地理遥感基础知识

1、第一章一、基本概念：遥感(RemoteSensing)广义：无接触的远距离探测。狭义：遥感是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。遥感系统(RemoteSensingSystem)遥感系统包括：被测目标的信息特征；信息的获取、信息的传输与记录；信息的处理；信息的应用五大部分。二、遥感的分类(1)按遥感平台分类：近地面遥感；航空遥感(100m10000m)；航天遥感(150Km)；航宇遥感。(2)按传感器的探测波段分类：紫外遥感：0.050.38um可见光遥感：0.380.76um红外遥感：0.761000um

2、微波遥感：1mm10m多波段遥感：传感器由若干个窄波段组成(3)按工作方式分类：主动遥感；被动遥感主动遥感：探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号。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。按应用领域分类：陆地遥感、海洋遥感；农业遥感；城市遥感三、遥感的特点(1)大面积的同步观测(空间特性)探测范围大、具有宏观、综合的特点，可以实施大面积的同步观测。(2)时效性(时相特性)在很短时间内对同一地区能够进行重复成像，有利于动态监测(3)信息的综合性和可比性地球表面自然与人文景观的综合反映卫星轨道的确定性、影像分幅的同一性、同一系列传感器信

3、息的兼容性(4)经济性与传统信息获取手段相比(5)局限性相对于整个电磁波谱段而言四、遥感技术发展趋势遥感发展现状自1960年美国发射第一颗气象卫星以来开创了从空间对地球观测的新时代，1972年美国发射了第一颗地球资源卫星后各国向空间发射了大量的对地观测卫星，目前还有20余颗尚在运行；(2)遥感平台方面（3）传感器方面：伊克诺斯（IKONOS）卫星影像（4）遥感信息处理方面（5）遥感应用方面遥感技术发展趋势3全（全天候、全天时、全球）3高（高空间、高光谱、高时间分辩率）3个结合（大小卫星，航空航天，技术应用）六、遥感技术应用领域举例土地资源、土地利用及其动态监测主要农作物的遥感估产重要自然灾害的

4、遥感监测与评估城市发展的遥感监测天气与海洋其他领域如军事、突发事件等例如:城市群及城市热岛监测,洋山港地理位置图,洋山港土地利用现状图,洋山港三维地形分析,洋山港地区叠加高程信息的遥感影像图-Vr.第二章电磁辐射与地物光谱特征遥感信息源：任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质遥感探测的依据：目标物与电磁波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性。波的概念：波是振动在空间的传播。机械波：声波、水波和地震波电磁波电磁波的特性（1）电磁波是横波（2）在真空中以光速传播（光速=波长X频率）（3）电磁波具有波粒二象性电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁

5、波的波粒二象性。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。波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。电磁波谱将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。6遥感学常使用的电磁波分类名称和波长（入）范围红外线名称紫外线可见光近红外中红外远红外_超远红外微波波长范围0.010.38um0.380.76LimTOC o 1-5 h z0.763+0Um3*06.0Um015l0pm151000um11000mm电磁辐射源（1）自然辐射源太阳辐射：

6、是可见光和近红外的主要辐射源地球的电磁辐射：小于3um的波长主要是太阳辐射的能量（近红外）；大于6口m的波长（热红外），主要是地物本身的热辐射；3-6口m之间（中红外），太阳和地球的热辐射都要考虑。（2）人工辐射源：雷达二、地物的光谱特性任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为地物的光谱特性。地物的反射光谱特性（1）地物的反射率、吸收率和透射率对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。（2）地物的反射率（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。反射率随入射波长

7、而变化。影响地物反射率大小的因素：1)入射电磁波的波长2)入射角的大小3)地表颜色与粗糙度地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。地物反射光谱曲线：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。不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线4)地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。地物的发射光谱特性地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射全部吸收。黑体辐射：黑体的热辐射称为黑体辐射黑体辐射的三个特性辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只

8、有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同(温度的四次方成正比)。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。辐射通量密度：辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量。地物的发射率发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度(单位面积上发出的辐射总通量)W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1,常数。灰体(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：发射率小于1,且随波长而变化。地物发射光谱曲线温度一定时，地物的发射率随波长变化的曲线。见图2.15各类岩浆岩的

9、发射率亮度温度三、大气和环境对遥感的影响大气吸收大气的层次:对流层、平流层、电离层(中间层、热层)、外大气层大气成分：N2、O2、O3、CO2、H2O、烟、尘埃、雾、小水滴、气溶胶。太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，引起这些波段太阳辐射强度的衰减，或完全不能通过大气。太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些缺失带对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层（2）大气散射大气中的粒子与细小微粒如烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶等对大气具有散射作用。散射的作用使在原传播方向上的辐射强度减弱，增加了向其他各个方向的辐射。我们把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

