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遥感基础知识很全适合初学者
☆基础资料☆
遥感基础知识
光谱成像技术实验室
整理：
扬帆远航
来源：
互联网
版权：
Free
中国科学院西安光学周密机械研究所
二零零五年十月
A．基础篇--------------------------------------------------------------------------1
1．--------------------------------------------------------------2
2．-----------------------------------------------------------------------2
3．-----------------------------------------------------------------------4
4．----------------------------------------------------------------8
5．----------------------------------------------------------------9
6．----------------------------------------------------------10
B．理论篇------------------------------------------------------------------------13
1．------------------------------------------------------------14
2．-----------------------------------------------------------------14
3．-------------------------------------------------------15
4．--------------------------------------------------------------16
5．-------------------------------------------------------------------17
6．---------------------------------------------------------------------20
7．-----------------------------------------------------------22
8．---------------------------------------------------------24
C．应用篇-----------------------------------------------------------------------27
1．-----------------------------------28
2．---------------------------------------------------------28
3．--------------------------------------------------29
4．-----------------------------------------------------29
5．----------------------------------------------------------30
6．----------------------------------------------------------31
7．----------------------------------------------------------31
A基础篇
1．什么是成像光谱仪
成像光谱确实是在特定光谱域以高光谱分辨率同时取得持续的地物光谱图像，这使得遥感应用能够在光谱维上进行空间展开，定量分析地球表层生物物理化学进程与参数。
70年代末80年代初，在研究归纳各类地物光谱特点的基础上，形成如此一个概念：
若是能实现持续的窄波段成像，那么就有可能实现地面矿物的直接识别，由此产生了光谱和图像结合为一体的成像光谱技术。
