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《遥感与GPS技术》

前言：

教学目标

●掌握遥感的概念、遥感的原理与方法、遥感的技术系统。

●掌握常用遥感数据的特征和应用、信息提取的方法。

●了解GPS的应用。

●掌握ArcGIS、ENVI等软件的使用

前言：

教学主要内容

●遥感基础知识与原理（概念、平台、类型、图像处理、信息提取）

●数据处理方法（遥感、GPS数据）

●3S系统集成

●软件操作（ArcGIS10、ENVI4.8）

前言：

参考书目

●梅安新等.遥感导论.北京：

高等教育出版社，2002

●彭望琭等.遥感概论.北京：

高等教育出版社，2003

●赵英时等.遥感应用分析原理与方法.北京：

科学出版社，2003

●李小文著.遥感原理与应用.北京：

科学出版社，2008

●董永平等.草原遥感监测技术.北京：

化工出版社，2005

●李军.农业信息技术概论.北京：

科学出版社，2010

●遥感学报（2002～）

●遥感技术与应用（2002～）

幻灯片6

前言：

考核

●本课程采用闭卷考试方式进行考核

●平时成绩占40分

●随机课堂提问（10分）

●随机点到（10分，但无故迟到、早退、旷课总平时成绩为0分）

●实验成绩（20分，平时上机情况及实验报告）

●期末考试成绩占60分

●班级综合表现系数为0.9-1.1。

幻灯片7

遥感与GPS技术

第一章导言

第二章遥感物理基础

第三章遥感数据获取与类型

第四章遥感数据的校正

第五章遥感图像的处理

第六章遥感数据的信息提取

第七章植被遥感应用

第八章3S技术的集成应用

幻灯片8

第一章导言

本章提要（…）

§1遥感绪论

§2遥感概念和遥感数据

§3遥感的特性

§4遥感平台

§5遥感数据的类型

§6遥感的发展史

§7遥感的发展趋势

§8EOS计划简介

§9遥感数据的应用过程

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遥感技术的发展。

幻灯片9

§1遥感绪论

●遥感技术是20世纪60年代发展起来的一门综合性探测技术。

●遥感技术与现代物理学、空间技术、计算机技术、数学和地理学密切相关。

●遥感技术已广泛应用于各种领域，成为地球环境资源的调查和规划不可缺少的有效手段。

本节结束

幻灯片10

§2遥感概念和遥感数据

●遥感（RemoteSensing）概念

●广义：

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。

●遥感定义：

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。

●遥感是通过不接触被探测的目标，利用传感器获取目标数据通过对数据进行分析，获取被探测目标、区域和现象的有用信息。

（李小文）

幻灯片11

§2遥感概念和遥感数据

●遥感数据（遥感数据获取示图）

●太阳辐射经过大气层到达地面，一部分与地面发生作用后反射，再次经过大气层，到达传感器。

传感器将这部分能量记录下来，传回地面，即为遥感数据（遥感数据示例）。

本节结束

幻灯片12

§3遥感的特性

●空间特性

●视域范围大，具有宏观特性（…）。

●光谱特性：

探测的波段从可见光向两侧延伸,扩大了地物特性的研究范围（…）。

时相特性：

周期成像，有利于进行动态研究和环境监测（…）。

航空与航天飞行器运行快、周期短，可获得多时相数据。

例如Landsat5每天环绕地球14.5圈，覆盖地球一遍所需时间仅16天，而气象卫星的周期更短（1天或半天）。

由于探测距离远，传感器所获得的地面影像覆盖的空间范围较大。

以美国陆地卫星5号（Landsat5）为例，它距离地表的高度是705.3km，对地球表面的扫描宽度是185km，一幅TM图像可以全部覆盖我国海南岛大小的面积。

目前用于遥感的电磁波段有紫外线、可见光、红外线和微波。

电磁波谱图

Tobecontinued…

幻灯片13

§3遥感的特性

●遥感的特点

●大面积的同步观测（…）。

●时效性（…）。

●数据的综合性和可比性（…）。

●经济性（…）。

●局限性（…）。

如一幅Landsat图像，覆盖面积185km×185km，在5~6min内可完成扫描，实现对地的大面积同步观测。

所取得的数据可进行大面积资源和环境调查，并且不受地形阻隔等限制。

遥感探测可以在短时间内对同一地区进行重复探测，监测地球上许多事物的动态变化。

一般地球资源卫星8~9天可重复一次，气象卫星每天两次，而传统的地面调查需要花费大量的人力和物力，且周期很长。

因此，遥感方法具有很好的时效性。

遥感在天气预报、火灾和水灾监测以及军事行动等领域的应用，反映了遥感方法的时效性优势。

遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上许多自然、人文信息，客观地记录了地面的实际状况，数据综合性很强。

