遥感复习总结.docx
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遥感复习总结
遥感复习总结
(米杏当年自己总结的哈,标红是重点,当年还是很多考到了的,不过重点还是看那份卷子,绝大部分考原题,还有一定一定要重视最后一次实验,当年最后一道题就是考最后一次实验,还有复习的时候也把每次的实验看一下)
第一章:
绪论
一、遥感的基本概念
即遥远的感知。
利用探测仪器,在不直接接触的情况下,收集目标或自然现象的电磁波信息,对电磁波信息进行处理和分析,从而获取事物特性的综合性探测技术。
二、遥感系统
包括被测目标的信息特征、信息的获取(遥感平台、遥感器)、信息的传输与记录(信息传输和接收设备)、信息的处理(图像处理设备)和信息的应用
工作原理:
目标地物通过发射、反射(太阳辐射)和回射(雷达)作用发出电磁波信号,装载在遥感平台上的遥感器接受和获取信息源的电磁波信号,记录在数字磁介质或胶片上,送至地面回收或传输给地面的卫星接收站,进行一系列的信息处理(如光学处理、计算机处理、解译),转换成可供用户使用的数据格式。
三、遥感的分类
☆按遥感平台分类:
近地面遥感、航空遥感、航天遥感。
☆按传感器的探测波段分类:
紫外、可见光、红外、微波。
☆按工作方式分类:
主动遥感:
由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的反向散射信号。
被动遥感:
传感器不向目标发射电磁波,仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。
☆按资料记录形式分类:
成像方式、非成像方式。
☆按应用领域分类:
陆地遥感、海洋遥感、农业遥感、城市遥感……
四、遥感的特点
☆感测范围大,具有综合、宏观的特点。
☆信息量大,具有手段多,技术先进的特点。
☆获取信息快,更新周期短,具有动态监测特点。
☆遥感还具有用途广,效益高的特点。
五、遥感技术发展简况
•遥感技术发展趋势:
3全(全天候、全天时、全球)
•3高(高空间、高光谱、高时间分辨率)
•3个结合(大-小卫星,航空-航天,技术-应用)
六、遥感技术应用领域:
林业、农业、水文与海洋产业、国土资源、气象、环境监测、测绘、城市、考古、军事、突发事件等。
第二章遥感的物理基础
第一节电磁波谱与电磁辐射
一、电磁波及其特性
1、电磁波:
由振源发出的电磁振荡在空气中传播。
2、电磁辐射:
这种电磁能量的传递过程(包括辐射、吸收、反射和透射)称为电磁辐射。
3、电磁波的特性:
(1)电磁波是横波
(2)在真空中以光速传播
(3)满足方程:
fλ=c,E=hf(E为能量、h为普朗克常数、f为频率、λ为波长、c为光速)
(4)电磁波具有波粒二象性
波动性:
电磁波是以波动的形式在空间传播的,因此具有波动性。
粒子性:
它是由密集的光子微粒组成的,电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。
电磁波的粒子性,使得电磁辐射的能量具有统计性。
二、电磁波谱
电磁波谱:
将各种电磁波在真空中的波长(或频率)按其长短(或高低),依次排列制成的图表。
(在电磁波谱中,波长最长的是无线电波,其按波长可分为长波、中波、短波和微波;波长最短的是γ射线。
)
遥感常用的电磁波段
名称
波长范围
特征
应用
紫外线
0.01----0.38μm
1.臭氧对紫外线吸收较强;
2.能使溴化银底片感光;
1.用于测定碳酸岩的分布
2.用于油污的监测
可见光
0.38----0.76μm
1.由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫光组成;
2.人眼对可见光有敏锐的分辨率;
1.鉴别物质特性的主要波段
2.以光学摄影或扫描方式接收和记录
红外线
近红外
中红外
远红外
超远红外
0.76----3.0μm
3.0----6.0μm
6.0----15.0μm