10、的物理现象，称为散射。散射现象的实质是电磁波传输中遇到大气微粒产生的一种衍射现象。辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，向各个方向散开。大气散射的三种情况：（1）瑞利散射（分子散射）：当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射；主要由大气中的原子和分子引起。散射强度与波长的四次方成反比。（大气颗粒对可见光，距离地面9-10km，电磁波长小于1um）-天为什么是蓝的？日出日落时天空是橙红色？（2）米氏散射：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引起。散射强度与波长的二次方成反比。米氏散射在光线前进方向比向后方的散射更强（。云雾对红外的散射、潮湿天气

11、；距地面05km，电磁波长集中在0.7615um）（3）非选择性散射：当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射；散射强度与波长无关。云雾中水滴粒子的直径与可见光相比；云为什么是白色的？大气散射作用与波长的关系：瑞利散射主要发生在紫外、可见光和近红外波段；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；在微波波段，由于微波波长远大于云层中水滴的直径，因而属于瑞利散射类型；此时，散射强度与波长的四次方成反比，散射强度相对很弱，透射能力很强，故微波具有穿透云雾的能力。（3）大气的折射与反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

12、迹是一条曲线（P31，F2.17）。大气折射只是改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐射的强度。大气反射主要发生在云层顶部，并与云量密切相关。（4）大气窗口将电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的、透过率较高的波段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有：（P32）0.31.3um紫外近红外1.51.8um和2.03.5um近中红外3.55.5um中红外814um远红外0.82.5cm微波第三章遥感图像的获取一、遥感平台搭载传感器的工具高度fCHkiu-HKkkiD甲高度十KKJSrloiESiItOin-Sftai遥感车-地面遥感平台；遥感飞机IKONOSspot5ERS1.遥感卫星轨道倾角；

13、轨道形状：椭圆型轨道高度：卫星离地面的平均距离。低轨卫星：150200KM，寿命13周，举例：多数是军事卫星中轨卫星：3001500KM，寿命1年以上，举例：陆地卫星、气象卫星、海洋卫星高轨卫星：35800KM,寿命很长，举例：通信卫星;GPS卫星：22000KM近极轨卫星与赤道卫星近极轨卫星：约等于90，对地球覆盖范围广。如陆地资源卫星。赤道卫星：=0。或180时，卫星轨道面与地球赤道面重合，卫星在赤道上空运行。举例：地球同步卫星/静止卫星。太阳同步卫星卫星与太阳同步，光照角保持不变化卫星轨道上每一点的平均太阳时保持不变（相同的纬度，所有点具有相同的太阳时）LANDSAT：经过赤道9：45A

14、M,北京：10：00AM左右地球同步卫星卫星绕地球运行的速度等于地球自转的速度。始终覆盖着地球表面的同一地区。举例：某些气象卫星、电视转播卫星。2.气象卫星系列风云一号陆地卫星系列美国陆地卫星系列Landsat法国资源卫星系列SPOT中国资源一号卫星一一中巴地球资源卫星（CBERS高分辨率商业卫星系列IKONOSQuickbrid陆地卫星系列1）美国陆地卫星系列Landsat1-7波长(um)光谱段光谱效应10.45-0.52蓝绿光波段30对水体的穿透力强，对叶绿素及其浓度反映敏感20.52-0.60绿光波段30对健康茂盛植物反映敏，对水的穿透力也较强30.63-0.69红光波段30广泛用于地

15、貌、岩性、土壤、植被、水中泥沙流等方面40.78-0.90近红外光波段30对植物、土壤等地物的含水量敏感51.55-1.75近红外光波段30对地物含水量很敏感610.4-12.6热红外光波段60地表温差、水温变化、城市热岛72.09-2.35近红外光波段30岩石类型、地质探矿与制图80.52-0.90全色波段15提高影像分辨率近极近环形太阳同步轨道运行周期：98.9分钟扫描带宽度:185公里Landsat7卫星参数轨道高度：705公里倾角:98.2224小时绕地球:15圈穿越赤道时间:上午9:45分重复周期:16天卫星绕行:233圈3）法国SPOT卫星系列（1-5）1978年起，以法国为主，联

