第一讲-遥感绪论及电磁辐射

遥感与地理信息系统(RemoteSensingandGeographicInformationSystem)上海海洋大学(ShanghaiOceanUniversity)刘爽:Telmail:shushuangliu@163.com课程教材梅安新,彭望琭,秦其明,刘慧平，遥感导论，北京：高等教育出版社，2001.张康聪(Kang-tsungChang),陈健飞,张筱林，地理信息系统导论(原著第5版)，北京：科学出版社，2010.2023/2/52参考教材邬伦,刘瑜,张晶等，地理信息系统:原理、方法和应用，北京：科学出版社，2001李建松，地理信息系统原理，湖北：武汉大学出版社，2006孙家抦，遥感原理与应用，湖北：武汉大学出版社，2013.汤国安,杨昕,ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程,北京：科学出版社，2006邓书斌，ENVI遥感图像处理方法，北京：科学出版社，2010考试形式：考试成绩+平时成绩考试成绩（70分）平时成绩（30分）：出勤（10分）,作业（20分）2023/2/53第1章绪论1.1遥感的基本概念1.2遥感系统1.3遥感的类型1.4遥感的特点1.5遥感发展简史1.6中国遥感事业的发展2023/2/54遥感的基本概念广义的遥感狭义的遥感一切无接触的远距离的探测，包括对地磁场、力场、机械波（声波和地震波）等的探测，但是只有电磁波属于遥感的范畴。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，揭示出事物的特征性质及其变化的综合性探测技术。2023/2/55遥感的基本概念遥感与遥测和遥控的区别遥测：是指对被测物体某些运动参数和性质进行远距离测量的技术，分为接触式和非接触式测量。遥控：是指远距离控制目标运动状态和过程的技术。2023/2/56遥感系统组成根据遥感的定义，遥感系统包括：被测目标的信息特性、信息的获取、信息的传输和记录、信息的处理和信息的应用五大组成部分。2023/2/57遥感系统组成目标的信息特性信息的获取任何目标都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，而且不同地物对电磁波的发射、反射和吸收不同（地物的光谱特性）；目标物与电磁波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性——遥感探测的依据。能够接收，记录目标物电磁波特征的仪器称传感器或者遥感器；搭载传感器的平台称遥感平台；例如，植物的叶子看起来是绿色的，是因为叶子中的叶绿素强烈吸收太阳光中蓝紫色和红色波长的光，而绿色光强烈反射的缘故。2023/2/58遥感系统组成信息的接收信息的处理传感器接收地面目标物的电磁波信息，记录在数字磁介质或者胶片上。胶片由人或者回收舱送回地面，而数字磁介质记录的信息可以通过卫星上的微波天线传输给地面的卫星接收站。卫星地面接收站接收到遥感卫星发来的数字信息，经过一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态改正等，转变为用户可以使用的通用数据格式。此外，地面站可以根据用户的需求对遥感影像进行精校正处理和专题信息的处理、分类等。2023/2/59遥感系统组成信息的应用不同领域的用户按照不同的应用目的对遥感图像进行信息的处理和分析，解决各个领域的问题如天气预报、灾害监测、专题制图等。全球300m分辨率陆地覆盖数据（MERIS数据2009.1.1-2009.12.31）2023/2/510信息的应用遥感系统组成2008年汶川地震前后的遥感影像2023/2/511遥感的类型遥感平台分类地面遥感：是以汽车、船只作为平台，或由人直接操作遥感仪器，对地面、地下或水下所进行的遥感；航空遥感：从空中以飞机(或气球)作平台对地面目标所进行的遥感；航天遥感：从外层空间以卫星(或火箭等)为平台对目标物所进行的遥感；2023/2/512遥感的类型电磁波工作波段紫外遥感：探测波段在0.05～0.38μm之间；可见光遥感：探测波段在0.38～0.76μm之间；红外遥感：探测波段在0.76～1000μm之间；微波遥感：探测波段在1mm～10m之间；2023/2/513遥感工作方式遥感的类型主动遥感：探测器主动地向被探测目标发射一定波长的电磁辐射(脉冲)，接收并记录地面目标的后向散射信号；如：侧视雷达、激光雷达、微波辐射计。被动遥感：传感器不向目标发射电磁波，而是直接接收与记录目标物反射太阳的或者目标物本身发射的电磁波的方法。