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1、遥感定义:广义遥感: 从远处探测、 感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身,从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息(包括电磁波、力场、声波、地震波),经过信息的传输及其处理分析,来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。(实际工作中, 将重力、磁力、声波、地震波等的探测化为物探的范畴,只有对电磁波的探测属于遥感的范畴。) 狭义遥感: 在高空和外层空间的各种平台上,通过各种传感器获得地面电磁辐射信息,通过数据的传输和处理揭示地面物体的特征、性质及其变化的综合性探测技术。遥感系统包括:目标物电磁波特性,信息的获取,信息的接收,信息的处理,信息的应用。遥感技术的特点:1:宏观性、综合性
2、覆盖范围大、 信息丰富。 一景 TM 影像为 185185 平方公里; 影像包含各种地表景观信息,有可见的,也有潜在的。2:多波段性波段的延长使对地球的观测走向了全天候。3:多时相性重复探测,有利于进行动态分析。4:经济性大大节省人力、 物力、财力和时间。美国陆地卫星的经济投入与取得的效益比为1:80 或更多。5:局限性发展高光谱分辨率遥感,提高准确性。遥感的分类:按照遥感的工作平台分类:地面遥感、航空遥感、航天遥感、航宇遥感。按照探测电磁波的工作波段分类:可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多波段遥感等。按照遥感应用的目的分类:环境遥感、农业遥感、林业遥感、地质遥感等按照资料的记录方式:成像方式
3、、非成像方式按照传感器工作方式分类:主动遥感、被动遥感主动遥感 :指传感器带有能发射讯号(电磁波)的辐射源,能主动发射电磁波,同时接收目标物反射或散射回来的电磁波,以此所进行的探测。被动遥感 : 指传感器无辐射源, 仅利用传感器被动的接收来自地物反射自然辐射源(如太阳)的电磁辐射或自身发出的电磁辐射,而进行的探测。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页第二章电磁辐射与地物光谱特征2.1 电磁波与电磁波谱2.2 大气层对电磁辐射的影响2.3 地物光谱特征相关概念:辐射 :电磁波在空间中的传播叫做电磁辐射,简称辐射。分为入
4、射、发射、反射、透射、散射、吸收。辐射源 :任何物体都是辐射源,不仅能够吸收其它物体对它的辐射,也能够向外辐射。辐射通量() :单位时间内通过某一面积的辐射能量,=dW/dt ,单位为W(瓦) 。辐射通量密度(E) :单位时间内通过单位面积的辐射能量,E= d /ds,单位为W/m2。辐照度( I) :被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量,I= d /ds 辐射出射度(M) :辐射源物体表面单位面积上的辐射通量,M= d /ds。辐照度与辐射出射度都是辐射通量密度的概念,但 I 为物体接收的辐射,M 是物体发出的辐射,都与波长有关。黑体:绝对黑体,指能够将外来辐射能量全部吸收的物体。发射率:
5、地物单位面积上发射(辐射)能量M 与同一温度下同面积黑体发射能量M 黑之比值。即:=M/M 黑反射率: 地物的反射能量与入射总能量之比。透射率: 地物的透射度与其表面的辐照度之比。吸收率: 地物的吸收度与其表面的辐照度之比。一、热辐射基本定律任何地物当温度高于绝对温度0K 时,就存在着分子运动,不断地向外发射电磁波。实际上,世界上任何物体的温度都高于0K(0K=273.15) 。所以,任何物体都有热辐射。地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准;地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。物体根据吸收率的大小分为:黑体、灰体、选择性辐射体。黑体: 其 =1,不随波长变化。灰体: 其 =常数 1(因而
6、吸收率 1,不随波长变化。)。选择性辐射体:其 随波长而变化,而且 1(因而吸收率a也随波长变化,并且a1。) 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页1 普朗克定律(不要求的):黑体辐射能量是温度的函数:W :为单位面积单位时间单位波长区间辐射能量,h:为普朗克常数=(662560.0005) ;K:为玻尔兹曼常数=(1.38054 土 0.00018) ;e:为自然对数的底= 2.718;C 为光速; 为波长; T 为绝对温度; 为波长; T 为绝对温度。不同温度下,有不同的发射光谱;辐射能量随波长连续变化,曲线只
