《遥感物理》课件

《遥感物理》课程简介本课程旨在帮助学生理解遥感技术的物理基础，掌握遥感图像的获取、处理和分析方法。遥感技术的发展历程早期阶段19世纪末，人类开始利用气球和热气球进行航空摄影，标志着遥感技术的雏形出现。第二次世界大战二战期间，军事需求推动了遥感技术发展，出现了航空侦察和空中摄影。太空时代20世纪60年代，随着人类进入太空时代，卫星遥感技术迅速发展，并得到广泛应用。数字遥感时代20世纪80年代以后，计算机技术和数字图像处理技术的进步，推动了数字遥感技术的发展。现代遥感近年来，遥感技术不断创新，形成了以高分辨率、多光谱、高光谱、雷达、激光等为代表的新一代遥感技术。电磁波的基本特性波长和频率电磁波的波长和频率成反比。波长越短，频率越高，能量越高。传播速度电磁波在真空中以光速传播，约为每秒30万公里。偏振电磁波是横波，其电场和磁场振动方向垂直于传播方向，振动方向可以是线性的，也可以是圆形的。遥感系统的基本组成传感器传感器是遥感系统最关键的组成部分，负责接收来自目标物体的电磁辐射信号。不同的传感器类型用于获取不同波段的电磁辐射，例如可见光、红外光、微波等。数据传输系统数据传输系统负责将传感器采集到的数据传输到地面接收站。该系统通常包括卫星通信系统、地面接收站、数据处理系统等。数据处理系统数据处理系统负责对传感器采集到的原始数据进行处理，包括辐射校正、几何校正、图像增强、信息提取等，最终生成可供分析和应用的遥感数据。应用系统应用系统是遥感系统最终的目标，根据不同的应用需求，将处理后的遥感数据应用于农业、林业、水文、地质、环境、灾害等领域。遥感成像原理遥感成像过程涉及电磁辐射的传输、接收和处理。传感器接收来自目标的电磁辐射信号，将其转换成可识别的图像。遥感成像原理是理解遥感数据的基础，并利用这些数据进行分析和应用。1目标辐射目标物体的物理特性决定其电磁辐射性质。2辐射传输电磁波从目标物体传播至传感器。3传感器接收传感器接收目标辐射的电磁波信号。4信号处理传感器将接收的信号转换为图像。5图像分析分析图像以提取目标信息。光学传感器光学传感器是利用电磁波谱中的可见光和近红外波段来获取地表信息。主要类型包括CCD、CMOS等，它们可以将光信号转换为电信号，并通过图像处理技术生成遥感影像。红外传感器红外传感器是一种利用物体发射的红外辐射来感知物体信息的技术。红外传感器通常用于夜间成像、热成像、目标识别、温度测量等。红外传感器可以分为热电偶、热电堆、热敏电阻、红外探测器等类型。雷达传感器雷达传感器是主动式遥感传感器，通过发射电磁波并接收其反射信号来获取信息。雷达传感器不受天气影响，可全天候工作，可用于地质勘探、地形测量、海洋监测等方面。雷达传感器可分为侧视雷达、合成孔径雷达、干涉雷达等类型。高光谱传感器高光谱传感器能够收集数百个连续的狭窄波段，从而提供比传统多光谱传感器更详细的光谱信息。高光谱遥感在农业、地质、环境监测等领域得到广泛应用，可以用于识别不同作物类型、矿物种类、水体污染等。遥感数据获取1传感器数据采集遥感传感器接收目标物体的电磁辐射，并将其转换为数字信号。2数据传输采集到的数据通过卫星或飞机的通信系统传送到地面接收站。3数据存储与处理地面接收站将数据存储在数据库中，并进行初步的处理和分析。遥感数据预处理1辐射校正消除传感器和大气影响2几何校正消除几何畸变，配准图像3大气校正去除大气散射和吸收的影响4镶嵌与裁剪将多个图像拼接成更大范围的图像遥感数据预处理是利用遥感数据进行分析和应用的基础，将原始遥感数据转换为可用于分析和应用的数据。辐射校正辐射校正的目的消除传感器、大气和地表因素的影响，获得真实的反射率或辐射亮度值。辐射校正的方法包括大气校正、几何校正和辐射定标等，以提高遥感数据的精度和可靠性。辐射校正的意义为后续的遥感图像分析和应用奠定基础，如地表覆盖分类、变化检测和资源监测等。大气校正11.大气散射大气分子和气溶胶对电磁辐射的散射，导致图像亮度和对比度下降。22.大气吸收大气中的水蒸气、二氧化碳等气体对特定波长电磁辐射的吸收，影响遥感图像的光谱特征。33.大气路径辐射大气本身也会发射辐射，混杂到目标辐射中，需要去除。44.校正方法常用的方法包括暗目标法、辐射传输模型法等。几何校正地理参考将图像像素与地理坐标系进行配准。几何畸变消除传感器、地球曲率、地形起伏等因素带来的几何畸变。配准方法控制点法影像匹配法直接几何校正遥感数据分类遥感数据分类是将遥感图像中不同地物像素进行识别和归类，形成不同地物类型的地图。