如：航空摄影机、多光谱扫描仪、红外扫描仪等2023/2/514遥感的类型成像遥感：传感器接收的目标电磁波信号可以转换成（数字或者模拟）图像非成像遥感：传感器接收的目标电磁波信号不能形成图像遥感工作方式2023/2/515遥感应用领域遥感的类型从大的研究领域可以划分为：外层空间遥感大气层遥感陆地遥感按照具体应用领域可以划分为：资源遥感环境遥感农业遥感林业遥感海洋遥感水文遥感气象遥感……2023/2/516遥感的特点大面积的同步观测动态监测，时效性不同高度的遥感平台其重复观测周期不同，地球同步卫星可以每半个小时对地观测一次(FY-2)，太阳同步卫星可以每天2次对同一地区进行观测(NOAA卫星，FY-1)。遥感数据的重复观测可以研究地面的动态变化，广泛应用于灾情监测和应急救援。一帧美国的陆地卫星Landsat影像，覆盖面积185km*185km，在5-6min内可完成扫描，能够实现对地的大面积同步观测。所取得的数据可进行大面积资源和环境调查，并且不受地形阻隔等限制。2023/2/517遥感的特点应用领域广，经济效益高技术手段多样，信息量大可采用紫外线、可见光探测物体，也可采用红外线和微波进行全天时、全天候对地观测。一景（185km×185km）包括7个波段的TM影像的数据达270MB。从投入的费用与所获取的效益看，遥感与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。如Landsat卫星的投入与效益比估计为1:80。2023/2/518遥感的发展简史无记录的地面遥感阶段（1608-1938）1608年，汉斯.李波尔制造了世界第一架望远镜，为观测远距离目标开辟了先河。有记录的地面遥感阶段（1639-1857）1839年，法国人达盖尔和尼尔普斯发明了摄影术，人类第一次记录下所见的影像，为摄影测量奠定了基础；1849年，法国人艾米.劳赛达特制定了摄影测量计划，成为有目的有记录的地面遥感发展阶段标志2023/2/519遥感的发展简史1858年，G·F·陶纳乔用系留气球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰”像片，被认为是遥感的萌芽；1860年，J.W.布莱克与S.金乘气球升空630m，成功拍摄了美国波士顿的照片；1906年G.R.劳伦斯利用风筝拍摄空中照片，记录了美国旧金山大地震后的情景；1909年，W·莱特在意大利的森托塞尔上空用飞机进行了空中摄影。第一次和第二次世界大战期间，航空摄影成为重要的军事侦察手段，得到了快速的发展，其中微波遥感及红外遥感技术使遥感探测的波段得到扩展。空中摄影测量阶段（1858-1956）2023/2/520遥感的发展简史航天摄影测量阶段（1857-）1957年：前苏联发射了人类第一颗人造地球卫星，标志着人类从空间观测地球和探索宇宙奥秘进入了新的纪元；20世纪60年代：美国发射了TIROS、NOAA等太阳同步气象卫星，从此航天遥感进入了新的发展阶段；2023/2/5212023/2/522遥感的发展简史航天摄影测量阶段（1857-）1972年7月23日美国发射了第一颗地球资源卫星。目前为止，美国共发射了8颗系列卫星；1999年美国发射了EOS系列的Terra卫星，该卫星搭载的中分辨率成像光谱仪（MODIS）传感器，可以获取36个波段的多光谱数据；1999年9月24日美国发射升空的世界第一颗高分辨率商用卫星IKONOS卫星，卫星分辨率为1m；2014年8月美国DigitalGlobe公司成功发射了第四代高解析度光学卫星,其拍摄之影像分辨率最高可达0.31m,中国遥感事业的发展20世纪50年代我国开始系统的航空摄影测量；20世纪70年代，航空摄影测量开始进入业务化阶段；1970年我国发射了第一颗人造卫星“东方红1号”；中国遥感卫星地面站建立于1986年，地面接收系统安装于北京密云境内，标志着我国航天遥感技术发展到一个新的阶段；1988年9月7日中国发射的第一颗“风云1号”气象卫星，其主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感试验；1999年10月14日中国成功发射中巴地球资源卫星1号；2023/2/523中国遥感事业的发展2011年8月16日成功将中国第一颗海洋动力环境监测卫星“海洋二号”卫星送入太空。2012年1月9日中国第发射第一颗自主的民用高分辨率立体测绘卫星ZY-3，可以测制1∶5万比例尺地形图，填补中国立体测图这一领域的空白；2014年8月19日中国成功发射高分二号卫星遥感卫星，空间分辨率优于1米，同时还具有高辐射精度、高定位精度和快速姿态机动能力等特点。标志着中国遥感卫星进入亚米级“高分时代”。2023/2/524第2章电磁辐射与地物光谱特征2.1电磁波谱与电磁辐射2.2太阳辐射及大气对辐射的影响2.3地球的辐射与地物波谱2023/2/525电磁波谱与电磁辐射电磁波电磁波具有光波的性质，电磁波是横波，在真空中以光速传播，具有以下性质：其中：E为能量，单位为焦耳，h为普朗克常数6.626*10-34J/s,f为频率，λ为波长，c为光速电磁波具有波粒二像性，当传播到气体、液体、固体介质时，会发生反射、折射、吸收和透射现象，如果碰到粒子会发生散射，引起电磁波的强度、方向发生变化。