遥感与图像解译（原书第7版）

本书是遥感领域的经典教材与指导书，可作为我国高等学校、科研单位、技术部门、公司和政府部门相关专业人员的教科书或学习参考书，也可供航空、航天、信息、生物、测绘、商业、工程、林业、地理、地质、城市规划、水资源管理等领域的科学工作者参考，以及遥感技术爱好者学习使用。

本书是美国威斯康星大学Thomas M. Lillesand、Ralph W. Kiefer和达特茅斯学院Jonathan W. Chipman合著的Remote Sensing and Image Interpretation， Seventh Edition一书的中译本，是美国许多大学遥感相关专业的教科书和科研参考书。内容包括：遥感的概念和基础，摄影系统基本原理，摄影测量的基本原理，多光谱、热红外和高光谱遥感，地球资源卫星在可见光谱中的运作，微波和激光雷达遥感，数字图像分析，遥感应用等。书后提供了大量参考文献、术语表和附录等。全书附有大量彩色和黑白遥感图像或照片，为读者提供了生动而丰富的内容。全书紧跟遥感科技发展的步伐，不断更新内容，图文并茂，材料丰富，知识覆盖面宽，概念清楚，讲解生动。

Thomas M. Lillesand

美国威斯康星大学麦迪逊分校学士、硕士、博士，教授，现已退休。美国摄影测量与遥感学会认证摄影测绘制图专家和成图专家，约翰·斯坦尼斯空间中心学术委员会委员，地球观测系统、EROS数据中心科学顾问团成员，美国摄影测量与遥感学会前任主席与理事，美国土木工程学会会员，研究方向为环境监测、遥感、自然资源管理、高分辨率卫星图像处理、地理信息系统、大面积土地利用空间成图、遥感的交通应用、国家空间政策。曾获美国测绘大会奖、美国摄影测量与遥感学会纪念奖，发表论文125篇。

彭望琭

北京师范大学信息科学学院教授，珠海分校信息技术学院院长。主要研究方向：遥感数字图象处理、GIS、计算机应用。1985-1986在美国弗吉尼亚理工大学空间数据分析实验室访问，1999-2001在美国明尼苏达大学GIS实验室和精确农业中心访问。原全国“遥感”教学研究会理事长，教育部第二届教学指导委员会委员，现任国土资源部信息化专家咨询委员会委员，中国图像图形学会理事，中国遥感应用协会专家委员会常务委员，广东省遥感与GIS学会常务理事，珠海市计算机学会理事长，全国教育技术协作委员会常务委员等职。

