遥感原理与应用电子教案3课件

第七章热红外遥感§1热红外遥感概述§2热红外遥感的基本原理§3热红外遥感系统§4热红外遥感应用热红外遥感的定义热红外遥感就是利用星载或机载的传感器收集、记录地物的热红外信息，并利用这种信息来识别地物和反演地表参数的技术系统。热红外遥感的基本原理热红外探测器热红外扫描仪地物热特性地物热特性所有地物只要温度在绝对零度之上就会产生热辐射，地物热辐射遵循黑体辐射定律。

1.黑体辐射发射率(ελ)（或比辐射率）是物体与同样温度的黑体发射能量的比率，即:ελ=

2.灰体辐射把发射率小于1，但发射率在所有波段都有恒定的物体称为灰体。发射率随波长变化的物体称为选择性辐射体。

一些常见物质的发射率

物质温度（℃）发射率亮铜50－1000.02亮黄铜2000.03亮银1000.03合金钢5000.35石墨0－36000.7－0.8润滑油（镍底部厚膜）200.82雪-100.85沙200.90木（刨光橡树）200.90混凝土200.92干土200.92砖（常见红色）200.93玻璃（刨光面）200.94湿土（渗透的）200.95蒸馏水200.96冰-100.96钨丝灯20－4000.96油漆（粗黑颜料）1000.97黑体、灰体和白选择性辐射体热特性的术语热容量是指在压力一定的条件下，1g物质温度每升高1℃(或1卡)所需要吸收的热量。比热（Ｃ）是1g的物质温度升高1℃所需的总热量。热传导率（Ｋ）是物体对热量通过的速度的量度。热惯量P=K是热传导率(cal·cm-1·sec-1·℃-1)；C是比热(cal·gm-1·℃-1)；ρ是密度(gm·cm-3)

热辐射计热辐射计是一种定量测量辐射温度的非成像装置，它用红外光敏探测器和绿色光镜来测量特定波长的辐射，通常采用8~14波段。热扫描的辐射定标内定标法是在扫描仪内部附有2个温度参考源，一个为“最冷”，一个为“最热”，他们的温度被精确控制。相关定标法是通过建立实际地表的测量值与相应扫描数据之间的经验关系，来消除大气的影响。转换定标法是通过建立不同传感器热辐射值之间的转换关系进行辐射温度定标。

案例1林火监测目前遥感监测火灾的主要利用NOAA/AVHRR和MODIS影像，而早在20世纪70年代，我国就进行了机载遥感——林火探测试验，在3000m高空通过热红外传感器可发现地面0.1的火源。1987年，黑农江省大兴安岭森林特大火灾中，遥感在准确确定火源位置、范围，以及火源蔓延趋势，为扑灭大火提供及时准确的火情信息，以及在监测火势发展，灾后评估火灾损失和恢复重建规划方面，都发挥了重要作用，获得显著的社会经济效益。案例2岩溶区探水20世纪80年代，美国在夏威夷群岛利用红外遥感发现了200多处地下淡水出露点，从而解决了该岛对淡水的需求。我国在大连地区开展航空热红外遥感试验，在改地区沿海共发现22处从未有历史记录的淡水泉点，通过对这些泉点的分析，确定了地下淡水排泄地段，为解决沿海地区人畜饮水水源提供了一个重要途径。这些都说明了红外遥感图像在识别含水层、判断充水断层、查明富水地段位置方面很有利的。第八章微波遥感§1微波遥感概述§2微波遥感原理§3微波遥感系统§4雷达图像特征§5微波遥感应用微波遥感概述微波遥感就是利用某种传感器接收地面各种地物发射或反射的微波信号，藉以识别、分析地物，提取所需信息。微波的波长为1~1000mm，一般分为毫米波、厘米波、分米波和米波。微波遥感按照能量来源，有主动和被动之分。微波主动式传感器获得的图像通常称为雷达图像。微波遥感的特点1、微波能穿透云、雾、雨、雪，具有全天候的工作能力。2、微波对地物有一定穿透能力。3、微波可以提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息。4、主动微波遥感不仅可以记录电磁波的幅度信息，还可以记录电磁波的极化和相位信息。5、微波遥感可以覆盖更多的倍频程。6、微波对某些目标的鉴别能力更强。微波遥感原理微波的特征微波的大气效应微波与地表相互作用微波的特征微波的散射（表面散射&体散射）表面散射是指介质表面产生的散射，体散射是指介质内部产生的散射。微波的极化极化是指位于与电磁波传播方向垂直平面内的电场的振动方向的变化趋势。微波的干涉由两个（或两个以上）频率、振动方向相同，相位相同或相位稳定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅之和。因此，会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象，称为干涉。微波的大气效应大气对微波的衰减作用，主要有大气中水分子和氧分子对微波的吸收，大气对微波的散射微波与地表相互作用1、作用过程入射电磁波照射到地物表面，会产生镜面反射或漫反射（或称为散射），并由透射或绕射进入表层以下，在部分或全部被吸收后，其吸收的能量可能再部分或全部被辐射出去（即发射）。在海洋、陆地和大气微波遥感应用中，常用的有效的传感器有5种：散射计、高度计、无线电地下探测器、微波辐射计、测试雷达，其中只有微波辐射计和侧视雷达可用于成像，其他则不能微波遥感系统雷达图像特征雷达图像的亮度雷达图像的波长雷达图像的穿透力雷达图像的极化雷达图像的几何特性图像的辐射特征典型地物的散射特征雷达图像的穿透力