它可以有效地提取遥感图像中的信息，为土地利用、环境监测、灾害评估等提供重要依据。1图像分割将遥感图像分割成多个区域，每个区域包含具有相同特征的像素。2特征提取从图像中提取出能够区分不同地物的特征，例如亮度、颜色、纹理等。3分类器训练使用已知地物类型的样本数据训练分类器，以便识别不同地物类型。4分类结果根据训练好的分类器对图像进行分类，生成不同地物类型的地图。遥感数据分类方法主要分为监督分类和无监督分类。监督分类需要用户提供已知地物类型的样本数据，而无监督分类则不需要样本数据，而是根据图像数据本身的特征进行分类。监督分类定义监督分类是机器学习算法，它利用已知类别样本，训练分类器模型，进而对未知样本进行分类。过程首先，需要对样本进行标注，并用这些标注样本训练分类器模型。训练完成后，可以使用模型对新样本进行分类。方法常见的监督分类方法包括决策树、支持向量机、神经网络等。应用监督分类在遥感图像分析中广泛应用，如土地覆盖分类、植被识别、目标检测等。无监督分类聚类分析将遥感数据中具有相似特征的像素分组。无需人工标注样本，根据像素特征自动分类。结果可视化生成分类图，展示不同地物的空间分布。目标检测识别目标通过遥感图像识别特定目标，如建筑物、车辆、飞机等。目标定位确定目标在图像中的位置和大小。目标分类将检测到的目标分为不同的类别，例如不同类型的车辆、不同类型的建筑物等。变化检测时间序列分析通过比较不同时间段的遥感数据，识别地表变化情况。土地利用变化监测土地利用类型转换，例如城市扩张、森林砍伐、农业用地变化。灾害监测监测自然灾害，例如地震、洪水、火灾，并评估其影响。遥感应用实例1农业遥感遥感在农业生产中发挥着重要作用，例如监测作物生长、估算产量、监测病虫害。2森林遥感遥感技术可以监测森林覆盖率、评估森林资源、监测森林火灾。3水文遥感利用遥感技术可以监测水体面积、水质变化、水资源管理。农业遥感作物生长监测利用多光谱数据，分析植被指数，评估作物生长状况、产量预测。灌溉管理监测土壤水分含量，评估灌溉需求，优化灌溉策略，节约水资源。病虫害监测识别作物病虫害症状，及时采取防控措施，减少农作物损失。森林遥感森林资源监测森林覆盖率、森林面积、林种组成等，及时了解森林资源变化情况。森林火灾监测火点识别、火势蔓延预测，及时预防和扑灭森林火灾。森林病虫害监测病虫害发生区域、发生程度等，及时控制病虫害蔓延。水文遥感水资源监测水文遥感可以帮助我们监测水资源的数量、分布和变化，例如水库水位、河流流量和地下水储量。洪水监测利用遥感技术可以及时准确地监测洪水灾害的发生、发展和演变过程，为防洪减灾工作提供科学依据。水质监测通过分析水体的光谱特征，可以判断水体的污染程度，例如藻类生长、水体富营养化和石油泄漏。海岸带监测水文遥感可以监测海岸线的变化，例如海滩侵蚀、海平面上升和海岸带生态环境的变化。地质遥感地质灾害监测利用遥感技术监测地质灾害，例如滑坡、泥石流和地震。可以快速识别灾害发生区域，评估灾害程度，为应急救援提供决策支持。矿产资源勘探遥感技术可用于探测地表岩石和矿物信息，帮助识别矿产资源分布区域，提高勘探效率。城市遥感城市规划与管理城市遥感可以监测城市扩张，评估土地利用变化，优化城市规划。交通流量监测利用遥感技术监测城市交通流量，识别交通拥堵区域，优化交通管理。环境监测与评估通过遥感数据分析城市空气质量、水质、噪声等环境指标，评估城市环境质量。建筑物监测利用遥感技术监测城市建筑物数量、高度、面积等信息，为城市发展提供参考。环境遥感11.监测空气质量利用遥感技术监测大气污染物浓度和分布情况，为大气环境管理提供科学依据。22.评估水环境质量监测水体污染物浓度、水质变化以及水体富营养化程度，为水资源保护提供重要信息。33.评估土壤环境质量利用遥感技术监测土壤重金属含量、土壤有机质含量以及土壤盐碱化程度，为土壤环境保护提供参考。44.监测生态环境变化遥感技术可以监测植被覆盖度、土地利用变化、生物多样性变化等，为生态环境保护提供数据支撑。灾害遥感洪水监测利用遥感技术监测洪水泛滥区域，评估灾害程度，辅助救援工作。地震监测遥感技术可用于监测地震灾区，评估灾害损失，规划灾后重建工作。森林火灾监测通过卫星影像识别森林火灾，及时预警，有效控制火势蔓延。火山监测遥感技术可监测火山活动，预测火山爆发，保障人民安全。遥感数据共享与交换数据标准化数据格式、元数据和质量控制标准的统一，确保数据可互操作性。数据平台建设构建共享平台，提供数据存储、检索、浏览、下载等功能，方便用户访问。数据访问权限根据数据来源、用途和版权等因素，设置数据访问权限，保障数据安全。