《遥感导论》教案.docx

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《遥感导论》教案

《遥感导论》教案

课程名称:

遥感导论

适用专业、年级:

资源环境与城乡规划、地理信息系统、地理科学

学年、学期:

2014-2015学年第一学期

*******

编写时间:

2014.11

第一章绪论

一、章节教案

1.教学目标及基本要求

1.从广义与狭义两方面掌握遥感的定义，了解遥感系统的组成；

2.掌握遥感的分类；

3.与常规方法相比，掌握遥感的主要特点；

4.了解遥感发展简史及我国遥感事业的成就。

2.教学内容及学时分配

第一节　遥感与遥感技术过程

第二节　遥感技术的特点与分类

第三节　遥感技术的发展历史与展望（4学时）

3.教学重点和难点

重点：

遥感的定义（广义与狭义）、遥感技术的特点、遥感分类、遥感技术的发展历史与展望。

难点：

遥感技术过程

4.教学内容的深化和拓宽

主要对遥感平台及遥感的应用领域作了一些拓宽。

5.教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题

教学方式（手段）：

讲授法、演示法

教学过程中应注意的问题：

要注意来循序渐进地引导学生来理解遥感的概念，多用一些图片来建立直观印象。

6.主要参考书目及网络资源

《遥感技术基础与应用》，张安定，吴孟泉，王大鹏，曹建荣，贾维花，北京：

科学出版社，2014年。

《遥感导论》，梅安新，彭望琭，秦其明，等编著，北京：

高等教育出版社，2001年。

《遥感概论》，彭望碌主编著，北京：

高等教育出版社，2002年。

《遥感概论》修订版，吕国楷、洪启旺、郝允充等编著，北京：

高等教育出版社，1995年。

《遥感应用分析原理与方法》，赵英时等编著.北京：

科学出版社，2003年。

7.思考题和习题

1．什么是遥感?

试述广义遥感和狭义遥感的区别。

2．遥感技术过程由哪几个部分组成?

试简要分析各个组成部分的主要技术环节以及它们之间的关系。

3．主动遥感和被动遥感的区别是什么?

4．作为重要的对地观测技术,遥感与其他常规手段相比,其突出的特点和优势是什么?

5．简要分析遥感技术的发展现状及发展趋势。

二、每课时单元教案

1.教学时数

4学时

2.教学方式（手段）

讲授法、演示法

3.师生活动设计

教师提问，学生回答。

4.讲课提纲、板书设计

采用多媒体教学

5.教学内容

第一节遥感与遥感技术过程

遥感是20世纪60年代在航空摄影测量的基础上兴起并迅速发展起来的一门综合性探测技术。

1.遥感（RemoteSensing）定义

遥感定义：

准确地说,遥感是指从高空或外层空间,通过飞机或卫星等运载工具所携带的传感器,“遥远”地采集目标对象的数据,并通过数据的处理、分析,获取目标对象的属性、空间分布特征或时空变化规律的一门科学和技术。

广义概念：

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。

2.遥感技术过程

遥感技术过程由数据获取,数据传输、接收和处理,数据解译、分析与应用三部分组成,这三部分是遥感技术过程的相辅相成、不可分割的三个阶段。

第二节遥感技术的特点与分类

1．遥感技术的特点

（1）宏观观测能力强

（2）动态监测优势明显

（3）探测手段多样,数据量大

（4）数据具有综合性与可比性

正是因为这些突出特点,使得遥感技术的应用可以节约大量的人力、物力和财力,也必然产生极高的经济效益和社会效益。

2．遥感的分类

（1）按遥感平台分类：

宇航遥感、航天遥感、航空遥感、地面遥感

（2）按遥感所利用的电磁波谱段分类：

子外遥感、可见光/反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感

（3）按传感器的工作原理分类：

主动遥感、被动遥感

（4）按遥感资料的获取方式分类：

成像方式遥感、非成像方式遥感

（5）按遥感应用领域分类：

环境遥感、城市遥感、农业遥感、林业遥感、海洋遥感、地质遥感、气象遥感和军事遥感等。

第三节遥感技术的发展历史与展望

1．遥感技术的发展历史

“遥感”这一科学术语最早是1960年由美国学者艾弗林·普鲁伊特提出的,之后于1961年在美国密歇根大学召开的一次国际学术研讨会上得到了学者们的认同,从此遥感这门新的学科就诞生了。

