遥感地质学复习资料

遥感概论复习资料第一章狭义遥感是指从远离地面的不同工作平台上（如高塔，气球，飞机，火箭，人造地球卫星,宇宙飞船,航天飞机等）通过传感器,对地球表面的电磁波（辐射）信息进行探测，并经信息的传输，处理和判读分析，对地球的资源与环境进行探测和监测的现代化的综合性技术遥感技术有以下几个方面的特点：1） 空间特性:感测范围大，具有综合,宏观的特点.2） 光谱特性:信息量大，手段多，技术先进.3） 时相特性:获取信息快，更新周期短，资料新颖，成图迅速，具有动态监测的特点.遥感技术系统由三个主要部分组成：1） 遥感信息的收集系统2） 遥感信息的接收和预处理系统3） 遥感信息的分析和判读系统第二章根据物理学中麦克斯韦电磁场理论，任何变化着的电场都将在它的周围产生变化的磁场，而变化的磁场又会在它的周围感应出变化的电场.这样电场和磁场相互激发并向外传播过程，称为电磁波.电磁波特性1） 波就是振动在空间的传播.2） 电磁波是一种交变的电磁场在空间的传播，它是物质运动和能量传递的一种特殊形式.3） 电磁波在传播过程中，电场强度（用E表示），磁场强度（用H表示）和传播方向（用x表示）是矢量，三者之间始终保持相互垂直的关系,所以说电磁波是一种横波.4） 电磁波能量的传递过程（包括辐射,反射,吸收和透射等现象）称为电磁辐射.5） 电磁辐射具有波动性和粒子（量子）性两方面的特征，也称”波粒二象性”.将各种电磁波在真空中的波长（或频率）的大小，依次排列画成的图表,称这个图表为电磁波谱.紫外波段0.01—0.40可见光波段0.40—0.76它可分为：紫色光0.40—0.43兰色光0.43—0.47青色光0.47—0.50绿色光0.50—0.56黄色光0.56—0.59橙色光0.59—0.62红色光0.62—0.76红外波段0.76—1000（1mm）它可分为:近红外波段0.76—3.0（反射红外）中红外波段3.0—6（热红外）远红外波段6—15（热红外）超远红外波段15—1000（热红外）微波波段1mm—1m它可分为:毫米波1—10mm厘米波1—10cm分米波0.1—1m遥感的辐射源可以分为自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类.自然界中最大的两个辐射源是太阳和地球.太阳辐射的特点：1） 太阳辐射覆盖了很宽的波长范围.2） 太阳辐射的大部分能量集中在 0.4-0.76之间的可见光波段.它占太阳辐射总能量的43.50%（将近一半）,所以太阳辐射一般称为短波辐射.3） 太阳辐射主要由太阳大气辐射所构成，在射出太阳大气后，已有部分太阳辐射能被太阳大气（主要是氢（H2）和氮（N2））所吸收,使太阳辐射能量受到一部分损失.4） 太阳辐射以电磁波的形式,通过宇宙空间到达地球表面（约1.5x108km）（即1.5亿公里），全程时间500秒.5） 太阳辐射先通过大气圈，然后到达地面,由于大气对太阳辐射有一定的吸收，散射和反射，所以投射到地球表面上的太阳辐射强度有很大的衰减.地球的电磁辐射的特点：地球辐射可分为两个部分:短波（0.3-2.5），主要是反射信息（反射太阳的红外辐射），它只能在白天接收太阳的辐射能.另一部分是长波（6以上）主要是发射信息（热辐射）,它既能在白天发射也能在夜间发射.太阳和地球辐射的电磁波谱可得出三个结论：1） 当时，传感器接收的信息是地面反射太阳辐射的能量，它包括可见光,近红外与近紫外的能量，且以可见光的能量为主.地球自身的热辐射极弱.2） 当时,传感器接收的信息是地物发射的长波辐射•（热辐射）能量为主，峰值波长在9-10处，故以远红外为主.发射信息，白天，夜晚均可接收.3） 当在3-6时,即中红外波段位置时，太阳与地球的热辐射均不能忽视，所以在进行红外遥感时摄影时间常选择在清晨时分,目的是尽量减少太阳辐射的影响.