微波辐射具有很强的地表穿透能力，除了能穿云破雾以外，对一些地物（介质），如岩石、土壤、松散沉积物、植被、冰层等，有穿透一定深度的能力。微波频率的高端（如1cm波长）可获得植被层顶部的信息，而微波频率的低端（如1m波长）可获得植被层底层甚至地表以下的信息。

雷达图像的穿透力雷达图像的几何特性

雷达系统的图像记录有两种类型：斜距图像和地距图像。在斜距图像上，各目标点间的相对距离与目标间的地面实际距离并不保持恒定的比例关系，图像会产生不均匀畸变。这就是雷达斜距图像的比例失真。

斜距图像的比例失真

雷达图像的几何特性雷达是按时间序列记录回波信号，入射角与地面坡角的不同组合，会出现不同程度的透视收缩现象。即在有地形起伏时，面向雷达一侧的斜坡在图像上被压缩，而另一侧则被延长。

雷达影像的透视收缩现象雷达图像的几何特性雷达是一个测距系统，发射雷达脉冲的曲率使近目标（即髙目标的顶部）回波先到达，远目标（即髙目标的底部）回波后到达。因而顶部先成像，并向近射程方向位移。这种雷达回波的超前现象，便形成了雷达图像的顶底位移，即叠掩现象。

叠掩现象雷达图像的几何特性雷达视差，就是两张重叠图像上的两个像点分别产生的位移量之差。当雷达沿两条不同轨道观察高于地面的同一目标时，不同的起伏位移会造成图像视差。

雷达阴影图像的辐射特征具有相同后向散射截面的两个相邻观测单元，如在细微特征上有差异，则它们的回波信号也会不同，这样本来具有常数后向散射截面的图像上同质区域，像元间会出现亮度变化，这被称为斑点（speckle）。那些回波功率衰减到远低于平均值电平的像素的灰度值很低，在图像上就表现为黑点；那些回波功率增强到远高于平均值电平的像素很亮，在图像上表现为亮点。

RADARSAT-1图像上的斑点

典型地物的散射特征地物散射特征裸地它对入射电磁波的散射作用很强，在雷达图像上呈亮色调，较易识别土壤土壤的后向散射系数受水量的影响。L波段是公认的检测土壤水分的最佳波段之一。岩石暗色矿物含量高的岩石，介电常数高。植被影响植被回波大小的因素主要是它的含水量、粗糙度、密度、结构等农作物利用多极化信息，再结合多波段及多时相的变化信息能较好地区分不同的农作物。冰雪冰层因镜面反射而成黑色，融冰期水面的浮冰破坏了镜面反射致使雷达回波显著增强，在图像上呈黑色条带或斑块上夹杂着亮点。微波遥感应用领域雷达地质构造岩性水文土壤湿度流域测绘洪水测绘水面范围测绘雪水当量农业地界区分长势与估产生长与收获进程监测作物含水量监测旱情监测林业采伐作业监测

火灾监测生物量估测树木年龄估测树高估测测绘与制图云区地貌测绘土地利用测绘城市扩展监测地质构造填图海洋波形与风速海面污染海上交通与作业寒区环境监测海冰监测大陆冰盖监测冰川形成于运动监测冻土季节变化监测微波辐射计：水文土壤湿度分布用于预报河流水位与洪水流域表面排水特性水面的识别雪盖范围、雪水当量和雪的湿度农业土壤湿度分布用于估产和灌溉调度冻融边界测绘极区海冰形成与发展，类型划分大陆冰块测绘海洋风速

海面温度海面盐度油溢污染强风暴热带气旋监测局地强风暴气象与气候地面温度，大气温度剖面水蒸气集结和剖面分布大气液态水含量海洋温度和表面风速第九章植被遥感§1植被光谱特征§2植被指数§3利用遥感估算植被净初级生产力§4遥感估产模型植被光谱特征叶片光谱特征PROSPECT叶片光谱模拟模型植被冠层光谱特征叶片结构表皮叶片叶肉叶脉叶片结构图绿色叶片光谱反射特征PROSPECT叶片光谱模拟模型PROSPECT模型是一个计算叶片半球反射率和透射率的，基于平板辐射传输模型。反射率：透射率：式中

