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地球科学概论课件内容摘要

（第三部分：

遥感、地理信息系统与全球导航卫星系统技术概论）

第一讲遥感原理

一、遥感概述

狭义的遥感：

遥感是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的科学及综合性探测技术。

广义的遥感：

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（实际工作中，重力、磁力、声波、地震波等的探测为物理探测的范畴。

因而，只有电磁波探测属于遥感的范畴。

二、遥感技术系统

（一）遥感过程的要素

1、能量来源：

电磁能量2、辐射与大气3、与目标的作用

4、用传感器记录电磁辐射5、传输、接收和处理6、解释和分析

7、应用

（二）遥感技术系统的组成

传感器、平台、地面接收站

（三）传感器及遥感平台

1、传感器概念：

接收从目标中反射或发射来的电磁波的装置。

（如照相机、扫描仪）

2、遥感中使用的传感器类型：

（1）成像传感器（摄影传感器，扫描成像传感器，雷达成像传感器）

（2）非成像传感器

3、遥感平台：

搭载遥感传感器的载体（如地面三角架、遥感车、气球、航天飞机、人造地球卫星等）

4、遥感平台的分类

按高度分：

近地平台（地基）航空平台（空基）航天平台（天基）

（四）遥感卫星地面站

1、是复杂的高技术系统。

2、其任务是：

接收、处理、存档和分发各类遥感卫星数据，并进行卫星接收方式、数据处理方法和相关技术的研究，

3、其生产运行系统包括接收站、数据处理中心和光学处理中心

（五）遥感的分类

1、按工作平台：

地面遥感、航空遥感、航天遥感

2、按电磁波工作波段：

紫外遥感：

0.05-0.38μm

可见光遥感：

0.38-0.76μm此三者为光学遥感

红外遥感：

0.76-1000μm

微波遥感：

1mm-10m

3、按传感器工作原理：

主动遥感：

传感器从传感平台主动发射出能源，然后接受目标反射或辐射回来的电磁波。

被动遥感：

传感器不向目标发射电磁波，仅接受目标地物反射及辐射外部能源的电磁波，如对太阳辐射的反射和地球辐射。

4、按获取方式：

成像遥感：

将目标电磁辐射转换成可以显示的图像的遥感数据。

非成像遥感：

目标电磁辐射数据输出或记录载磁带上而不产生图像。

5、按波段宽度和连续性

宽波段遥感（常规遥感）：

波段宽度一般大于100nm，且波段不连续；

高光谱遥感：

利用很多狭窄的电磁波波段（波段宽度通常小于10nm）产生光谱连续的图像数据。

二、遥感电磁辐射基础

（一）电磁波谱和黑体辐射

1、电磁波谱：

按照电磁波在真空中传播的波长或频率排列成一个连续谱带。

<10-6μmγ射线；10-6—10-3μmX射线；10-3—0.38μm紫外线

0.38—0.76μm可见光0.38—0.43μm紫0.43—0.47μm蓝

0.47—0.50μm青0.50—0.56μm绿

0.56—0.59μm黄0.59—0.62μm橙

0.62—0.76μm红

0.76—1000μm红外波段0.76—3μm近红外，短波红外

3—6μm中红外

6—15μm远红外，热红外

15—1000μm超远红外

1mm—1m微波

1m以上无线电波1—10m超短波

10—3000m短波和中波

3000m以上长波

2、黑体：

如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则该物体是绝对黑体。

吸收率为1，反射率为0，达到最大的吸收和最大的发射。

与温度和波长无关。

是理想状态，无法达到。

3、实际物体的辐射

实际物体在相同温度下，辐射出射度（辐射通量密度）比绝对黑体的要低。

4、地物光谱发射率（比辐射率）

地物发射某一波长的辐射出射度与同温下黑体在同一波长上的辐射出射度之比，称地物光谱发射率。

发射率介于0和1之间，越接近1，地物越接近黑体。

5、韦恩位移定律

当绝对黑体温度升高时，单色辐射出射度最大值对应的波长λ向短波方向移动。

且最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比关系，可据最强辐射的波长推算物体温度。

