地理遙感基礎(chǔ)知識(shí)

1、第一章一、基本概念：遙感(RemoteSensing)廣義：無(wú)接觸的遠(yuǎn)距離探測(cè)。狹義：遙感是應(yīng)用探測(cè)儀器，不與探測(cè)目標(biāo)相接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來(lái)，通過(guò)分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測(cè)技術(shù)。遙感系統(tǒng)(RemoteSensingSystem)遙感系統(tǒng)包括：被測(cè)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(tái)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(cè)波段分類：紫外遙感：0.050.38um可見(jiàn)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(gè)窄波段組成(3)按工作方式分類：主動(dòng)遙感；被動(dòng)遙感主動(dòng)遙感：探測(cè)器主動(dòng)發(fā)射一定電磁波能量并接收目標(biāo)的后向散射信號(hào)。被動(dòng)遙感：傳感器不向目標(biāo)發(fā)射電磁波，僅被動(dòng)接收目標(biāo)物的自身發(fā)射和對(duì)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(diǎn)(1)大面積的同步觀測(cè)(空間特性)探測(cè)范圍大、具有宏觀、綜合的特點(diǎn)，可以實(shí)施大面積的同步觀測(cè)。(2)時(shí)效性(時(shí)相特性)在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一地區(qū)能夠進(jìn)行重復(fù)成像，有利于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)(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(jì)性與傳統(tǒng)信息獲取手段相比(5)局限性相對(duì)于整個(gè)電磁波譜段而言四、遙感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)遙感發(fā)展現(xiàn)狀自1960年美國(guó)發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星以來(lái)開(kāi)創(chuàng)了從空間對(duì)地球觀測(cè)的新時(shí)代，1972年美國(guó)發(fā)射了第一顆地球資源衛(wèi)星后各國(guó)向空間發(fā)射了大量的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，目前還有20余顆尚在運(yùn)行；(2)遙感平臺(tái)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(shì)3全（全天候、全天時(shí)、全球）3高（高空間、高光譜、高時(shí)間分辯率）3個(gè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)與評(píng)估城市發(fā)展的遙感監(jiān)測(cè)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(cè),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(cè)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(dòng)在空間的傳播。機(jī)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(zhǎng)X頻率）（3）電磁波具有波粒二象性電磁波在傳播過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁

5、波的波粒二象性。波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳播的，因此具有波動(dòng)性粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。波粒二象性的程度與電磁波的波長(zhǎng)有關(guān)：波長(zhǎng)愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，輻射的波動(dòng)特性愈明顯。電磁波譜將各種電磁波在真空中的波長(zhǎng)按其長(zhǎng)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(zhǎng)（入）范圍紅外線名稱紫外線可見(jiàn)光近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外_超遠(yuǎn)紅外微波波長(zhǎng)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(yáng)輻射：

6、是可見(jiàn)光和近紅外的主要輻射源地球的電磁輻射：小于3um的波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量（近紅外）；大于6口m的波長(zhǎng)（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(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。（2）人工輻射源：雷達(dá)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(duì)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(duì)某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長(zhǎng)

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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(duì)各種波長(zhǎng)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(gè)特性輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只

8、有一個(gè)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。輻射通量密度：輻射源在單位時(shí)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(cè)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對(duì)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(zhǎng)而變化。地物發(fā)射光譜曲線溫度一定時(shí)，地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的曲線。見(jiàn)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(duì)遙感的影響大氣吸收大氣的層次:對(duì)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(yáng)輻射穿過(guò)大氣層時(shí)，大氣分子對(duì)電磁波的某些波段有吸收作用，引起這些波段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的衰減，或完全不能通過(guò)大氣。太陽(yáng)輻射到達(dá)地面時(shí)，形成了電磁波的某些缺失帶對(duì)太陽(yáng)輻射影響最大的是對(duì)流層和平流層（2）大氣散射大氣中的粒子與細(xì)小微粒如煙、塵埃、霧霾、小水滴及氣溶膠等對(duì)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(qiáng)度減弱，增加了向其他各個(gè)方向的輻射。我們把輻射在傳播過(guò)程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個(gè)方向散開(kāi)

10、的物理現(xiàn)象，稱為散射。散射現(xiàn)象的實(shí)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(guò)程中遇到小微粒而使傳播方向發(fā)生改變，向各個(gè)方向散開(kāi)。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(zhǎng)小得多時(shí)發(fā)生的散射；主要由大氣中的原子和分子引起。散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比。（大氣顆粒對(duì)可見(jiàn)光，距離地面9-10km，電磁波長(zhǎng)小于1um）-天為什么是藍(lán)的？日出日落時(shí)天空是橙紅色？（2）米氏散射：當(dāng)大氣中粒子的直徑與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)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(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比。米氏散射在光線前進(jìn)方向比向后方的散射更強(qiáng)（。云霧對(duì)紅外的散射、潮濕天氣

