地理遙感基礎(chǔ)知識

1、第一章一、基本概念：遙感(RemoteSensing)廣義：無接觸的遠距離探測。狹義：遙感是應(yīng)用探測儀器，不與探測目標(biāo)相接觸，從遠處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術(shù)。遙感系統(tǒng)(RemoteSensingSystem)遙感系統(tǒng)包括：被測目標(biāo)的信息特征；信息的獲取、信息的傳輸與記錄；信息的處理；信息的應(yīng)用五大部分。二、遙感的分類(1)按遙感平臺分類：近地面遙感；航空遙感(100m10000m)；航天遙感(150Km)；航宇遙感。(2)按傳感器的探測波段分類：紫外遙感：0.050.38um可見光遙感：0.380.76um紅外遙感：0.761000um

2、微波遙感：1mm10m多波段遙感：傳感器由若干個窄波段組成(3)按工作方式分類：主動遙感；被動遙感主動遙感：探測器主動發(fā)射一定電磁波能量并接收目標(biāo)的后向散射信號。被動遙感：傳感器不向目標(biāo)發(fā)射電磁波，僅被動接收目標(biāo)物的自身發(fā)射和對自然輻射源的反射能量。按應(yīng)用領(lǐng)域分類：陸地遙感、海洋遙感；農(nóng)業(yè)遙感；城市遙感三、遙感的特點(1)大面積的同步觀測(空間特性)探測范圍大、具有宏觀、綜合的特點，可以實施大面積的同步觀測。(2)時效性(時相特性)在很短時間內(nèi)對同一地區(qū)能夠進行重復(fù)成像，有利于動態(tài)監(jiān)測(3)信息的綜合性和可比性地球表面自然與人文景觀的綜合反映衛(wèi)星軌道的確定性、影像分幅的同一性、同一系列傳感器信

3、息的兼容性(4)經(jīng)濟性與傳統(tǒng)信息獲取手段相比(5)局限性相對于整個電磁波譜段而言四、遙感技術(shù)發(fā)展趨勢遙感發(fā)展現(xiàn)狀自1960年美國發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星以來開創(chuàng)了從空間對地球觀測的新時代，1972年美國發(fā)射了第一顆地球資源衛(wèi)星后各國向空間發(fā)射了大量的對地觀測衛(wèi)星，目前還有20余顆尚在運行；(2)遙感平臺方面（3）傳感器方面：伊克諾斯（IKONOS）衛(wèi)星影像（4）遙感信息處理方面（5）遙感應(yīng)用方面遙感技術(shù)發(fā)展趨勢3全（全天候、全天時、全球）3高（高空間、高光譜、高時間分辯率）3個結(jié)合（大小衛(wèi)星，航空航天，技術(shù)應(yīng)用）六、遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域舉例土地資源、土地利用及其動態(tài)監(jiān)測主要農(nóng)作物的遙感估產(chǎn)重要自然災(zāi)害的

4、遙感監(jiān)測與評估城市發(fā)展的遙感監(jiān)測天氣與海洋其他領(lǐng)域如軍事、突發(fā)事件等例如:城市群及城市熱島監(jiān)測,洋山港地理位置圖,洋山港土地利用現(xiàn)狀圖,洋山港三維地形分析,洋山港地區(qū)疊加高程信息的遙感影像圖-Vr.第二章電磁輻射與地物光譜特征遙感信息源：任何目標(biāo)物都具有發(fā)射、反射和吸收電磁波的性質(zhì)遙感探測的依據(jù)：目標(biāo)物與電磁波的相互作用，構(gòu)成了目標(biāo)物的電磁波特性。波的概念：波是振動在空間的傳播。機械波：聲波、水波和地震波電磁波電磁波的特性（1）電磁波是橫波（2）在真空中以光速傳播（光速=波長X頻率）（3）電磁波具有波粒二象性電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；在與物質(zhì)相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁

5、波的波粒二象性。波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳播的，因此具有波動性粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運動。波粒二象性的程度與電磁波的波長有關(guān)：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動特性愈明顯。電磁波譜將各種電磁波在真空中的波長按其長短，依次排列制成的圖表。6遙感學(xué)常使用的電磁波分類名稱和波長（入）范圍紅外線名稱紫外線可見光近紅外中紅外遠紅外_超遠紅外微波波長范圍0.010.38um0.380.76LimTOC o 1-5 h z0.763+0Um3*06.0Um015l0pm151000um11000mm電磁輻射源（1）自然輻射源太陽輻射：