1983年美国喷气推动实验室研制出第一台航空成像光谱仪（AIS-1）,随后包括中国在内的许多国家都研制成功了一系列成像光谱仪，其中有以线阵探测器为基础的光机扫描型，有以面阵探测器为基础的固态推扫型，也有以面阵探测器加光机的并扫型。
成像光谱仪要紧性能参数是：
（1）噪声等效反射率差（NEΔp），表现为信噪比（SNR）；
（2）瞬时视场角（IFOV），表现为地面分辨率；（3）光谱分辨率，直观地表现为波段多少和波段谱宽。
高光谱分辨率遥感信息分析处置，集中于光谱维上进行图像信息的展开和定量分析，其图象处置模式的关键技术有：
⑴超多维光谱图像信息的显示，如图像立方体的生成；⑵光谱重建，即成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法，依此实现成像光谱信息的图像-光谱转换；⑶光谱编码，尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特点参数的算法；⑷基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法；⑸混合光谱分解模型；⑹基于光谱模型的地表生物物理化学进程与参数的识别和反演算法。
高光谱分辨率成像光谱遥感起源于地质矿物识别填图研究，慢慢扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤和大气的研究中。
2．遥感数据
航天遥感应用中利用的数据大体有两种要紧形式：
遥感影像和数字图像不管是用何种遥感成像方式，影像都是记录在感光胶片或像纸上。
犹如一般像片那样，其灰度和颜色是持续转变的，它也被称为模拟图像，而数字图像往往记录在数字磁带上的，其灰度或颜色是离散转变的。
·遥感影像遥感影像能够通过对地表摄影或扫描取得。
摄影影像是摄相机对地面物体摄影，直接在感光材料上记录地物的光像；扫描影像是地面信息通过探测器先变成电信号并记录在磁带上，然后回放磁带，在感光片上曝光而成。
遥感影像有黑白和彩色两种，由于彩色影像比黑白影像能提供更多的地表信息，因此彩色影像在遥感中取得普遍地利用。
（1）多波段影像：
多波段影像是用多波段遥感器对同一目标（或地域）一次同步摄影或扫描取得的假设干幅波段不同的影像。
与单波段影像相较，它具有信息量大，光谱分辨率高（遥感器能分辨的地物的最小波长距离）的特点，而且可通过各类影像增强技术，取得彩色合成影像，大大提高对地物的识别能力。
Landsat上的MSS和TM影像都属多波段扫描影像。
（2）彩色合成影像：
彩色合成是将多波段黑白图像变换为彩色图像的处置技术。
一样为三色合成,也可两色或四色合成。
合成的方式有两种：
直接利用光学方式和利用运算机的数字处置。
前者是将一组黑白透明片放入配有特定的红、绿、蓝三色滤光片的光学系统中，投影到同一屏幕上，使图像精准重合，形成彩色图像。
数字处置合成法是令三幅图的像元亮度值变换为红、绿、蓝三基色的彩色编码去操纵彩色显示设备，形成彩色图像。
依照合成影像的彩色与实际景物自然彩色的关系，可分为真彩色影像和假彩色合成影像，前者是比较真实地反映地物原先彩色的影像，它能够通过彩色感光胶卷拍照取得，也能够用彩色合成方式取得；假彩色合成影像是通过彩色合成方式取得的非真彩色影像。
在光学合成法中，是将多波段影像配合不同滤光片准确重叠合成。
影像的波段和滤光片可有各类组合方案，所得的假彩色影像也各不相同。
解译时为了突出显示影像中的某种地物，可选择最正确组合方案。
目前,用Landsat的MS-4,5,7波段影像的正片,别离配以蓝、绿、红滤光片，重叠投影合成的是标准假彩色影像。
在这种影像上，植被显示为红色，城镇为蓝灰色，水体为蓝色，雪和云为白色等等。
假彩色合成影像目前普遍用于专题制图、资源调查、地学研究和环境监测等方面。
·数字图像入射到遥感器的电磁波经探测元件互换为电信号后，需要进行数字化，即把模拟遥感数据变成数字化数据。
它包括二个步骤，一是采样，它是把空间域的持续量变成离散量；二是量化,它是对电磁辐射强度的离散化。
数字图像又称“数字化图像”，它是以二维数组形式表示的图像。
该数组由对持续转变的图像作等距离采样所产生的采样点—像元（像素）组成，像元的实地面积大小确实是影像的地面分辨率，即相当于IFOV在地面的投影面的大小，例如，陆地卫星（Landsat）MSS的4,5,6,7波段影像各由7,500,000个像元点组成。
每一个像元相当于实地面积57×79m2；TM的影像除第6波段外，像元的实地面积为30×30m2。
在数字图像中，像元排列的横方向从左到右按像元号排列，在纵方向上按行号排列。
各像元的位置由（像元号，行号）决定。