事实上,在“遥感”一词出现以前,就已经有了遥感技术,遥感的渊源可以追溯到很久以前。

（1）遥感思想的萌芽阶段（1610~1858年）

（2）空中摄影阶段（1858~1903年）

（3）航空遥感阶段（1903~1957年）

（4）航天遥感阶段（1957年至今）

2．现代遥感技术发展展望

遥感技术是一门多学科交叉的综合性应用学科。

随着空间科学、信息科学等相关学科的发展,21世纪遥感技术的发展将呈现出许多新的特点,主要表现在以下五个方面。

（1）遥感数据获取手段趋向多样化

（2）微波遥感、高光谱遥感是未来空间遥感发展的核心内容

（3）遥感数据的计算机处理更趋自动化和智能化

（4）全定量化遥感方法将走向实用

（5）遥感综合应用将不断深化

6.作业

1.遥感的基本概念是什么？

2.遥感技术过程包括哪几个阶段？

3.遥感的类型及特点？

第二章遥感电磁辐射基础

一、章节教案

1.教学目标及基本要求

1.了解电磁辐射基本理论的基础；

2.重点掌握地物的电磁波发射特性和反射特性；

3.了解大气层对遥感电磁辐射传输过程的影响

4.掌握地物的光谱特性及其影响因素。

2.教学内容及学时分配

第一节 电磁波电磁波谱

第二节物体的电磁发射特性（2学时）

第三节物体的电磁波反射特性

第四节大气对电磁波传输过程的影响（2学时）

3.教学重点和难点

重点：

电磁波谱、电磁辐射、黑体辐射及黑体辐射规律、实际物体辐射规律、太阳光谱、大气吸收、大气散射（瑞利散射、米氏散射、无选择性散射）、大气窗口及投射分析、地表自身的热辐射、反射率、反射的类型及地物反射波谱特征、地物波谱特性的测量。

