《衛(wèi)星影像分析與應(yīng)用》課件

衛(wèi)星影像分析與應(yīng)用衛(wèi)星影像：現(xiàn)代科技與地球觀測的橋梁衛(wèi)星影像的定義光學(xué)影像利用太陽光反射可見光及近紅外成像類似人眼所見雷達(dá)影像主動發(fā)射微波不受云層影響衛(wèi)星影像的發(fā)展歷程1972年Landsat-1發(fā)射開啟民用遙感時代1980-2000年SPOT、ERS系列發(fā)射分辨率提升2000-至今商業(yè)遙感崛起衛(wèi)星影像的基本原理電磁波特性不同波長攜帶不同信息穿透性與分辨率成反比地物反射每種物質(zhì)有獨(dú)特光譜特征形成"光譜指紋"傳感器作用接收地表反射電磁波衛(wèi)星影像的分類多光譜影像多個波段同時成像全色影像單一波段高分辨率高光譜影像上百個連續(xù)波段雷達(dá)影像衛(wèi)星分辨率空間分辨率像元大小，決定細(xì)節(jié)識別能力光譜分辨率波長范圍與數(shù)量，影響特征區(qū)分時間分辨率重訪周期，觀測頻率輻射分辨率全球主要遙感衛(wèi)星概覽全球遙感衛(wèi)星網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全天候、全地域觀測衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)獲取方式開源平臺GoogleEarthEngineCopernicusOpenAccessHub商業(yè)供應(yīng)商MaxarTechnologiesAirbusDefenceandSpace國家數(shù)據(jù)中心中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心USGS地球資源觀測科學(xué)中心云服務(wù)平臺AmazonAWS阿里云地球引擎衛(wèi)星影像分析的基本流程數(shù)據(jù)采集選擇合適衛(wèi)星數(shù)據(jù)考慮分辨率與覆蓋范圍預(yù)處理輻射校正消除大氣影響幾何校正確保位置準(zhǔn)確數(shù)據(jù)分析分類、變化檢測等應(yīng)用專業(yè)算法提取信息結(jié)果展示制圖可視化結(jié)果驗(yàn)證與評估數(shù)據(jù)預(yù)處理的重要性未經(jīng)校正的影像大氣散射干擾嚴(yán)重幾何位置偏移數(shù)據(jù)噪聲明顯光譜信息失真校正后的影像清晰度提高位置精確對應(yīng)噪聲減少光譜信息準(zhǔn)確柵格與矢量數(shù)據(jù)格式柵格數(shù)據(jù)由像素構(gòu)成適合連續(xù)變化現(xiàn)象格式：TIFF、JPEG矢量數(shù)據(jù)由點(diǎn)線面構(gòu)成適合離散對象格式：Shapefile、GeoJSON數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換柵格矢量化矢量柵格化保留數(shù)據(jù)特性空間坐標(biāo)系與投影地理坐標(biāo)系基于經(jīng)緯度的球面坐標(biāo)投影坐標(biāo)系將球面投射到平面常用投影UTM投影適合中小尺度投影變換影響可能導(dǎo)致形變和面積誤差光譜特性與其應(yīng)用植被水體土壤不同地物在各波段反射率差異是遙感分析基礎(chǔ)地表特征分類6常見地表類型農(nóng)田、森林、水體、城市、草地、裸地0.8NDVI閾值區(qū)分植被與非植被的標(biāo)準(zhǔn)值85%分類精度監(jiān)督分類可達(dá)到的平均精度遙感影像的多時相分析1春季作物播種期NDVI值低2夏季生長旺盛期NDVI值峰值3秋季成熟收獲期NDVI值下降4冬季休耕期NDVI值最低衛(wèi)星數(shù)據(jù)的融合高分辨率成果兼具空間與光譜優(yōu)勢互補(bǔ)信息整合光學(xué)+雷達(dá)優(yōu)勢結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)PCA、HSV、小波變換圖像增強(qiáng)技術(shù)直方圖均衡化提高整體對比度使細(xì)節(jié)更加明顯對比度拉伸擴(kuò)展灰度范圍