目 录
第1章 遥感的概念和基础 1
1．1 引言 1
1．1．1 电磁遥感过程概述 1
1．1．2 本书的组织 1
1．2 能源和辐射原理 3
1．3 大气中能量的相互作用 5
1．3．1 散射 5
1．3．2 吸收 6
1．4 能量与地物的相互作用 7
1．4．1 地物的光谱反射率 10
1．4．2 光谱响应模式 13
1．4．3 大气对光谱响应模式的影响 13
1．4．4 几何因素对光谱响应模式的
影响 15
1．5 数据获取和数字图像概念 18
1．5．1 高程数据 21
1．6 参考数据 24
1．7 全球定位系统和其他全球导航
卫星系统 26
1．7．1 GNSS的国际发展状态 26
1．7．2 GNSS数据处理和校正 26
1．8 遥感系统的特点 27
1．9 遥感的成功应用 30
1．10 地理信息系统 31
1．11 GIS和遥感的空间数据框架 34
1．12 图像目视解译 35
1．12．1 图像解译的要素 35
1．12．2 图像解译策略 37
1．12．3 图像解译标志 40
1．12．4 遥感波长 41
1．12．5 色彩感知和颜色混合 41
1．12．6 图像解译的时间因素 42
1．12．7 图像空间分辨率和地面采样距离 42
1．12．8 图像解译中的其他重要分辨率 45
1．12．9 图像比例尺 46
1．12．10 图像解译过程 46
1．12．11 目视解译的基本设备 47
1．12．12 目视图像解译与计算机图像处理的关系 51
第2章 摄影系统原理 52
2．1 引言 52
2．2 航空摄影的早期历史 52
2．3 摄影基础 54
2．3．1 简单摄影机 54
2．3．2 聚焦 55
2．3．3 曝光 55
2．3．4 几何因素对胶片曝光的影响 56
2．3．5 滤色片 57
2．4 胶片摄影 59
2．4．1 胶片密度和特征曲线 60
2．4．2 黑白胶片 63
2．4．3 彩色胶片 65
2．4．4 彩红外胶片 66
2．5 数字摄影 69
2．5．1 数字和模拟摄影对比 69
2．5．2 数字摄影的优点 71
2．6 航空摄影机 71
2．6．1 单镜头分幅摄影机 71
2．6．2 全景摄影机 73
2．6．3 数字相机幅面尺寸 74
2．6．4 小幅面数字摄影机 75
2．6．5 中幅面数字摄影机 76
2．6．6 大幅面数字摄影机 77
2．6．7 面阵数字摄影机的几何要素 78
2．7 摄影系统的空间分辨率 79
2．7．1 胶片摄影系统 79
2．7．2 数字摄影系统 82
2．7．3 物体的探测、识别和鉴定 83
2．8 航空摄像 83
2．9 小结 85
第3章 摄影测量的基本原理 86
3．1 引言 86
3．2 航空相片的基本几何特征 88
3．2．1 航空相片的几何类型 88
3．2．2 垂直航空相片拍摄 89
3．2．3 垂直相片的几何要素 92
3．2．4 像平面坐标测量 93
3．3 相片比例尺 93
3．4 航空相片的地面覆盖 95
3．5 面积测量 98
3．6 垂直地物的投影差 99
3．6．1 投影差的特性 99
3．6．2 由投影差测量确定物体的高度 101
3．6．3 投影差的校正 101
3．7 影像视差 102
3．7．1 影像视差的特性 102
3．7．2 由视差测量得到物体的高度和地面坐标位置 103
3．7．3 视差测量 105
3．8 航空摄影的地面控制 107
3．9 确定航空摄影的外方位元素 108
3．9．1 间接地理参照 108
3．9．2 直接地理参照 111
3．10 从航空相片生产制图产品 111
3．10．1 基础平面制图 111
3．10．2 从硬拷贝到软拷贝的显示与制图系统的演化 112
3．10．3 空间交会与DEM制作 113
3．10．4 数字/正射影像制作 114
3．10．5 多光束摄影测量 119
3．11 飞行计划 121
3．12 小结 125
第4章 多光谱、热红外和高光谱遥感 126
4．1 引言 126
4．2 垂直航迹扫描 126