同时，不同的卫星传感器获得的同一地区的数据以及同一传感器在不同时间获得的同一地区的数据，均具有可比性。

从投入的费用与所获取的效益看，遥感与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。

如Landsat卫星的投入与效益比估计为1:

80。

●信息的提取方法不能满足遥感快速发展的要求。

●数据的挖掘技术不完善，使得大量的遥感数据无法有效利用。

本节结束

幻灯片14

§4遥感平台

遥感平台是装载传感器的运载工具,按高度分为：

地面平台：

为航空和航天遥感作校准和辅助工作。

航空平台：

80km以下的平台，包括飞机和气球。

航天平台：

80km以上的平台，包括高空探测火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机。

人造地球卫星的类型：

低高度、短寿命卫星：

150～350km，用于军事。

中高度、长寿命卫星：

350～1800km，地球资源。

高高度、长寿命卫星：

约3600km，通信和气象。

本节结束

幻灯片15

§5遥感数据的类型

●按平台分

●地面遥感、航空遥感、航天遥感数据。

●按电磁波段分

●可见光遥感、红外遥感、微波遥感、紫外遥感数据等。

●按传感器的工作方式分

●主动遥感、被动遥感数据。

本节结束

幻灯片16

●航空彩色摄影--济南泉城广场

§7遥感技术与科学的发展趋势

遥感技术

物理手段——指传感器、平台以及信息获取和传输的各种手段

数学方法——包括计算机图像处理、数理统计分析以及地学计量分析等

地学分析——指以地学规律为基础进行遥感分析的地学处理过程

发展趋势

•分辩率越来越高（空间、光谱）

•波段范围扩展（从可见光、近红外、发展到中远红外、微波）

•观测方式从以前的垂直向下到多角度遥感。

•单一极化到多极化

•3S一体化

•遥感从定性摄影到定量分析，成为一门科学。

幻灯片26

§8EOS计划简介

8.1EOS计划背景

·1958年，NASA开始研究地球及其变化。

手段：

观测大气、海洋、

陆地、冰、雪对气候、天气的影响。

·1991年，NASA把地球作为环境系统研究。

8.2EOS主要特点

（1）规模巨大的国际综合性空间计划

（2）以科技研究为先导

（3）世界领先技术最高水平的集中体现

幻灯片27

8.3EOS计划组成

（1）EOS科学计划

其主要任务是：

现有卫星资料的应用及评估；

EOS资料应用的预研；

发展对观测资料进行分析和判断的数值模式。

（2）EOS资料和信息系统（EOSDIS）

EOSDIS的基本思想：

有利于各研究机构对EOS资料的充分利用；

EOS资料应用的预研；

发展对观测资料进行分析和判断的数值模式。

（3）EOS观测平台

15年的EOS计划需要3组6个平台组成，其中包括5颗卫星（NASA两个、

ESA两个、日本一个）和一个载人太空站。

幻灯片28

EOS计划简介

图1.1EOS计划

幻灯片29

EOS计划简介

图1.2EOS计划续

幻灯片30

§9遥感数据的处理到应用的基本过程

9.1遥感图像从数据到应用的流程

9.2定量遥感从数据到应用的流程

幻灯片31

遥感数据的处理到应用的基本过程

9.3遥感图像的应用实例

图1.3

海岸线变化遥感监测

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§9遥感数据的处理到应用的基本过程

9.3遥感图像的应用实例

图1.4

林火遥感监测

幻灯片33

§9遥感数据的处理到应用的基本过程

9.3遥感图像的应用实例

图1.5

沙尘暴遥感监测

幻灯片34

第一章绪论

§9遥感数据的处理到应用的基本过程

9.3遥感图像的应用实例

图1.6

城市土地利用遥感监测

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§9遥感数据的处理到应用的基本过程

9.3遥感图像的应用实例

图1.7

加拿大叶面积指数遥感反演图

幻灯片36

遥感数据获取原理

BACK

幻灯片37

什么是传感器？

●传感器是收集、量测和记录遥远目标的信息的仪器，是遥感技术系统的核心。

●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

幻灯片38

本图为TM图像；

黄河入海口，反映泥沙堆积；

拍摄时间为1990年。

幻灯片39

遥感数据示例

本图为TM图像；

黄河入海口，反映泥沙堆积；

拍摄时间为1990年。

BACK

幻灯片40

电磁波谱

BACK

幻灯片41

电磁波谱

BACK

幻灯片42

第二章遥感物理基础

本章提要（…）

§1遥感的电磁波原理

§2太阳辐射

§3太阳辐射与大气的作用

§4太阳辐射与地物的作用

§5地物的热辐射

§6微波与地物的作用

§7各典型地物的光谱曲线

本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。

幻灯片43

§1遥感的电磁波原理

●电磁波1860年麦克斯韦（C.Maxwell）提出光是电磁波的理论。

光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。

1900年,普朗克（Max.Planck）提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein）将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。