6、是可見光和近紅外的主要輻射源地球的電磁輻射：小于3um的波長主要是太陽輻射的能量（近紅外）；大于6口m的波長（熱紅外），主要是地物本身的熱輻射；3-6口m之間（中紅外），太陽和地球的熱輻射都要考慮。（2）人工輻射源：雷達二、地物的光譜特性任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。地物的這種特性稱為地物的光譜特性。地物的反射光譜特性（1）地物的反射率、吸收率和透射率對于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。（2）地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）地物對某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長

7、而變化。影響地物反射率大小的因素：1)入射電磁波的波長2)入射角的大小3)地表顏色與粗糙度地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率與波長之間的關(guān)系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識別地物性質(zhì)的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、沙漠、濕地、小麥的光譜曲線4)地物的光譜特性具有時間特性和空間特性。地物的發(fā)射光譜特性地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。黑體：在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射全部吸收。黑體輻射：黑體的熱輻射稱為黑體輻射黑體輻射的三個特性輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只

8、有一個最大值。溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同(溫度的四次方成正比)。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長向短波方向移動。輻射通量密度：輻射源在單位時間內(nèi)，從單位面積上輻射出的輻射能量。地物的發(fā)射率發(fā)射率(Emissivity)：地物的輻射出射度(單位面積上發(fā)出的輻射總通量)W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。它也是遙感探測的基礎(chǔ)和出發(fā)點。按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1,常數(shù)?；殷w(greybody)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：發(fā)射率小于1,且隨波長而變化。地物發(fā)射光譜曲線溫度一定時，地物的發(fā)射率隨波長變化的曲線。見圖2.15各類巖漿巖的

9、發(fā)射率亮度溫度三、大氣和環(huán)境對遙感的影響大氣吸收大氣的層次:對流層、平流層、電離層(中間層、熱層)、外大氣層大氣成分：N2、O2、O3、CO2、H2O、煙、塵埃、霧、小水滴、氣溶膠。太陽輻射穿過大氣層時，大氣分子對電磁波的某些波段有吸收作用，引起這些波段太陽輻射強度的衰減，或完全不能通過大氣。太陽輻射到達地面時，形成了電磁波的某些缺失帶對太陽輻射影響最大的是對流層和平流層（2）大氣散射大氣中的粒子與細小微粒如煙、塵埃、霧霾、小水滴及氣溶膠等對大氣具有散射作用。散射的作用使在原傳播方向上的輻射強度減弱，增加了向其他各個方向的輻射。我們把輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開

10、的物理現(xiàn)象，稱為散射。散射現(xiàn)象的實質(zhì)是電磁波傳輸中遇到大氣微粒產(chǎn)生的一種衍射現(xiàn)象。輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向發(fā)生改變，向各個方向散開。大氣散射的三種情況：（1）瑞利散射（分子散射）：當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長小得多時發(fā)生的散射；主要由大氣中的原子和分子引起。散射強度與波長的四次方成反比。（大氣顆粒對可見光，距離地面9-10km，電磁波長小于1um）-天為什么是藍的？日出日落時天空是橙紅色？（2）米氏散射：當(dāng)大氣中粒子的直徑與波長相當(dāng)時發(fā)生的散射；主要由大氣中的煙塵、小水滴和氣溶膠引起。散射強度與波長的二次方成反比。米氏散射在光線前進方向比向后方的散射更強（。云霧對紅外的散射、潮濕天氣

11、；距地面05km，電磁波長集中在0.7615um）（3）非選擇性散射：當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射；散射強度與波長無關(guān)。云霧中水滴粒子的直徑與可見光相比；云為什么是白色的？大氣散射作用與波長的關(guān)系：瑞利散射主要發(fā)生在紫外、可見光和近紅外波段；米氏散射發(fā)生在近紫外紅外波段，但在紅外波段米氏散射的影響超過瑞利散射；在微波波段，由于微波波長遠大于云層中水滴的直徑，因而屬于瑞利散射類型；此時，散射強度與波長的四次方成反比，散射強度相對很弱，透射能力很強，故微波具有穿透云霧的能力。（3）大氣的折射與反射大氣的折射率與大氣密度有關(guān)，密度越大折射率越大。因而，電磁波（太陽輻射）在大氣中的傳播軌

12、跡是一條曲線（P31，F(xiàn)2.17）。大氣折射只是改變了太陽輻射的方向，并不改變太陽輻射的強度。大氣反射主要發(fā)生在云層頂部，并與云量密切相關(guān)。（4）大氣窗口將電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射的、透過率較高的波段稱為大氣窗口。大氣窗口的光譜段主要有：（P32）0.31.3um紫外近紅外1.51.8um和2.03.5um近中紅外3.55.5um中紅外814um遠紅外0.82.5cm微波第三章遙感圖像的獲取一、遙感平臺搭載傳感器的工具高度fCHkiu-HKkkiD甲高度十KKJSrloiESiItOin-Sftai遙感車-地面遙感平臺；遙感飛機IKONOSspot5ERS1.遙感衛(wèi)星軌道傾角；

