新大遙感地學分析講義第1章 緒論

遙感地學分析講義第1章緒論遙感的基本概念一切地面目標，由于種類及其所處環(huán)境條件的差異，因而具有反射或輻射不同波長電磁波信息的特性，遙感正是利用地面目標反射或輻射電磁波的固有特性，通過觀察目標的電磁波信息，獲取目標的信息，完成遠距離識別物體的技術。遙感（RemoteSensing）作為一門綜合技術是美國學者在1960年提出來的。為了比較全面地描述這種技術和方法，Pruitt把遙感定義為“以攝影方法或以非攝影方式獲得被探測目標的圖象或數(shù)據的技術”。從現(xiàn)實意義看，一般我們稱遙感是一種遠距離目標，通過非直接接觸而判定、測量并分析目標性質的技術。聯(lián)合國運用衛(wèi)星對地球進行遙感研究小組對遙感的定義是：“觀測物質或近地目標從紫外線到微波的某些波長的電磁發(fā)射現(xiàn)象”。詳細地說,就是運用現(xiàn)代的運載工具和電子光學儀器,以主動和被動方式接受地(水)表或其以下一定深度處的研究對象發(fā)射或反射從紫外線到微波的,能通過大氣的某些波段的電磁波信息,經過加工處理,獲得研究對象的有用信息,達到探測目標物的整個信息的接收、傳輸、處理和應用處理。它是隨著空間技術的出現(xiàn)而出現(xiàn)的,屬于空間科學范圍,被稱之為宇宙中的“眼睛”。遙感通過對目標進行探測，獲取目標的信息，然后對所獲取的信息進行加工處理，從而實現(xiàn)對目標進行定位、定性或定量的描述。目標信息的獲取主要是利用從目標反射和輻射來的電磁波，接收從目標反射利輻射來的電磁波信息的設備稱之為傳感器(RemoteSensor)，如航空攝影中的航攝相機等。搭載這些傳感器的載體稱之為遙感平臺(P1atform)，如航攝飛機、人造地球衛(wèi)星等。遙感技術系統(tǒng)現(xiàn)代遙感技術系統(tǒng)一般由四部分組成：遙感平臺、傳感器、遙感數(shù)據接收與處理系統(tǒng)、遙感資料分析解譯系統(tǒng)，其中遙感平臺、傳感器和數(shù)據接收與處理系統(tǒng)是遙感技術應用的三個主要技術因素，遙感應用工作者必須對它們有所了解和掌握。1．遙感平臺（Platform）在遙感技術中搭載傳感器并能使其正常工作的工具稱為遙感平臺，它是傳感器賴以工作的場所，平臺的運行特征及其姿態(tài)穩(wěn)定狀況直接影響傳感器的性能和遙感資料的質量。目前遙感平臺主要有飛機、衛(wèi)星和航天飛機等。2．傳感器（Remotesensor）收集、記錄和傳輸目標信息的裝置稱為傳感器，它是遙感的核心技術。目前應用的傳感器主要有：攝影機、攝像儀、掃描儀、光譜輻射計等。平臺和傳感器代表著遙感技術的水平。3．遙感數(shù)據接收處理系統(tǒng)為了接收從遙感平臺傳送來的圖像和數(shù)據，必須建立遙感地面接收站。地面接收站由地面數(shù)據接收和記錄系統(tǒng)(TRRS)，圖像數(shù)據處理系統(tǒng)(ImageDigitalProcessingSystem,IDPS)兩部分組成，地面數(shù)據接收和記錄系統(tǒng)的大型拋物天線，能夠接收遙感平臺發(fā)回的數(shù)據，這些數(shù)據是以電信號的形式傳回，經檢波后，被記錄在視頻磁帶上。然后把這些視頻磁帶，數(shù)據磁帶或其他形式的圖像資料等，送往圖像數(shù)據處理機構。圖像處理機構的任務是將數(shù)據接收和記錄系統(tǒng)記錄在磁帶上的視頻圖像信息和數(shù)據，進行加工處理和貯存。最后根據用戶的要求，制成一定規(guī)格的圖像膠片和數(shù)據產品分發(fā)給用戶。4.分析處理系統(tǒng)用戶得到的遙感資料，是經過預處理的圖像膠片或數(shù)據，然后再根據各自的應用目的，對這些資料進行分析、研究、判斷解釋，從中提取有用信息，并將其翻譯成為我們所用的文字資料或圖件，這一工作稱為“解譯”。目前，解譯已經形成一些規(guī)范的技術路線和方法。（1）常規(guī)目視解譯技術。所謂常規(guī)目視解譯是指人們用肉眼或手持放大鏡或立體鏡等簡單工具，憑借解譯人員的經驗，來識別目標物的性質和變化規(guī)律的方法。由于目視解譯所用的儀器設備簡單，在野外和室內都可進行。