光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、散射。

●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3×108m/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。

Tobecontinued…

幻灯片44

§1遥感的电磁波原理

●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：

●γ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

●

Tobecontinued…

幻灯片45

遥感应用的电磁波波谱段

●紫外线：

波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。

波长280-320nm，它破坏DNA并且导致皮肤癌。

●可见光：

波长范围0.38～0.76μm，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感应用的重要波段。

易受云和大气干扰。

●红外线：

波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。

近红外主要是反射的太阳辐射。

热红外包括地球表面辐射构成的信号，可用来反演地表温度。

●微波：

波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。

卫星遥感在微波部分非常拥挤，限制了遥感观测频率位置和带宽。

幻灯片46

§2太阳辐射

●太阳辐射：

太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。

●从太阳光谱曲线可以看出（…）：

●太阳光谱相当于6000K的黑体辐射；

●太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm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0.47µm左右；

●到达地面的太阳辐射主要集中在0.3～3.0µm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。

幻灯片47

辐射度学的基本参数

辐射通量：

在单位时间内通过某一面积的辐射能，称为通过该面积

的辐射通量。

符号，单位为W，如果是某个波长的辐

射通量，则记为（）。

辐射强度：

点辐射源在某一方向上的单位立体角所发出的辐射通量。

符号I，单位为W/sr。

辐射出射度：

对于面辐射源，其单位面积向半球空间（立体角空

间）内发射的辐射通量，称为辐射出射度（辐射出射

度是描述面元特性的，因此又称为辐射通量密度），

符号M，单位W/m2。

幻灯片48

3.2辐射度学的基本参数

辐照度：

单位面积接受到的辐射通量，称为该处的辐照度。

符号E，

单位为W/m2。

如果是单位光谱波长上的，单位为W/m2/um。

辐亮度：

单位投影面积、单位立体角

上的辐射通量（右图）。

辐亮度的符号为L，单位为

W/m2/sr.如果是单位在

光谱波长上，那么为W/m2/sr/um。

幻灯片49

3.2辐射度学的基本参数

漫辐射源：

辐射亮度与方向无关的辐射源就是漫辐射源。

设垂直于漫辐射面和与辐射面发现方向夹角为θ的辐射强度分别为Io和Iθ，根据辐亮度与辐射强度的定义，有如下关系：

理想漫辐射面的辐射强度按余弦规律变化，因此理想漫辐射表面也称为余弦表面，或朗伯表面。

幻灯片50

3.2辐射度学的基本参数

波长、波谱与频率

（1）波长λ，光学遥感中一般单位用μm或nm；

（2）波数υ=1/λ，单位一般为cm-1；

（3）频率f=C0/λ，其中C0为光速。

幻灯片51

普朗克定理

所有物体都在不断的发射和吸收着辐射能量。

入射的电磁波全部被吸收，没有反射和透射的物体称为黑体。

黑体表面的辐射特性是唯一由其温度决定且是光谱连续的，是朗伯表面，且在热平衡的条件下，其发射的能量等于其吸收的能量。

黑体辐射出射度M，由普朗克公式表示。

①如果用波长表示

②如果用波数表示

③如果用频率表示

幻灯片52

§4太阳辐射与地物的作用

●太阳辐射与大气、地表的相互作用（…）

●地物的反射率（…）

●漫反射（…）

●镜面反射（…）

●太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：

●到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量

●地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。

●一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45~0.56μm的蓝绿光波段。

一般水体的透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m的深度。

地表吸收太阳辐射后具有约300K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。

●反射率（ρ）：

地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=（Pρ/P0）×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。