4．3 沿航迹扫描（推帚式扫描） 130
4．4 垂直航迹多光谱扫描仪和影像实例 131
4．5 沿航迹多光谱扫描仪和影像实例 134
4．6 垂直航迹扫描仪影像的几何特性 135
4．6．1 空间分辨率和地面覆盖 135
4．6．2 比例尺切向畸变 136
4．6．3 分辨单元大小的变化 138
4．6．4 一维投影差 139
4．6．5 飞行参数畸变 140
4．7 沿航迹扫描仪影像的几何特性 140
4．8 热红外成像 141
4．9 热辐射原理 143
4．9．1 辐射与动力学温度 143
4．9．2 黑体辐射 143
4．9．3 实体辐射 144
4．9．4 大气影响 145
4．9．5 热辐射和地面要素的相互作用 146
4．10 热红外影像解译 147
4．11 热红外影像辐射校准和温度制图 154
4．11．1 黑体校准源的内标校准 154
4．11．2 空地相关 155
4．11．3 用热红外图像制作温度图 155
4．12 FLIR系统 156
4．13 高光谱遥感 156
4．14 小结 163
第5章 地球资源卫星的光谱应用 164
5．1 引言 164
5．2 卫星遥感系统的光谱特征 165
5．2．1 卫星平台和任务子系统 165
5．2．2 卫星轨道设计 167
5．2．3 传感器设计参数 167
5．2．4 其他系统注意事项 170
5．3 中等分辨率系统 170
5．4 陆地卫星1～7 171
5．5 陆地卫星8 179
5．6 未来的陆地卫星任务和全球对地观测系统 188
5．7 SPOT 1～5 189
5．8 SPOT 6和7 195
5．9 其他中等分辨率卫星的演化 197
5．10 1999年以前发射的中等分辨率系统 198
5．11 1999年以后发射的中等分辨率系统 200
5．12 高分辨率系统 204
5．13 高光谱卫星系统 208
5．14 观察常规地表特征的气象卫星 210
5．15 NOAA POES卫星 210
5．16 JPSS卫星 212
5．17 GOES卫星 214
5．18 海洋监测卫星 216
5．19 对地观测系统 217
5．19．1 MODIS 218
5．19．2 ASTER 220
5．19．3 MISR 222
5．20 空间站遥感 222
5．21 太空碎片 225
第6章 微波和激光雷达遥感 227
6．1 引言 227
6．2 雷达的发展 227
6．3 成像雷达系统的工作原理 229
6．3．1 距离分辨率 233
6．3．2 方位分辨率 234
6．4 合成孔径雷达 235
6．5 雷达图像的几何特性 237
6．5．1 斜距比例失真 237
6．5．2 地形起伏的偏移影响 238
6．5．3 视差 240
6．6 雷达信号的传输特性 241
6．7 其他雷达图像特征 243
6．7．1 雷达图像光斑 243
6．7．2 雷达图像距离亮度变化 245
6．8 雷达图像解译 246
6．8．1 几何特性 246
6．8．2 电特性 248
6．8．3 极化作用 249
6．8．4 土壤响应 250
6．8．5 植被响应 251
6．8．6 水和冰的响应 254
6．8．7 城市区域响应 256
6．8．8 小结 257
6．9 干涉测量雷达 257
6．10 空间雷达遥感 261
6．11 Seasat-1和航天飞机成像雷达任务 262
6．11．1 SIR-A 263
6．11．2 SIR-B 263
6．11．3 SIR-C 265
6．12 Almaz-1 266
6．13 ERS、Envisat和Sentinel-1 266
6．14 JERS-1、ALOS和ALOS-2 267
6．15 Radarsat 268
6．16 TerraSAR-X、TanDEM-X和PAZ 270
6．17 COSMO-SkyMed星座 272
6．18 其他高分辨率星载雷达系统 272
6．19 航天飞机雷达地形测绘任务 273
6．20 航天雷达系统小结 275
6．21 雷达测高法 276