2023/2/526电磁波谱与电磁辐射电磁波谱按照电磁波在真空中传播的波长或者频率的不同，递增或者递减排列，就构成了电磁波谱，按照频率从高到低排列如下所示：2023/2/527电磁波谱与电磁辐射电磁辐射任何物体都是辐射源，不仅可以吸收其他物体对它的辐射，而且能够向外辐射；电磁辐射的度量辐射通量：单位时间通过某一面积的辐射能量辐照度：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量辐射亮度：辐射源在某一方向，单位投影表面单位立体角内的辐射通量辐射亮度一般随观察角度的不同而改变，如果某一物体的辐射亮度与观测角度无关，则称该物体为郎伯源。2023/2/528电磁波谱与电磁辐射如果一个物体对于任何波长的电磁辐射全部吸收，则称该物体为绝对黑体，恒星和太阳可以看做是接近黑体的辐射源。当电磁波入射到一个不透明的物体上时，在物体上只出现对电磁波的反射和吸收现象，而且光谱的吸收系数和反射系数之后恒等于1.绝对黑体的吸收率等于1，反射率等于0，而且与物体的温度和电磁波波长无关。黑体辐射2023/2/529电磁波谱与电磁辐射黑体辐射规律1900年德国物理学家普朗克提出了能够反映物体辐射出射度与波长和温度关系的普朗克公式：其中，为玻尔兹曼常数为普朗克常数为辐射出射度2023/2/530电磁波谱与电磁辐射斯特藩-玻尔兹曼定律整个电磁波谱的总辐射出射度

为某一单位波长的辐射出射度对波长的积分，即：其中，为斯特藩-玻尔兹曼常数绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比维恩位移定律黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体的绝对温度成反比其中，为常数太阳最强辐射对应的为0.47μm,对应的有效温度为6150K，因此太阳辐射在可见光波段最强。2023/2/5312023/2/532电磁波谱与电磁辐射基尔霍夫定律在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度；在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。其中：为辐射出射度，为吸收系数，为辐照度太阳辐射及大气对辐射的影响太阳是被动遥感的主要的辐射源，在不受大气影响，距离太阳一个天文单位内垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间的黑体所接收的太阳辐射能量被称作太阳常数。太阳常数大气圈在垂直结构上可以划分为：对流层、平流层、中间层，热层和散逸层。太阳辐射穿过大气层，大气中的分子，水份以及粉尘等对电磁波具有吸收、反射、透射、散射和折射作用，引起太阳辐射强度的减弱，甚至某些波段不能完全穿过大气。2023/2/533太阳辐射及大气对辐射的影响2023/2/534太阳辐射及大气对辐射的影响大气吸收2023/2/535太阳辐射及大气对辐射的影响大气散射辐射在传输过程中遇到微小颗粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开，称为散射。太阳辐射在照射到地面又反射到传感器的过程中，除了反射光之外还加入了散射光进入了传感器，增加了信号中的噪声，造成遥感图像质量下降。2023/2/536对于微波而言，微波波长比粒子的直径大的多，因此属于瑞利散射，但是散射强度与波长四次方成反比，因此微波波段具有最小的散射，最大的透射，具有穿云透雾的能力太阳辐射及大气对辐射的影响瑞利散射条件：当大气中的粒子的直径比波长小得多的时候发生的散射，主要有大气中的原子和分子引起；特点：散射强度与波长的四次方成反比瑞利散射对可见光波段影响特别明显；2023/2/537太阳辐射及大气对辐射的影响米氏散射条件：当大气中的粒子的直径比辐射波长相当时发生的散射，主要有大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴和气溶胶；特点：散射强度与波长的平方成反比散射在光线向前方向比向后方向更强；无选择性散射条件：当大气中的粒子的直径比辐射波长大的多的时候发生的散射；主要特点：散射强度与波长无关。云雾中的水滴的直径比可见光大的多，所以对可见光的散射强度相同，所以人们看到的云雾呈现白色。