能,将需要拼接的两幅相邻影像图的色彩调整到尽可能和谐。其次是选择拼接线,在两幅相邻的影像图上,用彩色线把需要进行拼接的界线勾画出来。再则是拼接影像图,当选好拼接线后,由I/RAS C软件沿着拼接线的轨迹自动进行拼接处理。最后是拼接后的检查,着重检查沿拼接线的接缝处是否存在着错位,若存在错位,还需要对拼接后的影像作进一步的修补。
  在进行图像拼接时,必须注意以下三个问题: 一是拼接线要尽可能沿着道路、河流、田埂、空地、阴影等延伸,尽量将拼接线选择在两旁无高楼的区域。二是注意两幅相邻影像图在拼接处的高楼单中心投影倾向,要尽可能使拼接线两侧的楼房保持相似的倾向,同时也要防止在拼接后将某一侧楼房切掉一局部的情况。三是拼接线要尽可能避免穿越高架、桥梁、铁路等地物,假如必须要穿越高架、桥梁、铁路时,应尽量从衔接较好的地方或阴影区内穿过。
  在进行错位修补时,必须遵循以下四个原则: 一要遵循客观性的原则,即在尊重原始影像的基础上,经过对影像错位的修补,使修补后的影像能客观地体现地物的原有面貌。二要遵循准确性的原则,即只对几何校正不准的影像局部作错位修补处理,而对几何校正准确的影像局部保持其原状不动。三要遵循整体性的原则,即无论是大尺度地物还是小尺度地物,只要拼接时在它的拼接处呈现错位,就要对整个地物作整体性地修补。四要遵循连锁性的原则,即对原有的影像错位作了锁定修补后,不要在其它地方再产生新的错位。
  第四个方面的工作为影像建库。当所有的影像图都被拼接完后,此时的影像图在物理上均为一个个覆盖一定区域的图块,要将这些图块从物理上整合成覆盖上海全市的一幅影像图几乎是不可能的。原因很简单,因为若要整合的话,其数据量太大,现有的软、硬件技术均难以支撑。另外,即使有某种软、硬件技术能够给予支撑,但其影像图的调用和浏览也是极慢的,以致使用者不堪忍受。为了今后使用的方便,较好的选择是通过影像建库,将这些图块从逻辑上整合成覆盖上海全市的一幅影像图。影像建库最主要的工作是选择合适的软硬件、确定数据库的结构及进行影像图的切割。
  在着手进行影像建库时,首先要选择合适的软、硬件。其中对硬件的选择,要求服务器内CPU芯片的处理速度越快越好,最好选用含最新一代CPU芯片的服务器; 服务器中内存和硬盘的容量也要越大越好,内存容量的配置至少在1Gb以上,硬盘须采用磁盘阵列,其容量的配置也至少在3Tb以上。对软件的选择,着重是选择GIS开发平台和数据库软件。GIS开发平台是被用来建立对遥感影像数据进行调用和浏览的运行环境,这一环境是重要的数据处理和加工过程,要备有足够的缓冲空间,将大大提高工作效率。而数据库软件则被用来储存和管理遥感影像数据。选择GIS 开发平台和数据库软件应尽可能选用市场上较流行、应用较成熟且功能强大的商用软件,如GIS开发平台方面的Arcinfo、Intergraph等软件以及数据库方面的Oracle、SQL server等软件。选用这样的软、硬件才能保证影像建库获得较满意的效果。
  其次要确定数据库的结构。这里讲的确定数据库的结构是指对遥感影像数据究竟是采用一个数据文件的集中存取方式还是采用多个数据文件的分散存取方式。显然如前面所叙,由于拼接后的影像图块不可能在物理上被整合成覆盖上海全市的一幅影像图,即这些影像图块不可能被拼接成一个数据文件,所以采用集中存取的方式不可取,只能采用分散存取的方式。所谓分散存取就是将拼接后的影像图块在物理上分割成许多个拥有合适数据量的数据文件分别进行存储;但在访问时,又将以许多个数据文件分散存储的遥感影像数据视作逻辑上覆盖上海全市的一幅影像图来加以管理和使用。
  最后还要进行影像图的切割。其实现方法为: 先根据上海市地形图的分幅标准,按照上海市的边界范围,对遥感影像图进行图形分幅并建立相应的索引文件。其中1: 50000比例尺的影像图按1: 10000地形图的图幅标准进行分幅,1: 10000比例尺的影像图按1: 2000地形图的图幅标准进行分幅。这样进行分幅的好处是: 每幅影像图的数据量大小适中,便于使用者的调用和浏览。然后根据索引文件中的分幅图,运用I/RAS C软件对这两种比例尺被拼接过的影像图块进行影像切割,切割的过程由计算机软件自动完成。当每幅影像图被切割完后,还需建立它的数据文件并输入到数据库中储存。待所有的影像图块都被切割完,并建立其数据文件及输入到数据库中储存后,技术人员还得利用数据库软件提供的开发工具,编制相应的数据库管理程序,以便使用者按索引文件对库内的遥感影像数据进行调用和浏览。至此航空遥感调查数据处理的整个工作就告一段落。
  (三)信息提取