难点：

黑体辐射及黑体辐射规律、大气散射（瑞利散射、米氏散射、无选择性散射）、大气窗口及投射分析、地物波谱特性的测量

4.教学内容的深化和拓宽

太阳辐射与大气和地物的作用做进一步的深化。

5.教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题

教学方式（手段）：

讲授法、演示法

教学过程中应注意的问题：

注意演示各种大气散射的过程，便学生有直观印象。

6.主要参考书目及网络资源

《遥感技术基础与应用》，张安定等，科学出版社，2014。

《遥感导论》，梅安新，彭望琭，秦其明，等编著，北京：

高等教育出版社，2001年。

《遥感概论》，彭望碌主编著，北京：

高等教育出版社，2002年。

《遥感概论》修订版，吕国楷、洪启旺、郝允充等编著，北京：

高等教育出版社，1995年。

《遥感应用分析原理与方法》，赵英时等编著.北京：

科学出版社，2003年。

7.思考题和习题

大气散射有几种类型？

各自有什么特点？

二、每课时单元教案

1.教学时数

2学时

2.教学方式（手段）

讲授法、演示法

3.师生活动设计

教师提问，学生回答。

4.讲课提纲、板书设计

采用多媒体教学

5.教学内容

第一节电磁波与电磁波谱

1.电磁波的性质

电磁波：

交互变化的电磁场在空间的传播。

电磁波具有波动性和粒子性两种性质。

电磁波有四个要素,即频率（或波长）、传播方向、振幅、偏振面。

2.电磁波谱

为了更好地认识和描述电磁波,将各种电磁波按波长的大小（或频率的高低）依次排列并制成图表,这个图表就是电磁波谱（electromagneticspectrum）。

目前遥感应用的主要波段包括紫外线、可见光、红外线、微波等。

3.电磁辐射源

凡是能够产生电磁辐射的物体都是辐射源。

自然界的一切物体在一定的温度下都具有发射、辐射电磁波的特性。

电磁辐射源可分为自然辐射源和人工辐射源两大类。

4.电磁辐射的度量

遥感探测实际上是对物体辐射能量的测定与分析,为此需要定义一些基本的概念和术语。

辐射能量（radiantenergy）

辐射通量（radiantflux）

辐射出射度（radiantemittance）

辐射照度（irradiance）

辐射强度（radiantintensity）

辐射亮度（radiance）。

第二节物体的电磁波发射特性

1.黑体辐射

黑体（blackbody）是个假设的理想辐射体,是指能全部吸收而毫无反射和透射能力的理想物体。

斯特藩-玻尔兹曼定律

维恩位移定律

2.地物的发射特性

表地物吸收太阳辐射后又向外发射电磁辐射,但其辐射能力总是要比同温度下的黑体辐射能力低。

地物发射能力的大小,通常用发射率来表示。

地物的发射率ε也称比辐射率或发射系数,是指地物发射的辐射通量W′与同温度下黑体辐射通量W之比

地物的光谱发射特征曲线

基尔霍夫定律:

在任一给定温度下,地物单位面积上的辐射通量密度和吸收率之比,对于任何地物都是一个常数,并等于该温度下同面积黑体辐射通量密度。

6.作业

目前遥感应用的主要电磁波段有哪些？

电磁辐射源有哪些？

1.教学时数

2学时

2.教学方式（手段）

讲授法、演示法

3.师生活动设计

教师提问，学生回答。

4.讲课提纲、板书设计

采用多媒体教学

5.教学内容

第三节　物体的电磁波反射特性

1.物体反射电磁波的三种形式

（1）镜面反射

（2）漫反射

（3）方向反射

2.地物的反射光谱特性

（1）光谱反射率反射率：

地物的反射辐射通量Eρ与入射辐射通量E之比。

（2）地物的反射光谱特性：

地物的反射率随波长变化而变化的规律。

严格地说,地物的反射光谱曲线不应是一条线而应是呈带状,这是因为在某一特定类型中,光谱反射率也是有变化的。

在可见光波段,植物的光谱特性主要受叶片中各种色素的支配,其中叶绿素起着最重要的作用。

在近红外波段,植物的光谱特征取决于叶片内部的细胞结构。

在短波红外波段，植物的光谱特性受叶片总含水量的控制。

（3）影响地物反射率的因素

受多种因素的综合影响,地物的光谱反射率并不是一成不变的。

概括起来,影响地物反射率的主要因素有三方面：

地物的结构与组分变化、太阳位置、环境因素。

3.地物反射光谱的测量

（1）反射光谱测量的理论：

二向性反射率分布函数、二向反射比因子

（2）地物光谱的测量方法：

垂直测量和非垂直测量

第四节大气对电磁波传输过程的影响

所有用于遥感的电磁辐射都要通过大气层,经过大气传输才能被传感器接收。

电磁辐射在传输过程中与大气中的气体和微粒相互作用造成辐射能量的衰减,进而对遥感成像质量和遥感图像解译产生影响。

这种相互作用主要表现在大气的散射、吸收和透射等方面。

1.大气的组成与结构

大气成分：

“不可变气体成分”和“易变气体成分”

