测绘学概论第8章 遥感科学与技术

第8章遥感科学与技术二十世纪六十年随着航天技术的迅速发展，美国地理学家首先提出了“遥感”（RemoteSensing）这个名词，它的含义是泛指通过非接触传感器遥测物体的几何与物理特性而又不直接接触物体的技术。遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理基础之上。8.1遥感的概念航空航天遥感：定义什么是航空航天遥感？各种类型传感器被摄物体影像通过量测和解译过程自然物体及其环境的可靠信息8.1遥感的概念遥感原理示意图传感器定轨定姿信息获取遥感数据接收处理服务与分发多种信息的融合与集成遥感成像机理各类型用户信息传输各级产品的生产各种应用卫星研制与发射遥感学研究范畴灾害频繁资源耗失环境污染生态破坏环境变化实时监测灾害预报及时准确资源探测完整可靠人类及其生存的地球正面临严峻的挑战遥感是解决上述问题的基础遥感的意义国防建设与国家安全的需要“在某些情况下，中国建造一颗卫星是为了显示它能干什么，而不是满足作战需求”–––

美国战略和国际研究中心

2004年1月制空权制天权制海权制信息权卫星应用遥感信息技术成为支撑军事信息化作战，夺取战场信息优势，解决制约我军联合作战和精确打击瓶颈问题的重要技术手段遥感的意义经济和社会可持续发展的需求国家信息基础设施（NII）

国家空间信息基础设施（NSII）社会信息化空间信息服务体系遥感信息技术广泛用于国土资源规划与管理、城市发展、精准农业、智能化交通等领域，将形成新的信息产业链，成为国民经济的重要增长点，保障经济和社会的可持续发展遥感的意义国家科技发展战略的需求建设天基信息系统

（国家中长期科技发展规划）2020年前投资1500～2000亿元发射260颗左右的卫星，保持在轨稳定运行的卫星100颗左右进行全天候、准实时、多平台立体观测提供高精度的时空基准建设国家对地观测系统

（2004－2010年国家科技基础条件平台建设纲要）建成MODIS共享网建设多分辨率、先进雷达遥感数据获取共享平台建立高效运行的遥感地面支撑系统形成高空间、高光谱、高时间分辨率和宽地面覆盖于一体的卫星对地观测系统遥感的意义光学机械扫描（多波段扫描仪）电子束扫描（反束光导管摄像机）CCD（电荷耦合器件）非图像方式（主动式和被动式）雷达高度计合成孔径雷达微波辐射计红外辐射计…摄影法宽波段摄影多波段摄影被动方式图像方式遥感技术扫描法主动方式侧视雷达激光雷达遥感技术分类8.2遥感的电磁波谱电磁波谱遥感技术使用的电磁波分类名称和波长范围名称波长范围紫外线100A°～0.4μm紫0.38～0.43μm可见光0.4～0.7μm蓝0.43～0.47μm红外线近红外0.76～3.0μm青0.47～0.50μm中红外3～6μm绿0.50～0.56μm远红外6～15μm黄0.56～0.60μm超远红外15～1000μm橙0.60～0.63μm微波毫米波1～10mm红0.63～0.76μm厘米波1～10cm分米波10cm～1m8.2遥感的电磁波谱人们把能到达地面的波段形象地称为“大气窗口”，这种“窗口”有三个。光学窗口是最重要的一个窗口，波长在300～700纳米之间，包括了可见光波段（400～700纳米），光学遥感一直是对地观测的主要工具。第二个窗口是红外窗口，红外波段的范围在0.7～1000微米之间，由于地球大气中不同分子吸收红外线波长不一致，造成红外波段的情况比较复杂。对于对地观测常用的有近红外、短波红外、中红外和远红外窗口。第三个窗口是微波窗口，微波波段是指波长大于1毫米的电磁波。大气窗口8.2遥感的电磁波谱大气窗口8.2遥感的电磁波谱8.3遥感信息获取光谱辐射空间辐射成像遥感（单波段成像）地物光谱测量成像光谱遥感（谱-像的合一）地物地物三大属性及其遥感特征成像传感器:遥感信息获取的关键是传感器。有多种类型的传感器：框幅摄影机缝隙摄影机全景摄影机多光谱摄影机真实孔径雷达合成孔径雷达全景雷达光学摄影类型光电成像类型侧视雷达被动式主动式成像传感器

