《现代遥感导论》PPT课件.ppt
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1、现代遥感导论上海师范大学地理系上海师范大学地理系尹占娥尹占娥 殷杰殷杰电子教案电子教案使用说明使用说明 本电子教案,是为方便教师和学生使本电子教案,是为方便教师和学生使用科学出版社出版的用科学出版社出版的“国家十一五规划国家十一五规划”教教材材现代现代遥感导论遥感导论(尹占娥编著)而(尹占娥编著)而制制作的。作的。内容说明内容说明n电子教案的内容与教材配套,内容丰富全面,电子教案的内容与教材配套,内容丰富全面,各高校在使用时可自行调整选讲的内容和章节,各高校在使用时可自行调整选讲的内容和章节,也可也可根据所掌握的材料,自组教学内容,对重根据所掌握的材料,自组教学内容,对重点和难点内容自行调整。
2、点和难点内容自行调整。同时考虑到本课程目同时考虑到本课程目的是使地学、测绘及相关专业的学生掌握遥感的是使地学、测绘及相关专业的学生掌握遥感理论和应用遥感数据的方法,教案在讲解遥感理论和应用遥感数据的方法,教案在讲解遥感原理的基础上,侧重于对各种遥感数据和信息原理的基础上,侧重于对各种遥感数据和信息提取方法方面的教学,并安排相应的实习内容提取方法方面的教学,并安排相应的实习内容(参见实习指导光盘),以提高教学效果。(参见实习指导光盘),以提高教学效果。说明说明n由于时间仓促,本教案难免存在不妥之由于时间仓促,本教案难免存在不妥之处,敬请使用者批评指正。处,敬请使用者批评指正。n联系信箱:联系信箱
3、:目录第一章绪论第八章高光谱遥感数据第二章遥感电磁辐射基础第九章遥感数字图像处理基础第三章传感器第十章遥感数据预处理第四章航空遥感数据第十一章遥感图像的增强处理第五章地球资源卫星数据第十二章遥感图像的分类第六章微波遥感数据第十三章分类精度评价第七章热红外遥感数据第一章绪论本章提要本章提要()()1 遥感概念2 遥感的特性3 遥感的分类4 遥感技术系统5 遥感的几个基本术语6 遥感的发展历程7 遥感的现状与趋势8 遥感的应用本章主要介绍遥感本章主要介绍遥感概念、遥感的特点、概念、遥感的特点、遥感数据、遥感数遥感数据、遥感数据类型、遥感数据据类型、遥感数据的应用以及遥感技的应用以及遥感技术的发展。
4、术的发展。1 遥感概念n广义遥感:泛指一切无接触的远距离探测,包括对电磁场、力场、机械波(声波、地震波)等的探测。n狭义遥感:是从远处探测感知物体,也就是不直接接触物体,从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息,经过对信息的处理,判别出目标地物的属性。2 遥感的特性n空间特性:宏观性,大尺度观测n时相特性:周期成像,动态监测n波谱特性:波谱段广,观测范围大3 遥感的分类主要按6个方面分类n按遥感探测对象n按遥感平台n按遥感获取的数据形式n按传感器工作方式n按遥感探测的电磁波n按遥感应用宇宙遥感,地球遥感航天遥感(150km)航空遥感(12km)地面遥感(地面或近地面)成像方式遥感(摄影方
5、式/扫描方式)非成像方式遥感(光谱辐射计等)主动遥感(雷达)被动遥感可见光遥感/红外遥感微波遥感/紫外遥感等遥感的分类遥感数据分类成像方式非成像方式被动式主动式 雷达摄影方式扫描方式宽波段摄影黑白摄影彩色摄影多波段遥感多镜头相继摄影单镜头相继摄影主动式 雷达高度计、雷达散射计、微波辐射计波动式 红外辐射计等传感器所获取的各种数据、曲线等形式的资料光学机械扫描(多波段扫描仪)推帚扫描(CCD)4 遥感技术系统n遥感平台n传感器n遥感信息的接收和处理n遥感图像判读和应用back遥感平台n地面平台:主要指用于安置传感器的三脚架、遥感塔、遥感车等,高度在100米以下。n航空平台:指高度在12千米以内的
6、飞机和气球。n航天平台:指高度在150千米以上的人造地球卫星、宇宙飞船、空间轨道站和航天飞机等。人造地球卫星:1、低高度/短寿命(150-350km,几天到几十天)2、中高度/长寿命(350-1800km,3-5年)3、高高度/长寿命(36000km,10年以上)back传感器n传感器也称遥感器或者探测器,是远距离感测和记录地物环境辐射或反射电磁能量的遥感仪器。根据记录方式不同,主要分为成像方式和非成像方式两类。n传感器一般由信息收集、探测系统、信息处理和信息输出4部分组成。back5 遥感的几个基本术语n地物光谱差异n辐射记录差异n空间分辨差异n几何误差n像片格式与数字格式的可转换性n遥感成
7、像系统n大气作用6 遥感的发展历程n摄影术阶段n空中气球摄影阶段n飞机摄影阶段n航空遥感阶段n卫星遥感阶段n中国的遥感发展简况7 遥感的现状与趋势n多分辨率多遥感平台并存,空间分辨率、时间分辨率及光谱分辨率普遍提高;n微波遥感、高光谱遥感迅速发展n遥感的综合应用不断深化n商业遥感时代到来8 遥感的应用n农林方面的应用n地质、矿产方面的应用n水文、海洋方面的应用n环境保护方面的应用n测绘方面的应用n地理学方面的应用第二章遥感电磁辐射基础本章提要本章提要()()1 电磁波谱2 辐射基本定律3 太阳辐射4 太阳辐射与大气的相互作用5 太阳辐射与地面的相互作用6 三种遥感模式 本章主要介绍遥感的物理基