（二）太阳辐射和地球辐射

1、太阳辐射和地球辐射的分段性

太阳辐射：

接近于6000K的黑体辐射，最大辐射对应波长0.47μm。

主要集中于0.3-2.5μm等波长较短的紫外、可见光和近红外区域。

地球辐射：

接近于300K的黑体辐射，最大辐射对应波长9.66μm。

其自身发出的辐射主要集中于波长较长的部分，即6μm以上的热红外区域。

在紫外、可见光与近红外波段发出的辐射主要是反射太阳的辐射。

在2.5—6μm的中红外波段，地球对太阳辐射的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。

（三）大气及其对太阳辐射的影响

1、大气对太阳辐射的影响作用

折射、反射、吸收、散射、透射

2、大气吸收

当太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些吸收带

3、大气散射

由于粒子的散射作用使电磁波在原传播方向上的辐射强度减弱，增加了向其他各方向的辐射。

4、大气窗口

电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的透过率较高的波段。

（折射不改变太阳辐射的强度，主要是反射、吸收和散射共同影响衰减了辐射强度，剩余部分为透过部分）

只能选择透过率较高的波段才有意义。

（四）地面物体反射光谱

1、研究意义

被动遥感占重要地位，主要为反射太阳辐射。

可准确识别地面目标

2、反射波谱

研究地物反射率随波长的变化规律。

三、遥感光学基础

（一）光和颜色

1、可见辐射

能够被眼睛感觉到，并产生视觉现象的辐射是可见辐射或可见光。

2、光学辐射

可见辐射加上紫外与红外部分原子和分子的发光辐射，称为光学辐射。

（二）颜色的性质

颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述。

（三）加色法和减色法

1、三原色

若三种颜色，其中任意一种都不能由其余两种颜色混合相加产生，三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，则称之为三原色。

红、绿、蓝是最优加色法三原色。

2、互补色

若两种颜色混合产生白色或灰色，这两种颜色就称为互补色。

3、减色法

减色法是从自然光（白光）中，减去一种或两种基色光而生成色彩的方法。

颜料本身的色彩是由于选择性的吸收了入射自然光中一定波长的广，反射出未被吸收的色光而呈现出本身的色彩

4、减法三原色

是加法三原色的补色，即黄、品红、青。

黄色是红绿组合，品红色是红蓝组合，青色是蓝绿组合。

四、传感器与成像原理

（一）传感器的组成

收集器、探测器、处理器、输出器

（二）传感器的性能

最具实用意义的是分辨率。

1、光谱分辨率

传感器在接受目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔，间隔越小，分辨率越高。

MSS（100—200nm）AVIRIS（10nm）

2、空间分辨率

遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸，是用来表示图像分辨地面目标细节能力的指标。

通常用像元大小、像解率或视场角来表示

（1）像元：

将地面信息单元离散化而形成的格网单元，单位为米，是组成图像的基本单元。

像元越小，图像分辨率越高。

（2）像解率：

用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细线的条数来表示，如线/毫米或线对/毫米

（3）瞬时视场角：

指传感器的张角及瞬时视线，又称角分辨率。

3、辐射分辨率

传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。

在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。

6-比特　64种亮度值；8-比特　256种亮度值；12-比特　4096种亮度值

4、时间分辨率

对同一目标重复探测时，相邻两次探测的时间间隔。

LANDSAT:

16天；CBERS:

26天；太阳同步气象卫星：

0.5天

（三）摄影成像的传感器

摄影是通过成像设备获取物体影像的技术。

工作波段：

主要为可见光（部分近红外）

（四）扫描方式的传感器

1、光机扫描仪

它是把搭载扫描仪的飞行平台的移动和利用旋转镜或摆动镜对平台移动的直角方向进行扫描结合起来，从而得到二维信息的传感器。

2、推帚式扫描仪

通过光学系统一次获得一条线的图像，然后由多个固体光电转换元件进行电扫描。

将探测器搭载于飞行平台上，通过和探测器成正交方向的移动而得到目标物的二维信息。

五、遥感平台

（一）航空遥感系统

1、航空遥感平台

指80公里以下的遥感平台，主要包括飞机和气球。

气球的分类：

低空气球：

发送到对流层

系留气球：

用绳子系在地面

高空气球：

发送到平流层

飞机的分类：

低空飞机：

2公里以下；中空飞机：

2—6公里；高空飞机：

12—30公里；

特点：

（1）航空遥感空间分辨率高、信息容量大；

（2）灵活，适用于专题遥感研究

（3）实星载遥感仪器的先行检验者

（4）信息获取方便

（二）航天遥感

是利用搭载在人造地球卫星、探测火箭、宇宙飞船和航天飞机等航天平台的传感器对地面的遥感。

特点：

（1）观察范围大，发现宏观、整体的特征；

（2）效率高于航空遥感

（3）获取同样数据费用较低

（4）适用动态监测

（5）分辨率低于航空遥感

设备：

美国LANDSAT系列；法国SPOT系列

（三）微波遥感

1、特点

大部分是主动方式的；

（1）具有穿云透雾能力；

（2）可以全天候工作；

（3）对地表穿透力较强

（4）具有某些独特探测能力（海洋参数、土壤水分、地下测量）

2、分类

非成像传感器：

属于主动遥感系统。

通过发射雷达信号，再接受回波信号测定参数，不以成像为目的。

（微波散射计、雷达高度计）

成像传感器：

获取在地面扫描所得到的带有地物信息的电磁波信号并形成图像（微波辐射计、侧视雷达、合成孔径雷达）

3、雷达图像的地形畸变

（1）透视收缩

山坡面向雷达的一面在图像上被压缩，表现较高的亮度。

坡度越大，收缩量越大。

（2）叠掩

当面向雷达的山坡很陡时，，出现山顶比山底更接近雷达的情况。

因此，在图像的距离方向，山顶、山底的相对位置颠倒。

（3）阴影

当后坡坡度较大，雷达波束不能到达后坡坡面时，没有回波信号产生，图像上出现暗区。

（4）斑点

雷达接收的电磁波在最强和最弱信号之间周期性变化，在图像上表现为亮点和暗点相间的图斑，而且几何分辨率越高，这种效应越强。

4、雷达卫星

海洋卫星（SEASAT）

航天飞机成像雷达（SIR-A,B,C）

加拿大RADARSAT

第二讲遥感数字图像处理初步

一、数字图像基础

（一）数字图像的含义

1、模拟图像

灰度及颜色连续变化的图像。

2、数字图像

能够被计算机储存、处理和使用，将模拟图像分成同样形状的小单元，将各个小单元的亮度值进行数字化。

（二）图像直方图

用平面直角坐标系表示一幅灰度范围为0-n的数字图像像元灰度分布状态，横轴表示灰度级，纵轴表示某一灰度级的像元个数占像元总数的百分比。

通过灰度直方图可以直观地了解到图像特征。

二、图像校正（预处理）：

（一）辐射校正

1、概念：

由于传感器的响应特性和大气的吸收、散射及其他随机因素的影响，导致图像模糊失真，分辨率和对比度下降。

需要辐射校正。

包括系统辐射校正、大气校正

2、系统辐射校正（光学摄影机内部辐射误差，光电扫描仪内部辐射误差）

3、大气校正：

消除主要由大气散射（大气分子和颗粒）、吸收（主要是气溶胶）引起的辐射误差。

其目的是：

去除大气效应引起的辐射误差；

转换TOA辐射值为地表反射率。

（二）几何校正

指从具有几何变形的图像中消除变形的过程。

1、误差来源：

内部误差：

由于传感器自身的性能、结构等因素造成

外部误差：

传感器以外的因素造成，如地球曲率、地形起伏、地球旋转等