TV摄像机扫描仪电荷耦合器件CCD8.3遥感信息获取遥感传感器的结构组成传感器由收集系统、探测系统、信号处理系统和记录系统四个部分组成8.3遥感信息获取推扫式CCD传感器（SPOT）框幅式摄影机（传统摄影测量用）光机扫描摄影机（TM、MSS）三种常用航空航天遥感（被动）传感器主动式传感器被动式传感器区别：主动传感器自身发射并接收经地面反射的能量，不受天气干扰被动传感器主要接收经地面反射的太阳光能量，受天气干扰大目前的各国对地观测卫星平台

遥感平台：遥感中搭载传感器的工具统称为遥感平台（Platform）遥感平台高度目的、用途其它静止轨道卫星36000km定点地球观测气象卫星（风云2号、GMS等）圆轨道卫星（地球观测卫星）500～1000km定期地球观测Landsat,SPOT,CBERS等航天飞机240～350km不定期地球观测空间实验SRTM等无线电探空仪100m～100km各种调查（气象等）超高度喷气机10000～12000m侦察大范围调查8.3遥感信息获取遥感平台高度目的、用途其它中低高度飞机500～8000m各种调查航空遥感飞艇500～3000m空中侦察各种调查直升机100～2000m各种调查航空遥感无线遥探飞机500m以下各种调查航空遥感飞机直升机牵引飞机50～500m各种调查航空遥感牵引滑翔机系留气球800m以下各种调查索道10～40m遗址调查吊车5～50m地面实况调查地面测量车0～30m地面实况调查车载升降台遥感平台（续）传感器可搭载在地面平台（上左图），飞机（上右图），或航天飞机上（左图）radarsatLandsatSPOTersJERSNOAASEASAT航天遥感传感器搭载的主要平台是卫星。上图是目前国外常用的遥感卫星。地球静止轨道近极地轨道遥感卫星一般有两种绕地球飞行方式：静止轨道和近极地轨道。静止轨道可以定点观测，而极地轨道（圆形）则可定期观测。36000km遥感图像中的分辨率空间分辨率：通常指一个像素对应地面的实际大小。一般遥感图像分辨率指的是地面分辨率；光谱分辨率：成象范围内波谱带数目；时间分辨率：重复获取某地区图像的周期；温度分辨率（热红外）：可探测的温度变化幅度。8.3遥感信息获取100m10m1m0.1m0.01m

空间分辨率全色多光谱高光谱地形图测图光谱分辨率交通国防城市农业资源环境森林应用需求SPOT5号全色波段图像（5米）SPOT5号假彩色合成图像（5米）SPOT5号全色波段图像（2.5米）美国IKONOSⅡ

卫星美国华盛顿（1米）IKONOS卫星多光谱影像（4米）（排队参观毛主席纪念堂的队伍隐约可见，花坛信息没有，背景草坪不清晰）IKONOS卫星融合影像（1米）（排队参观毛主席纪念堂的队伍清晰可见，花坛和背景草坪显示出来，色调自然逼真，连纪念堂柱子的阴影都很清楚）发射日期2001年8月18日空间分辨率（底点）全色：61cm，多光谱2.44m轨道高度450km，98°极地轨道，太阳同步定位精度三轴稳定装置，星相仪，GPS等辅助下，无地面控制点的定位精度：17~23米绕行一周收集的数据量57幅单景影像（128GB）扫描宽度和面积单景16.5×16.5km，一个飞行条带：16.5km×165km量化级别11bitsQuickbird主要性能参数罗马斗兽场（0.7米，真彩色）罗马梵蒂冈大教堂,0.7m,真彩色三峡坝区卫星图象QuickBird

奋进号航天飞机外观图I美国SRTM双天线雷达（2000，2）奋进号航天飞机外观图II60m长桅杆从航天飞机上伸出，顶端安装有另一个天线（还有一个在飞机上，这两个天线形成立体象对）SRTM陆地表面覆盖图（平面）ASTER美国SRTM雷达地表影像（2000，2）由SRTM－C波段获取DEM再与TM图像叠加的结果8.3遥感信息获取PerspectivewithLandsatOverlay,MountKilimanjaro,Tanzania

