遥感类课程集成实验教程

第1部分 遥感概论系列实验 实验1-1 航空像片的立体观察 用双眼或光学仪器对一定重叠率的像对进行观察，获得地物的光学立体模型，称为航空像片的立体观察。特别是在山区，立体观察能提高航空像片的判读效果。其原理是人的双眼具有观察事物立体的能力。航空像片的立体观察，就是模仿人眼观察地物时所需要的条件，建立立体的感觉。 眼睛是一个天然照相机，晶状体相当于照相机的透镜，眼睛后壁的视网膜相当于底片，物体通过晶状体记录在视网膜上的影像，如同物体通过照相机的透镜记录在底片上一样。因此，人眼观察物体，也是中心投影的过程。单眼观察只能分辨出物体的平面形状，分不清物体的远近和立体形象。双眼能自动调节转动，使两视轴交汇于某观察点上，这个交角称为交会角。双眼的距离称为眼基线，成人的眼基线约为 65mm。物体远近不同，交会角大小会有变化：物体越远，交会角越小；物体越近，交会角越大。而交会角的改变，将在视网膜上产生生理视差。 实验目的：会用反光立体镜进行航空像片像对的立体观察，识别不同类型的航空像片，会在航空像片上解译不同的地物。 实验仪器：反光立体镜。 实验数据：黑白航空像片像对、真彩色航空像片像对、彩红外航空像片像对。 实验内容：对黑白航空像片像对的立体观察、真彩色航空像片像对的立体观察和彩红外航空像片像对的立体观察，理解各类航空像片的特点，会解译不同类型的航空像片。 1. 反光立体镜 实验所用仪器为反光立体镜（图 1-1-1）。它由两片放大镜和四片两两互相平行的反光镜组成，在适合眼基线的长度范围内安装倾斜 45°的两个小块反光镜，在适当位置安装与其平行的两块大反光镜，凸透镜安装在两块反光镜之间，焦距等于凸透镜沿着光路到像平面的距离。 图1-1-1 反光立体镜 2. 航空像片立体观察的条件 航空像对立体观察是指用双眼对相邻两个摄影站对同一地区所拍摄的两张像片进行观察，从而获得物体的光学立体模型。要进行航空像片的立体观察，必须满足以下条件： （1）必须是相邻的摄影站对同一地区所拍摄的两张像片；航空像片有一定的重叠（航向重叠），即同一条航线上相邻像片之间的重叠，重叠比例*小为 53%，*大为 60%。 （2）两张像片的比例尺基本一致（差别一般≤ 16%）。 （3）两张像片应按成像时的相对位置放到立体镜下，两眼必须同时各看两张航空像片，即左眼看左像片，右眼看右像片。 （4）眼基线与像片摄影基线互相平行，并使同名地物点的相应视线成对相交。 3. 航空像片立体观察实验 1）实验过程 （1）区分像片像对类型。找到要进行立体观察的航空像片立体像对，首先要识别是哪种像片像对，如真彩色航空像片像对（图 1-1-2）或彩红外航空像片像对（图 1-1-3）。 图1-1-2*真彩色航空像片像对 图1-1-3*彩红外航空像片像对 （2）分辨左右像片。将同一地区相邻两个摄影站所拍摄的有重叠部分的两张像片水平放于桌面，重叠部分在中央，放在立体镜下，区分左右像片，左边的叫左像片，右边的叫右像片。 （3）找出摄影基线。确定像主点（航空像片的中心点），两相邻像主点的连线即为摄影基线。 （4）将左右像片放在立体镜下，摄影基线与眼基线平行。 （5）在立体镜下观察同名像点。分别用左、右两个手指指着两张像片上能明显识别的同名地物点（如图 1-1-2中的桥梁和图 1-1-3中的房子），同时左眼通过立体镜看左像片，右眼看右像片。在立体镜下左眼要能看到左手指，右眼要能看到右手指。调整图像间的距离，慢慢移动两个手指，直到在立体镜下看到两手指重合。此时拿开手指，仔细观察一会儿，就能看到立体的效果。 （6）判读航空像片上的地物，并对所看到的地物进行描述。 （7）填写实验报告单。 2）实验注意事项 （1）正确区分像对的左右像片，正确放置航空像片，两张像片相同的部分放置在中央。 （2）观察时，眼睛紧贴立体镜，若同一地物影像出现双影，是由于两张像片相隔太远或太近，或两张像片的基线没有在一条直线上，这时应慢慢移动像片，使两张像片的基线在同一条直线上，并使两张像片的间隔适当，直至立体镜中看到同名地物点重合。 （3）立体观察时，航空像片上山体的阴影应尽量对着自己，以提高立体观察的效果。 实验 1-2 土地利用与土地覆盖变化判读 土地利用与土地覆盖变化（ land use and land cover change，LUCC），是目前全球变化研究的核心内容之一，目的是揭示人类赖以生存的地球环境系统与人类日益发展的生产系统（城市化、农业化、工业化等）之间相互作用的基本过程。 实验目的：使学生掌握遥感图像的判读标志和地理要素的判读方法，了解一个地区的土地利用/覆盖现状，会绘制土地利用 /覆盖专题图。 实验仪器：反光立体镜。 实验数据：黑白或彩红外航空像片，其他数据（地形图、 DEM、专题图等）作为补充。 实验内容：根据制定的 LUCC分类系统，制作 LUCC专题图。 1. 遥感图像的判读标志 判读（解译）标志是指识别遥感图像上地物的那些影像特征，又称为判读要素。判读标志分为直接判读标志和间接判读标志。 1）直接判读标志 能在影像上直接看到的可供判读用的影像特征称为直接判读标志。直接判读标志包括：形状、大小、色调和颜色、阴影、纹理及组合图案。 （1）形状。任何地物都有一定的几何形状，在航空像片上也有相应的形状。从航空像片上所看到的地物的影像特征，是地物的顶部轮廓。人造地物较规则，如房屋表现为矩形；天然地物不规则，如河流为弯曲的带状。地物的形状受中心投影的影响，中心部分误差*小，地物如果有一定高差或起伏的形态，又处在航空像片的边缘部分，形状就会有明显的变形。山区地形高差大，变形明显。平面地物在像片的任何部位都没有多少变形，如湖泊、耕地等。地物在影像上的形状还会受到像片比例尺的影响：比例尺大，形状清晰；比例尺小，其形状可能表现不出来。 （2）大小。地物在航空像片上的大小，可以根据比例尺求出，有利于判读地物性质。如海、湖泊和池塘根据大小来区别。影像上地物的大小，取决于航空像片的比例尺和地面分辨率。 （3）色调和颜色。色调是地物反射和发射电磁波信息在像片上的记录。色调是指在黑白像片上的深浅程度，称为灰度或灰阶。采用不同波段和不同的感光胶片，色调反映的意义不同。如在黑白像片上，绿色植被呈暗色调，在黑白红外像片上呈浅白色调。彩色像片的信息量大，针叶林在真彩色像片上呈深绿色，在彩红外像片上呈暗红色，但色调*不稳定，受外界环境干扰较大。 （4）阴影。阴影分为本影和落影。本影是物体未被太阳光直接照射到的阴暗部分，有助于获得立体感，对地质地貌判读有用，如山脉。落影是阳光直接照射时，物体投射在地面的影子，如高架桥在地面的影子。落影的形状和长度可以帮助判读地物的性质和高度，如区分水塔和高层建筑物。 （5）纹理。纹理是航空像片上目标地物内部色调有规律变化形成的影像结构。如阔叶林呈棉絮状纹理图案、农田呈规则条块状纹理、喀斯特地貌呈黑白相间的斑点状、黄土地貌呈树枝状沟谷等。 （6）组合图案。当地物较小或像片比例尺较小时，地物的单个影像在像片上不能表现出来，但地物的群体特征可以在像片上反映出来，这种影像特征称为组合图案。如在中小比例尺航空像片上，很难识别阔叶林、针叶林单棵树，但通过其组合图案能识别出来。农田与周边防护林、操场和跑道组成的学校，均为组合图案。 在航空像片判读时，应综合运用各种判读标志进行判读。 2）间接判读标志 依据各地物间的相互关系，用专业知识进行逻辑推理。如在干旱区，多条小路通向一点，可判断为水源，如水井；向心状水系推断为向斜构造；植物分布呈带状，可能是有断层存在。 2. 遥感图像的判读方法 1）直接判读法 根据直接判读标志判定地物的性质。如水体反射率低，对光线的吸收能力强，在各种航空像片上，呈现灰黑色到黑色的暗色调。 2）对比分析法 （1）和典型像片进行比较。