7、有一个最大值;温度愈高, 辐射通量密度也愈大;不同温度的曲线是不相交的;随着温度的升高,辐射最大值所对应的波长移向短波方向。2 斯蒂芬玻尔兹曼定律: (掌握)单位面积单位时间全部波长范围内的辐射总能量:斯蒂芬 -玻尔兹曼常数,5.6697 土 0.00297 T :黑体绝对温度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页3 维恩定律 : (掌握)黑体热辐射的峰值波长与绝对温度成反比:max:为某一温度下辐射能量的峰值波长;B = 2879.8 (um.k)。二、地物的热辐射特征1 地物发射率自然界中黑体辐射是不存在的,一般地
8、物的辐射要比黑体辐射小。地物的发射率是指地物单位面积上辐射能量W 与同一温度下同面积黑体辐射能量之比值。地物发射率地物种类、表面状态、温度等有关,而且与波长有关。2 基尔霍夫定律:在任一给定的温度下,地物单位面积上的辐射能量W 和吸收率a 之比,对任何地物都是一个常数,等于该温度下同面积黑体辐射能量。根据发射率的定义:得: =即一定的温度下,任何地物的发射率,在数值上等于该温度下的吸收率。亦即地物的吸收率愈大,发射率也愈大。物体的辐射能量:热辐射能量与发射率成正比,与温度四次方成正比。地物微小的温度差异,就会引起红外辐射能量较显著变化。物体热辐射能量主要由温度决定。遥感热红外图像主要反映是物体
9、表面的温度。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页3 发射光谱特征:地物的发射率随波长变化的函数关系,称为地物发射光谱。每一种地物在一定温度时,都有一定的发射率,各种地物的发射率不同。这种地物发射率的差异是红外遥感技术的重要依据。4 影响地物发射光谱的因素:地物的发射率与地物表面的粗糙度、颜色和温度等有关。地物表面比较粗糙或颜色发暗,其发射率较高;地物表面比较光滑或颜色明亮,其发射率较低;比热大的、热惯性大的地物,其发射率就大;水体比热大,在白天比岩石植被发射率较低,夜晚时发射率高于岩石植被。利用红外遥感研究地热、热污
10、染以及探测地下水等是行之有效的方法。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页2.2 大气层对电磁辐射的影响:一、太阳辐射二、大气层对电磁辐射的影响三、大气窗口大气相关知识:1 大气层结构:在垂直方向上分:对流层平流层电离层大气外层对流层为大气的底层,顶部平均位于12km 。高度每增加1km ,温度下降6.5 K ,气象变化强,是现代航空遥感主要活动的区域。在对流层内,由于大气层的吸收作用,使电磁波传播受到衰减。平流层平流层顶部平均高度80km,层内气流比较稳定,没有垂直对流。在25km 以下气温一般保持恒温约为 -55o
11、 C。在 25-315km 以上气温随高度递增(臭氧吸收了太阳紫外光),在该层内电磁波的传播特性与对流层内的传播特性相似。电离层顶部高度1000km,大气十分稀薄,处于电离状态。氧原子和氨原子在分解和游离时吸收了多余的能量,使气温升高,300km 的高度气温可达600-800oC。对可见光、 红外直至微波的影响较小,基本上是透明的。它是人造地球卫星绕地球运行的主要空间层。大气外层该位于离地面1000km 高度以上直至几万公里,该层空气极为稀薄。 并不断向星际空间散逸。该层对卫星运行基本上没有影响。2 大气成分(不要求) :由气体、水蒸气和悬浮的微粒混合组成。气体: N2、O2、H2O、CO、C
12、O2、N2O、 CH4、O3。悬浮微粒: 尘埃、冰晶、盐晶、水滴等,统称为气溶胶,形成霾、雾和云。在 80km 以下的大气中,除H2、O2、O3 等少数可变气体外,各种气体均匀混合,所占比例几乎不变, 又为均匀层。 在该层中大气物质与太阳辐射相互作用,是使太阳辐射能衰减的主要原因。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页3 大气层对太阳辐射的影响太阳辐射在通过大气层时,约有30被云层和其它大气成分(部分)反射回宇宙空间,约有 17 (部分)被大气吸收,约有 22(部分)被大气散射, 仅有 31的 太阳辐射直射到地面 。1