GTOPO30,USGSSRTMDEMEastern-centerTibet(Xizang,China)SRTMDEM实例（中国，西藏）遥感对地观测的历史发展1609年，Galileo制作天文望远镜，发现太阳有斑点，月球表面并非平原，当然最大的发现是木星的周围有卫星，打破地心说；1859年法国摄影师兼气球飞行爱好者Nadar试图进行航空摄像，但没有成功Nadar’sballoon1862年，美国教授ThaddeusLowe试图用气球观测天气，但不幸从Ohio吹到南California。遥感对地观测的历史发展1909年，美国Wright兄弟发明飞机后，立即开始了航空摄影。遥感对地观测的历史发展1957年前苏联发射了第一颗人造卫星，使卫星摄影测量成为可能;1959年从人造卫星发回第一张地球像片，1960年从“泰罗斯”与“雨云”气象卫星上获得全球的云图;1971年美国“阿波罗”宇宙飞船成功地对月球表面进行航天摄影测量;1972年美国地球资源卫星（后改称陆地卫星）上天，其多光谱扫描仪（MSS）影像用于对地观测遥感对地观测的历史发展主要的遥感对地观测卫星及未来发展1)．气象卫星地球同步静止气象卫星太阳同步极轨气象卫星。8.3遥感信息获取

地球同步静止气象卫星系统系统公司发射时间位置MeteosatESA19950oGOES-8/9NOAA1994-199575-135oWGMSNASDA1995135oEInsatISRO1996-199775oEFY-2中国1997105oE8.3遥感信息获取太阳同步极轨气象卫星系统系统公司发射时间位置NOAA-14NOAA1994AVHRR/2NOAA-KNOAA1996AVHRR3FY-1A/1B中国1988-1990VHRSRFY-1(C),1D中国1999-2001VISSR8.3遥感信息获取2)．资源卫星卫星系统多采用光机扫描仪、CCD固体阵列传感器等光学传感器，获得20~100m空间分辨率的全色或多光谱图像。采集的多光谱数据对土地利用、地球资源调查、监测与评价、森林覆盖、农业和地质等专题信息提取具有极其重要的作用8.3遥感信息获取资源卫星系统系统公司发射时间扫描宽度(km)分辨率（m）LandsatMSNASA1972-197818580MSLandsatTMNASA198218530MS15MSLandast7NASA199918530MSSpot1-4Spotimage1986-1990-1993-19986020MSIRSIC/DISRO1995-199714218MSMOMS02PDLR19967850MSMOSNASDA1982-199210018MSAdeosNASDA1996-19978016MSCBERS-1中国/巴西1999-10113（CCD）119（IRMSS）890（WFI）20（CCD）80（MSS）160（热红外）256（WFI）现有雷达卫星系统卫星发射国家发射时间卫星高度（km）波长（cm）分辨率（m）扫描带宽（km）重访周期（天）Seasat美国197880023.5(L)25100－ERS-1欧空局1991782～7855.6(C)30102.535JERS-1日本199256823.5(L)187544ERS-2欧空局1995782～7855.6(C)30102.535Radarsat-1加拿大1995793～8215.6(C)9-2550-500243、地球观测系统（EOS）计划美国国家宇航局（NASA）于1991年发起了一个综合性的项目，称为地球科学事业（ESE），它的核心便是地球观测系统（EOS），用来监测全球火灾、冰（冰川）、陆地、辐射、风暴、气侯、污染以及海洋等。NASA现在采用地球观测系统数据和信息系统（EOSDIS）来管理这些卫星，并对其数据进行归档、分布和信息管理等。8.3遥感信息获取

EOS的目标是：

1）检测地球当前的状况；2）.监测人类活动对地球和大气的影响；3）.预测短期气候异常、季节性乃至年际气候变化；4）.改进灾害预测；5）.长期监测气候与全球变化。8.3遥感信息获取4．测图卫星为了用于1：10万及更大比例尺的测图，对空间遥感最基本的要求是其空间分辨率和立体成像能力，下表列出了几种具备这一能力的卫星系统。值得注意的是，美国成功发射的IKONOS-2卫星和快鸟卫星开辟了高空间分辨率商业卫星的新纪元。8.3遥感信息获取系统发射者发射时间扫描宽度（km）分辨率（m）立体模式Spot1-4Spotimage1986-1990-19986010Pan异轨IRS1C/DISRO1995-1997705.8Pan异轨KFA-1000RKKResours-F166-1055单像/立体KVR-1000RKK空间站222单像/立体KVR-3000RKK空间站50.5单像/立体MOMS/02-PDLR1996376同轨AdeosNASDA1996-1997808Pan异轨IKONOS2SpaceImaging199911.30.82同轨QuickBirdEarthWatch2001220.61同轨Orbview3Orbimage199981同轨Orbview4Orbimage200081-2同轨ErosBWestIndianSpace199913.51.3同轨Spot5Spotimage2001602.5同轨zy3中国2012522.1/3.5/5.8同轨目前运行的主要制图卫星5)．遥感传感器的未来发展成像光谱仪（ImagingSpectrometer）能以高达5～6nm的光谱分辨率在特定光谱域内以超多光谱数的海量数据同时获取目标图像和多维光谱信息，合成孔径侧视雷达的发展主要体现在时间分辨率的提高，特别是双天线卫星雷达的研制激光断面扫描仪（LaserScanner）也是近几年来引起广泛兴趣并成为研制热点之一的传感器系统，其作用是直接用于测定地面高程，从而建立数字高程模型。