采样点（像元）用一数值表示称为像元的亮度值或灰度值，它对应着一个像元所代表的相应实地面积内地物电磁辐射的强度。
电磁辐射强度越大，那么亮度值越大。
在量化的数据中，对应一个通道（波段）一个像元的信息量用比特（bit）表示。
Landsat的TM的量化比特为8，MSS为6，NOAA的AVHRR为10。
在运算机处置中利用字节（byte）为单位（1byte=8bits），因此，通经常使用一个字节或二个字节的数据进行处置。
图像数据的全数数据量为：
行数×像元数×通道数×比特数/8，单位为byte。
遥感图像的数据量超级庞大。
在地面站接收的卫星数据通常被实时记录到高密度数字磁带（HDDT）上，然后依照需要拷贝到运算机兼容磁带（CCT）等其它载体上。
CCT是记录、保留、分发卫星数据等数字信息的最一样的载体，运算性能够直接对CCT数据进行各类有效、灵活、靠得住的处置，使遥感图像取得良好的判读、分析成效。
3．遥感卫星
遥感卫星依照其轨道及携带的遥感器的不同而有不同的特点，下面介绍的几种当前遥感应用中最多见的卫星。
（1）陆地卫星（landsat）
第一颗陆地卫星是美国于1972年7月23日发射的是世界上第一次发射的真正的地球观测卫星，原名叫做地球资源技术卫星（EarthReasourceTechnologySatellite-ERTS），1975年更名为陆地卫星，由于它的超卓的观测能力推动了卫星遥感的飞跃进展，迄今Landsat已经发射了6颗卫星，但第6颗卫星发射失败，此刻运行的是第5号星。
前三颗卫星的轨道是近图形太阳同步轨道，高度约为915千米，运行周期103分，天天绕地球14圈，每18天覆盖全世界一次，星载的遥感器有：
（1）3台独立的返束光导摄像机（RBV），分三个波段同步成像，地面分辨率为80米，
（2）多波段扫描仪（MSS）在绿、红、和近红外的四个波段工作，地面分辨率也为80米。
Landsat-4和Landsat-5进入高约705km的近图形太阳同步轨道，每一圈运行的时刻约为99分钟，每16天覆盖全世界一次，第17天返回到同一地址的上空，星上除带有与前三颗大体相同的多波段扫描仪（MSS）外，还带有一台专题成像仪（TM），它可在包括可见光，近红外和热红外在内的7个波段工作，MSS的IFOV为80米,TM的IFOV除6波段为120米之外，其它都为30米（见表。
MSS、TM的数据是以景为单元组成的，每景约相本地面上185×170km2的面积,各景的位置依照卫星轨道所确信的轨道号和由中心纬度所确信的行号进行确信Landsat的数据通经常使用运算机兼容磁带（CCT）提供给用户。
Landsat的数据此刻被世界上十几个的地面站所接收，要紧应用于陆地的资源探测，环境监测,它是世界上此刻利用最为普遍的地球观测数据。
（2）“斯波特”卫星（SPOT）
SPOT卫星是法国研制发射的地球观测卫星，第一颗SPOT卫星于1986年2月发射成功。
1990年2月发射了第2号星，第3号星已于1994年发射。
SPOT采纳高度为830千米，轨道倾角为度的太阳同步准回归轨道，通过赤道时刻为地址时上午10:
30。
回归天数为26天。
但由于采纳倾斜观测，因此事实上4-5天就可对同一地域进行重复观测。
SPOT携带两台相同的高分辨率遥感器HRV（HighResolutionVisibleimagineSystem）.它的观测方式不像Landsat那样采纳扫描镜，而是采纳CCD的电子式扫描，HRV的观测参数见表，它具有多光谱和全色波段两种模式。
由于HRV装有可变指向反射镜，能在偏离星下点±27°（最大可达30°）范围内观测任何区域（见图，因此通过图所示的斜视观测平均二天半就能够够对同一地域进行高频率的观测,缩短了重复观测的时刻。
另外，通过用不同的观测角观测同一地域，能够取得立体视觉成效，能进行高精度的高程测量与立体制图。
表遥感卫星一览表
卫星名称
轨道参数
观测仪器
遥感器名称
波段/频率
空间分辨率
辐射宽度
Landsat-1
（1972）
Landsat-2
（1975）
太阳同步轨道
高度：
约915km
MSS
（MultspectralScannerSystem）
80m
185km
（美国）
倾角：
约99。
回归日期：
18日
RBV
（ReturnBeamVidiconCamera）
80m
Landsat-3
（1978）
（美国）
太阳同步轨道高度：
约915km
倾角：
约99。
回归日期：
MSS
80m
185km
18日
RBV
美国）
太阳同步轨道
高度：
约705km
倾角：
约99。
回归日期：
17日
TM
（ThematicMapper）
30m
185km