分子：

N2和O2，约占99%；其余1%则是O3、CO2、H2O、N2O、CH4、NH3

其他微粒：

烟、尘埃、雾霾、小水滴、气溶胶

大气层的结构：

对流层、平流层、中间层、热层和散逸层

2.大气散射

根据大气中微粒的直径大小与电磁波波长的对比关系,通常把大气散射分为瑞利散射、米氏散射和非选择性散射三种主要类型。

瑞利散射的强度与波长的四次方成反比,波长越短散射越强。

瑞利散射降低了图像的“清晰度”或“对比度”。

大气散射作用改变了太阳辐射的方向,降低了太阳光直射的强度,是太阳辐射能量衰减的主要因素之一。

3.大气吸收

太阳辐射穿过大气时受到多种大气成分的吸收,从而导致辐射能量的衰减。

在紫外、红外以及微波波段,大气吸收是引起电磁辐射能量衰减的主要原因。

臭氧、二氧化碳和水汽是三种最重要的吸收太阳辐射能量的大气成分。

4.大气窗口

受大气吸收作用影响相对较小、大气透过率较高的电磁波段就成为遥感探测可以利用的有效电磁辐射波段,称为大气窗口。

主要的大气窗口包含以下八个。

（1）0.3–1.15μm:

包括全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波段,是遥感技术应用最主要的大气窗口之一。

其中,0.3~0.4μm为近紫外窗口,透过率为70%;0.4~0.7μm为可见光窗口,透过率大于95%;0.7~1.1μm为近红外窗口,透过率约为80%。

（2）1.4~1.9μm:

近红外窗口,透过率在60%~95%,其中1.55~1.75μm透过率较高。

（3）2.0~2.5μm:

近红外窗口,透过率为85%。

（4）3.5~5.0μm:

中红外窗口,透过率在60%~70%。

（5）8~14μm:

热红外窗口,透过率为80%。

（6）1.0~1.8mm:

微波窗口,透过率在30%~40%。

（7）2.0~5.0mm:

微波窗口,透过率在50%~70%。

（8）8.0~1000mm:

微波窗口,透过率为100%。

6.作业

大气对遥感的主要影响有哪些？

第三章传感器及其成像方式

一、章节教案

1.教学目标及基本要求

1.掌握遥感数据获取的关键设备——传感器的组成及功能；

2.了解摄影与扫描成像的基本原理，两者所形成的图像有什么区别？

3.了解摄影像片的几何特征。

掌握像片比例尺的计算方法；

4.掌握图像的空间分辨率、波谱分辨率、辐射分辨率与时间分辨率。

2.教学内容及学时分配

第一节传感器概述（2学时）

第二节 摄影成像系统（2学时）

第三节　扫描成像系统（4学时）

3.教学重点和难点

重点：

传感器及传感器的性能、摄影像片的几何特征、遥感图像的空间、时间、光谱、辐射分辨率。

难点：

摄影像片的几何特征。

4.教学内容的深化和拓宽

增加了一些常用的遥感摄影像片类型。

5.教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题

教学方式（手段）：

讲授法、演示法

教学过程中应注意的问题：

加重学生对扫描成像的理解。

6.主要参考书目及网络资源

《遥感技术基础与应用》，张安定等，科学出版社，2014

《遥感导论》，梅安新，彭望琭，秦其明，等编著，北京：

高等教育出版社，2001年。

《遥感概论》，彭望碌主编著，北京：

高等教育出版社，2002年。

《遥感概论》修订版，吕国楷、洪启旺、郝允充等编著，北京：

高等教育出版社，1995年。

《遥感应用分析原理与方法》，赵英时等编著.北京：

科学出版社，2003年。

7.思考题和习题

扫描成像的基本原理是什么？

二、每课时单元教案

1.教学时数

2学时

2.教学方式（手段）

讲授法

3.师生活动设计

教师提问，学生回答。

4.讲课提纲、板书设计

采用多媒体教学

5.教学内容

第一节传感器概述

1．传感器的分类

传感器的种类繁多,分类方法也多种多样。

常见的分类方式有以下三种。

（1）按电磁波辐射来源

主动式传感器（activesensor）和被动式传感器（passivesensor）；

（2）按成像原理和所获取图像性质

摄影机、扫描仪和雷达三种类型；

（3）按记录电磁波信息方式

成像方式（imagingmethod）的传感器和非成像方式（non-imagingmethod）的传感器。

2．传感器的组成

从结构上看,所有类型的传感器基本上都由收集器、探测器、处理器、输出器四部分组成。

3．传感器的性能

衡量传感器性能的指标很多,其中最重要的就是传感器的分辨率。

分辨率是遥感技术中经常使用的概念,是反映遥感数据质量的重要指标,包括空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率和时间分辨率。