利用熟悉的、经过实地验证的已知图像进行对比。 （2）和已知资料对比。利用地形图、 DEM或专题图如地质、土壤、植被类型图等辅助信息，与遥感图像融合，识别地物。 （3）到野外与实际地物对比。室内判读的疑点，到野外进行校核，对照判读。选取重点路线，对室内判读内容进行核实，验证判读的准确性。 3）逻辑推理法 利用间接判读标志，根据各地物间的关系进行推理。如由植被类型识别土壤类型，森林草原对应黑钙土、草原对应栗钙土、荒漠草原对应棕钙土、热带雨林对应红壤等。 3. LUCC分类系统 1）1984年全国农业区划委员会制定的土地利用现状分类系统 1984年 9月全国农业区划委员会制定的《土地利用现状分类及含义》，规定全国土地利用现状采用两级分类，统一编码。一级分 8类，二级分 46类。一级分为耕地、园地、林地、牧草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域和未利用土地。 2）1995年 1∶25万全国土地利用分类系统 1∶25万全国土地利用分类系统一级分 8类：耕地、园地、林地、草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域和未利用土地。耕地分为平耕地（平原区和盆地中的水浇地、旱地）、河川耕地和坡耕地。园地分为果园、桑园、药园。林地分为有林地（树木郁闭度 >30%的天然林或人工林）、灌木（ >40%覆盖）和疏林地（郁闭度 10%～30%）。草地分为草甸草地、草原草地、草山草坡和低洼草地。居民点及工矿用地分为居民点（市、镇、村居民点）、独立工矿用地、盐田和特殊用地（独立军事用地）。交通用地包括铁路、公路、农村道路、民用机场、港口、码头等。水域包括河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、苇地、滩涂、沟渠等。未利用土地包括荒草地、盐碱地、沼泽地、沙地等。 3）中国科学院采用的全国土地利用分类系统中国科学院 LUCC分类系统一级分为 6类：耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地和未利用土地，主要根据土地的自然生态和利用属性分类。二级分为 25类，主要根据土地经营特点、利用方式和覆盖特征分类。耕地分为水田和旱地；林地分为有林地、灌木林地、疏林地和其他林地；草地分为高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地；水域分为河渠、湖泊、水库和坑塘、冰川和永久积雪地、海涂和滩地；城乡工矿居民用地分为城镇用地、农村居民点用地和其他建设用地；未利用土地分为沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石砾地和其他用地，包括高寒荒漠、苔原等。*早的分类系统中没有海洋，海洋类是在数据更新中由于填海造陆涉及海洋而补充的新地类。 4）三大类土地利用分类系统 2000年后采用的三大类分类系统分为农用地、建设用地和未利用地，又细分为一级和二级分类。一级分为 12类。 5）新分类系统 2017年颁布的《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）适用于土地调查、规划、审批、整治、执法、评价、统计及信息化管理等工作。土地利用现状分类采用一级、二级两个层次，共分 12个一级类、 73个二级类。 12个一级类分为耕地、园地、林地、草地、商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施用地和其他用地。 4. LUCC判读实验 1）制定分类系统和设计图例 根据研究区情况，自己制定分类系统，利用分类系统进行图例的设计，参考图例如图