MSS
80m
SPOT-1（1986）
SPOT-2（1990）
SPOT-3（1993）
（法国）
太阳同步轨道
高度：
约832km
倾角：
约99。
回归日期：
26日
HRV
（HighResolutionVisible）
20m
10m
60km×2
TIROS-N/NOAA系列
TIROS-N（1978）
NOAA-6（1979）
NOAA-7（1981）
NOAA-8（1983）
太阳同步轨道
高度：
约833km或870km
倾角：
约90。
AVHRR
（AdvancedVeryHighResolutionRadiometerAVHRR/2）
km
2700km
续表
NOAA-9（1984）
NOAA-10（1986）
NOAA-11（1988）
NOAA-12（1991）
NOAA-I（1992）
NOAA-J（1993）
TOVS-SSU（TIROSOperationalVerticalSounderStratosphericSoundingUnit）
15μm
15μm
15μm
147km
736km
（美国）
TOVS-HIRS/2（HighResolutionInfraredRadiationSounder,
Model2）
μm
μm
μm
μm
μm
μm
μm
μm
μm
μm
20km
2200km
TOVS-MSU
（MicrowaveSoundingUnit）
110km
2347km
SBUV/2（SolarBackscatterUltra-VioletExperiment）
～
μm
12波段
-
ERB（EarthRadiationBudgetExperimaent）
～μm
8波段
-
注：
⑴只有TIROS—N为⑵AVHRR/2的追加波段
⑶到NOAA-8为止，为⑷搭载于NOAA-9,H,I
⑸仅搭载于NOAA-9,10HRV数据的一景在垂直观测时为60×60km2,在倾斜观测时，横向最大可达81km。
SPOT的观测数据的应用目的与Landsat相同，以陆地为主，但由于它的分辨率高，也用于地图制作，通过立体观测和高程测量，能够制作较大比例尺（如1:
5万）的地形图。
通过全色波段与其它数据的复合可制作高分辨率的卫星影像，能够代替航空像片。
（3）“诺阿”卫星（NOAA）
NOAA是美国国家海洋大气局的第三代有效气象观测卫星，第一代称为“泰罗斯”（TIROS）系列（1960-1965年），第二代称为“艾托斯（ITOS）”／NOAA系列（1970-1976年），其后运行的第三代称为TIROS-N／NOAA系列，从1978年10月发射了第一颗TIROS-N，到199年末已发射了14颗。
NOAA卫星的轨道是接近正圆的太阳同步轨道，轨道高度为870KM及833KM，轨道倾角为度和度，周期为分。
NOAA卫星的应用目的是日常的气象业务，平常有两颗卫星在运行。
由于用一个卫星天天至少能够对地面同一地域进行2次观测，因此两颗卫星就能够够进行4次以上的观测。
NOAA卫星上携带的探测仪器要紧有高级甚高分辨率辐射计（AVHRR/2）和泰罗斯垂直散布探测仪TOVSAVHRR/2是以观测云的散布,地表（主若是海域）的温度散布等为目的的遥感器，TOVS是测量大气中气温及温度的垂直散布的多通道分光计，由高分辨率红外垂直探测仪（HIRS/2）、平流层垂直探测仪（SSU）和微波垂直探测仪（MSU）组成，这些遥感器的参数见表。
AVHRR/2数据还能够用于非气象的遥感，其要紧特点是宏观快速、廉价。
在农业、海洋、地质、环境、灾害等方面都有独特的应用价值。
4．遥感的大体概念
广义而言，遥感（RemoteSensing）泛指各类非直接接触的，远距离探测目标的技术。
对目标进行搜集要紧依照物体对电磁波的反射和辐射特性,利用声波，引力波和地震波等，也都包括在广义的遥感当中。
通常人们因此为的遥感的概念是指：
从远距离，高空，以至外层空间的平台（Platform）上，利用可见光、红外、微波等遥感器（RemoteSensor）,通过摄影、扫描等各类方式，接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并对这些信息进行加工处置，从而识别地面物质的性质和运动状态的综合技术。
远距离感测地物环境反射或辐射电磁波的仪器，叫做遥感器，照相机、扫描仪等即属于此类。
装载遥感器的运载工具，叫做遥感平台，如飞机、飞艇和人造卫星等。
遥感研究的内容，由于应用领域及其所研究的对象的千差万别而显得形形色色，但它们都是通过接收电磁波,来识别和分析地表的目标及现象的。