大气的散射作用电磁波通过不均匀物质时,传播方向发生改变的现象称为散射.对遥感来说，散射使部分辐射能由于改变辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读.散射作用可分为三种：1） 由较小的大气分子引起的.当微粒直径比辐射波长小得多时，即,所引起的散射称瑞利散射.2） 米氏散射（MieScattering）是当微粒直径与波长相差不大,即时,所引起的散射3） 当微粒的直径比波长大得多时,即时,所发生的散射称为非选择性散射.太阳辐射与大气相互作用产生的效应，使得能够穿透大气的辐射，局限在某些波长范围内.通常把通过大气而较少被反射,吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段称为大气窗口目前，已知的大气窗口有:P37页可摄影窗口:0.3〜1.3,全部反射光谱,90%透过.包括:部分紫外波段,0.30〜0.40,70%透过.全部可见光波段,0.40〜0.76,95%透过.部分近红外波段,0.76〜1.3,80%透过.近红外窗口:1.5〜2.4,90%透过，可区分蚀变岩石.包括两个小窗口:1.5〜1.752.1〜2.4.中红外窗口:3.5〜5.5,反射和发射并存.包括两个小窗口（反射和发射混合光谱）:3.5〜4.24.6〜5远红外窗口:8〜14，发射电磁波，热辐射.微波窗口:0.5cm〜300cm自然界中的任何地物都具有发射，反射和吸收电磁波的特性.少数地物还具有透射电磁波的特性.这些特性称为地物的光谱特性电磁辐射中反射的类型（1） 镜面反射:电磁波投射在光滑的平面上，其反射方向遵循反射定律，即入射角等于反射角，具高度方向性.（2） 漫反射:又称散射，朗伯反射.电磁波投射在较粗糙的表面上，反射方向朝向四面八方,且强度相近.（3） 混合反射:这是介于镜面反射与漫反射两者之间的一种反射.电磁波投射在不大光滑的表面上时，在波的入射方向和镜面反射方向上都产生反射波，其它方向很弱.反射率:地物反射电磁波能力的大小，一般用反射率表示.地物的反射率是地物的反射能量与入射能量之比，其数值用百分率表示.地物的反射率大小与入射电磁波的波长,入射角的大小以及地物表面的颜色和粗糙度等有关.在一般情况下，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大,传感器记录的亮度值也大,在黑白遥感图象上色调就浅•反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，传感器记录的亮度值就小,在黑白遥感图象上色调就深.这些色调的差异就是遥感图象目视判读的基本出发点.亮度系数:航空遥感技术中常用亮度系数表示地物反射电磁波的能力的大小.其含义是指在相同照度条件下，物体表面的亮度与理想的纯白色全反射表面的亮度之比.地物的反射率随入射波长变化的规律,叫做地物的反射光谱.按地物的反射率与波长之间的关系绘成的曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物的反射光谱曲线.水体的反射光谱特性：水体的反射率，除镜面反射方向外，在各个波段内都较低,一般在3%左右.清水的反射率一般在可见光部分为4〜5%,在0.6（橙光）处下降至2〜3%,到0.75以后的近红外波段，水成了吸收体.混浊水的反射波谱曲线随着悬浮泥沙浓度的增加而增高教材P136页图6-4（新教材P237图7.15）是清澈湖水和混浊泥水的反射光谱特性曲线.