增強(qiáng)目標(biāo)與背景差異銳化濾波增強(qiáng)邊緣特征提高細(xì)節(jié)辨識度噪聲去除中值濾波提高圖像質(zhì)量監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類監(jiān)督分類需要訓(xùn)練樣本分類依據(jù)先驗(yàn)知識精度較高常用算法：最大似然法、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林非監(jiān)督分類無需訓(xùn)練樣本自動聚類分析操作簡便常用算法：K均值、ISODATA圖像分割技術(shù)應(yīng)用像素級處理傳統(tǒng)分類基礎(chǔ)對象級分割形成同質(zhì)區(qū)域?qū)哟位治隹紤]尺度與關(guān)系城市識別應(yīng)用精確提取建筑物案例分析：土地利用分類分類類型像素數(shù)面積(km2)比例(%)建筑用地125,60031.442.3農(nóng)田89,40022.3530.1水體18,2004.556.1森林45,80011.4515.4其他18,0004.56.1變化檢測方法差分法直接計算兩期影像差值比值法計算兩期影像比值3后分類比較比較兩期分類結(jié)果主成分分析提取變化信息主成分遙感指數(shù)的重要性NDVINDWINDBI熱紅外數(shù)據(jù)分析熱紅外感知探測地表熱輻射信息溫度反演計算實(shí)際地表溫度熱點(diǎn)圖生成識別溫度異常區(qū)域城市熱島分析評估城市熱環(huán)境質(zhì)量三維建模技術(shù)立體影像獲取多角度觀測同一區(qū)域數(shù)字高程模型提取地表高程信息三維重建構(gòu)建真實(shí)地形模型應(yīng)用分析坡度、坡向、視域分析時序數(shù)據(jù)分析工具GEE平臺云計算環(huán)境PB級數(shù)據(jù)處理能力專業(yè)軟件ENVI、eCognition功能強(qiáng)大編程工具Python、R語言靈活自定義分析人工智能在影像分析中的應(yīng)用傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)特征工程依賴專家經(jīng)驗(yàn)深度學(xué)習(xí)發(fā)展自動提取特征CNN架構(gòu)優(yōu)勢捕捉空間特征關(guān)系地物自動識別精度顯著提高全色銳化技術(shù)原理結(jié)合多光譜與全色影像優(yōu)勢保留光譜信息提高空間分辨率多光譜影像波段豐富分辨率較低全色影像單一波段分辨率較高案例：農(nóng)業(yè)遙感作物識別多時相特征分析區(qū)分不同作物類型產(chǎn)量預(yù)測結(jié)合生長模型評估收成潛力病蟲害監(jiān)測識別異常光譜特征早期預(yù)警干預(yù)灌溉管理水分脅迫監(jiān)測優(yōu)化用水效率衛(wèi)星影像在城市規(guī)劃中的應(yīng)用衛(wèi)星數(shù)據(jù)揭示城市擴(kuò)張速度與方向，為規(guī)劃提供依據(jù)自然資源管理30%全球森林覆蓋率熱帶雨林面積不斷減少71%地球表面水覆蓋含海洋與淡水資源總量12%可耕地比例適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地災(zāi)害監(jiān)測與評估災(zāi)前基線數(shù)據(jù)收集風(fēng)險區(qū)域識別預(yù)防措施制定災(zāi)中實(shí)時態(tài)勢感知災(zāi)情范圍評估救援行動指導(dǎo)災(zāi)后損失評估重建規(guī)劃恢復(fù)監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測案例衛(wèi)星數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)大范圍環(huán)境污染的檢測與追蹤全球變化研究2000年北極冰蓋基準(zhǔn)線2010年冰蓋減少15%2020年冰蓋減少28%4預(yù)測2030可能減少40%農(nóng)業(yè)遙感與精細(xì)管理精準(zhǔn)管理按需施肥灌溉變量