8.3遥感信息获取高光谱传感器能同时获取上百个波段的反射数据，从而获得光谱谱段上相对连续的采样上图为TM的光谱曲线，下图为成像光谱仪的光谱曲线8.4遥感信息传输与预处理遥感信息的传输

遥感信息的传输有两种方式，即模拟信号，这是一种连续变化的电源与电压表示的模拟信号，经过放大和调制后用无线电传输，这种方式称为模拟信号传输。数字信号传输是指将模拟信号转换为数字形式进行传输。由于遥感信息量相当大，要在卫星过境的短时间内将获得的信息数据全部传输到地面是有困难的，因此，在信息传输时要进行数据压缩。

遥感信息的预处理数据转换：由于所接收到的遥感数据记录形式与数据处理系统的输入形式不一定相同，而处理系统的输出形式与用户要求的形式也可能不同，所以必须进行数据转换

数据压缩：其目的是为了除去无用的或多余的数据，并以特征值和参数的形式保存有用的数据数据校正：为了保证获得信息的可靠性，必须对这些有误差的数据进行校正。校正的内容主要有辐射校正和几何校正

8.4遥感信息传输与预处理8.5遥感图像数据处理

)遥感图像数据处理概述遥感影像数据的处理分为几何处理、灰度处理、特征提取、目标识别和影像解译。几何处理。对于无立体重叠的影像主要是几何纠正和形成地学编码，对于有立体重叠的卫星影像，还要解求地面目标的三维坐标，和建立数字高程模型(DEM)。影像的灰度处理：包括图像复原和图像增强、影像重采样、灰度均衡、图像滤波特征提取：是从原始影像上提取用户有用的特征目标识别：是从影像数据中人工或自动半自动地提取所要识别的目标，包括人工地物和自然地物目标

2)雷达干涉测量和差分雷达干涉测量

雷达干涉测量（INSAR）和差分雷达干涉测量（D-INSAR）被认为是当代遥感中的重要新成果。所谓雷达干涉测量是利用复雷达图像的相位差信息来提取地面目标地形3维信息的技术。而差分干涉测量则是利用复雷达图像的相位差信息来提取地面目标微小地形变化信息的技术。8.5遥感图像数据处理

获取立体雷达图像的干涉模式主要有：沿轨道法、垂直轨道法、重复轨道法沿轨道法8.5遥感图像数据处理

垂直轨道法8.5遥感图像数据处理

重复轨道法8.5遥感图像数据处理

雷达干涉测量原理

雷达干涉测量的成像几何关系8.5遥感图像数据处理

从中可导出以下主要关系：其中h即为所求解的未知高差。8.5遥感图像数据处理

雷达干涉测量的数据处理包括：用轨道参数法或控制点测定基线，图像粗配准和精配准，最终要达到1/10像元的精度才能保证获得较好的干涉图像；随后进行相位解缠。其中最常用的方法有枝切法、最小二乘法、基于网络规划的算法等

由于重复轨道获得干涉条件的困难，所以，人们把注意力集中在攻克双天线雷达成像技术上。8.5遥感图像数据处理

差分雷达干涉测量原理

3轨道法差分雷达干涉测量成像几何8.5遥感图像数据处理

差分干涉测量的主要关系式8.5遥感图像数据处理

8.6遥感技术的应用

在国家基础测绘和建立空间数据基础设施中的应用在铁路、公路设计中的应用遥感技术在农业中的应用遥感技术在林业中的应用遥感技术在煤炭工业中的应用遥感技术在油气资源勘探中的应用遥感技术在地质矿产勘查中的应用遥感技术在水文学和水资源研究中的应用遥感技术在海洋研究中的应用遥感技术在环境监测中的应用遥感与GIS在洪水灾害监测与评估中的应用遥感技术在地震灾害监测中的应用