2、校正原理

（1）数字校正：

通过计算机对图像的每个像元逐个解析纠正处理完成

（2）但通常利用由地理坐标的地形图或图像作为参考，通过选择地面控制点，对变形图像进行纠正：

第一步，像元坐标转换

由于校正前后像元大小可能变化，像元点位置的相对变化等，不能简单的用原图像的像元灰度值代替输出像元灰度值。

因此，需要插值（重采样）。

第二步，像元灰度值重新计算（重采样）

最临近法、双线性法、三次卷积法

（三）图像的镶嵌：

将多个具有重叠部分的图像制作成一个没有重叠的新图像。

三、增强处理：

（一）反差增强（对比度增强）

通过改变像元的亮度值来改变图像的对比度，从而改善图像质量的图像处理方法。

主要通过调整直方图来实现，使直方图分布均匀，没有大量亮暗像元集中分布。

（二）彩色增强

人眼对彩色的分辨力较高。

1、彩色合成：

真彩色：

颜色对应相应的波段，是自然物本来的颜色

假彩色：

颜色不对应相应的波段，不是物体本来的颜色

2、密度分割

将连续的灰度值转为少量的灰度区间，并用不同的颜色表示。

伪彩色：

单波段灰度图像的彩色显示或表示

（三）图像滤波（邻域增强）：

抑制噪声，增强某些特征，根据像元点周围的关系作邻域运算。

1、平滑（低通滤波）：

滤掉孤立的单点噪声和一些细节，突出图像的基本结构。

分为均值滤波和中位数滤波。

2、锐化（高通滤波）：

提高边缘灰度值的变化率，使边缘更清晰。

（四）图像变换

涉及不同图像之间的运算：

影响代数。

1、算术运算（加减乘除运算）：

是重要的信息提取方法

例：

植被指数的计算。

植被知识是基于植物叶绿素在红色波段的强烈吸收以及近红外波段的强烈反射，通过红和近红外波段的比值或线性组合实现对植被信息状态的表达。

公式：

（近红外-红）/（近红外+红）

2、主成分分析

3、图像融合

用一定的算法综合两个或两个以上不同的图像形成一个新的图像。

四、图像信息提取：

图像分类、空间信息提取、光谱信息提取

（一）图像分类

1、基本原理：

不同的地物具有不同的光谱特征，同类地物具有相同或相似的光谱特性

2、目标：

将图像中所有的像元自动地进行地表覆盖类型的分类。

3、存在问题：

同物异谱：

同类地物具有不同的光谱特征

同谱异物：

不同的地物可能具有相似的光谱特征

4、一些概念：

（1）监督分类：

通过选择代表各类已知样本的像元光谱特征，事先取得各类别的参数，确定判别函数，从而进行分类。

（2）非监督分类：

根据事先指定的某一准则，而进行计算机自动判别归类，无需人为干预。

（3）训练区：

已知覆盖类型的代表样区；用于描述主要特征类型的光谱属性；其精度直接影响分类结果。

（4）检验区：

用于评价分类精度的代表样区

（二）图像分类评价

通常用分类图与标准数据进行比较，以正确的百分比来表示精度

1、非位置精度：

以面积、像元数目等表示分类精度，未考虑位置因素，所得精度偏高。

2、位置精度：

将分类类别与其所在空间位置进行统一检查。

目前普遍采用混淆矩阵方法。

五、图像处理的步骤

原始图像==>系统辐射校正==>大气辐射校正==>几何校正==>（图形镶嵌）==>增强处理==>指标/分类/变化检测/定量反演==>专题信息提取

第三讲图像目视解译与应用

一、遥感图像目视解译

（一）概念

运用专业背景知识，通过肉眼观察，经过综合分析、逻辑推理、验证检查把遥感图像中包含的地物信息提取和解析出来的过程。

是人们通过遥感技术获取目标信息的最直接、最基本的方法。

（二）意义

1、是基本技术和方法（技能）

2、有助于识别地物、提取信息

3、辅助分析

4、辅助定量、数字图像处理

（三）原理

目视解译是遥感成像的逆过程。

地表景观==>成像过程==>遥感图像==>目视解译==>地表景观

（四）解译标志

遥感图像上那些能够作为识别、分析、判断景观地物的影像特征。