作業(yè)根據(jù)地塊差異定制方案遙感監(jiān)測長期觀測作物生長狀況地塊數(shù)據(jù)庫建立詳細(xì)土壤和作物信息森林火災(zāi)監(jiān)測熱異常檢測識別溫度突然升高區(qū)域熱紅外傳感器實(shí)時監(jiān)測煙霧識別檢測火災(zāi)初期煙霧特征結(jié)合氣象數(shù)據(jù)分析火勢蔓延模擬結(jié)合地形和風(fēng)向數(shù)據(jù)預(yù)測火災(zāi)發(fā)展路徑災(zāi)后評估量化受損面積監(jiān)測植被恢復(fù)情況海洋遙感海溫監(jiān)測追蹤全球海洋溫度變化預(yù)測氣候現(xiàn)象如厄爾尼諾赤潮檢測識別葉綠素異常區(qū)域保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境溢油追蹤監(jiān)測海面石油污染指導(dǎo)清理行動海岸線變化分析侵蝕與沉積過程評估海平面上升影響氣候變化遙感觀測地表溫度監(jiān)測全球溫度異常識別熱島效應(yīng)溫室氣體測量CO?和CH?濃度追蹤排放源降水模式分析降水變化趨勢監(jiān)測極端氣象事件軍事與安全應(yīng)用軍事偵察監(jiān)測目標(biāo)活動評估戰(zhàn)略資源邊境監(jiān)控識別非法越境保障國家安全資源保護(hù)監(jiān)測自然資源打擊非法開采基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測保障關(guān)鍵設(shè)施安全評估易受攻擊點(diǎn)工程與基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測毫米級精度檢測結(jié)構(gòu)變化風(fēng)險評估識別潛在不穩(wěn)定區(qū)域2進(jìn)度跟蹤監(jiān)測大型工程建設(shè)進(jìn)展定期巡檢自動化檢查基礎(chǔ)設(shè)施狀況空間考古衛(wèi)星遙感技術(shù)可探測地下遺址特征，識別古代人類活動痕跡社會經(jīng)濟(jì)遙感夜間燈光數(shù)據(jù)反映人類活動強(qiáng)度人口分布分析估算人口密度和分布人口遷移追蹤監(jiān)測大規(guī)模人口流動經(jīng)濟(jì)活動評估監(jiān)測產(chǎn)業(yè)變化與發(fā)展衛(wèi)星影像的誤差與限制云層干擾光學(xué)遙感最大限制因素分辨率限制無法識別過小目標(biāo)時間分辨率重訪周期限制及時性成本因素高分辨率數(shù)據(jù)價格昂貴數(shù)據(jù)存儲與管理挑戰(zhàn)30TB單顆衛(wèi)星日產(chǎn)量高分辨率衛(wèi)星每日數(shù)據(jù)量15PB年度數(shù)據(jù)量全球遙感數(shù)據(jù)年增長8倍存儲需求增長五年內(nèi)數(shù)據(jù)存儲需求增長率人工智能輔助遙感分析中的瓶頸數(shù)據(jù)標(biāo)注困難人工標(biāo)注耗時專業(yè)知識要求高模型泛化能力不同區(qū)域適應(yīng)性差季節(jié)變化影響大計算資源需求深度學(xué)習(xí)模型計算密集硬件成本高算法解釋性黑盒模型難以解釋結(jié)果可信度評估難遙感行業(yè)的未來趨勢小衛(wèi)星星座低成本高覆蓋率邊緣計算衛(wèi)星端實(shí)時處理AI+遙感融合自動化分析更深入數(shù)字孿生地球構(gòu)建真實(shí)世界虛擬復(fù)制品高時空分辨率數(shù)據(jù)的潛力衛(wèi)星視頻連續(xù)觀測同一區(qū)域厘米級分辨率識別更細(xì)微目標(biāo)小時級重訪及時監(jiān)測快速變化4多源數(shù)據(jù)協(xié)同全天候全波段觀測遙感數(shù)據(jù)與云計算結(jié)合云平臺優(yōu)勢無需下載大量數(shù)據(jù)彈性計算資源處理速度并行計算分布式處理協(xié)同工作多用戶同時訪問便捷共享成果開發(fā)便利API接口豐富快速算法部署遙感領(lǐng)域的國際合作數(shù)據(jù)共享協(xié)議降低數(shù)據(jù)獲取成本促進(jìn)全球研究聯(lián)合研究項(xiàng)目集中全球智