  综上所述,此时所生成的遥感影像数据已是人们可对其进行应用的数字化遥感影像数据。遥感影像数据的应用按应用方式可分为两种: 一种是将遥感影像数据作为现状或背景资料直接加以利用,如用于地形图的修测、城市规划设计以及工程项目的详细设计等; 另一种是通过对遥感影像数据的分析、解译,从中提取某些专题地物要素的信息来加以利用。对于第一种应用,由于我们只是向有关的部门提供数据,并未就其进行深入地学习,因此在这里将不作陈述。本节着重是讨论如何通过对遥感影像数据的分析、解译,从中提取某些专题地物要素的信息。信息提取的真正意义在于将内容丰富的遥感影像数据转化为具有各种专题的有用信息,以便管理人员利用这些信息更好地为领导决策提供服务。信息提取的工作大致可分为三步来进行:
  1、影像特征分析
  要进行影像特征的分析,必须首先确定从遥感影像数据中提取哪些专题地物要素的信息。遥感影像数据的信息内容十分丰富,它几乎涵盖了人的肉眼可以识别的所有地物要素。然而要把所有这些地物要素的专题信息都提取出来,这几乎是不可能的,也没有必要。根据上海城市建设和管理的需要,从本次航空遥感调查的影像数据中提取了绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素的专题信息。
  当信息提取的地物要素被确定之后,即可开始对这些地物要素进行影像特征分析。任何可视地物要素在其遥感影像上都具有一定的光谱特征、几何特征及其它辅助特征。其中光谱特征在视觉上最直观的反映就是色调,几何特征在视觉上最直观的反映就是形状,其它辅助特征在视觉上的直观反映有: 阴影、纹理及影像结构。所谓影像特征分析就是从色调、形状、阴影、纹理及影像结构等方面对拟被提取的可视地物要素进行影像的定性分析。通过对这些地物要素其影像的定性分析,总结、归纳出这些地物要素各自所具有的影像特征,并以此作为技术人员解译这些地物要素的标志和依据。
  我们从色调、形状、阴影、纹理及影像结构等方面,对被提取的绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素进行了认真地影像定性分析,总结、归纳出这些地物要素具有如下的影像特征:
  绿化: 健康生长的绿化类地物要素其色调通常呈饱和度不同的红色。绿化还可细分为乔木、灌木和草地。其中乔木、灌木的影像形状多为尖状、冠状、团簇状或绒球状,草地则为块状。乔木一般都有明显的阴影; 灌木也有阴影,但不太明显,且长度较短; 草地则无阴影。人工构筑的公园、苗圃其几何形状常为矩形或不规则的多边形。
  水体: 陆上水体由于光线反射角度及水体深度的不同,其色调也往往有所不同,但大多都呈青蓝色、蓝色和深蓝色。陆上水体还可细分为河流、湖泊和池塘。其中河流的几何形状为条带状,且常有弯曲。湖泊的几何形状为不规则的面状。池塘的几何形状为长方型的面状,且分布较集中,排列较规则。
  道路: 城市道路分水泥路和沥青路。其中水泥路的色调呈灰白色,沥青路的色调呈灰黑色。城市道路的几何形状通常为条带状。城市道路的边缘比较清楚,道路上一般能看到汽车,路上还常常有明显的车道分隔线,市区道路的两旁往往伴有建筑物和行道树,郊区的高等级公路一般中间设有隔离带或两侧配有绿化带。
  建筑物: 建筑物有多种类型。城市中常见的建筑物有: 高层建筑、新工房、花园式住宅、里弄式住宅和简屋。从遥感影像上看,高层建筑带有狭长的阴影; 新工房一般为平顶,排列较整齐,且屋顶设有水箱; 花园式住宅为一幢幢排列整齐的单体建筑,且每幢建筑拥有自己的花园; 里弄式住宅为一排排排列整齐的连体建筑,且屋顶为坡面,较多的屋顶还开有天窗,房屋的北面设有晒台; 简屋的单体建筑占地面积很小,互相犬牙交错联接,形状散乱,无规则。
  2、专题信息提取
  当绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素的影像特征被总结、归纳出来之后,技术人员便可依据它们的影像特征来提取这些专题地物要素的信息。提取专题信息的具体过程如下:
  首先是对参加信息提取的工作人员进行技术培训。培训的主要内容有: 熟悉和掌握被提取的绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素的影像特征。培训时要在绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素中,选取各种具有代表性的地物对其影像特征作逐一讲解。待每位学员比较熟悉这些地物要素的影像特征之后,还要尝试让每位学员依据这些影像特征,去独立地解译绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素中的各种地物。这样的训练要反复多次,直到他们完全掌握这些地物要素的影像特征为止。