既能獲得一定的效果，還可驗證儀器方法的準確程度，所以它是一種最基本的解譯方法。但是，目視解譯既受解譯人員專業(yè)水平和經驗的影響，也受眼睛視覺功能的限制．并且速度侵，不夠精確。（2）圖像處理技術。圖像處理技術是是20世紀發(fā)展起來的一種識別地物方法，它是利用電子計算機對遙感影像數(shù)據進行分析處理，獲得目標地物的光譜信息，進而對待判地物實現(xiàn)自動識別相分類。該技術既快速、客觀、準確，又能直接得到解譯結果，是遙感分橋解譯的發(fā)展方向。近年來，在目標識別上，不僅僅是光譜信息基礎上模型，已發(fā)展到應用地表紋理、形狀等相結合的判別模型，從而大大提高了目標識別的可靠性。遙感的分類自從遙感技術問世以來，由于其應用領域廣，涉及學科多，學者們從自身角度以及遙感傳感器和平臺技術的不斷發(fā)展，尚未形成統(tǒng)一的遙感分類體系。究其原因主要是人們對遙感分類所持根據不同。從遙感自身的特點及應用領域可以從以下幾個角度進行分類。按遙感平臺劃分隨著遙感技術發(fā)展，遙感已進入了多平臺時代，因此從遙感平臺進行分類可劃分為：地面遙感、航空遙感、航天遙感和航宇遙感。1.地面遙感是以近地表的載體作為遙感平臺的探測技術。如汽車、三腳架、氣球和車船等。所用的傳感器可以是成像和非成像方式。地面遙感是獲得成像或非成像方式的數(shù)據，由于它與地面其他觀測數(shù)據具有絕對同步關系，為構建地表物理模型奠定基礎。2.航空遙感是以飛機為平臺從空中對目標地物進行探測的技術。主要的特點是沿航線分幅獲取地面目標地物，因此其靈活性大，所獲得的圖像比例尺大，分辨率高，已形成了航空攝影完整的理論體系，是為地方尺度的遙感提供數(shù)據。3.航天遙感是以衛(wèi)星、火箭以及航天飛機為平臺，從外層空間對目標地物進行探測的技術系統(tǒng)。航天遙感是20世紀70年代發(fā)展起來的現(xiàn)代遙感技術。其特點是已形成從粗分辨率到高分辨率的對地觀測手段，不僅可用于宏觀區(qū)域的自然規(guī)律與現(xiàn)象的研究，同時高分辨率小衛(wèi)星為地方尺度的大比例尺制圖與資源環(huán)境調查研究提供新的數(shù)據源，另外重復周期短，為動態(tài)監(jiān)測地球表面環(huán)境提供了可能。4.航宇遙感是以宇宙飛船為平臺對宇宙星際的目標進行探測遙感技術。隨著運載火箭技術的不斷發(fā)展，人類逐步從地球環(huán)境向宇宙星際環(huán)境的延伸，從而實現(xiàn)了對月球、火星等星際環(huán)境的遙測。這一技術為進一步探索地球的起源提供科學數(shù)據。按探測的電磁波段劃分根據傳感器所接收的電磁波譜，遙感技術可分為五種：1.可見光遙感傳感器僅采集與記錄目標物在可見光波段的反射能量，主要有攝影機、掃描儀、攝像儀等。2.紅外遙感傳感采集并記錄目標地物在電磁波紅外波段的反射或輻射能量，主要有攝影機、掃描儀等。3.微波逼感傳感器采集并記錄目標地物在微波波段反射能量，所用傳感器主要包括掃描儀、微波輻射計、雷達、高度計等。4.多光譜遙感傳感器將把目標物反射或輻射來的電磁輻射能量分割成若干個窄的光譜帶，同步探測同時得到目標物不同波段的多幅圖像。目前所使用的多光譜遙感傳感器有多光譜攝影機、多光譜掃描儀和反束光導管攝像儀等。5.紫外遙感傳感器采集和記錄目標物在紫外波段的輻射能量，由于太陽輻射能量到達地面的紫外波能量非常弱，因此可用波段非常窄（0.3~0.4），但對地質遙感有非常重要的意義。6.高光譜遙感高光譜遙感是近年發(fā)展起來的新的遙感探測技術，它是將某一波長范圍內，以小于10nm波長間隔對地觀察，探測地表某目標地物的反射或發(fā)射能量的探測技術。高光譜遙感通常來講，可分為成像高光譜和非成像高光譜。非成像高光譜，是指利用高光譜非成像光譜（輻射）儀在野外或實驗室測量特征地物的反射率、透射率及其輻率，從而從不同側面揭示特征地表波譜特征以及其性質。野外或實驗室高光譜的研究，為進一步模擬成像光譜儀的工作性，確定傳感器測量光譜范圍、波段設置（波段數(shù)、波寬及位置）和評價遙感數(shù)據的應用潛力奠定基礎，常用的非成像光譜儀有ASD、LI-1800等。