植被的反射光谱特性：植被是地面分布最广的地物之一,植物对自然环境的依赖性又大,所有植物由于叶绿素含量和植物细胞结构的不同，各自具有特殊的光谱效应，因而植被在遥感图象上较易识别，并且成为指示自然环境（如气候，水分等）的最好标志.岩石的反射光谱特性：大多数岩石是一种以上矿物的集合体,岩石在可见光波段和近红外波段的波谱特性十分复杂,难于直接用它来鉴别岩石.但岩石的波谱特征却能反映它的基本物质成分和结构特点,是识别和区分岩类的重要依据.岩浆岩的波谱特性和色调超基性，基性岩浆岩的反射系数低，在航片上色调呈深灰色至黑色;中性岩浆岩反射系数中等，在像片上呈灰色调;酸性岩浆岩反射系数偏高,在航片上呈浅灰至灰白色调.随着化学成分，矿物成分和结构构造的变化，其反射系数也有所不同沉积岩的波谱特性和色调沉积岩的反射率都不高，反射率随岩石本色的加深而降低，而岩石本色主要与杂质成分（Fe2+,Fe3+,C有机质等）的含量有关.变质岩的波谱特性和色调一般情况下，正变质岩（岩浆岩变质形成）的波谱特性和色调与岩浆岩相近，副变质岩（沉积岩变质形成）的波谱特性和色调与沉积岩相近.但决定变质岩波谱特性的主要是矿物成分.由浅色矿物组成的岩石，如石英岩，大理岩,混合花岗岩等，反射率偏高，在航片上色调较浅;暗色矿物含量较高的岩石如黑云母片麻岩,斜长角闪片岩，反射率偏低，在航片上色调较深.土壤的波谱特征：不同质地的土壤，其波谱反射率是不同的.粉砂的反射波谱曲线整体都高.腐植土最低，反射率在0.1（10%）左右.基岩上风化残积物因颗粒较细，反射波谱特征与基岩相似，干燥的残积物的反射率要比基岩高;较湿润的残积物，其反射率比湿润的基岩还要低，说明反射率与含水分的多少密切相关.土壤中波谱的亮度系数还与土壤的理化参数（盐分类型，含量，碱化度等）有关.发射率是指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的辐射总通量）W与同温度下的黑体的辐射出射度（即黑体单位面积发出的辐射总通量）W黑的比值,用表示，即=W/W黑（W黑）黑体辐射:黑体是指在任何温度下，对于任何波长的电磁辐射能量完全吸收并具有最大的发射系数的物体.即对任何波长的电磁波其吸收系数恒等于1.基尔霍夫定律基尔霍夫在研究密闭的真空容器内，物体间只能通过辐射形式交换能量的实验中发现:在同一温度下，各个不同的物体在单位时间内从单位面积上辐（发）射出的能量W与吸收率之比值，对于任何地物都是一个常数.该比值与物体本身的性质无关,只等于该温度下同面积黑体辐射能量W黑.它的数学表达式为：W/=W黑也可写成：=W/W黑由前式=W/W黑，可得.即物体的吸收率与发射率相等.（如果物体不吸收某波长的电磁辐射，也就不发射该波长的电磁波）黑体辐射的三个特性：（1） 黑体在不同温度下具有不同的发射光谱.（2） 在每一给定的温度下，黑体的光谱辐射通量都有一个极大值.（3） 随着温度的升高，其辐射通量迅速增高,对应的峰值波长向短波方向移动.斯蒂芬（Stefen—玻尔兹曼定律该定律证明了黑体单位面积在单位时间内向半球空间辐射的总能量（即黑体总辐射通量密度,单位为）与绝对温度的四次方成正比.该定律只适用于绝对黑体，对于一般物体则需加以修正后才能适用.根据基尔霍夫定律和斯蒂芬（Stefen）—玻尔兹曼定律可以导出一般物体发射热辐射的能量为：为发射率.或为吸收率.上式表明，一般地物的热辐射能量与该地物的绝对温度的四次方及该地物的发射率成正比所以只要地物有微小的温度差异，就会引起较显著的变化.只要地物的发射率不同，温度相同的两种地物也会表现出不同的辐射特性.因而上述地物热辐射特性构成了热红外遥感的理论基础.地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光谱.第三章1.影像的形成成像过程与一般照相机相同.