《遙感信息光學》課件

遙感信息光學遙感信息光學是利用電磁波輻射和散射規(guī)律研究地球表面信息的技術。它是遙感技術的基礎，涵蓋了光學遙感圖像的獲取、處理、分析和應用。遙感信息的基本概念定義遙感是指利用傳感器通過電磁波來探測地球表面，獲取信息的過程。類型遙感分為主動遙感和被動遙感兩種類型，主動遙感發(fā)射電磁波，被動遙感接收電磁波。要素遙感主要包括傳感器、平臺、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和信息應用等要素。光電探測基本原理1光電轉換光電探測器將光信號轉換為電信號，光電轉換的效率取決于探測器材料和結構。2信號放大光電轉換產(chǎn)生的信號通常很微弱，需要進行放大處理以提高信噪比，實現(xiàn)有效探測。3數(shù)據(jù)處理放大后的信號經(jīng)過數(shù)字化處理，并進行校正和分析，以獲取目標物體的光譜信息。分光光譜儀基本原理分光光譜儀利用光學原理，將不同波長的光分離，并測量光譜信息。它通過光柵或棱鏡將入射光束分解成不同波長的光譜。應用范圍在遙感領域，分光光譜儀廣泛應用于識別地物類型、監(jiān)測環(huán)境變化、分析物質成分等。分類分光光譜儀可分為各種類型，如紫外可見分光光度計、紅外光譜儀、拉曼光譜儀等，根據(jù)應用場景和光譜范圍進行選擇。分光成像系統(tǒng)分光成像系統(tǒng)將光譜信息與空間信息結合起來，實現(xiàn)對目標物體的精細化分析。系統(tǒng)利用光譜儀對目標物體的反射光進行分光，得到不同波段的光譜信息，并與圖像傳感器結合，形成包含光譜信息的空間圖像。光譜反射率與光譜曲線光譜反射率指物體在特定波長下反射的輻射能量與入射輻射能量之比。光譜曲線以波長為橫坐標，以光譜反射率為縱坐標繪制的曲線，反映了物體對不同波長光的反射特性。光譜反射率是遙感中重要的物理參數(shù)，不同的物體具有不同的光譜反射率，這是遙感識別物體的基礎。植被遙感光譜特征11.葉綠素吸收葉綠素吸收藍光和紅光，反射綠光，形成植被的光譜特征。22.水分吸收植被細胞中水分吸收近紅外光，導致近紅外光反射率下降。33.植被類型差異不同植被類型的光譜特征存在差異，可以用于植被分類。44.季節(jié)變化植被的光譜特征隨季節(jié)變化而變化，例如葉片顏色變化。土壤遙感光譜特征土壤質地土壤質地影響光譜反射率，沙質土壤反射率高，粘土土壤反射率低。土壤水分土壤水分含量影響光譜特征，水分含量越高，反射率越低。土壤有機質土壤有機質含量越高，反射率越低，在可見光和近紅外波段表現(xiàn)明顯。土壤礦物土壤中礦物成分影響光譜特征，例如鐵氧化物含量影響可見光波段。水體遙感光譜特征水體反射率水體對不同波長光線的吸收和反射特性不同。深水區(qū)主要吸收紅光和近紅外光，反射藍光，因此呈現(xiàn)藍色。影響因素水體的渾濁度、溶解有機物、懸浮物含量、水深等因素都會影響水體的光譜特征。雪冰遙感光譜特征1高反射率雪和冰對可見光和近紅外光具有很高的反射率，這是由于其表面結構和晶體性質。2吸收特性雪和冰在短波紅外波段（1.4-2.5μm）處表現(xiàn)出明顯的吸收特性，這與水的振動吸收帶有關。3季節(jié)變化雪和冰的反射率會隨著季節(jié)變化而變化，例如夏季融化會導致反射率降低。4光譜特征雪和冰的反射光譜特征可以用于識別雪冰類型，如積雪、冰川、凍土等。大氣遙感光譜特征大氣成分大氣主要成分包括氮氣、氧氣、二氧化碳等。這些成分會吸收和散射電磁輻射，導致光譜特征發(fā)生變化。氣體吸收帶不同氣體在特定波長范圍內具有吸收帶，例如二氧化碳在近紅外波段有強吸收帶。大氣散射大氣中的氣體分子和氣溶膠會散射電磁輻射，導致遙感信號發(fā)生衰減和畸變。遙感圖像的形成1目標輻射地面目標反射或發(fā)射電磁波。2傳感器接收傳感器接收目標輻射的電磁波。3信號轉換將電磁波信號轉換為數(shù)字信號。4圖像生成數(shù)字信號經(jīng)過處理，生成遙感圖像。遙感圖像的形成是一個復雜的過程，涉及目標輻射、傳感器接收、信號轉換和圖像生成等步驟。不同的傳感器和處理方法會影響最終圖像的質量和特征。遙感圖像的幾何變換1幾何校正消除幾何畸變2圖像配準將不同圖像對齊3坐標轉換將圖像坐標轉換為地理坐標幾何變換是遙感圖像處理的重要環(huán)節(jié)，它能將圖像的幾何信息與真實地形的幾何信息對齊。