15----1000μm
1.近红外性质与可见光相似;
2.红外线有较强的热效应,可以用来红外加热,任何物体都在不停的发射红外线,发射的强度与物体的温度有关;
1.利用红外遥感可以夜间工作。
2.红外线不易为天空微粒所散射,这点比可见光优越。
微波
1----1000mm
1.反射(金属材料)
2.穿透(绝缘体)
3.吸收(热辐射效应):
水、酸
1.具有穿透云雾不受天气影响,可进行全天候全天时的遥感探测;
2.对植被、冰雪、土壤等表层覆盖物有一定的穿透能力。
可采取主动或被动方式遥感,具有较大发展潜力的遥感波段。
(常用于军事全天候探测)
三、电磁辐射的度量
辐射通量密度(E):
单位时间内通过单位面积的辐射能量,单位:
W/m2
四、黑体辐射
1、相关概念
⏹绝对黑体(简称黑体):
对于任何波长
的电磁辐射都全部吸收的物体。
⏹绝对黑体的特性:
α(λ,T)≡1;ρ(λ,T)≡0
⏹任何物体:
α(λ,T)+ρ(λ,T)≡1
⏹绝对白体:
α(λ,T)≡0ρ(λ,T)≡1
α(λ,T):
光谱吸收系数(吸收率)
ρ(λ,T):
光谱反射系数(反射率)
2、黑体辐射定律(只和波长和温度有关)
v普朗克热辐射定律:
普遍适用于绝对黑体的辐射,公式表示出了黑体辐射出射度与温度的关系以及按波长分布的规律。
(1)玻耳兹曼定律:
表示出黑体总辐射出射度(通量密度)随温度的增加而迅速增加,它与温度的四次方成正比。
(2)维恩位移定律:
随着温度的升高,辐射通量密度最大值对应的波长向短波方向移动。
3、黑体辐射的三个特性
v辐射通量密度随波长连续变化,与温度四次方成正比,每条曲线只有一个最大值。
v黑体温度不同,其辐射通量密度曲线不同;温度越高,辐射通量密度越大。
v随着温度的升高,辐射辐射通量密度最大值所对应的波长向短波方向移动。
4、实际物体的发射辐射
基尔霍夫定律:
在一定温度下,任何物体的辐射出射度M和吸收率之比,都是一个常数,并等于该温度下黑体辐射出射度M黑。
发射率:
地物的辐射出射度M与同温下的黑体辐射出射度M黑的比值。
它也是遥感探测的基础和出发点。
在给定的温度下,物体的发射率=吸收率(同一波长);吸收率越大,发射率也越大。
按照发射率与波长的关系,把实际物体分为:
v黑体或绝对黑体:
发射率为1,常数
v灰体(greybody):
发射率大于0小于1,常数
v选择性辐射体:
发射率小于1,且随波长而变化。
v理想反射体(绝对白体):
发射率为0
第二节太阳辐射及大气对其辐射的影响
一、太阳辐射
v是可见光和近红外的主要辐射源;
v常用6000的绝对黑体辐射来模拟太阳辐射;
v辐射波长范围极大,包含整个电磁波范围;
v辐射能量集中0.2-3μm间。
v经过大气层的太阳辐射有很大的衰减,且各波段的衰减是不均衡的。
二、大气对辐射的影响
v大气物质与太阳辐射相互作用,是太阳辐射衰减的重要原因。
v大气层的结构:
对流层:
航空遥感主要在该层内。
平流层:
底层是航空遥感活动层
电离层:
陆地卫星活动空间。
大气外层:
对卫星基本上没有影响。
1、大气的吸收作用:
大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收,形成太阳辐射的大气吸收带。
2、大气的散射作用:
散射:
辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变,并向各个方向散开的物理现象,称为散射。
散射作用:
使原传播方向上的辐射强度减弱,增加其他各个方向的辐射。
波长越长,散射越弱。
散射作用的结果是降低了遥感数据的质量、使影像模糊,从而影响判读。
(1)瑞利散射:
当微粒的直径比辐射波长小得多时的大气散射,d<<λ
v特点:
A散射率与波长的四次方成反比,I∝λ-4。
B瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段,对微波的影响可以不计。
Ø相关现象:
A无云的晴天,天空为什么呈现蓝色?