8、础,包括地物的电磁波特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、三种遥感模型等。1 电磁波谱电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等电磁波的特性 电磁波是横波,传播速度为3108 m/s,不需要媒质也能传播,与物质发生作用时 会有反射、吸收、透射、散射等,并遵循 同一规律。电磁波传播示意图电磁波谱电磁波谱 按电磁波波长的长短,依次排列制成的图按电磁波波长的长短,依次排列制成的图表叫电磁波谱。表叫电磁波谱。依次为:r r射线射线xx射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微波微波无线电波。无线
9、电波。电磁波谱示图电磁波谱示图各电磁波段主要特性紫外线:紫外线:波长范围为0.010.38m,太阳光谱中,只有0.30.38m波长的光到达地面,对油污染敏感,但探测高度在2000 m以下。可见光:可见光:波长范围:0.380.76m,人眼对可见光有敏锐的感觉,是遥感技术应用中的重要波段。红外线红外线:波长范围为0.761000m,根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波:微波:波长范围为1 mm1 m,穿透性好,不受云雾的影响。无线电波:无线电波:波长范围10-3 104m之间,主要用于广播、通信等方面。红外线的划分近红外:近红外:0.763.0m,与可见光相似。中红外:中红外:3.
10、06.0m,地面常温下的辐射波长,有热感,又叫热红外。远红外:远红外:6.015.0m,地面常温下的辐射波长,有热感,又叫热红外。超远红外超远红外:15.01000m,多被大气吸收,遥感探测器一般无法探测。2 辐射基本定律n黑体辐射n普朗克辐射(Planck)定律n斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律n基尔霍夫(Kirchho)辐射定律n维恩(Wien)位移定律黑体辐射n黑体是绝对黑体的简称,指在任何温度下,对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1(100%)的物体。黑体的热辐射称为黑体辐射。黑体模型普朗克辐射(Planck)定律n普朗克定义了一个常数(h),给出了黑体辐射的
11、能量(Q)与频率()之间的关系:Q=hnh普朗克常数,6.62610-34焦秒(JS)斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律n对普朗克定律在全波段内积分,得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加,辐射通量密度随温度增加而迅速增加,与温度的与温度的4次方成正比。次方成正比。:斯蒂芬玻尔兹曼常数,5.66970.00297)1012 Wcm-2K-4 红外装置测试温度的理论根据。基尔霍夫(Kirchho)辐射定律n给定温度下,任何地物的辐射通量密度W与吸收率之比是常数,即等于同温度下黑体的辐射通量密度。发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体,如果不吸收某些波长
12、的电磁波,也不发射该波长的电磁波。维恩(Wien)位移定律n黑体辐射的峰值波长max与绝对温度T的乘积是常量,即:b:常数,2897.80.4 m K黑体温度增加时,其辐射曲线的峰值波长向短波方向移动。分光谱辐射通量密度w(瓦/厘米2微米)00.20.40.60.824681012900k800k700k600k500k波长(m)3 太阳辐射n在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的光谱曲线,它近似于6000K的黑体辐射曲线。太阳辐射光谱及大气的作用太阳辐射能量分布波长/m波段名称能量比例/%小于103X、射线0.021030.2远紫外0.200.31中紫外1.950.310.38近紫外
13、5.320.380.76可见光43.500.761.5近红外36.801.55.6中红外12.005.61000远红外0.41大于1000微波太阳光谱曲线太阳光谱曲线n太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射;n太阳辐射的能量主要集中在可见光,其中0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46%,最大辐射强度位于波长0.47 m左右;n到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 3.0 m波段,包括近紫外、可见光、近红外和中红外;n经过大气层的太阳辐射有很大的衰减;n各波段的衰减是不均衡的。4 太阳辐射与大气的相互作用n大气概况n大气的吸收作用n大气的散射作用n大气窗口n大气校正大气结构从地面到