6．22 被动微波遥感 277
6．22．1 微波辐射计 278
6．22．2 被动微波扫描仪 278
6．23 Lidar的基本原理 280
6．24 Lidar数据分析和应用 282
6．25 航天Lidar 287
第7章 数字图像分析 289
7．1 引言 289
7．2 图像预处理 291
7．2．1 去噪 291
7．2．2 辐射校正 292
7．2．3 几何校正 295
7．2．4 子图、图层堆叠和镶嵌 297
7．3 图像增强 298
7．4 对比度处理 298
7．4．1 灰度级阈值处理 298
7．4．2 灰度分割 298
7．4．3 对比度拉伸 299
7．5 空间特征处理 302
7．5．1 空间滤波 302
7．5．2 卷积 303
7．5．3 边缘增强 305
7．5．4 傅里叶分析 307
7．6 多图像处理 309
7．6．1 光谱比值 309
7．6．2 归一化差值比和其他指数 311
7．6．3 主成分与典型成分 313
7．6．4 植被成分 317
7．6．5 明度-色调-饱和度彩色空间变换 319
7．6．6 去相关拉伸 321
7．7 图像分类 321
7．8 监督分类 322
7．9 分类阶段 323
7．9．1 距平均值最小距离分类法 324
7．9．2 平行六面体分类法 324
7．9．3 高斯最大似然分类法 325
7．10 训练阶段 326
7．11 非监督分类 333
7．12 混合分类 336
7．13 混合像元分类 337
7．13．1 光谱混合分析 338
7．13．2 模糊分类 340
7．14 输出阶段和分类后平滑 341
7．15 基于对象分类 342
7．16 神经网络分类 344
7．17 分类精度评价 345
7．17．1 分类误差矩阵 345
7．17．2 分类误差矩阵评价 347
7．17．3 取样需要考虑的事项 348
7．17．4 关于精度评价的最后思考 349
7．18 变化检测 349
7．19 图像时间序列分析 352
7．20 数据融合与GIS集成 354
7．20．1 多时相数据融合 355
7．20．2 多传感器图像融合 355
7．20．3 图像数据与辅助数据的合并 356
7．20．4 自动土地覆盖分类与GIS 数据集成 357
7．21 高光谱图像分析 359
7．21．1 高光谱图像的大气校正 359
7．21．2 高光谱图像分析技术 359
7．22 生物物理建模 361
7．22．1 尺度效应 362
7．23 小结 364
第8章 遥感应用 365
8．1 引言 365
8．2 土地利用/覆盖制图 366
8．3 地质和土壤制图 370
8．3．1 地质制图 370
8．3．2 土壤制图 373
8．4 农业应用 375
8．5 林业应用 378
8．6 牧场应用 381
8．7 水资源应用 382
8．7．1 水体数量及分布 382
8．7．2 水质 386
8．8 冰雪应用 388
8．9 城市和区域规划应用 390
8．10 湿地制图 391
8．11 野生动物生态学应用 393
8．12 考古学应用 396
8．13 环境评价与保护 398
8．14 自然灾害评价 400
8．14．1 野火 401
8．14．2 强风暴 401
8．14．3 洪水 403
8．14．4 火山爆发 403
8．14．5 灰埃和烟雾 404
8．14．6 地震 404
8．14．7 海啸 405
8．14．8 海岸线侵蚀 405
8．14．9 滑坡 405
8．15 地貌识别和评价原理 407
8．15．1 土壤特征 407
8．15．2 土地利用适宜性评价 408
8．15．3 地貌识别和评价的图像解译要素 408
8．15．4 影像解译过程 411
8．16 小结 417
附录A 辐射度的概念、术语和单位 418
附录B 样本坐标变换和重采样过程 420
附录C 雷达信号的概念、术语和单位 423
遥感常用国际单位 426
术语表 427
参考文献 441