答:
蓝光波长短,散射强度大,因此蓝光向四面八方散射,使天空呈现蓝色。
B朝霞和夕阳为什么都偏橘红色?
答:
日出日落时,太阳高度角小,阳光斜射向地面,通过大气层比阳光直射时要厚得多。
在过长的传播中,蓝光波长最短,几乎背散射殆尽,波长次短的绿光散射强度也居其次大部分背散射掉了。
只剩下波长最长的红光,散射最弱,因此透过大气最多。
加上剩余的及少量绿光,最后合成呈现橘红色。
C多波段中不使用蓝紫光的原因?
答:
蓝紫光易叠加无关的干扰作用,瑞利散射的作用大,干扰信号非常大。
D为什么微波具有较强的穿透云雾能力?
答:
微波波长比粒子的直径大得多,又属于瑞利散射的类型,波长越长散射强度约小,所以微波才可能有最小散射,最大透射,而被称为具有穿云透雾的能力(全天候,不受天气影响)
(2)米氏散射:
当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。
d≈λ
特点:
A散射率与波长的二次方成反比,I∝λ-2。
B米氏散射发生在近紫外~红外波段,但在红外波段米氏散射的影响超过瑞利散射。
Ø相关现象:
潮湿天气米氏散射影响较大?
答:
云雾的粒子大小与红外线(0.76-15um)的波长相近,所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射,潮湿天气米氏散射影响大。
(3)无选择性散射:
当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。
符合无选择性散射条件的波段中,任何波段的散射强度相同。
d>>λ
Ø相关现象:
云雾为什么通常呈现白色?
答:
虽然云、雾离子直径与红外线波长相近,但相比可见光波段,云雾中水滴的离子直径就比波长大得多,因而对可见光中各个波长的光散射强度相同,所以人们看到的云雾呈白色。
3、大气的反射作用:
大气反射主要发生在云层顶部,并与云量密切相关,被动遥感应尽量选择无云的天气接收遥感信号。
云层厚时反射作用强,通过光少,形成乌云。
4、大气的折射:
大气的折射率与大气密度有关,密度越大折射率越大。
因而,电磁波(太阳辐射)在大气中的传播轨迹是一条曲线。
(不是造成太阳辐射衰减的原因,其改变光线的传播方向。
)
三、大气窗口:
电磁辐射通过大气后衰减较少,透过率较高的电磁波段。
(大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。
)
第三节地球辐射与地物波普
一、地球表面的辐射特征
☆相当于温度为300K的黑体,其电磁辐射的波长范围是:
2.5~50μm。
☆地球表面的发射辐射能量集中于近红外波段和热红外波段;
☆地球表面的热辐射(能量)与自身的发射率、波长、温度有关:
M(λ,T)=ε(λ,T)×M0(λ,T)
二、地球的电磁辐射特性:
(1)<3μm的波长主要是太阳辐射的能量;
(2)>6μm的波长,主要是地物本身的热辐射;
(3)3-6μm之间,太阳和地球的辐射都要考虑。
三、地物的光谱特性
根据能量守恒定律,入射到地表的辐射功率E等于吸收功率E吸、透射功率E透、反射功率E反三个分量之和。
即:
E=E吸+E透+E反
由上式得到:
1=α+τ+ρ
式中α—吸收率,τ—透射率,ρ—反射率
对于不透射电磁波的物体:
1=α+ρ
即有:
α=1-ρ
由第一节的基尔霍夫定律推导得到:
由于有:
1=α+ρ
得到:
所以各种地物的电磁波特性都可以通过间接测试各种地物反射辐射电磁波的特性得到。
=1-ρ
四、地物的反射特性
太阳光通过大气层射到地球表面,地物会发生反射作用。
物体对电磁波谱的反射能力用反射率表示。
镜面反射:
反射满足反射定律
漫反射:
整个表面均匀反射入射电磁波
方向反射:
整个表面反射入射电磁波,但某方向反射特别强烈
平原地区:
漫反射
地形起伏大和地物结构复杂地区:
方向反射
1、地物的波谱反射率(反射系数或亮度系数):
地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。
ρλ=Eρλ/Eλ
同一地物不同波长的反射率不同,原因是地物对某些特定波长的波有选择的吸收。
2、地物的反射波谱:
地物的反射率随入射波长变化的规律。
地物反射波谱曲线:
根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。
地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理
(1)植被反射波谱曲线
(2)土壤反射波谱曲线
自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值,一般来讲土质越细反射率越高,有机质含量越高和含水量越高反射率越低,此外土类和肥力也会对反射率产生影响。
由于土壤反射波谱曲线呈比较平滑的特征,所以在不同光谱段的遥感影像上,土壤的亮度区别不明显。
(3)水体反射波谱曲线
水体的反射主要在蓝绿光波段,其他波段吸收都很强,特别到了近红外波段,吸收就更强,所以水体在遥感影像上常呈黑色。
但当水中含有其他物质时,反射光谱曲线会发生变化。
水中含泥沙时,由于泥沙散射,可见光波段反射率会增加,峰值出现在黄红区。
水中含叶绿素时,近红外波段明显抬升,这些都成为影像分析的重要依据。
(4)岩石反射波谱曲线:
岩石的反射波谱曲线无统一的特征,矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽等都会对曲线形态产生影响。
五、地物的波普特性
(1)不同地物在不同波段反射率存在差异
(2)同类地物的反射光谱具有相似性,但也有差异性。
(3)地物的光谱特性具有时间特性和空间特性
第三章:
遥感平台及与运行特点
第一节遥感平台的种类:
1、航天平台:
>150km卫星(气象卫星系列、海洋卫星系列、陆地卫星系列)、火箭、航天飞机、宇宙飞船
2、航空平台:
30km以内,各类飞机、飞艇、气球等
3、地面平台:
<100米,三角架、遥感塔、遥感车(船)、建筑物的顶部等
第二节卫星轨道及运行特点
一、卫星运行规律—开普勒定律(天体运行的规律):
卫星在空间运行,遵循天体运动的开普勒三定律
二、卫星姿态角:
滚动、俯仰、航偏
三、遥感卫星的轨道类型
地球同步轨道:
卫星运行周期与地球自转周期相同的轨道称为地球同步卫星轨道
太阳同步轨道:
卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向。
第三节陆地卫星及运行特点
☆美国陆地卫星系列Landsat(1-8)(全球范围内应用最广)
☆法国资源卫星系列SPOT(1-5)
☆印度资源卫星系列IRS等
☆中国资源一号卫星——中巴地球资源卫星(CBERS)(分辨率比Landset要高一些)
☆高分辨率陆地卫星系列
☆SAR类卫星
微波成像的特点:
(1)能穿透云雾、雨雪、具有全天候工作能力;
(2)对地物有一定的穿透能力;
(3)能弥补可见光和红外遥感的不足;
(4)可以记录电磁波振幅信号和相位信号。
陆地卫星的运行特点:
(1)近极地、近圆形的轨道;
(2)轨道高度为700~900km;
(3)运行周期为99~103min/圈;
(4)轨道与太阳同步。
(5)重返周期是12-14天.
资源卫星运行特点和意义:
(1)近极地、近圆形的轨道:
近极地,增大观测面积;近圆形没有近地点和远地点,运行速度均匀,质量均匀。
(2)轨道高度为700~900km;
(3)可进行同步观测:
了解全球动态,实现动态监测。
(4)轨道与太阳同步:
与太阳高度角一致(相同的地方时),使得图像具有可比性。
(5)属于中高度的卫星平台
第四节其他卫星及运行特点:
气象卫星系列、海洋卫星系列
第四章传感器及其成像原理
v传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。
v它的性能决定遥感的能力,即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。
第一节遥感传感器
一.传感器的分类
(1)按传感器工作的波段:
---可见光传感器
---红外传感器
---微波传感器
(2)按工作方式:
---主动传感器:
向目标发射强大的电磁波并接收目标反射的回波,主要指各种形式的雷达。
---被动传感器:
接收目标自身的热辐射或反射太阳辐射
(3)按照数据记录方式:
---成像方式传感器
---非成像方式传感器:
记录地物的一些物理参数。
注:
全景雷达垂直探测目标物;侧视雷达放于飞行器一侧,一侧探测目标物.