14、大气上界,大气的结构分层为:从地面到大气上界,大气的结构分层为:对流层:高度在712 km,温度随高度而降低,天气变化频繁,航空遥感主要在该层内。平流层:高度在1250 km,底部为同温层(航空遥感活动层),同温层以上,温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层:高度在501 000 km,大气中的O2、N2受紫外线照射而电离,对遥感波段是透明的,是陆地卫星活动空间。大气外层:80035 000 km,空气极稀薄,对卫星基本上没有影响。大气成分n大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。气体:N2,O2,H2O,CO2,CO,CH4,O3悬浮微粒:尘埃大气的吸收作用大气的吸收作
15、用:大气的吸收作用:大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收,形成太阳辐射的大气吸收带。O2吸收带0.2m,0.155m最强O3吸收带0.20.36m,0.6mH2O吸收带0.50.9m,0.952.85m,6.25mCO2吸收带1.352.85m,2.7m,4.3m,14.5m尘埃吸收量很小大气的散射作用不同于吸收作用,只改变传播方向,不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说,降低了传感器接收数据的质量,造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三种:瑞利散射:d 大气窗口n概念:概念:由于大气层的反射、散射和吸收作用,使得太由于大气层的反射、散射
16、和吸收作用,使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同,因而各波阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同,因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。n透射率%近红外可见光主要大气窗口与遥感应用 大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外031.3m大于90TM1-4、SPOT的HRV近红外1.51.8m80TM5近中红外2.03.5m80TM7中红外3.55.5mNOAA的AVHRR远红外(热红外)814m6070TM6微波0.82.5cm100Radarsat大气校正n概念:概
17、念:为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正,称作大气校正。n大气对遥感图像的影响与波长、时间、地点、大气条件、大气厚度、太阳高度角等因素有关。n按照校正的过程,可以分为间接大气校正方法和直接大气校正方法。直接大气校正是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整,以消除大气影响。间接大气校正指对一些遥感常用函数,如NDVI进行重新定义,形成新的函数形式,以减少对大气的依赖。5 太阳辐射与地面的相互作用n反射作用n反射率的概念n反射光谱曲线n常见地物的光谱曲线n吸收作用n透射作用反射作用镜面反射 漫反射实际地面反射反射率的概念反射率(反射率():地物的反射能量与入射总):地物的反射能量与入射总能
18、量的比,即能量的比,即=(P/P 0)100%n地物在不同波段的反射率是不同的。n反射率是可以测定的。n反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。n地物的反射光谱曲线:反射率随波长变化的曲线。反射光谱曲线n地物反射率随波长是变化的,我们以波长作为横坐标,反射率作为纵坐标,将地物反射率随波长的变化绘制成曲线,即地物的反射率随波长变化的曲线,叫地物的反射光谱曲线反射光谱曲线。不同地物的该曲线是不同的。不同地物反射波谱曲线分析常见地物的光谱曲线n植物光谱曲线n水体光谱曲线n土壤光谱曲线n岩石光谱曲线吸收作用n太阳辐射到达地面,一部分能量被地物吸收并且转换成热能,使地表具有一定温度再发射,被称为“