成像高光譜，是指以小于10nm的光譜波寬，探測地面目標地物的波段特征的探測技術，目前成像高光譜儀都在9-10nm的波寬，有128以上的波段對地表進行探測其反射能量。如AIS高光譜傳感器有128個波段，波寬9.6nm；AVIRIS高光譜傳感器有224個波段，波寬10nm。按電磁輻射源劃分根據傳感器所接收的能量來源，遙感技術可劃分為主動和被動遙感兩種。1.被動遙感指傳感器探測和記錄目標地物的太陽輻射的反射或是目標地物自身發(fā)射的熱輻射和微波的能量。其中目標物反射的電磁波能量，其輸入能量是太陽自然輻源而非人工輻射源，熱紅外和微波波段的發(fā)射能量是地物吸收太陽輻射能量后的再輻射。2.主動遙感是指傳感器帶有電磁波發(fā)射裝置，在探測過程中，向目標地物發(fā)射電磁波輻射能量，然后接收和記錄目標物反射或散射回來的電磁波的遙感。如雷達、閃光攝影等屬此類。按應用領域劃分根據遙感的應用領域進行劃分，可分為地質遙感、農業(yè)遙感、林業(yè)遙感、水利遙感、海洋遙感、環(huán)境遙感、災害遙感等。遙感的特點從遙感傳感器與遙感平臺的發(fā)展來看，遙感技術有以下六個方面的特點：1.探測范圍廣，獲取信息的范圍大。一幅陸地衛(wèi)星照片對應地面約三萬四千多平方公里，覆蓋我國全部領土僅需五百多張。因此對國土資源概查有著重大意義，同時宏觀的特點使得大面積以至全球范圍研究生態(tài)環(huán)境和資源問題成為現(xiàn)實，許多大的特征形跡如長達幾千公里的地殼深部斷裂，直徑上干公里的大環(huán)形構造等只有在衛(wèi)星遙感圖像上才能顯現(xiàn)出來。2.獲取的信息內容豐富、新穎,能訊速反映動態(tài)變化。正因為遙感探測范圍廣，獲取信息的范圍大，所以獲取的信息內容豐富。衛(wèi)星周期性對地球各處進行觀察使得有可能進行動態(tài)觀測，獲取新穎的資料，從而實現(xiàn)對地的動態(tài)變化監(jiān)測。3.獲取信息方便而且快速。利用遙感獲取信息不受地形限制。對于高山冰雪、戈壁沙漠、海洋等地區(qū)。一般方法不易獲得的資料,衛(wèi)星像片則可以獲得大量有用的資料。同時,衛(wèi)星還可以不受任何政治、地球條件的限制,覆蓋地球的任何一角和整個地球。這使得我們能夠及時地獲得各種地表信息，并使得過去對農田、森林、城市等大區(qū)域成圖所需幾年到十幾年的時間大為縮短。例如英國過去對其24萬平方公里的國土進行常規(guī)地面調查需6000人工作6年，現(xiàn)在采用衛(wèi)星遙感只需4個人工作9個月即。4.綜合性。遙感技術構成對地球觀察監(jiān)測的多層空間、多波段、多時相的探測網。它從三個空間：地理空間(經、緯、高程)、光譜空間、時間空間提供給我們五維信息，使得能更加全面深入的觀察分析問題。5.成本低。例如某水渠規(guī)劃設計，利用衛(wèi)片進行勘測只需0.6美分／平方公里。6.高分辨率、高光譜遙感發(fā)展逐步走向成熟。當代遙感技術已能全面覆蓋大氣窗口的所有部分光學遙感包括可見光,近紅外和短波紅外區(qū)域。熱紅外遙感的波長可達8~14μm；微波遙感觀測目標物電磁波的輻射和散射,分被動微波遙感和主動微波遙感,波長范圍為0.1~100cm。目前衛(wèi)星遙感的空間分辨率已從原來的幾公里、幾百米、幾十米逐步發(fā)展幾米和幾十厘米，航空數(shù)字攝影測量能獲得更高的空間分辨率。光譜分辨率從單一波、多光譜遙感逐步發(fā)展到高光譜遙感。遙感技術應用的發(fā)展任何一門科學和技術的形成與發(fā)展，總是和時代的發(fā)展和要求相一致，遙感技術的發(fā)展當然也不例外。它的形成是與傳感技術、宇航技術、通訊技術以及電子計算機技術的發(fā)展相聯(lián)系，與軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、資源開發(fā)利用和全球變化的需要相適應的。20世紀50年代以來，隨著科學技術的發(fā)展，在普通照相機和飛機的基礎上，一些新的信息探測系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。“遙感（RemoteSeinsing）”這一術語是1960年美國學者伊林L.布魯伊持(EvelynL