13、軌道形狀：橢圓型軌道高度：衛(wèi)星離地面的平均距離。低軌衛(wèi)星：150200KM，壽命13周，舉例：多數(shù)是軍事衛(wèi)星中軌衛(wèi)星：3001500KM，壽命1年以上，舉例：陸地衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星高軌衛(wèi)星：35800KM,壽命很長，舉例：通信衛(wèi)星;GPS衛(wèi)星：22000KM近極軌衛(wèi)星與赤道衛(wèi)星近極軌衛(wèi)星：約等于90，對地球覆蓋范圍廣。如陸地資源衛(wèi)星。赤道衛(wèi)星：=0。或180時，衛(wèi)星軌道面與地球赤道面重合，衛(wèi)星在赤道上空運行。舉例：地球同步衛(wèi)星/靜止衛(wèi)星。太陽同步衛(wèi)星衛(wèi)星與太陽同步，光照角保持不變化衛(wèi)星軌道上每一點的平均太陽時保持不變（相同的緯度，所有點具有相同的太陽時）LANDSAT：經(jīng)過赤道9：45A

14、M,北京：10：00AM左右地球同步衛(wèi)星衛(wèi)星繞地球運行的速度等于地球自轉(zhuǎn)的速度。始終覆蓋著地球表面的同一地區(qū)。舉例：某些氣象衛(wèi)星、電視轉(zhuǎn)播衛(wèi)星。2.氣象衛(wèi)星系列風(fēng)云一號陸地衛(wèi)星系列美國陸地衛(wèi)星系列Landsat法國資源衛(wèi)星系列SPOT中國資源一號衛(wèi)星一一中巴地球資源衛(wèi)星（CBERS高分辨率商業(yè)衛(wèi)星系列IKONOSQuickbrid陸地衛(wèi)星系列1）美國陸地衛(wèi)星系列Landsat1-7波長(um)光譜段光譜效應(yīng)10.45-0.52藍綠光波段30對水體的穿透力強，對葉綠素及其濃度反映敏感20.52-0.60綠光波段30對健康茂盛植物反映敏，對水的穿透力也較強30.63-0.69紅光波段30廣泛用于地

15、貌、巖性、土壤、植被、水中泥沙流等方面40.78-0.90近紅外光波段30對植物、土壤等地物的含水量敏感51.55-1.75近紅外光波段30對地物含水量很敏感610.4-12.6熱紅外光波段60地表溫差、水溫變化、城市熱島72.09-2.35近紅外光波段30巖石類型、地質(zhì)探礦與制圖80.52-0.90全色波段15提高影像分辨率近極近環(huán)形太陽同步軌道運行周期：98.9分鐘掃描帶寬度:185公里L(fēng)andsat7衛(wèi)星參數(shù)軌道高度：705公里傾角:98.2224小時繞地球:15圈穿越赤道時間:上午9:45分重復(fù)周期:16天衛(wèi)星繞行:233圈3）法國SPOT衛(wèi)星系列（1-5）1978年起，以法國為主，聯(lián)

16、合比利時、瑞典等歐共體國家，設(shè)計、研制了名為“地球觀測實驗系統(tǒng)”（SPOT）的衛(wèi)星，也叫做“地球觀測實驗衛(wèi)星”，迄今已經(jīng)發(fā)射了5顆衛(wèi)星。名稱發(fā)射時間狀態(tài)Spot11986.2目前仍在運行，但從2002年5月起停止接收其影像Spot219901至今還在運行Spot31993.9運行4年后在1997年11月由于事故停止運行Spot41998.3衛(wèi)星作了一些改進Spot52002.5其性能作了重大改進軌道高度:約830公里衛(wèi)星覆蓋周期:26天掃描寬度：60（X60）公里最高空間分辨率:全色波段-2.5米;多光譜波段-10米優(yōu)勢特征：衛(wèi)星搭載的傳感器具有傾斜（側(cè)視）能力，可以獲取相鄰軌道的地表信息，使

17、重疊率達到60%，構(gòu)成“立體像對”SPOTHRV傳感器的波段設(shè)置和光譜效應(yīng)（HighResolutionVisiblerangeinstruments高分辨率可見光遙感器）波段用途0.500.59pm（綠色）區(qū)分植物類型和評估作物長勢，對水體也有一定的穿透深度，區(qū)分人造地物類型0.610.68pm（紅色）辨識農(nóng)作物類型，地質(zhì)解譯，識別石油帶、巖石與礦物0.780.89pm（近紅外）區(qū)分植物類型、水體邊界，探測土壤含水量1.581.75pm（短波紅外）探測植物含水量及土壤濕度，區(qū)分云與雪0.500.73pm（全色波段）調(diào)查城市土地利用現(xiàn)狀、區(qū)分主要干道、大型建筑物，了解城市發(fā)展?fàn)顩r（3）CBER