6.作业

传感器每一部分的功能是什么？

1.教学时数

2学时

2.教学方式（手段）

讲授法

3.师生活动设计

教师提问，学生回答。

4.讲课提纲、板书设计

采用多媒体教学

5.教学内容

第二节　摄影成像系统

1.摄影机：

分幅式摄影机

全景摄影机（扫描摄影机）：

缝隙式摄影机（航带摄影机）

镜头转动式摄影机

多光谱摄影机：

多相机组合型

多镜头组合型

光束分离型

数码摄影机

2.摄影像片的几何特性

垂直摄影：

摄影机主光轴垂直于地面或偏离垂线在3°以内。

倾斜摄影：

摄影机主光轴偏离垂线大于3°。

垂直像片的几何特征

像片的投影

中心投影与垂直投影的区别

中心投影的透视规律

中心投影与垂直投影的区别

投影距离的影响

投影面倾斜的影响

地形起伏的影响

3.像片的比例尺

像片比例尺即像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比。

（1）平均比例尺：

以各点的平均高程为起始面，并根据这个起始面计算出来的比例尺。

（2）主比例尺：

由像主点航高计算出来的比例尺，它可以概略地代表该张航片的比例尺。

4.像点位移

（1）位移量与地形高差成正比，即高差越大引起的像点位移量也越大。

当高差为正时，像点位移为正，是背离像主点方移动；高差为负时，像点位移为负，是朝向像主点方向移动。

（2）位移量与像点距离像主点的距离成正比，即距像主点越远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小。