1、直接解译标志：

是判读目标自身特点在影像上的直接表现形式

（1）形状：

地物轮廓在影像表面的投影

（2）大小：

地物的尺寸、面积、体积等按比例缩小的相似纪录

（3）色调：

最重要、最直观的解译标志

（4）阴影：

可形成立体感，便于判断地物性质。

有时需除去地形起伏引起的阴影

（5）图案：

景观地物几何特征随影像比例尺变化在影像上的模型系统，可识别特征在空间的展布

（6）布局：

物体间一定的位置关系和排列方式

（7）位置：

地物间彼此相互关联关系在影像上的反映，相互印证

（8）纹理：

地物影像轮廓内的色调变化的空间布局和频率

2、间接解译标志：

从图像上能看出的和直接解译标志密切联系的地物特征，通过逻辑推理获得判断（如根据水的流向可以判定地表大致形态）

（五）目视解译的一般顺序（原则）

先整体后局部，先宏观后微观；

从已知到未知，先易后难；

先山区后平原，先地表后深部。

（六）目视解译方法

1、直判法：

直接通过遥感图像的解译标志。

2、对比法：

将要解译的遥感图像，与另一已知的遥感图像样片进行对照。

（必须在相同或基本相同的条件下进行）

3、邻比法

在同一张遥感图像或相邻遥感图像上进行邻近比较。

（通常只能将地物不同类型的界限区分出来，不一定能够鉴别地物的属性）

4、动态对比法

利用同一地区不同时相成像的遥感图像加以对比分析。

（对自然动态的研究尤为重要）

5、逻辑推理法

借助各种地物或自然现象之间的内在联系。

二、遥感应用

（一）遥感应用的过程

问题的提出==>数据收集==>数据处理与分析==>信息表达

（二）几个典型应用实例

1、地形图更新

2、土地利用变化动态监测

3、农业、林业

4、地质

5、水资源

6、灾害的监测和评估

（三）土地利用/土地覆盖的分类

可以用来：

动态监测城市扩展情况

及时发现非法用地

辅助制定城市发展规划

（四）洪涝灾害的遥感监测

首先，要了解水的光谱特征，从而选择遥感数据

接下来，根据遥感图像进行下一步测算

1、洪涝区的提取

洪水前的水体分布作为背景图像

测量洪水期间的水体分布

两者进行逻辑运算得洪涝区分布图

2、淹没面积测算

将洪涝区图像与土地利用专题图进行复合分析，提取洪涝区内的耕地分布，并与行政区划图叠加，得到按行政单元统计的耕地面积

第四讲地理信息系统概述

一、概述

GIS是GeographicalInformaionSystem的缩写，即地理信息系统

另有：

空间信息系统（SIS）、地球信息学（Geo-Informatics）、地理信息科学（GISci）

1、定义

地理信息系统通常泛指用于获取、存储、显示、处理、分析和综合与地球表面位置相关的数据的计算机系统。

2、基本功能：

数据的采集、管理、处理、分析和输出

3、组成

计算机、空间数据库、GIS软件、分析应用软件、用户、图形用户接口（GUI）

4、类型

（1）专题地理信息系统：

是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。

例如：

水资源管理信息系统、矿业资源管理信息系统、农作物估产信息系统

（2）区域信息系统：

主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。

可以按行政分区与自然分区有很多不同的规模。

以上两者称为专门或行业GIS。

（3）地理信息系统工具（通用地理信息系统）：

是一组具有图形图像数字化、储存管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。

5、特点

（1）具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力

（2）以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态监测的能力，并能产生高层次的地理信息