13、) 大气的吸收作用:太阳辐射通过大气层时,大气层中H2O、O2、CO2、O3对太阳辐射产生选择性吸收,由于各种气体对太阳辐射波长吸收的特性不同,使有些波段范围通过大气层到达地面,而另一些波段则全部被吸收不能到达地面。因此,造成了许多不同波段的大气吸收带。(补充)氧(O2) :在波长 0.155m 处吸收最强。 在低层大气内几乎观测不到小于0.2m 的太阳辐射, 在 0.69m 和.76m 附近,各有一个窄吸收带。臭氧( O3) :对太阳辐射能量吸收很强。在 0.2-0.36m 和 0.6m 附近有两个吸收带,臭氧主要分布在30km 高度附近,因而对高度小于10km 的航空遥感影响不大,而对航天
14、遥感则有影响。水( H2O) :它是吸收太阳辐射能量最强的介质。从可见光、红外直至微波波段,都有水汽的吸收带。主要吸收带是处于红外线和可见光中的红光波段内,其中红外部分吸收最强。在0.5-0.9m有四个窄吸收带,在0.95-2.85m 有 5 个宽吸收此外,在6.25 m 附近有一个强吸收带。二氧化碳( CO2) :它的吸收作用主要在红外区内。在1.35-2.85m 有 3 个宽弱吸收带。另外在2.7m、4.3m 与 14.5m 为强吸收带。由于太阳辐射在红外区能量很少,这一吸收带可忽略不计。尘埃:它对太阳辐射也有一定的吸收作用,但吸收量很少。 当有沙暴、 烟雾和火山爆发等现象发生时,大气中尘
15、埃急剧增加,这时它的吸收作用才比较显著。2)大气的散射作用大气散射集中于可见光区,是太阳辐射能衰减的主要原因。散射的强弱可用散射系数表示:? 为波长的指数,它由微粒直径(d)的大小决定。根据波长与散射微粒的大小之间的关系,散射可分为三种 :瑞利散射 :当大气微粒的直径(d)比辐射波长()小得多时,即:当d /10 时, ?4,发生的散射称瑞利散射。1/4 可见光对瑞利散射的影响较大。常见雨过天睛后,晴朗天空呈碧蓝色,大气中的粗粒物质被雨水带走,大气中的气体分子粒径较小,把波长较短的蓝光散射到天空中的缘故。米氏散射当大气中微粒的直径与辐射波长相近时,即d,?=2 ,发生的散射称为米氏散射。=1/
16、2 它是由大气中气溶胶所引起的散射。云雾等悬浮粒子的大小与0.76-15m 的红外线的波长差不多,因此,云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页非选择性散射当微粒的直径比波长大得多时,即 d,?0, 1,所发生的散射称为非选择性散射。这种散射与波长无关,即任何波长散射强度相同。如大气中的水滴、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐射,常常会出现这种散射。云或雾之所以看起来是白色,是因为它对各种波长的电磁波的散射是一样的。三、大气窗口大气层的反射、 吸收和散射作用,削弱了太阳辐射的能量。把太阳辐
17、射通过大气层时,反射、吸收和散射比较低,即透射率高的波段范围,称为大气窗口 。主要的大气窗口:0.3-1.3m:包括部分紫外(0.3-0.38m) 、可见光( 0.4-0.76 m)和部分近红外波段(0.76-1.3m) ,属于地物的反射光谱。对电磁波的透射率达90%以上。可以采用摄影方式、扫描方式成像,胶卷感光的波谱区间在0.32-1.32 m 范围,超出这个波谱范围则不能采用摄影方式成像。1.3-2.5m:近红外波段的中段。仍属于地物反射光谱,但不能用胶片摄影,仅能用光谱仪和扫描仪来记录地物的电磁波信息。透射率都接近80。目前近红外窗口应用不多,但在某些波段对区分蚀变岩石有较好的效果,因此
18、在遥感地质应用方面很有潜力。TM 设有 1.55-1.75 m 和 2.08-2.35m 两个波段。3.5-4.2m:中红外波段。包括地物反射光谱、发射光谱,属于混合光谱范围。中红外窗口应用很少,目前多用于航空多光谱扫描方式成象。8-14 m:远红外波段,热辐射光谱。透射率约为6070。是地物在常温下热辐射能量最集中的波段,在遥感地质、 环境遥感中应用较多。利用扫描仪和热辐射计来获得地物发射的电磁波信息。0.8-25cm:微波窗口,属于发射光谱范围。不受大气干扰,透射率可达100,是全天候的遥感波段。2.3 地物光谱特征地物的光谱特性是遥感技术的重要理论依据,它既为传感器工作波段的选择提供依据
19、,又是遥感数据正确分析和判读的理论基础,同时也可作为利用计算机进行数字图像处理和分类时的参考标准。辐射能量入射到任何地物表面上一部分被反射;一部分被吸收 ,还有 一部分透射穿过地物。1 地物反射率不同地物对入射光的反射能力是不一样的,通常采用反射率(或反射系数)来表示。反射率等于地物的反射能量与入射的总能量的比值,通常用百分数表示。= P/P* 100% 2 地物反射光谱特征地物反射率与入射光波波长密切相关,地物反射率是入射电磁波波长的函数,这种函数关系称之为地物反射光谱特征。可以用曲线表示,称之为地物反射光谱曲线。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -
20、 - - -第 8 页,共 15 页反射状况:镜面反射,漫反射(朗伯面),实际物体反射。不同地物,反射率不同。同一物质,不同存在形态,反射率不同。同一类地物,反射光谱曲线相似,但又存在差异。反射率与影像色调:反射率高,色调浅。3 影响反射率的因素表面的粗糙程度;表面的风化程度;含水性;光照度;阴坡、阳坡;植被发育程度。各类地物( 植被,土壤,水体,岩石)反射情况见p3841。补充:遥感应用电磁波段紫外线、可见光、红外线、微波紫外线:波长范围为0.01-0.4 m。太阳辐射含有紫外线,通过大气层时,波长短于0.3m 的能量几乎都被吸收,只有0.3- 0.4 m 波长到达地面。主要用于测定碳酸盐岩
21、分布,碳酸盐岩对紫外线的反射比其它类型的岩石要强。另外, 紫外线对水面飘浮的油膜比周围的水面反射强烈,因此可以用于油污染的监测。可见光 :波长范围从0.38-0.76m。它由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光有敏锐的感觉,不仅对可见光的全色光,而且对不同波段的单色光,也都具有敏锐的分辨能力,所以可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。在遥感技术中是以光学摄影方式和扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征。红外线:波长范围为0.76 1000m 。分为:近红外(0.76-3.0 m ) 、中红外( 3.0-6.0m ) 、远红外( 6.0-15.0 m )和超远红外( 15 -1000
22、 m ) 。近红外在性质上与可见光相似,所以又称为光红外。 在遥感技术中采用摄影方式和扫描方式,接收和记录地物对太阳辐射的光红外反射。中红外、远红外和超远红外是产生热感的原因,所以又称为热红外。微波精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页微波的波长范围1mm-lm 。微波遥感是借助微波散射现象来探测地物的性质。它的优点主要有:(1 )微波易于聚成较窄的发射波束(2 )微波近似直线传播,不受电离层影响。(3 )地面目标对微波散射性能好。(4 )受自然界中的电磁波干扰小。(5 )具有一定的穿透性。精选学习资料 - - - -
23、 - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页第三章遥感成像原理与遥感图像特征遥感平台 : 一、气象卫星系列二、陆地卫星系列三、海洋卫星系列一、气象卫星系列气象卫星三个发展阶段:20 世纪 60 年代:第一代气象卫星,TIROS 。20 世纪 70 年代:第二代气象卫星,ITOS-1,TIROS 的改进型。1978 年以后:第三代气象卫星,NOAA 。高轨气象卫星地球同步轨道(静止气象卫星)轨道高度: 36000 公里信息采集时间周期:约20 分钟分辨率: 1.25 5 公里主要应用领域:全球性大气环流;全球性天气过程低轨气象卫星近极地太阳同步轨道轨道
24、高度: 800-1600 公里周期:每天固定时间经过固定地点; 观测宽度: 2800 公里美国 NOAA 卫星:双星运行 ,上下午各获取一次信息。扫描宽度:2800 公里分辨率:星下点1.1 公里,边缘部分4 公里中国FY-1B( 风云 1 号) 二、陆地卫星系列1 美国陆地卫星系列Landsat 地面分辨率1.1 公里Landsat 陆地卫星Landsat,1972 年发射第一颗, 已连续 31 年为人类提供陆地卫星图像,共发射了7颗,产品主要有MSS,TM,ETM ,属于中高度、长寿命的卫星。陆地卫星的运行特点:( 1)近极地、近圆形的轨道;( 2)轨道高度为700900 km;( 3)运
25、行周期为99 103 min/圈;( 4)轨道与太阳同步。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页Landsat 卫星的传感器(1) MSS:多光谱扫描仪,5 个波段。(2) TM :主题绘图仪,7 个波段。(3) ETM+ :增强主题绘图仪,8个波段。2 SPOT 卫星系列1978 年,法国、比利时、瑞典等设计、研制,名为“ 地球观测实验系统” 的卫星 (SPOT)。共设计发射5 颗。为中等高度圆形近极地太阳同步轨道。主要成像系统:HRV,HRG、 HRS,VEGETATION 即高分辨率几何成像装置、高分辨率立体成