即通过快门瞬间曝光，将镜头收集到的地物反射光线（波长在0.3〜0.9）直接在感光胶片上感光，形成负像潜影,然后经显影,定影技术处理，得到像片底片;再经过底片接触晒印及显影，定影处理,获得与地面地物亮度一致的（正像）像片,即航空像片.感光度:感光度是指感光材料对光线作用的敏感程度或感光快慢程度.反差即黑白差，即黑白像片（胶片）中明亮与阴暗部分亮度的差别.反差系数是指影像上表现出的反差与原景物反差的比值，用r表示.感光材料分辨率是指感光材料对景物细微部分的表现能力.常用1毫米内能够看清楚多少黑白相间的平行线对数来表示，单位为线对/毫米.主光轴的概念:指航摄仪中透过镜头中心并垂直像平面（焦平面）的投影线.主垂线的概念:指通过镜头中心的地面铅垂线.像主点是主光轴与像平面的交点.像底点主垂线与像平面的交点.为了使相邻像片的地物能相互衔接以及满足立体观察的需要,相邻像片间需要有一定的重叠称航向重叠.航向重叠一般应达到60%,至少不小于53%,山区要提高到70%,具有这种重叠关系的两张像片又称为”像对”.相邻航线之间的像片也要有一定的重叠,这种重叠称为旁向重叠，一般应为30〜15%.这种重叠是为了防止遗漏摄影面积.彩红外摄影的特点彩色红外摄影虽然也是感受可见光和近红外波段（0.4〜1.3），但它错动了一个相位.即绿光感光之后变为兰色，红光感光之后变为绿色，近红外感光后变为红色.彩红外片与彩色像片比较，在色调,明暗度和饱和度方面有很大的不同.例如在彩色片上植被呈绿色,而在彩红外片上却呈红色.由于红外线波长比可见光的波长长,受大气散射的影响小，穿透力强，因此彩红外片的色彩要鲜艳得多.5所谓中心投影，就是空间任意点或直线均通过一固定点（投影中心）投影到一平面（投影平面）上而形成的透视关系.垂直投影的物体影像是通过互相平行的光线投影到与光想垂直的平面上的.中心投影成像特征：对中心投影而言，点的像还是点;直线的像一般仍是直线，只有空间中的直线，其延长线（指投影光线）通过投影中心时，该直线的像才是一个点.空间曲线的像一般仍为曲线，但若是空间曲线在一个平面上，而该平面又通过投影中心时,它的像则成为直线.中心投影和垂直投影的区别：1） 投影距离的影响不同一一垂直投影,构像比例尺与投影距离无关，而中心投影，则随投影距离（航高）的变化，点在两投影面上的投影位置不同，投影的比例尺也不同.航片的比例尺取决于航高（物距）和焦距（像距）.2） 投影面倾斜的影响不同一一当投影面倾斜时,垂直投影的影像仅表现为比例尺有所放大.对于中心投影,投影面可以是水平的，也可以是倾斜的.3） 地形起伏的影响一一地形起伏对垂直投影没有影响,而在中心投影中，同一铅垂线上的不同高程点,在像平面上就会引起投影差.当然，若地面平坦时,中心投影和垂直投影的成果是相同的,这种航片与平面地图一样.6像片比例尺在地图上某一线段与地面相应线段的长度之比,称为该地图的比例尺.但在航空像片上，这种说法就不一定正确（成立），因为在航片上地形常常有起伏.在这些像片上高出或低于起始面的地物点在像片上的像点位置，与平面上的位置比较产生了位移，这种因地形起伏而引起的像点位移也称投影误差（或称投影差）.投影差规律1） 投影差大小与像点距离像主点的距离成正比,即距离像主点愈远,投影差愈大.2） 投影差大小与高差成正比，高差愈大,投影差也愈大3） 投影差与航高成反比，即航高愈高，投影差愈小.7航空像片的目视判读是凭借人眼观察或借助简单仪器（立体镜，放大镜）对航空像片进行量测和分析，以获得所需的地面信息的过程.航空像片的目视判读效果，取决于航空像片的质量和判读人员的专业水平与判读经验.一般说来，专业知识越丰富,判读经验越多，对判读地区越熟悉的人，判读效果就越好.人们最常使用的判读标志有:形态(大小和形状)，色调，阴影和纹理图案等，其中最主要的是形态和色调.