成像传感器是目前最常见的传感器.
二、传感器的组成
收集器:
收集电磁波能量
探测器:
将电磁波能量转化为化学能
处理器:
处理
输出器:
输出
三、传感器的性能(重点中的重点)(思考:
评价遥感器性能的几个主要指标之间的区别)
1、空间分辨率:
指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小,是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标。
(尺寸越小,分辨率越大。
即能够看到的东西越小,分辨率越好)
扫描成像----像元:
扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小。
摄影成像----摄影比例尺(或线对)
2、波谱分辨率:
又称光谱分辨率是指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。
(波长间隔愈小,分辨率愈高。
即在等长的波段宽度下,传感器的波段数越多,各个波段宽度越窄,地面物体的信息越容易区分和识别,识别性越强。
)(相机有色差,说明波普分辨率不同)
3、辐射分辨率:
传感器接受波谱信号时,能分辨的最小辐射度差,即遥感图象上每一个像元的辐射量化级。
摄影成像:
灰度连续
扫描成像:
灰度离散,分级记录,2n级。
灰度级别越多,辐射分辨率就越高。
(色彩的细腻程度)
注意:
三种分辨率很难实现都高,都会有所偏重。
4、时间分辨率:
指对同一地点进行重复观测的最小时间间隔,即重访周期。
(由遥感平台决定)
第二节:
摄影成像原理(重点,考试必考)
一、摄影类型的传感器
1、框幅式摄影机
成像原理:
在某一摄影瞬间获得一张完整的像片,这张像片上所有像点共用一个摄影中心和同一个像片面。
2、全景摄影机(扫描摄影机)
3、缝隙式摄影机(航带摄影机)
4、多光谱摄影机
二、摄影像片的几何特征(重点)
(一)像片投影——中心投影:
投射线会聚于一点的投影方式。
正射投影:
投射线都垂直于投射平面。
—大比例尺地形图
**中心投影与正射投影的区别(思考:
地形图和框幅成像的投影方式是什么?
有什么特点?
1)投影距离的影响:
正射投影比例尺和投影距离无关;
中心投影焦距固定,航高改变,其比例尺也随之改变。
(越高,比例尺越小)
2)投影面倾斜的影响:
正射投影各点相对位置与形状保持不变;
中心投影各点相对位置与形状发生变化。
3)地形起伏的影响:
地形起伏对正射投影无影响;
对中心投影引起投影差航片各部分的比例尺不同。
(地形图中,建筑墙角若是一条直线,则不能用来测量,因为存在误差;若是一个点,说明是垂直投影,可以用来测量。
)
(二)像片的比例尺:
像片上两点之间的距离ab与地面相应两点之间的距离AB之比。
航高、地形起伏会影响比例尺
中心投影像片比例尺在中心和边缘是不同的。
(三)像点位移:
根据中心投影的原理,略有起伏状态的地形,或高出平面的物体,反映到航空像片上的像点与其平面位置相比,一般都会产生位置的移动,叫像点位移。
根据三角形相似原理,可得像点位移的计算公式:
h=r*h/H
r:
像点a到像主点的距离;
H为摄影航高;
h为地面高差。
像点位移规律
1、位移量与像主点的距离r成正比。
r=0时,h=0,像主点无移位。
2、h与h成正比,h>0,像点背离像主点方向移位;
h<0,像点朝向像主点方向移位
3、h与航高H成反比。
三、扫描成像原理(了解)
MSS工作原理(08年考过)
MSS的成像板上有24+2个探测元,按波段排列成四列,每列由六个探测元,每个探测元的地面观察面积为79m×79m。
另外两个探测元为热红外通道,分辨力为240m×240m。
扫描仪成像时,每个波段由六个相同大小的探测元与飞行方向平行排列,这样在瞬间看到的地面大小为6×79m×79m,又由于扫描总视场为11.56度,地面宽度为185km,因此扫描一次每个波段获取六条扫描图像,其地面范围为474m×185km。
又因卫星速度为6.5km/s,在扫描一次的时间里卫星正好往前移动474m,因此扫描线恰好衔接。
第四节微波遥感与成像
一、特点:
1、能全天候、全天时工作
2、对某些物体具有特殊的波谱特征
3、对冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力
4、对海洋遥感具有特殊意义
5、分辨率较低,但特性明显
二、分类:
主动式微波遥感(雷达),被动式微波遥感
侧视雷达工作原理:
侧视雷达工作时,发射机通过发射天线发出一束电磁波,接收天线接收回波,经过处理器处理后,这种地物对雷达波的响应就可以作为我们辨别各种地物的依据。
(思考:
侧视雷达的成像方式和其他传感器成像方式相比有什么不同?