不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。

一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。

物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。

只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。

本节结束

幻灯片53

太阳光与大气、地表的相互作用

图4.5可见近红外波段的大气总吸收导致的透过率光谱

幻灯片54

太阳光与大气、地表的相互作用

图4.6近红外波段大气总吸收

幻灯片55

太阳光与大气、地表的相互作用

图4.7中红外大气透过率

幻灯片56

太阳光与大气、地表的相互作用

（1）可见近红外波段的大气吸收导致的大气透过率（Ta）光谱变化

在0.4~2.5μm波段范围内，集中主要吸收气体是：

水汽、臭氧、二氧化碳、氧气等，其吸收光谱位置分别如图4.8（a）~4.8（f）

图4.8（a）水汽（H20）透过率图4.8（b）臭氧透过率

幻灯片57

太阳光与大气、地表的相互作用

幻灯片58

太阳光与大气、地表的相互作用

幻灯片59

太阳光与大气、地表的相互作用

（2）红外波段的大气吸收

在红外波段，最主要的吸收气体是水汽、二氧化碳、臭氧、氮气，分别参加由MODTRAN计算的透过率（图4.9和图4.10）。

图4.9MOTRAN计算的红外波段大气总透过率（中纬度夏季）

幻灯片60

太阳光与大气、地表的相互作用

幻灯片61

太阳光与大气、地表的相互作用

图4.10（c）臭氧（－）与氮气（--）透过率

图4.10（d）其他气体透过率

图4.10红外波段主要吸收气体吸收波段续

幻灯片62

太阳光与大气、地表的相互作用

大气散射

大气散射包括大气分子的瑞利散射和大粒子气溶胶的米氏散射。

图4.11可以看出：

①分子散射随波长的增加快速减少，实际上约是λ-4的关系；

②气溶胶的散射的光谱变化比较平缓，随波长变化时λ0~λ-2.5之间的关系；

③近红外波段主要是气溶胶和水汽吸收的影响较大。

图4.11分子散射与气溶胶散射对直射透过率的影响

（MODTRAN计算，条件为：

中纬度夏季、海洋型气溶胶、能见度23公里）

幻灯片63

太阳光与大气、地表的相互作用

在遥感中，集中典型地物是：

水体、植被、土壤、新雪。

这些地物的特征有着明显的区别，并涵盖通常的卫星-大气–地表信号范围。

在遥感中，往往是要根据这些地物的不同光谱特征，采取不同的反演算法或近似策略。

图4.12典型地物反射率

幻灯片64

§6微波与地物的作用

●在电磁波谱中，波长在1mm～1m范围的波称微波。

（微波波段划分）

●微波遥感特性：

●能全天候、全天时工作（…）；

●对某些地物具有特殊的波谱特征；

●对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力（…）；

●对海洋遥感具有特殊意义（…）；

●分辨率较低，但特征明显（…）。

由于微波的波长较长，因而散射相对较小，在大气中衰减少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本不受烟、云、雨的限制。

对于热带雨林地区更有意义。

这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。

电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。

故将电磁波振幅减少1/e倍（37%）的穿透深度定义为趋肤深度H:

H=（5.3×10-3ε1/2）/δ

式中：

ε为地物的介电常数；δ为地物的导电率。

微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。

微波传感器的波长分辨率比较低，是由于其波长较长，衍射现象显著的缘故。

同时，观察精度和取样速度往往不能协调。

本节结束

幻灯片65

§7各典型地物的光谱曲线

●植被光谱曲线

●土壤光谱曲线

●水体光谱曲线

●岩石光谱曲线

常见地物比较光谱曲线

本节结束

本章结束

幻灯片66

红外线的划分

近红外：

0.76～3.0µm，与可见光相似。

中红外：

3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。

远红外：

6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。

超远红外：

15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。

BACK

幻灯片67

太阳辐射

（1）

地面太阳辐射

P34,图2.20

大气上界太阳辐照度

海平面太阳辐照度

太阳光谱辐照度

Tobecontinued…

波长（nm）

幻灯片68

太阳辐射

（2）

BACK

幻灯片69

地物波谱特征

●在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。

地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。

太阳辐射到达地面之后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。

电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即：

●到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量

●一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对0.45~0.56μm的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达10~20m，清澈水体可达100m的深度。

对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5cm的电磁波却有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土壤。

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幻灯片70

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7～12km,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12～50km，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50～1000km，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：

800～35000km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。

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幻灯片71

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

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幻灯片72

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（如下表）。

O2吸收带

<0.2μm，0.155μm最强

O3吸收带

0.2～0.36μm，0.6μm

H2O吸收带

0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μm

CO2吸收带

1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm

尘埃

吸收量很小

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幻灯片73

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

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