本影是指地物本身未被阳光直接照射到的阴暗部分的影像落影是光线斜照时，在地面上出现的物体的投落阴影直接判读标志:地物种类，规模大小，物质结构及像片比例尺的差异间接判读标志：水系,植被,地貌和土壤等水系推断如树枝状水系大都出现在构造简单，产状平缓,地形坡度不大，或岩性较为均一的地区.根据水系密度的差异可以推断水系流经区透水性的好坏及岩性的差异.又如利用地貌的高低起伏和差异风化，可以推断岩石的类型，软硬程度，断层的发育等.又如根据植被的分布可推断地质构造情况，在干旱地区植物往往沿富水的断裂破碎带生长发育.土壤推断根据土壤的颜色，成分，结构可以推断下覆基岩的特性.一些蚀变岩石和矿化露头上的残积土壤，往往以其特殊的色彩与背景呈较明显的对比.人类活动的推断人类活动标志也可作间接判读,识别人类活动与采矿有关,如小煤窑的出露点往往显示煤系地层的走向.第四章假彩色像片:彩红外像片上的地物所呈现出的颜色一般与实际地物的色彩不相同，这种像片的彩色称假彩色像片热红外航空图像是探测地物发射红外辐射能量变化的图像热红外图像实质上是地表辐射温度的分布图.瞬时视场角(20):辐射仪在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标地物的电磁波辐射，限制在——个很小的角度之内,这个角度称为瞬时视场角.红外扫描仪是一种光机扫描装置.通过旋转扫描镜，在垂直于航线方向上对地面进行扫描.当飞机朝前飞行时，可以通过调整速率对地面进行逐行连续扫描.探测器将来自地面的每个地面分辨单元的红外辐射信息转变成电信号，再经电子系统的放大处理，最后记录在磁带上，也可以同时记录在胶片上而获得扫描图像.热红外图象的特征:(一)几何特征投影性质:属于动态多中心投影.比例尺:图象的边缘部分比例尺比中央小.地面分辨率:热红外图像的地面分辨率主要取决于扫描仪瞬时视场角的大小(为一常数)，航高和扫描角.几何畸变光谱分辨力:热红外图象的光谱分辨力是指区分地物发射光谱特征中微小差异的能力.温度分辨力:它是指能区分地面微小温度差异的能力.热红外图象的判读标志：色调标志色调是热红外图象判读的重要依据,浅色代表强辐射体，说明其表面温度高，又称暖色调;暗色代表弱辐射体，说明其表面温度低，又称冷色调.形态标志由于受多种因素的影响,热红外扫描图象上的地物形态轮廓很模糊，而且形状大小也与实际地物不完全相同，特别是那些温度较高的地物会在图象上产生比原物体大许多倍的影像一称热晕效应3.阴影特征阴影有两种:光阴影和热阴影.可见光图象上的阴影是光阴影.一旦太阳落山，光阴影也就立即消失.热红外图象上的阴影是热阴影.侧视雷达的基本工作原理:侧视雷达S在飞机（或卫星）飞行时间内向垂直于航线的方向发射一个很窄的波束，这个波束在航迹向上很窄，在距离向上很宽，覆盖了地面上一个很窄的条带.飞机在飞行时不断发射这样的波束，并不断接收地面窄带上的各种地物的反射信号，于是由这些波束扫视地面一条带状区域，形成图中的成像带.（了解）机载侧视雷达的成像系统有两种类型:真实孔径雷达系统和合成孔径雷达系统.侧视雷达图象的特征侧视雷达图象的地面分辨率.距离分辨率距离分辨率越小，表示其分辨率越高.从式中看出，距离分辨率与下面两个因素有关：（1） 与脉冲的关系.要提高距离分辨率就必须减小脉冲宽度，（但脉冲宽度过小，能量太弱,作用距离减小，不利于探测目标.为提高距离分辨率，目前一般采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率.）（2） 与俯角的关系.在照射方向靠近航迹一侧（称近射程）和远离航迹一侧（称远射程）相比，由于俯角的不同,距离分辨率也不同.