像主点无位移。

（3）位移量与摄影高度（航高）成反比。

即摄影高度越大，因地表起伏的位移量越小。

5.摄影胶片的物理特性

1）、感光特征曲线：

横坐标为曝光量的对数值，纵坐标为胶片的光学密度。

2）、感光度：

指胶片的感光速度。

遥感需用感光度高的胶片。

3）、光学密度：

指胶片竟感光显影后，影像表现出的深浅程度。

4）、反差与反差系数：

反差指胶片的明亮部分与阴暗部分的密度差。

反差系数是指拍摄后负片影像与景物亮度差之比。

5）、灰雾度：

未经感光的胶片，显影后仍产生轻微的密度，呈浅灰色，故称灰雾度

6）、宽容度：

指表达被摄物体亮度间距的能力。

遥感摄影希望用宽容度大胶片。

7）、解像力（感光胶片的分辨力）：

解像力的大小以每毫米范围内分辨出的线条数表示。

单位：

线对/毫米。

6.感色性

黑白摄影胶片

–色盲片：

仅对蓝、紫色光起敏感反应。

银粒细，影纹清晰，反差

　大。

感色性差，宽容度小。

适用于翻拍文件、资料、图表，拷贝

　幻灯片、黑白电影。

不能用于人像、风景摄影。

–正色片：

感光范围从蓝光扩大到绿黄光区。

适用于制版、复制、林区黑白航空摄影。

–分色片：

对蓝、紫、青、黄、绿色光感光，对红、橙色光不敏感。

色调比色盲片正常，感色性仍有很大的局限性。

适宜风景、室外人像摄影。

–全色片：

能感受全部可见光，但在绿光部分感光度稍有降低。

–红外黑白片：

感光范围扩展到近红外波段（0.76-1.35µm）。

彩色胶片

–天然（真彩）色片：

能够真实地还原被摄物体的自然色彩。

–红外彩色片：

由感红外层、感红层和感绿层等三层乳剂构成，在正片上红外呈红色、红呈绿色、绿呈蓝色。

6.作业

摄影成像的基本原理是什么，其图像有什么特点？

1.教学时数

2学时

2.教学方式（手段）

讲授法

3.师生活动设计

教师提问，学生回答。

4.讲课提纲、板书设计

采用多媒体教学

5.教学内容

第三节扫描成像

1.光/机扫描成像

概念：

依靠机械传动装置使光学镜头摆动，形成对目标地物逐点逐行扫描。

探测元件把接受到的电磁波能量转换成电信号，在磁介质上记录或再经电/光转换成为光能量，在设置于焦平面的胶片上形成影像。

瞬时视场角：

扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角。

即扫描仪的空间分辨率。

总视场角：

扫描带的地面宽度称总视场。

从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角。

工作原理：

扫描镜在机械驱动下，随遥感平台的前进运动而摆动，依次对地面进行扫描，地面物体的辐射波束经扫描镜反射，并经透镜聚焦和分光分别将不同波长的波段分开，再聚焦到感受不同波长的探测元件上。

几种光机扫描一仪

1红外扫描仪：

接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。

2多光谱扫描仪（MSS）：

与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步记录相应波段的信息。

而红外扫描仪只在红外波段工作。

3专题制图仪TM：

专题制图仪TM的成像原理与MSS一致，与MSS相比，空间分辨率由80米提高到30米；探测波段由4个增加到7个。

2.固体自扫描成像

固体自扫描是用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的一种成像方式。

电荷藕合器件CCD：

是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件。

具有感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、灵敏度高、动耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点。

扫描方式上具有刷式扫描成像特点。

探测元件数目越多，体积越小，分辨率就越高。

电子藕合器件CCD逐步替代光学机械扫描系统。

高光谱成像光谱扫描

基本属于光学／机械式扫描。

推帚式面阵列成像光谱仪

6.作业

光机扫描的工作原理是什么？

1.教学时数

2学时

2.教学方式（手段）

讲授法

3.师生活动设计

教师提问，学生回答。

4.讲课提纲、板书设计

采用多媒体教学

5.教学内容

3.推帚式扫描仪

•概念

•结构

•工作原理

•常用遥感数据及其特征

–SPOT/HRV、HRVIR、HRG、HRS

–IKONOS

–QuickBird

–Orbview

4.热扫描成像：

接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。

5.成像光谱技

既能成像又能获取目标光谱曲线的“图谱合一”技术,称为成像光谱技术。

按照这种技术原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。

成像光谱技术的特点：

高光谱分辨率、图-谱合一、图像立方体表达。

6.作业

光-机扫描系统与推扫式扫描系统的差异？

第四章遥感卫星及其运行特点

一、章节教案

1.教学目标及基本要求

1.了解遥感卫星的轨道参数

2.理解卫星在轨道上的姿态

3.掌握卫星轨道的类型

4.理解遥感成像对卫星轨道的要求

5.了解国内外主要气象卫星系列、类型及影像特点

6.了解国内外主要陆地卫星系列、类型及影像特点

7.了解国内外主要海洋卫星系列、类型及影像特点

8.了解国内外遥感卫星的发展趋势

2.教学内容及学时分配

第一节遥感卫星轨道（2学时）

第二节气象卫星（2学时）

第三节陆地卫星（2学时）

第四节海洋卫星（2学时）

3.教学重点和难点

重点：

遥感卫星的概念、遥感卫星的轨道类型和特点,以及遥感成像对卫星轨道的特殊要求。

区分掌握陆地卫星、气象卫星和海洋卫星三个系列,了解当今全球对地观测中发挥重要作用的遥感卫星有哪些。

重点掌握Landsat、SPOT等主要陆地卫星的成像特点和图像特征。

难点：

遥感卫星的轨道参数和轨道类型、遥感成像对卫星轨道的要求。

4.教学内容的深化和拓宽

利用实际项目资料来演示各种卫星的应用。

5.教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题

教学方式（手段）：

讲授法、演示法

教学过程中应注意的问题：

加重学生的操作能力。

6.主要参考书目及网络资源

《遥感技术基础与应用》，张安定等，科学出版社，2014。

《遥感导论》，梅安新，彭望琭，秦其明，等编著，北京：

高等教育出版社，