11、；距地面05km，電磁波長(zhǎng)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(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射；散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。云霧中水滴粒子的直徑與可見(jiàn)光相比；云為什么是白色的？大氣散射作用與波長(zhǎng)的關(guān)系：瑞利散射主要發(fā)生在紫外、可見(jiàn)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(guò)瑞利散射；在微波波段，由于微波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于云層中水滴的直徑，因而屬于瑞利散射類型；此時(shí)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，散射強(qiáng)度相對(duì)很弱，透射能力很強(qiáng)，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(yáng)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(yáng)輻射的方向，并不改變太陽(yáng)輻射的強(qiáng)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(guò)大氣層時(shí)較少被反射、吸收或散射的、透過(guò)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(yuǎn)紅外0.82.5cm微波第三章遙感圖像的獲取一、遙感平臺(tái)搭載傳感器的工具高度f(wàn)CHkiu-HKkkiD甲高度十KKJSrloiESiItOin-Sftai遙感車-地面遙感平臺(tái)；遙感飛機(jī)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(zhǎng)，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(duì)地球覆蓋范圍廣。如陸地資源衛(wèi)星。赤道衛(wèi)星：=0?；?80時(shí)，衛(wèi)星軌道面與地球赤道面重合，衛(wèi)星在赤道上空運(yùn)行。舉例：地球同步衛(wèi)星/靜止衛(wèi)星。太陽(yáng)同步衛(wèi)星衛(wèi)星與太陽(yáng)同步，光照角保持不變化衛(wèi)星軌道上每一點(diǎn)的平均太陽(yáng)時(shí)保持不變（相同的緯度，所有點(diǎn)具有相同的太陽(yáng)時(shí)）LANDSAT：經(jīng)過(guò)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(yùn)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(hào)陸地衛(wèi)星系列美國(guó)陸地衛(wèi)星系列Landsat法國(guó)資源衛(wèi)星系列SPOT中國(guó)資源一號(hào)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(guó)陸地衛(wèi)星系列Landsat1-7波長(zhǎng)(um)光譜段光譜效應(yīng)10.45-0.52藍(lán)綠光波段30對(duì)水體的穿透力強(qiáng)，對(duì)葉綠素及其濃度反映敏感20.52-0.60綠光波段30對(duì)健康茂盛植物反映敏，對(duì)水的穿透力也較強(qiáng)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(duì)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(duì)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(yáng)同步軌道運(yùn)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(shí)繞地球:15圈穿越赤道時(shí)間:上午9:45分重復(fù)周期:16天衛(wèi)星繞行:233圈3）法國(guó)SPOT衛(wèi)星系列（1-5）1978年起，以法國(guó)為主，聯(lián)

16、合比利時(shí)、瑞典等歐共體國(guó)家，設(shè)計(jì)、研制了名為“地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”（SPOT）的衛(wèi)星，也叫做“地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，迄今已經(jīng)發(fā)射了5顆衛(wèi)星。名稱發(fā)射時(shí)間狀態(tài)Spot11986.2目前仍在運(yùn)行，但從2002年5月起停止接收其影像Spot219901至今還在運(yùn)行Spot31993.9運(yùn)行4年后在1997年11月由于事故停止運(yùn)行Spot41998.3衛(wèi)星作了一些改進(jìn)Spot52002.5其性能作了重大改進(jìn)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(shì)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(dá)到60%，構(gòu)成“立體像對(duì)”SPOTHRV傳感器的波段設(shè)置和光譜效應(yīng)（HighResolutionVisiblerangeinstruments高分辨率可見(jiàn)光遙感器）波段用途0.500.59pm（綠色）區(qū)分植物類型和評(píng)估作物長(zhǎng)勢(shì)，對(duì)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(shí)農(nóng)作物類型，地質(zhì)解譯，識(shí)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(cè)土壤含水量1.581.75pm（短波紅外）探測(cè)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(guó)資源一號(hào)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(jì)壽命：2年軌道：太陽(yáng)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(zhǎng)(um)光譜段分辨率（米）光譜效應(yīng)10.450.52藍(lán)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(lán)、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(jì)時(shí)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(diǎn)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(diǎn)36波段Aqua-MODIS次250m,500m,1000m傳感器基本上都由收集器、探測(cè)器、處理器、輸出器等4部分組成收集器：收集來(lái)自目標(biāo)地物的電磁波能量。探測(cè)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(cè)后的化學(xué)能或電能等信號(hào)進(jìn)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(cè)器信息輸出P二、攝影成像通過(guò)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(cè)。（光學(xué)鏡頭、感光膠片）航空攝影機(jī)，彩色紅外照相機(jī)1.攝影成像分類按探測(cè)波長(zhǎng)分：紫外攝影、可見(jiàn)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(lái)記錄物體影像。數(shù)字?jǐn)z影成像：通過(guò)放置在焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)來(lái)記錄物體的影像。特點(diǎn)：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(jī)和多光譜攝影機(jī)。2.攝影機(jī)（1）分幅式攝影機(jī)（2）全景式攝影機(jī)（3）多光譜攝影機(jī)（4）數(shù)碼攝影機(jī)3.攝影像片的幾何特征（1）投影（2）比例尺（3）像點(diǎn)位移（1）航空像片屬于中心投影垂直投影：物體影像是通過(guò)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(wú)關(guān)）。中心投影：空間任意直線均通過(guò)一固定點(diǎn)（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(jī)掃描成像、固體自掃描成像、高光譜成像光譜掃描3探測(cè)波段：紫外、可見(jiàn)光、紅外和微波波段。含義：依靠探測(cè)元件和掃描鏡對(duì)目標(biāo)物以瞬間視場(chǎng)為單位進(jìn)行的逐點(diǎn)、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(jī)械掃描儀依靠機(jī)械傳動(dòng)裝置使光學(xué)鏡頭擺動(dòng)，形成對(duì)目標(biāo)地物逐點(diǎn)逐行掃描。瞬時(shí)視場(chǎng)角：掃描鏡在一瞬時(shí)時(shí)間可以視為靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，接收到的目標(biāo)物的電磁波輻射，限制在一個(gè)很小的角度之內(nèi)，這個(gè)角度稱為瞬時(shí)視場(chǎng)角?？傄晥?chǎng)角：掃描帶的地面寬度稱總視場(chǎng)。從遙感平臺(tái)到地面掃描帶外側(cè)所構(gòu)成的夾角，叫總視場(chǎng)角。幾種光機(jī)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