2023/2/538太阳辐射及大气对辐射的影响大气折射电磁波穿过大气层时，除了会发生吸收和散射，还会发生传播方向的改变；大气折射与大气密度相关；2023/2/539大气上界地平面太阳高度角大气折射后太阳高度角τ0β太阳辐射及大气对辐射的影响大气窗口通常把电磁波穿过大气层时，较少被反射、吸收和散射的，透过率较高的波段称作大气窗口；2023/2/540太阳辐射及大气对辐射的影响大气窗口0.3-1.3μm,紫外、可见光、近红外波段：是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器的常用波段，如Landsat卫星；1.5-1.8μm,即近、中红外波段：用于探测植物含水量及云、雪或者地质制图；3.5-5.5μm,即中红外波段：NOAA卫星的AVHRR传感器用于探测海面温度，获取昼夜云图；8-14μm,即远红外波段：接收地物辐射能量，适用于夜间成像；0.8-2.5cm,即微波波段：具有穿云透雾能力，具有全天候观测，主要应用于微波遥感，如ERS-1/2、EnvisatASAR。2023/2/541地球的辐射与地物波谱太阳辐射近似于温度为6000K的黑体辐射,辐射主要集中在0.3-2.5μm，在紫外、可见光到近红外区段；地球自身的热辐射主要集中在长波，即6μm以上的热红外；当太阳辐射到达地表后,就短波而言,地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球自身的辐射，几乎可以忽略不计。2023/2/542地球的辐射与地物波谱地表自身热辐射根据黑体辐射规律及基尔霍夫定律知其中：是物体的比辐射率或发射率实际物体辐射出射度黑体辐射出射度公式中的变量都与地表温度T和波长λ有关：T指地表温度，存在日变化和年变化，当温度一定时，物体的比辐射率随波长变化。2023/2/543地球的辐射与地物波谱地物的反射波谱特征在可见光到近红外区段（0.3-2.5μm），地表自身的辐射几乎等于0，地物发出的光谱主要以反射太阳辐射为主，地物除了反射太阳辐射，还对太阳辐射进行吸收和透射。反射率和反射波谱物体反射的辐射能量占总入射能量百分比,称为反射率到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量不同物体的反射率不同，主要取决于物体自身的性质，以及入射电磁波的波长和入射角度，反射率总是小于等于12023/2/544地球的辐射与地物波谱物体的反射物体的反射状况分为三种：镜面反射、漫反射和实际物体反射镜面反射：是指物体的反射满足反射定律，入射波和反射波在同一平面内，入射角与反射角相等。漫反射：是指不论入射方向如何，虽然反射率与镜面反射一样，但反射方向却是“四面八方”。对于漫反射面，当入射辐照度一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。2023/2/545地球的辐射与地物波谱地物的反射波谱地物的反射波谱是指地物的反射率随波长的变化规律；地物反射率与波长之间的关系所绘制的曲线图称为地物反射光谱曲线，其中横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。同一物体的波谱曲线反映不同波段的不同反射率；2023/2/546地物的反射波谱曲线处了随不同地物变化之外，同种地物在不同的结构特征和外部条件下形态的表现也不相同，可以根据地物的反射波谱曲线识别地物和进行遥感影像的判读。2023/2/547地球的辐射与地物波谱植被的地物反射波谱受叶绿素的影响，0.55μm处有一个反射峰，在0.45μm（蓝）和0.67μm（红）处有两个吸收带；受植被叶细胞结构影响，0.70-0.80μm有反射陡坡，1.1μm附件有一个峰值；受植被含水量的影响，1.3-2.5μm反射率大大下降；2023/2/548地球的辐射与地物波谱水体的地物的反射波谱水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别是在近红外波段，吸收就更强，因此在遥感影像上（近红外波段），水体一般呈现黑色当水体中含有其他物质（泥沙，叶绿素）时，反射光谱会发生变化。2023/2/549地球的辐射与地物波谱地物波谱特性的测量实验室测定：采用分光光度计测量地物的光谱特性，测量条件较高，应用不够广泛野外测量：采用地面光谱仪或者成像光谱仪测量地物的光谱曲线；3.1遥感平台3.2摄影成像3.3扫面成像3.4微波遥感成像3.5遥感图像特征第3章遥感成像原理与图像特征2023/2/550遥感平台2023/2/551遥感平台搭载遥感传感器的工具，可以分为地面平台、航空平台和航天平台：航天平台：高度一般大于150km：如静止卫星3600km，地球观测卫星：700-900km，航天飞机一般是300km；航空平台：航空平台的高度一般在百米至十余千米之间，包括中高低飞机、飞艇及气球等；

地面平台：高度一般在0-50m之间，包括车、船、塔等平台；2023/2/552遥感平台地球同步卫星卫星轨道平面与赤道平面重合，卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期（24小时），卫星与地面的位置相对保持不变，故这种轨道又称为静止卫星轨道，多应用于通讯和气象卫星。太阳同步轨道卫星卫星的轨道平面和太阳始终保持