答:
侧视雷达属于距离成像原理,其他属于中心成像方式)
三、雷达遥感的信息特征
(1)雷达影像的色调差异主要取决于回波的强弱
(2)一般来说距离近的物体回波强,距离远的物体回波较弱
(3)金属物体往往都有较强的回波
(4)平行于航向的物体回波较强
(5)受地形起伏的影响,雷达波不能到达之处,形成雷达阴影
(6)受天线角度影响,地面镜面目标无回波
(7)在雷达影像上,线状地物一般比较清晰
(8)雷达影像的立体感较强
第五章遥感图像处理
第一节遥感图像处理基础
遥感图像的表示形式:
光学图像:
一个光学图像可以看成是一个二维的连续的光密度(或透过率)函数,用函数f(x,y)来表示。
f(x,y)是一个连续变化的函数。
0≤f(x,y)<∞
数字图像:
二维的离散的光密度(或亮度)函数
第二节:
辐射校正
1、为什么进行辐射校正?
由于遥感检测系统、大气散射和吸收等原因引起的图像模糊失真、分辩率和对比度下降等辐射失真,即形成辐射畸变。
2、引起辐射畸变的原因是什么?
(1)大气对辐射的影响
(2)光照条件的影响
(3)传感器仪器本身的误差
3、如何进行辐射校正(校正的方法、原理、步骤)?
(1)直方图法
A基本思想(原理):
一幅图像中总可以找到某种或某几种地物,其辐射亮度或反射率接近0,实测表明,这些位置上的像元亮度不为零,这个值就应该是大气散射导致的程辐射度值。
B前提:
图像中必须存在反射值为零的区域,如高山阴影区或面积大且水体深的水域。
C校正步骤:
首先确定条件满足,将该波段中每个像元的亮度值都减去本波段的最小值。
(2)回归分析法
A原理:
大气散射主要影响短波部分,波长较长的波段几乎不受影响,因此用长波数据来校正短波数。
B步骤:
在不受大气影响的波段(如TM5或7)和待校正的某一波段图像中,选择由最亮至最暗的一系列目标,将每个目标的两个待比较的波段灰度值提取出来进行回归分析,建立线性回归方程:
由最小二乘法,作直线按拟合,得到:
其中,
分别为a,b波段的平均值。
可以认为,a是波段b的程辐射度。
校正方法,将波段b中每个像元的亮度值减去a,来改善图像,去掉程辐射。
第三节:
几何校正(论述)
一、遥感图像几何变形的原因
1、传感器外方位元素变化的影响:
遥感平台运动位置和状态变化(旁向位移、速度变化即航向位移、
高度变化(地面分辨率不均匀)俯仰变化、翻滚变化、偏航变化)
2、地形起伏的影响
3、地球曲率(类似于地形起伏引起的像点位移)
4、地球自转的影响:
地球自转对于瞬时光学成像遥感方式没有影响,对于扫描成像则造成图像平行错动。
5、大气折射:
大气折光差
二、遥感图像的几何校正
1、校正原理
利用实地测量的地物的真实坐标值,寻找实测值与存在畸变的图像坐标之间的函数关系,从而改正原始影像的几何变形,产生一幅符合某种地图投影或图形表达要求的新图像
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