  其次是由受过良好培训的技术人员,依据绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素的影像特征,在本次航空遥感调查的影像数据上对这些专题地物要素进行解译。这里讲的解译指目视解译。所谓目视解译就是技术人员根据一定的影像特征,在计算机屏幕上通过肉眼的直接观察,对遥感影像中的目标地物进行辨认及确定。解译时,技术人员先要依据以上四类基本地物要素的影像特征,在遥感影像上辨认出这些专题地物要素中的各种地物; 然后借助GIS平台软件提供的绘图工具,用彩色线把已被确认的各种地物的边界勾画出来。
  再则是对已被确认的各种地物进行定性和定量描述。进行定性描述就是对已被确认的地物赋予它本身所固有的性质。如当某一地物经解译被确认之后,我们应将该地物在绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素中的详细分类作为它本身所固有的性质赋予该地物。进行定量描述就是对已被确认地物的占地面积或长度及其它定量指标进行量化计算。如在被提取的绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素中,我们应对每个已被确认的地物进行其占地面积或长度及其它定量指标的量化计算,并将量化计算的结果连同前面地物本身所固有的性质均作为该地物的属性保存起来。
  3、建立地理数据库
  经过对绿化、水体、道路、建筑物四类基本地物要素的分析、解译,我们从中已提取出这些专题地物要素的有用信息。在已被提取的专题信息中既有图形数据又有属性数据,其中图形数据是以坐标集合的矢量形式来描述,属性数据是以文字与数值的表格形式来描述,并且这些图形数据和属性数据之间还存在着关联性。为了更好地保存和利用这些已被提取的专题地物要素的有用信息,我们有必要运用GIS软件来建立含有这些图形数据和属性数据的地理数据库。
  建立地理数据库首先也要选择合适的软、硬件,但该软、硬件的选择可以和前面所述的遥感影像建库的软、硬件选择结合起来统筹考虑,不需要另外再单独选择。其次要确定地理数据库拟采用的背景图。实际上地理数据库中的图形数据又细分为地形图、遥感图和专题图等数据,其中地形图和专题图都是矢量数据,而遥感图则是栅格数据,即数据是以像元阵列的形式来描述。地形图与遥感图在地理数据库中均作为背景起地理位置的参照作用。已被提取的专题地物要素的图形数据属于专题图,专题图要被叠加到背景图上才能加以应用。因此,我们把本次航空遥感调查的影像数据即遥感图作为拟建地理数据库的背景图之一。影像数据的建库在数据处理这一节已作阐述,这里就不作重复。另外,由于上海市的测绘部门已经生产出成系列的数字化地形图,所以我们就将该部门生产的1: 2000比例尺的框架要素地形图作为拟建地理数据库的背景图之二。
  接下来就可着手建立地理数据库。建立地理数据库的主要工作是利用GIS软件提供的命令,进行数据库定义及输入和编辑图形数据与属性数据,其具体工作步骤如下: 首先是对数据库进行定义,其中包括定义数据库的名称、组织结构, 定义数据项、数据类型和数据长度。其次是将作为背景图的地形图和遥感图输入到地理数据库中。其实遥感图在数据处理时就已经被输入到地理数据库中,此项工作可以省略,这里只需要把地形图输入到地理数据库中即可。然后是将已被提取的专题地物要素的图形数据和属性数据分别生成专题图和属性表,并也输入到地理数据库中。再则是建立专题图的拓朴关系即图中各几何图形元素之间的链接关系,以便GIS对这些图形元素进行查找与分析。最后是在专题图和属性表之间构筑一一对应的关联标识符,以此作为实现专题图和属性表相互链接的关键字。
  在地理数据库被建立起来后,还需运用GIS软件来开发一些针对地理数据库进行操作的简单应用。这些应用通常应包含以下功能:查询功能、统计功能、分析功能和输出功能。其中查询功能主要要求能对图形和属性数据进行双向查询; 统计功能主要要求能对专题地物要素的量化描述进行数据汇总; 分析功能主要要求能对不同专题的图形数据进行叠加分析; 输出功能主要要求能对各种处理结果进行图形、图表及报表的输出。至此航空遥感调查信息提取的整个工作就到此结束,同时也意味着该阶段的航空遥感调查工作已基本完成。
  回顾本次航空遥感调查的工作实践,我们深深地体会到: 开展航空遥感调查,是卫星遥感分辨率尚比不上彩红外航空遥感分辨率时,一种行之有效的城市信息化重大基础工程。实施此类工程的每个环节,每个步骤,每项操作,其执行好坏都会影响工程的质量。为此我们必须依照以上三大工作步骤,严格遵循所定的作业规程,切实把握好工作中的重点环节,认真、细致地执行每项操作,只有这样我们才能获得较高质量的遥感影像数据,也才能更好地利用这些数据为上海的城市建设和管理服务。
  同时,遥感的原理已清晰可见,而实践却不能一概而论,尚有许多领域、技术和方法有待我们去进一步探索和发展。
  来源:于英语  编辑:图形数据与属性数据

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