18、S衛(wèi)星一中國資源一號衛(wèi)星（中巴地球資源衛(wèi)星）1999.10.14,在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。重訪周期：26天，設(shè)計壽命：2年軌道：太陽同步近極地軌道。H：778km最高空間分辨率：19.5m4）高分辨率商業(yè)衛(wèi)星Quickbrid衛(wèi)星空間分辨率：全色0.62米多光譜2.7米全景成像面積：16.5X16.5平方公里QuickBrid傳感器波段波長(um)光譜段分辨率（米）光譜效應(yīng)10.450.52藍綠光波段2.427同TM120.520.60綠光波段2.42.7同TM230.630.69紅光波段2.427同TM340.760.90近紅外光波段2.427同TM450.450.90全色波段0.6提高

19、影像分辨率IKONOS衛(wèi)星空間分辨率：全色1米多光譜4米（藍、綠、紅、近紅外）全景成像面積：11X11平方公里(5)MODIS:(ModerateResolutionSpectroradiometer)中等分辨率光譜輻射計時間分辨率空間分辨率光譜分辨率NOAA-AVHRR1-2星，每天晝夜2-4次星下點1100m5波段LANDSAT-TM16天1次15m,30m,60m8波段Terra1-2星，每天晝夜2-4星下點36波段Aqua-MODIS次250m,500m,1000m傳感器基本上都由收集器、探測器、處理器、輸出器等4部分組成收集器：收集來自目標(biāo)地物的電磁波能量。探測器：將收集的輻射能轉(zhuǎn)變

20、成化學(xué)能或電能。處理器：將探測后的化學(xué)能或電能等信號進行處理輸出器：輸出獲得的圖像、數(shù)據(jù)。電信息處理匕磁輻射*信息收探測器信息輸出P二、攝影成像通過成像設(shè)備獲取物體影像的技術(shù),較多用于航空遙感探測。（光學(xué)鏡頭、感光膠片）航空攝影機，彩色紅外照相機1.攝影成像分類按探測波長分：紫外攝影、可見光攝影、紅外攝影、多光譜攝影按記錄方式分：傳統(tǒng)攝影成像：依靠光學(xué)鏡頭及放置在焦平面的感光膠片來記錄物體影像。數(shù)字攝影成像：通過放置在焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號來記錄物體的影像。特點：1）歷史悠久、較為完善、使用廣泛。2）信息量大、分辨率高3）受到感光劑的限制，感光范圍0.291.10微米，而且

21、只能在晴朗的白天工作。4）瞬間成像，屬于中心投影。5）分為模擬影像和數(shù)字影像兩類。一般遙感中應(yīng)用最多的是航空攝影機和多光譜攝影機。2.攝影機（1）分幅式攝影機（2）全景式攝影機（3）多光譜攝影機（4）數(shù)碼攝影機3.攝影像片的幾何特征（1）投影（2）比例尺（3）像點位移（1）航空像片屬于中心投影垂直投影：物體影像是通過相互平行的光線投影到與光線垂直的平面上。（比例尺一致、與投影距離無關(guān)）。中心投影：空間任意直線均通過一固定點（投影中心）投射到一平面（投影平面）上而形成的透視關(guān)系。三、掃描成像.成像方式：光/機掃描成像、固體自掃描成像、高光譜成像光譜掃描3探測波段：紫外、可見光、紅外和微波波段。含義：依靠探測元件和掃描鏡對目標(biāo)物以瞬間視場為單位進行的逐點、逐行取樣，以得到目標(biāo)地物電磁輻射特性信息，形成一定譜段的圖像。（1）光學(xué)機械掃描儀依靠機械傳動裝置使光學(xué)鏡頭擺動，形成對目標(biāo)地物逐點逐行掃描。瞬時視場角：掃描鏡在一瞬時時間可以視為靜止?fàn)顟B(tài)，此時，接收到的目標(biāo)物的電磁波輻射，限制在一個很小的角度之內(nèi)，這個角度稱為瞬時視場角?？傄晥鼋牵簰呙鑾У牡孛鎸挾确Q總視場。從遙感平臺到地面掃描帶外側(cè)所構(gòu)成的夾角，叫總視場角。幾種光機掃描一儀多光譜掃描儀（MSS）專題制圖儀TM（2）固體自掃描成像（推帚式掃描儀）固體自掃