因此，利用遥感技术，确实是利用了物体的电磁波特点，即一切物体，由于其种类及环境条件的不同，因此具有反射或辐射不同波长电磁波的特性。
从理论上讲，对整个电磁波波段都能够进行遥感，可是由于受到大气窗口和技术水平的限制，目前只能在有限的几个波段上进行，其中最重要的波段为可见光和近红外波段，中红外和热红外波段，微波波段等。
在这些遥感波段上，物体所固有的电磁波特性还要受到太阳及大气等环境条件的阻碍，因此遥感器接收到目标反射或辐射的电磁波后，还需进行校正处置及解译分析，才能取得各个领域的有效信息。
5．遥感的要紧分类
（1）按遥感平台的高度分类大体上可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感。
航天遥感又称太空遥感（spaceremotesensing）泛指利用各类太空飞行器为平台的遥感技术系统，以地球人造卫星为主体，包括载人飞船、航天飞机和太空站，有时也把各类行星探测器包括在内。
卫星遥感（satelliteremotesensing）为航天遥感的组成部份，以人造地球卫星作为遥感平台，要紧利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。
航空遥感泛指从飞机、飞艇、气球等空中平台对地观测的遥感技术系统。
地面遥感要紧指以高塔、车、船为平台的遥感技术系统，地物波谱仪或传感器安装在这些地面平台上,可进行各类地物波谱测量。
（2）按所利用的电磁波的光谱段分类可分为可见反射红外遥感，热红外遥感、微波遥感三种类型。
可见光／反射红外遥感，要紧指利用可见光微米）和近红外微米）波段的遥感技术统称，前者是人眼可见的波段,后者即是反射红外波段，人眼虽不能直接看见,但其信息能被特殊遥感器所同意。
它们的一起的特点是，其辐射源是太阳，在这二个波段上只反映地物对太阳辐射的反射，依照地物反射率的不同，就能够够取得有关目标物的信息，它们都能够用摄影方式和扫描方式成像。
热红外遥感，指通过红外灵敏元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术的统称。
遥感中指8-14微米波段范围。
地物在常温（约300K）下热辐射的绝大部份能量位于此波段，在此波段地物的热辐射能量，大于太阳的反射能量。
热红外遥感具有日夜工作的能力。
微波遥感，指利用波长1-1000毫米电磁波遥感的统称。
通过接收地面物体发射的微波辐射能量，或接收遥感仪器本身发出的电磁波束的回波信号，对物体进行探测、识别和分析。
微波遥感的特点是对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有必然的穿透能力，又能夜以继日地全天候工作。
（3）按研究对象分类可分为资源遥感与环境遥感两大类。
资源遥感：
以地球资源作为调查研究的对象的遥感方式和实践，调查自然资源状况和监测再生资源的动态转变，是遥感技术应用的要紧领域之一。
利用遥感信息勘测地球资源，本钱低，速度快,有利于克服自然界恶劣环境的限制，减少勘测投资的盲目性。
环境遥感：
利用各类遥感技术，对自然与社会环境的动态转变进行监测或做出评判与预报的统称。
由于人口的增加与资源的开发、利用，自然与社会环境随时都在发生转变,利用遥感多时相、周期短的特点，能够迅速为环境监测。
评判和预报提供靠得住依据。
（4）按应用空间尺度分类可分为全世界遥感、区域遥感和城市遥感。
全世界遥感：
全面系统地研究全世界性资源与环境问题的遥感的统称
区域遥感：
以区域资源开发和环境爱惜为目的的遥感信息工程，它通常按行政区划（国家、省区等）和自然区划（如流域）或经济区进行。
城市遥感：
以城市环境、生态作为要紧调查研究对象的遥感工程。
6．遥感进展简况及展望
咱们的地球是一个资源有限的行星，随着地球上人口的不断增加，和人对物质文明的不断追求，地球的资源和环境所面临的压力不断加重，资源在枯竭，环境在恶化。
这一切都要求人们从头熟悉和了解咱们的地球。
到底还有多少资源可供咱们利用，咱们周围的环境究竟怎么样？
遥感技术正是解答这些问题的一种强有力的手腕。
现今的遥感已不单纯是一门信息获取、分析技术手腕,它与地理信息系统、全世界定位系统、各类地面观测技术、信息分析技术等结合起来，正在形成一门崭新的地球信息科学，正在改变咱们的观念，增强咱们的能力，为增进人类新的决策、治理、进展模式而起着踊跃推动作用。
遥感那个概念名词的利用。
最先是本世纪60年代初美国海洋研究室的地理学家提出并开始利用的。
可是这门学科技术
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