26、像装置、植被探测器5 CBERS 数据(中巴资源一号卫星 )CBERS 是中国和巴西合作研制的遥感卫星1997 年 10 月发射 CBERS-l 1999 年 10 月发射 CBERS-2 卫星设计寿命为2 年。CBERS 卫星特征 :太阳同步极轨道轨道高度778 km 轨道倾角是 98.5每天绕地球飞行14 圈。卫星穿越赤道时当地时间总是上午10:30 卫星重访地球上相同地点的周期为26 天。CBERS 传感器 : 三种成像传感器: 高分辨率像机 (CCD) 红外多谱段扫描仪(IR-MSS) 广角成像仪 (WFI) WFI 的分辨率 :256m,IR-MSS 分辨率 :78m 和 156m,
27、CCD 分辨率 :19.5m。2 号星上携带全色2.5 米分辨率HR 传感器。CBERS 的 CCD 光谱段 : 高分辨率CCD 像机具有与陆地卫星的TM 类似的几个谱段(5 个谱段 ), 其星下点分辨率为19.5m,高于 TM ;覆盖宽度为113 km。B1:0.45 0.52m,蓝。B2:0.52 0.59m,绿。B3:0.63 0.69m,红。B4:0.77 0.89m,近红外。B5:0.51 0.73m,全波段。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页CBERS 的 IR-MSS 光谱段:IR-MSS(4 个谱
28、段 ),覆盖宽度为119.5 km。B6:0.501.10m,蓝绿近红外, 77.8 m。B7:1.551.75m,相当于TM5, 77.8 m 。B8:2.082.35m,相当于TM7, 77.8 m 。B9:10.412.5m,相当于TM6, 156 m 。CBERS 的 WFI 光谱段:WFI(2 个谱段 ),覆盖宽度890 km。B10:0.630.69m,红,分辨率为256 m。B11:0.770.89m,近红外 ,分辨率为256 m。三、 海洋卫星数据SEASAT 数据MOS 数据ERS 数据RADARSAT数据SEASAT 数据:美国海洋卫星近极地近圆形太阳同步轨道卫星载有5 种
29、传感器其中 3 种是成像传感器:合成孔径侧视雷达(SAR-A) 多通道微波扫描辐射计(SNMR) 可见光 -红外辐射计 (VIR) 。MOS 数据 :日本海洋观测卫星近圆形近极地太阳同步轨道卫星载有3 种遥感器:多谱段电子自扫描辐射计(MESSR) 可见光 -热红外辐射计 (VTIR) 微波辐射计 (MSR) ERS 数据 :欧洲遥感卫星圆形极地太阳同步轨道雷达地面分辨率可达30 m 主要用于海洋学、冰川学、海冰制图、海洋污染监测、船舶定位、导航,水准面测量、岸洋岩石圈的地球物理及地球固体潮和土地利用制图等领域。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
30、 - -第 13 页,共 15 页RADARSAT数据:数据来源:加拿大遥感卫星。圆形近极地太阳同步轨道。成像遥感器:合成孔径雷达(SAR) 多谱段扫描仪高分辨率辐射计(AVHRR) 非成像遥感器:散射计扫描成像光学 /机械扫描成像:在扫描仪前方安装光学镜头,借助于遥感平台沿航向运动和仪器本身光学机械舷向扫描来获取地面航向条带图像的一种仪器,简称光机扫描仪。目前常用的有红外扫描仪和多光谱段扫描仪。光机扫描仪的工作波长范围比摄影机宽得多,可达 0.314m (包括近紫外、可见光、近红外、中红外和远红外)。固体自扫描成像:用固定的探测元件(CCD) ,通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描成像。高光
31、谱成像扫描: (详见 P70)遥感图像的特征空间分辨率:扫描成像 -像元,扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小摄影成像 -线对 /米, ( 线对 :能分辨的地物的最小距离) 信息识别目标的空间尺度与遥感信息空间分辨率的关系光谱分辨率 : 传感器所能分辨的最小波长间隔(波段的宽度 ) 。时间分辨率 : 对同一地点进行第二次信息获取的时间间隔。动态监测目标的时间尺度与遥感信息时间分辨率的一致性。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 15 页二、遥感图像处理的主要内容(见补充)1.图像校正: 辐射校正、几何校正等;2.增强处理: 彩色增强、直方图增强、图像运算、多源信息融合等;3.图像变换: 消除干扰、滤掉噪声、提高图像的质量,如变换等;4.图像分类: 非监督分类、监督分类等。4.4 遥感图像增强处理(见补充)一、彩色增强处理二、反差增强三、空间滤波四、彩色变换五、图像运算六、多光谱变换七、多源信息复合精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页
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