遥感对社会可持续发展的作用减少自然或人为灾害所造成的生命财产损失；了解环境因素对人类健康和生命的影响；

改善对能源资源的管理；了解、评价、预测、减轻以及适应气候变异和变化；通过更好地了解水循环，改善水资源的管理；

改善气象信息、天气预报和预警；提高对陆地、海岸、海洋生态系统的保护和管理；支持可持续农业，减少荒漠化；了解、监测和保护生物多样性；保障国家安全与国家主权。引自2cdEOSummit,2004,4Tokyo8.6遥感技术的应用

TheIGOSGeo-hazardsThemeInconsiderationofspacerequirements灾害Floodmonitoring洪水监测流行病与健康Populationmondialeàrisque:2à3milliardsMortalité

humaineannuelle:3.5à4.5millionsdont1/2moinsde5ans(~5millionsdemortsparleSIDA)Mortalité

animaleannuelle:10à15millionsRisquesaccrusderé-émergencedemaladiesinfectieuses,certainesenrelationavecElNiño-LaNiñaDengueMéningiteCholéra©20028.6遥感技术的应用

流行病与健康

Quatretypesdeparamètresnécessaires

PrévisiondesépidémiesEnvironnementauxEntomologiquesVétérinairesHumains©20028.6遥感技术的应用

林火与生态BurnedareasFirehotspotsEcosystemrecoverypostfire(FAPAR,LAI…)8.6遥感技术的应用

TOPEX/POSEIDONALTIMETRYFORELNINO气候与海洋Multi-pathIRColorImagefromFY-1D气象预报气象预报SatelliteMeteorologicalApplicationSystemTheglobalcarboncycletheme

Ocean(39000)Vegetation(600)Atmosphère730GtCAtmosphere730Carbonesol(1600)Photosynthèse120CombustionCO2(3.5)CO(0.5)Aerosols(<0.1)RespirationPlantes60Respirationsols65DOCexport0.4Charcoalformation<0.1Air-seagrossfluxes90PuitsocéanPuitsbioDéforestation

COoxidationEmissionsaccumulation(1GtC=1015gC)全球碳循环FLOODINNUNDATIONMAPSATELLITESALSOINSPIREDUSTOLOOKATTHERELATIONSHIPSBETWEENTHECOMPONENTSOFTHEINWATERCYCLEANEWWAYWATERCYCLETHEME全球水循环AerosolcontentdeducedfromADEOSII/GLI380nmchannel19May2003http://www.eorc.nasda.go.jp大气化学MahajambaBayonMadagascarIsland

带到海湾的沉积物CoastalTheme:海岸带ResourcesandEnvironmentInformationSystematNationalLevel

资源与环境TopographyTerrainslopePrecipitationTemperatureAridityHumidityDynamicMonitoringofLandUsebyRSData土地利用与动态监测OriginalTMimage,1998Rectification

RectifiedTMimage,1998Fusedimage1999RectifiedSPOTimage1999Fusedimage98+99ChangedetectionInterpretationresultStatisticaltable2002年10月图像2003年5月图像变化检测结果交互式分析后图斑GIS分析后变化图斑GIS分析实地勘查利用资源二号卫星查处违法建设及综合利用系统Workflow（北京市）

农业应用（精准农业）：农作物的识别和品种划分左:日本长野县盐尻市南部农作物的识别结果

紫-水稻,黄-葡萄,绿-梨,蓝-大豆右:长野市西北部农作物的识别结果

黄-苹果,蓝-水稻下:葡萄的相对长势，红色区长势相对较好HighLowPHI在日本高光谱遥感用于农业信息提取和长势监测8.7我国航天航空遥感的主要成就1．风云1号（FY-1）风云2号（FY-2）气象卫星 8.7我国航天航空遥感的主要成就风云二号卫星8.7我国航天航空遥感的主要成就风云二号卫星图像8.7我国航天航空遥感的主要成就资源卫星1号（CBERS）8.7我国航天航空遥感的主要成就中巴资源卫星1号设计参数中巴资源1号彩色合成图像（武汉市）中国的海洋卫星HY-1HY-1水色扫描仪三通道合成图（菲律宾吕宋岛东北海域）8.7我国航天航空遥感的主要成就HY-1水色扫描仪三通道合成图（印尼苏拉威西北部海域）8.7我国航天航空遥感的主要成就“神舟三号”飞行8.