（二）几何特征它的投影性质为旋转斜距投影距离畸变飞行器的各种运动,如歪斜，偏转，倾斜及速度和高度的变化等也会引起距离（包括斜距和平距）的变化，即距离畸变.透视收缩雷达波辐射到地面上斜坡的时间长短，决定了斜坡在雷达图象上的长短.所有面向雷达的斜坡,其雷达图象长度都比实际长度短，这种现象称为雷达的透视收缩，雷达叠掩（一些坡度很大的目标，如陡峭的山峰等,（如上图c）,在大俯角情况下，顶部比底部离雷达天线近，顶部先于底部成像，产生目标倒置的视觉效果，这种现象称为雷达叠掩（或称顶底位移）,雷达叠掩多出现在近距离端,后坡不会产生叠掩）雷达阴影（雷达波沿直线传播，当受到高大目标阻挡时,目标背面将有雷达波照射不到的盲区，因此不会有回波返回雷达，在图象的相应位置形成黑色调的盲区,这种暗区称为雷达阴影.）侧视雷达图象上色调深浅反映了地物后向散射回波的强弱,回波愈强的图象上色调愈浅，回波愈弱的图象上色调愈深.影响侧视雷达色调特征的因素：地物表面的粗糙度.地物表面的粗糙度是影响侧视雷达图象色调最重要的因素.雷达波束的照射俯角（也可以从入射角角度出发讨论.）皮克和奥立佛的判据还表明，雷达波束照射俯角的大小也是影响地物散射特性的一个因素，俯角不同，回波信号强度也不同.雷达波长和极化性质.同一地物在不同的波长下的回波有很大不同,一般波长短，图象分辨率高,但穿透能力差,波长越长，有一定的穿透能力，但图象分辨率差.地物的物理电学性质地物的导电率，复介电常数（指各种物质的导电性和反射率的表现）等物理电学特性也对色调有影响.第五章表5-1陆地卫星系列的发射时间卫星传感器发射时间退役时间备注Landsat-1MSS,RBV1972年7月1978年Landsat-2MSS,RBV1975年1月1982年2月Landsat-3MSS,RBV1978年3月1983年9月Landsat-4MSS,TM1982年7月Landsat-5MSS,TM1984年3月Landsat-6ETM1993年10月发射失败，未进入预定轨道，掉入海洋Landsat-7ETM+1999年4月多光谱扫描仪波段划分：多光谱扫描仪简称MSS,它把来自地面上的电磁波辐射•(反射或发射)分成四个波段进行记录,分别命名为：波段4(MSS—1)0.5—0.6波段5(MSS—2)0.6—0.7波段6(MSS—3)0.7—0.8波段7(MSS—4)0.8—1.1表5-2TM图象的性质波段光谱范围(微米)光谱性质地面分辨率(米)主要应用10.45—0.52蓝30地壤与植被分类20.52—0.60绿30健康植物的绿色反射率30.63—0.69红30探测不同植物的叶绿素吸收40.76—0.90近红外30生物量测量，水体制图51.55—1.75中（近）红外30植物湿度测量，区分云与雪610.4—12.5热（中）红外120植物热强度测量，其它热制图72.08—2.35中红外30水热法制图，地质采矿表5-3ETM+各通道的主要参数波段类型光谱范围（微米）探测器地面分辨率（米）1蓝一绿0.45—0.515Si302绿0.525—0.605Si303红0.63—0.69Si304近红外0.775—0.90Si305短波红外1.55—1.75Insb306热红外10.4—12.5HgCdTe607短波红外2.09—2.35Insb30Pan全色0.52—0.90Si15Landsat-7增加了一个15m分辨率的全色通道,同时将热红外通道的分辨率提高到60m.表5-4轨道高度Landsat-1〜3Landsat-4/5轨道倾角915km705km运行周期99.12598.22重复周期9:42am9:45am偏移系数18天（251圈）16天（233圈）在赤道上两相邻轨迹间距离-1-7图象幅宽159km172km185km185km太阳