译 者 序

本书由美国威斯康星大学的Thomas M. Lillesand、Ralph W. Kiefer和达特茅斯学院的Jonathan W. Chipman合著。作者对该书第1版的写作始于1976年，第1版出版后，作为不同专业课程所用的遥感基础教程和很有价值的参考书，受到了美国许多大学和研究机构的欢迎。为适应遥感学科的飞速发展和新技术与新理论的不断增加，作者不断修订了本书的内容，2000年出版了第4版，2014年出版了第7版。至今，该书仍是美国许多大学的遥感教材，受到了人们的普遍欢迎。

我国1986年首次引入本书，它是高等教育出版社出版的原著1979年版的译著，由李勇奇、吴振鑫、晓岸译，杨廷槐校，译著名为《遥感和图像判读》。2003年，电子工业出版社出版了原著第4版的译著，由彭望琭、余先川、周涛、李小英等译，刘继选审校，译著更名为《遥感与图像解译》，并由遥感界的前辈陈述彭院士作序，引导读者深刻认识本书的优点。译著每次出版都受到了遥感教育和科研工作者的欢迎，已成为最受欢迎的遥感参考书之一。

第7版与第4版相比，在重点内容上做了改变，譬如在“遥感的概念和基础”一章中增加了“图像目视解译”一节，而把“目视图像解译概述”一章改为“遥感应用”。说明了各种遥感数据和处理方法归结到应用更为合理；强调了高分辨率卫星数据的重要性；增加了微波和激光雷达遥感的内容；增加了新的传感器介绍和新的数据处理方法与手段。全书结构严谨，论述全面，涉及的知识面广泛。书中插图增加了许多新传感器图像的解译和应用。最后还增加了术语表和附录。这些都表明本书作者努力跟上时代步伐，推陈出新，用通俗的语言讲出深奥的理论，使读者通过学习更快地加入到现代遥感工作之中。

本书由北京师范大学珠海分校和北京师范大学联合翻译组完成。目录、第1章、第7章的7.1～7.15节、附录B由彭望琭翻译和写序；前言、第2章、第5章、术语表由余先川、詹英翻译；第4章、第6章、第7章的7.16～7.19节、附录C由贺辉翻译；第3章、第7章的7.20～7.23节、第8章、附录A由陈红顺翻译。为了与第4版的译文一致，翻译中的中文词汇尽量参考第4版，但也做了部分更新。限于本书译者的水平，译文仍会有不妥之处，敬请读者批评指正。

前 言

编写本书主要有两个目的：一是作为介绍遥感与图像解译课程的教材；二是作为迅速增多的地球空间信息与分析专业人员工作时的参考资料。计算能力的飞速发展和传感器设计的快速改进，使得遥感及与其相关的技术，如地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS），在科学研究、工程应用、资源管理、商业发展以及其他领域中起着越来越重要的作用。由于本书可能会在学术和专业团体中广泛使用，因此会尽量遵循中立原则，即本书并不专门针对于商业、生态、工程、林业、地理、地质、城市规划、水资源管理等某个领域。对待该学科，我们的态度是：每个学科的学生和使用者，都应对遥感系统及其在现实环境中广阔无垠的应用有较清楚的认识。简而言之，任何从事地球空间数据的获取与分析的相关人员，都会发现本书是非常有价值的参考文献。

从40年前本书第1版的出版至今，世界已发生了巨变。现在，学生可以在平板或笔记本计算机上阅读本书第7版的电子书。计算机的处理能力和用户界面，已超出了20世纪六七十年代就在遥感和图像解译中最先使用计算机的那些科学家与工程师们的想象。随着遥感领域的蓬勃发展，探究遥感科学成为一项全球活动，本书的读者群体也已日趋多元化。亚洲、非洲和拉丁美洲的国家贡献了多层次的遥感人才，从培养新的遥感分析人员到使用地理空间技术管理资源、发射和操控新的地球观测卫星。同时，类似“谷歌地球”和“微软必应”地图这样的基于图像的高分辨率可视化平台数量的激增，从某种意义上正在把可以上网的每个人变成“沙发遥感迷”。要有意义且可靠地解译这些新影像，需要我们花大量的时间和精力来学习专业知识。借用欧几里得的话来说，图像分析是没有捷径的。开发这些技能仍需要在电磁辐射原理、传感器设计、数字图像处理和应用上具备坚实的基础。

本书（第7版）的重点是数字图像的获取和分析，但保留了早期模拟传感器和方法的基本信息，因为现在仍然存在着大量的相关档案数据，且这些数据作为研究长期变化的资源越来越有价值。我们扩展了激光雷达系统和3D遥感的覆盖范围，包含了诸如运动估计结构之类的数字摄影测量方法。为了与现在这些领域的变化保持一致，彩图中添加了从无人机平台上到本书第6版出版以来新发射的光学和雷达卫星上获取的图像。在图像分析领域，计算能力的持续提升使得人们更加重视利用大数据技术，包括那些处理神经网络分类、基于对象图像分析、变化检测和图像时序分析的技术。