19、热辐射”。n发射率是地物的辐射能量与相同温度下黑体辐射能量之比,又叫比辐射率。n温度一定时,地物的发射率随波长变化的曲线,叫地物的发射光谱曲线。n地表的辐射温度,也叫亮度温度或表征温度,是指能辐射出与观测地物相等辐射能量的黑体温度。back物质典型平均比辐射率814m物质典型平均比辐射率814m清水0.980.99干矿物质土0.920.94湿雪0.980.99水泥混凝土0.920.94人的皮肤0.970.99油漆0.900.96粗冰0.970.98干植被0.880.94健康绿色植被0.960.99干雪0.850.90湿土0.950.98花岗岩0.830.87沥青混凝土0.940.97玻璃0.7
20、70.81砖0.930.94粗铁片0.630.70木0.930.94光滑金属0.160.21玄武岩0.920.96铝箔0.030.07亮金0.020.03常见地物的发射率(赵英时,2003)back各类岩浆岩的发射率(梅安新等,2001)back透射作用n太阳辐射到达地面时,能穿透地面一定深度,这种现象叫透射。n自然界绝大多数地物对可见光没有透射能力。n红外线只对具有半导体特性的地物,才有一定的透射能力。n微波对地物具有明显的透射能力,其透射深度由入射微波的波长决定。n水体对可见光波段的电磁波透射能力较强。6 三种遥感模式依据传感器探测能量的波长和研究需要,一般有三种基本的遥感模式:n可见光/
21、近红外遥感n热红外遥感n主动遥感传感器记录地球表面反射太阳辐射的能量,此类遥感主要集中在可见光和近红外波段传感器记录地表自身所发射的辐射能量,此类遥感主要集中在热红外波段传感器自身发射出能量,然后探测并记录地表对该能量的反射第三章传感器本章提要本章提要()()1 传感器的组成2 传感器的分类3 摄影型传感器4 扫描方式的传感器5 传感器的发展趋势本章主要介绍传感本章主要介绍传感器的组成、分类、器的组成、分类、各种传感器及其数各种传感器及其数据获取的成像原理据获取的成像原理和方式以及和方式以及传感器传感器未来的发展趋势未来的发展趋势。1 传感器的组成n传感器基本上都由收集器、探测器、处理器、输出
22、器等4部分组成n收集器:收集来自目标地物的电磁波能量。n探测器:将收集的辐射能转变成化学能或电能。n处理器:将探测后的化学能或电能等信号进行处理n输出器:输出获得的图像、数据。2 传感器的分类n按传感器工作方式n按传感器记录方式n按成像原理和所获取图像性质主动式传感器和被动式传感器成像方式的传感器和非成像方式的传感器摄影方式传感器、扫描方式传感器和雷达3 摄影型传感器n遥感中常见的摄影机有单镜头框幅式摄影机、缝隙式摄影机、全景式摄影机、多光谱摄影机。航空摄影机结构示意图航空摄影机测图用的航空摄影机须满足很好的光学条件及几何条件:n镜头畸变要小;n解象力要高,包括在图像的边缘部分都能得到清晰的图
23、像;n光轴与胶片平面必须正交;n可以精密测量出光轴与象面的位置关系,即摄影机的内方位元素n胶片应具备严格的平面性,要用真空装置将胶片压紧;n为使相机在高速运动中取得清晰的、消除象移的图像,要配有使胶片平面移动的象移补偿装置。常用的航空摄影机性能型号焦距(mm)像幅(cmcm)视场角(0)相对孔径曝光时间(秒)最大标称畸变值(m)德国奥普托公司(opton)RMKA8515321030561023232323232323232323125937556301:41:41:5.61:5.61:6.31/501/5001/1001/10001/1001/10001/1001/10001/1001/10
24、00734350瑞士威特公司(wild)RC8RC9 RC1015288.530421315288232323232323232323232323901205070901201:5.61:5.61:41:41:5.61:5.61/1001/7001/2001/3001/1001/10001/1001/10001/1001/10001/1001/1000105085471123前苏联AAT36557010014020035018181818181818181818181818181481331221038565401:7.71:8.21:6.81:6.81:6.81:91:61/401/2501
25、/401/2501/401/2501/401/2501/401/2501/401/250最短1/3004020302030202030中国航甲1770100181810101221041:5.61:5.61/501/5001/501/5002520HS8815223232323120901:5.61:5.61/1001/7001/1001/7001010常用航空相机的性能(庄逢甘等,1997)航天摄影机航天摄影机,在满足上述6条基本要求外,还会遇到以下一些特殊问题需要解决,即:n必须选择表面质量、光学均匀性和抗弯强度极好的玻璃做为窗口,并有清除窗口污染的装置n为了随时得到合适的曝光量,必须装备
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