幾何校正是指消除圖像中的幾何畸變，使圖像的幾何位置和形狀與實際地形一致。圖像配準則是將不同時間、不同傳感器獲取的圖像進行對齊，方便對比分析。坐標轉換則將圖像的坐標系轉換為地理坐標系，便于地理信息系統(tǒng)中的應用。遙感圖像的輻射校正傳感器差異不同傳感器對同一地物的輻射亮度值可能不同，需要進行校正以確保數(shù)據(jù)的一致性。大氣影響大氣層會吸收和散射太陽輻射，導致地物輻射亮度發(fā)生變化，需要進行大氣校正以消除大氣影響。幾何畸變遙感圖像在成像過程中會產(chǎn)生幾何畸變，需要進行幾何校正以保證圖像的幾何精度。輻射校正方法常用的輻射校正方法包括直方圖匹配、輻射傳輸模型和經(jīng)驗校正等。遙感圖像的大氣校正大氣校正是一種重要的圖像預處理步驟，通過消除大氣效應的影響，還原地表真實反射率，提高圖像質量和分析精度。1大氣散射瑞利散射和米氏散射2大氣吸收氣體分子吸收特定波段的光3大氣校正去除大氣影響，還原地表真實反射率大氣校正方法可分為兩種：基于模型的方法和經(jīng)驗統(tǒng)計方法?；谀Ｐ偷姆椒ɡ么髿饽Ｐ湍M大氣對遙感信號的影響，進行校正。經(jīng)驗統(tǒng)計方法利用已知地面反射率的觀測數(shù)據(jù)，建立回歸模型進行校正。遙感影像的定量分析遙感影像的定量分析是指利用遙感數(shù)據(jù)提取地表信息，并進行定量化的分析和研究。定量分析可以更準確地描述地表特征，并進行空間分析和模型建模。例如，利用光譜分析可以計算植被覆蓋度，利用紋理分析可以識別城市建筑物，利用幾何分析可以提取道路信息。定量分析為我們提供了更深入的認識地表特征和變化規(guī)律。遙感數(shù)據(jù)的處理工具地理信息系統(tǒng)(GIS)GIS軟件可以用于對遙感數(shù)據(jù)進行可視化、分析和建模。圖像處理軟件ENVI、ERDAS和ArcGIS等軟件可用于圖像增強、幾何校正和大氣校正。編程語言Python、R和MATLAB等語言可用于開發(fā)自定義遙感數(shù)據(jù)處理工具。多光譜遙感技術多光譜遙感多光譜遙感使用多個波段傳感器，捕捉不同波長范圍的光，提供更詳細的信息。農(nóng)業(yè)應用多光譜數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測作物生長、評估作物產(chǎn)量，并識別病蟲害。土地利用分類多光譜數(shù)據(jù)可用于識別不同土地類型，例如森林、草地、水體和城市。高光譜遙感技術高光譜數(shù)據(jù)高光譜遙感獲取的數(shù)據(jù)包含數(shù)百個連續(xù)的光譜波段，可以提供更豐富的光譜信息。精細光譜分析利用高光譜數(shù)據(jù)可以識別和區(qū)分地表物質的光譜特征，應用于植被識別、土壤分類、水質監(jiān)測等。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取1傳感器數(shù)據(jù)采集衛(wèi)星搭載的傳感器接收來自地表的電磁輻射信號，并將其轉化為數(shù)字數(shù)據(jù)。2數(shù)據(jù)傳輸傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星地面站進行接收，并傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。3數(shù)據(jù)處理與分發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理、幾何校正、輻射校正等處理，最終形成可供用戶使用的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品。航空遙感數(shù)據(jù)獲取航空平臺包括固定翼飛機和直升機，可根據(jù)需求選擇合適的平臺。傳感器安裝在航空平臺上，用于獲取遙感數(shù)據(jù)，類型包括多光譜、高光譜和激光雷達等。數(shù)據(jù)采集傳感器根據(jù)預定路線和時間采集數(shù)據(jù)，生成原始遙感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理對原始數(shù)據(jù)進行幾何校正、輻射校正、大氣校正等處理，生成可供分析的遙感影像。