每次在新版中增加新内容（包括新彩图）并更新主题的涵盖范围时，我们都会对章节的组织做一些改进。最明显的改进是，我们拆分了之前的第4章“目视图像解译”。其中，为了强调目视解译在整本书（领域）中的重要性，我们把原第4.1节“目视图像解译的处理方法”放到了第1章中；原第4章的其余小节移到了本书的最后，组成了关于遥感应用的更广泛的回顾，而不局限于目视方法。此外，涵盖雷达和激光雷达系统的章节现在放在数字图像分析方法与遥感应用相关章节的前面。

尽管本书有了这些改变，但我们仍尽力保持本书一直以来的知识强度。如上所述，本书的“学术中立”是有意为之的，因此本书可在许多不同领域中作为遥感原理、方法和应用的入门读物。书中提供了丰富的资料，可供读者以不同的方式使用。对于某些课程，可从书中删去某些章节而作为半学期或半学年的一门课程。本书亦可作为两门连续课程的综合教材。其他人可能会在一系列单元课程或短期课程、专题讨论会等形式中使用本书。在教室外面，遥感从业者将会发现本书是一本不断变化的技术指导参考书，但遥感的基本原理仍然未变。我们也有意识地为潜在的不同用途编写本书。

像往常一样，第7版建立在之前版本的基础上。许多人为本书前六版作出了贡献，这里再次向所有人表示感谢，感谢他们慷慨地分享了时间和知识。还要感谢所有的审阅专家，他们指导我们完成了第7版和之前版本的修改。

下列人士和单位提供了第7版中的插图：威斯康星大学麦迪逊分校太空科学和工程中心、美国地质调查局威斯康星视图计划的Sam Batzli博士；地球空间解决方案成像部的副主席Ruediger Wagner先生，莱卡测量系统公司市场和通信部的Jennifer Bumford女士；ILI GmbH公司的市场和销售经理Philipp Grimm先生；UltraCam业务部的销售总监Jan Schoderer先生，微软摄影测量的业务总监Alexander Wiechert先生；Ball Aerospace公司的媒体关系经理Roz Brown先生；NovaSol公司的Rick Holasek先生；ITRES有限公司的Stephen Lich先生和Jason Howse先生；加州大学默塞德分校的Qinghua Guo先生和Jacob Flanagan先生；维克森林大学的Thomas Morrison博士；Earthmetrics有限公司的Andrea Laliberte博士；美国空军技术研究所的工程物理学研究助理教授Christoph Borel-Donohue博士；爱思唯尔公司，德国航天航空中心（DLR），欧洲航空防务与航天（EADS）公司，加拿大太空署，莱卡地理系统公司和美国国会图书馆。达特茅斯学院的Douglas Bolger博士和长颈鹿保护基金的Julian Fennessy博士慷慨地为第8章的野生动物检测提供了资料，包括用在图8.24中的长颈鹿遥感数据。我们要特别感谢那些慷慨分享华盛顿州奥索山体滑坡影像和信息的人们，这些图片最终用在本书的插图、彩图、封面和封底上。这些图片由下列人士提供：Quantum Spatial公司的Rochelle Higgins和Susan Jackson女士，华盛顿州交通局的Scott Campbell先生和美国地质调查局的Ralph Haugerud博士。

下列人士为第7版中有关摄影测量学的内容提供了大量建议：CP, PE, PLS公司的Thomas Asbeck先生、Terry Keating博士。

还要感谢许多来自达特茅斯学院和威斯康星大学麦迪逊分校的教职人员、研究人员、研究生和大学生，他们直接或间接地为本书的出版作出了卓越的贡献。

特别感谢我们的家庭，他们在本书的准备阶段给予了我们耐心的理解和鼓励。

最后希望读者能用从本书中获得的遥感知识让我们的家园变得更美好。业已证明遥感技术能提供巨大的科学、商业和社会价值，它不仅提升了人们进行决策的效率，而且提升了人们改进地球资源和环境管理工作的潜能。希望读者在阅读书中的知识后，能实现自己的这种潜能。

Thomas M. Lillesand

Ralph W. Kiefer

Jonathan W. Chipman