为平板表面的平均透过率植被冠层光谱特征

植被结构的特征参数：叶面积指数（LAI）：地表单位面积上方所以叶片单面面积或总面积的一半间隙率：植被的疏密度叶倾角分布：叶表面法线方向的概率分布叶面积体密度：某一高度上单位体面积内叶面积的总和植被冠层的多次反射示意图同种植被多层叶片的光谱反射曲线紫苜蓿覆盖度和反射率的关系植被指数植被指数模型植被指数与地表参数的关系植被指数模型

比值植被指数归一化差值植被指数绿度植被指数垂直植被指数土壤调整植被指数增强型植被指数比值植被指数RVI比用单波段信息检测植被更为稳定，因为RVI强化了植被在近红外和红外波段反射率的差异。被广泛用于估算和检测绿色植物生物量。归一化差值植被指数由于NDVI可以消除大部分与仪器定标、太阳角、地形、云阴影和大气条件相关辐照度的变化的影像，增强了对植被的响应能力，是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子。绿度植被指数亮度绿度湿度垂直植被指数S为土壤反射率，V为植被反射率。PVI的显著特点是较好地滤除了土壤背景的影响，且对大气效应的敏感程度也小于其他植被指数，所以被广泛应用于大面积农作物估产研究。土壤调整植被指数L为土壤调节指数土壤调整植被指数减少了土壤和植被冠层背景的双层干扰增强型植被指数和为大气修正参数，是通过蓝色通道对红色通道进行大气气溶胶散射修正利用土壤调节参数L和大气修正参数同时减少了背景和大气的作用。植被指数与地表参数的关系1、植被指数与叶面积指数的关系2、植被指数与植被覆盖度的关系1、植被指数与叶面积指数的关系植被指数NDVI或RVI与叶面积指数LAI的相关系数很高，且与LAI呈非线性函数关系，可以构造相应的经验公式将它们联系起来。植被指数与植被覆盖度的关系植被覆盖度指植被冠层的垂直投影面积与土壤总面积之比。

植被覆盖度计算式：利用遥感估算植被净初级生产力经验模型光能利用率模型过程模型总初级生产力（GPP）是指在单位时间和单位面积上，绿色植物通过光合作用所产生的全部有机物同化量，即总光合量。净初级生产力（NPP）是指绿色植物在单位时间，单位面积上所能累积的有机物数量。经验模型线性关系幂函数关系对数关系……光能利用率模型式中，是光能利用率。过程模型

过程模型根据植物生理、生态学原理来研究植物生产力，通过模拟植物光合作用、呼吸作用及生物量分配等估算NPP。遥感估产模型估产模型的构建是农作物估产的核心，作物估产模型可大概分为农学模型、气象模型和遥感模型三大类。遥感估产是根据生物学原理，在分析收集农作物光谱特征的基础上，通过光谱来获取作物的生长信息，并建立作物光谱与产量之间的联系。第十章海洋水色遥感§1水色遥感概述§2水体的光谱特征§3水体参数和水体光谱特征参数的关系模型§4水色大气校正水色遥感概述水色遥感就是利用可见光、近红外等手段对海洋进行遥感监测的技术，是进行海洋生物光学特性研究的有效技术手段。水色遥感的历史1978年是海洋遥感的新纪元。人类成功发射了搭载有水色遥感器CZCS的Nimbus7，以及搭载有多种被动微波遥感器的Seasat—1,和带有高性能的甚高分辨率辐射计AVHRR的NOAA系列。第二代水色遥感器的代表是NASA1997年8月发射成功的SeaWiFS以及在1999年前后发射的中分辨率成像光谱仪MODIS、欧洲空间局的MERIS.水色遥感的现状与存在的问题现状：对一类水体即大洋开阔水域的水色遥感反演比较成功。问题：近岸二类水体的水色要素（叶绿素、悬浮泥沙、黄色物质等）的反演一直是海洋光学遥感的难题，因为二类水体的特点决定了其反演模型必然是局域性质的。水体的光谱特性水体光谱数据的测量水体光谱特性分析水体光谱数据的测量地物光谱水面以上法：1.测量要求与信号分析2.水面以上光谱测量与分析原理1.测量要求与信号分析水面以上水体信号构成水面以上的光谱辐亮度信号组成是：式中，为总的水体信号；为进入水体的光被水体散射回来进入仪器的离水辐亮度；为天空光在水面反射后进入观测仪器的信号；为海面白帽的信号；为水面波浪对太阳直射光的随机反射。2.水面以上光谱