16、合比利时、瑞典等欧共体国家，设计、研制了名为“地球观测实验系统”（SPOT）的卫星，也叫做“地球观测实验卫星”，迄今已经发射了5颗卫星。名称发射时间状态Spot11986.2目前仍在运行，但从2002年5月起停止接收其影像Spot219901至今还在运行Spot31993.9运行4年后在1997年11月由于事故停止运行Spot41998.3卫星作了一些改进Spot52002.5其性能作了重大改进轨道高度:约830公里卫星覆盖周期:26天扫描宽度：60（X60）公里最高空间分辨率:全色波段-2.5米;多光谱波段-10米优势特征：卫星搭载的传感器具有倾斜（侧视）能力，可以获取相邻轨道的地表信息，使

17、重叠率达到60%，构成“立体像对”SPOTHRV传感器的波段设置和光谱效应（HighResolutionVisiblerangeinstruments高分辨率可见光遥感器）波段用途0.500.59pm（绿色）区分植物类型和评估作物长势，对水体也有一定的穿透深度，区分人造地物类型0.610.68pm（红色）辨识农作物类型，地质解译，识别石油带、岩石与矿物0.780.89pm（近红外）区分植物类型、水体边界，探测土壤含水量1.581.75pm（短波红外）探测植物含水量及土壤湿度，区分云与雪0.500.73pm（全色波段）调查城市土地利用现状、区分主要干道、大型建筑物，了解城市发展状况（3）CBER

18、S卫星一中国资源一号卫星（中巴地球资源卫星）1999.10.14,在太原卫星发射中心成功发射。重访周期：26天，设计寿命：2年轨道：太阳同步近极地轨道。H：778km最高空间分辨率：19.5m4）高分辨率商业卫星Quickbrid卫星空间分辨率：全色0.62米多光谱2.7米全景成像面积：16.5X16.5平方公里QuickBrid传感器波段波长(um)光谱段分辨率（米）光谱效应10.450.52蓝绿光波段2.427同TM120.520.60绿光波段2.42.7同TM230.630.69红光波段2.427同TM340.760.90近红外光波段2.427同TM450.450.90全色波段0.6提高

19、影像分辨率IKONOS卫星空间分辨率：全色1米多光谱4米（蓝、绿、红、近红外）全景成像面积：11X11平方公里(5)MODIS:(ModerateResolutionSpectroradiometer)中等分辨率光谱辐射计时间分辨率空间分辨率光谱分辨率NOAA-AVHRR1-2星，每天昼夜2-4次星下点1100m5波段LANDSAT-TM16天1次15m,30m,60m8波段Terra1-2星，每天昼夜2-4星下点36波段Aqua-MODIS次250m,500m,1000m传感器基本上都由收集器、探测器、处理器、输出器等4部分组成收集器：收集来自目标地物的电磁波能量。探测器：将收集的辐射能转变

20、成化学能或电能。处理器：将探测后的化学能或电能等信号进行处理输出器：输出获得的图像、数据。电信息处理匕磁辐射*信息收探测器信息输出P二、摄影成像通过成像设备获取物体影像的技术,较多用于航空遥感探测。（光学镜头、感光胶片）航空摄影机，彩色红外照相机1.摄影成像分类按探测波长分：紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影按记录方式分：传统摄影成像：依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像。数字摄影成像：通过放置在焦平面的光敏元件，经光/电转换，以数字信号来记录物体的影像。特点：1）历史悠久、较为完善、使用广泛。2）信息量大、分辨率高3）受到感光剂的限制，感光范围0.291.10微米，而且

21、只能在晴朗的白天工作。4）瞬间成像，属于中心投影。5）分为模拟影像和数字影像两类。一般遥感中应用最多的是航空摄影机和多光谱摄影机。2.摄影机（1）分幅式摄影机（2）全景式摄影机（3）多光谱摄影机（4）数码摄影机3.摄影像片的几何特征（1）投影（2）比例尺（3）像点位移（1）航空像片属于中心投影垂直投影：物体影像是通过相互平行的光线投影到与光线垂直的平面上。（比例尺一致、与投影距离无关）。中心投影：空间任意直线均通过一固定点（投影中心）投射到一平面（投影平面）上而形成的透视关系。三、扫描成像.成像方式：光/机扫描成像、固体自扫描成像、高光谱成像光谱扫描3探测波段：紫外、可见光、红外和微波波段。含义：依靠探测元件和扫描镜对目标物以瞬间视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。（1）光学机械扫描仪依靠机械传动装置使光学镜头摆动，形成对目标地物逐点逐行扫描。瞬时视场角：扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接收到的目标物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角。总视场角：扫描带的地面宽度称总视场。从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角。几种光机扫描一仪多光谱扫描仪（MSS）专题制图仪TM（2）固体自扫描成像（推帚式扫描仪）固体自扫