（3）具有公共的地理定位基础

（4）由计算机系统支持进行管理，并由计算机系统模拟地理信息方法，作用于空间数据。

产生有用信息。

（5）从外部看，是计算机软硬件系统；其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统

6、与其他系统区别

（1）与数据库管理系统（DEMS）

GIS有对空间数据进行解释和判断的能力，DEMS只是简单的数据管理，前者包含后者。

（2）与管理信息系统（MIS）

GIS可以对图形数据和属性数据共同管理、分析和应用，MIS只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询，没有拓扑关系。

（3）与地图数据库

地图数据库只是将数字地图存放起来，不注重分析和查询，更不可能进行深层次分析。

它是GIS的数据源之一。

（4）与CAD系统

CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力

　7、发展史

60年代：

开拓期；70年代：

巩固发展期；

80年代：

大发展时期；90年代：

社会化阶段；

我国开始于80年代初，90年代起开始大发展。

加拿大地理信息系统（CGIS）创立于上世纪60年代中期，是世界上第一个地理信息系统。

　8、学科基础

地理学、地图学、GPS、计算机科学、数据库、软件工程等

　9、应用领域

所有于空间位置相关的地方都与地理信息系统有关。

被广泛用于资源管理、区域与城乡规划、灾害监测、环境评估等各个领域。

例如：

城市土地利用信息系统；电信资源管理；铁路地理信息系统；公安警用地理信息系统；医疗机构信息查询

　10、市场前景

在日常生活中所涉及的信息中，有80%与地理信息密切相关。

二、GIS的基本功能

（一）数据采集

在此之前，要进行数据分析和预处理。

1、数据输入

把现有的资料转换为计算机可处理的形式，按统一的参考坐标系统、统一的编码、统一的标准和结构组织到数据库中的数据处理过程。

2、地理数据：

分为空间图形数据和空间属性数据

（1）图形数据

标志是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关系。

包括几何数据和关系数据：

几何数据：

描述地理实体的位置和形状大小等量度信息，表达方式是坐标串。

可以把空间目标分成点、线、多边形三种基本类型。

关系数据：

描述各个不同地理实体之间的空间关系（邻接、关联、包含、连通等）的信息，其表达方式是建立实体间的连接信息。

拓扑关系：

图形元素的空间位置和相互关系

（2）属性数据

是描述地理实体的社会、经济或其他专题数据。

其表达方式是字符串、各种代码或统计数值等。

3、数据来源

现有地图、卫星影像、航空像片、调查统计数据等等

4、采集方法

对现有地图：

数字化（包括手扶数字化和扫描数字化）

野外测量数据：

直接转入计算机

属性数据和文字信息：

直接录入

5、数据检核

找出并改正数据输入时产生的误差。

（二）数据编辑

指对地理信息系统中的空间数据和属性数据进行数据组织、修改。

是地理信息系统最基本的功能。

分为矢量数据编辑和栅格数据编辑。

1、矢量数据编辑

包括图形检查编辑、属性检查编辑、注记编辑等。

其中图形检查编辑主要就是要修改要素的空间位置。

2、栅格数据编辑

用于处理以栅格结构表示的数据。

（三）数据存储管理

1、储存介质：

存储器

分为可移动式存储器和非移动式存储器。

2、数据管理：

急需解决如何管理跨平台的，多种数据结构、多种数据格式、多时态的数据的问题

（四）查询和空间分析

此为地理信息系统主要优点，也是区别于一般地图制作系统的主要特点

包括：

缓冲区分析，拓扑叠加分析，拓扑空间查询等

1、缓冲区分析