现代遥感导论

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1、现代遥感导论,上海师范大学地理系 尹占娥 殷杰,电子教案,使用说明,本电子教案，是为方便教师和学生使 用科学出版社出版的“国家十一五规划” 教 材现代遥感导论（尹占娥编著）而制 作的。,内容说明,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，也可根据所掌握的材料，自组教学内容，对重点和难点内容自行调整。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。,说明,由于时间仓促，本教案难免存在不妥之处

2、，敬请使用者批评指正。 联系信箱：,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() 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,本章主要介绍遥感概念、遥感的特点、遥感数据、遥感数据类型、遥感数据的应用以及

3、遥感技术的发展。,1 遥感概念,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。 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,空间特性:宏观性,大尺度观测 时相特性:周期成像,动态监测 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 按遥感探测对象 按遥感平台 按遥感获取的数据形式 按传感器工作方式 按遥感探测的电磁波 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

4、),成像方式遥感(摄影方式/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,4 遥感技术系统,遥感平台 传感器 遥感信息的接收和处理 遥感图像判读和应用,back,遥感平台,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。 航空平台：指高度在12千米以内的飞机和气球。 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/

5、长寿命（36000km，10年以上）,back,传感器,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。 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。,back,5 遥感的几个基本术语,地物光谱差异 辐射记录差异 空间分辨差异 几何误差 像片格式与数字格式的可转换性 遥感成像系统 大气作用,6 遥感的发展历程,摄影术阶段 空中气球摄影阶段 飞机摄影阶段 航空遥感阶段 卫星遥感阶段 中国的遥感发展简况,7 遥感的现状与趋势,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；

6、 微波遥感、高光谱遥感迅速发展 遥感的综合应用不断深化 商业遥感时代到来,8 遥感的应用,农林方面的应用 地质、矿产方面的应用 水文、海洋方面的应用 环境保护方面的应用 测绘方面的应用 地理学方面的应用,第二章 遥感电磁辐射基础,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

7、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，依次排列制成的图表叫电磁波谱。 依次为： r射线x射线紫外线可见光红外线微波无线电波。 电磁波谱示图,各电磁波段主要特性,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：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：波长范

8、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：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。 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：0.763.0m，与可见光相似。 中红外：3.06.0m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。 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：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,黑体辐射 普朗克辐射(Planck)定律 斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann) 定律 基尔霍夫（Ki

9、rchho)辐射定律 维恩(Wien)位移定律,黑体辐射,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,普朗克定义了一个常数(h)，给出了黑体辐射的能量（Q）与频率（）之间的关系： Q=h h普朗克常数，6.62610-34 焦秒（JS）,斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann) 定律,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，与温度的4次方成正比。,: 斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.66970.00297）1012 Wcm-

10、2K-4,红外装置测试温度的理论根据。,基尔霍夫（Kirchho)辐射定律,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的电磁波，也不发射该波长的电磁波。,维恩(Wien)位移定律,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。,3 太阳辐射,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,太阳

11、光谱曲线,太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射； 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； 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； 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 各波段的衰减是不均衡的。,4 太阳辐射与大气的相互作用,大气概况 大气的吸收作用 大气的散射作用 大气窗口 大气校正,大气结构,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

12、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,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。,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

13、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,概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，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大气窗口。,主要大气窗口与遥感应用,大气校正,概念：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。 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。 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

14、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,反射作用 反射率的概念 反射光谱曲线 常见地物的光谱曲线 吸收作用 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（）：地物的反射能量与入射总 能量的比，即=(P/ P 0)100% 地物在不同波段的反射率是不同的。 反射率是可以测定的。 反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。 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,地物反射率随波长是变化的，我们以波长作为横坐标

15、，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。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,植物光谱曲线 水体光谱曲线 土壤光谱曲线 岩石光谱曲线,吸收作用,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“热辐射”。 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。 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。 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,常见地物的发射率（

16、赵英时，2003）,back,各类岩浆岩的发射率（梅安新等，2001）,back,透射作用,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。 自然界绝大多数地物对可见光没有透射能力。 红外线只对具有半导体特性的地物，才有一定的透射能力。 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。 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： 可见光/近红外遥感 热红外遥感 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