無人機遙感數(shù)據(jù)獲取1任務規(guī)劃確定飛行區(qū)域和航線2飛行控制遙控無人機完成飛行任務3數(shù)據(jù)采集無人機傳感器獲取圖像數(shù)據(jù)4數(shù)據(jù)處理對原始數(shù)據(jù)進行處理和分析無人機遙感數(shù)據(jù)獲取流程包括任務規(guī)劃、飛行控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。該方法具有靈活機動、成本低廉、周期短等優(yōu)勢，近年來在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市規(guī)劃等領域得到廣泛應用。遙感數(shù)據(jù)的應用城市規(guī)劃與管理遙感數(shù)據(jù)可用于城市規(guī)劃，例如土地利用分析、基礎設施評估和災害風險管理。農(nóng)業(yè)監(jiān)測遙感技術可以監(jiān)測作物生長狀況、估算產(chǎn)量、評估土壤健康狀況。水資源管理遙感數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測水資源狀況，例如水體面積變化、水質監(jiān)測、水文模型建立。災害監(jiān)測與評估遙感技術可以快速獲取災害發(fā)生區(qū)域的影像信息，用于評估災害損失，指導救災工作。植被類型識別與監(jiān)測1物種識別遙感技術可以根據(jù)不同的植被類型的光譜特征進行識別和區(qū)分，例如森林、草地、農(nóng)作物等。2植被覆蓋度通過分析遙感數(shù)據(jù)，可以估算出不同區(qū)域的植被覆蓋度，了解植被的生長狀況。3植被生長監(jiān)測通過多時相遙感數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測植被的生長狀況，例如植被生長速度、生物量等。4植被變化分析利用遙感數(shù)據(jù)可以分析植被的變化趨勢，例如森林砍伐、土地退化等。土地利用/覆蓋分類農(nóng)業(yè)用地包括耕地、果園、茶園、林地等，可通過光譜特征識別。城市用地包括住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)等，以高密度建筑物為特征。水體包括河流、湖泊、海洋等，光譜特征明顯，易于識別。森林包括森林、草原、荒漠等，根據(jù)植被覆蓋度和光譜特征進行分類。水體環(huán)境監(jiān)測水質監(jiān)測利用遙感技術監(jiān)測水體污染物，例如重金屬、營養(yǎng)鹽和有機污染物，評估水質變化趨勢。水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測水體中葉綠素a和懸浮物含量，識別水體富營養(yǎng)化程度，進行水體生態(tài)預警。水資源管理遙感技術可監(jiān)測水體面積、水位變化，評估水資源儲量，輔助水資源管理和規(guī)劃。水體災害監(jiān)測利用遙感影像識別水體污染、水華、赤潮等水體災害，及時預警，減少經(jīng)濟損失。災害監(jiān)測與評估自然災害遙感可用于監(jiān)測地震、洪水、火災、干旱、滑坡等自然災害。利用遙感數(shù)據(jù)可以快速評估災害造成的損失，并為救援和重建提供決策支持。人為災害遙感可用于監(jiān)測污染、事故、戰(zhàn)爭等人為災害。遙感圖像可以清晰地顯示災害發(fā)生后的環(huán)境變化，幫助我們分析災害的影響并制定應對策略。未來遙感技術發(fā)展趨勢更精細化和高分辨率遙感技術朝著更高分辨率、更精細化發(fā)展，例如，更高的光譜分辨率，更小的空間分辨率。多源數(shù)據(jù)融合與協(xié)同融合來自不同平臺和傳感器的遙感數(shù)據(jù)，例如，將光學遙感數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)、SAR數(shù)據(jù)進行融合，更全面地分析地球信息。人工智能與深度學習利用人工智能和深度學習技術，自動分析和處理遙感數(shù)據(jù)，提高遙感信息提取的精度和效率。面