遥感原理与应用.docx
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遥感原理与应用
遥感原理与技术讲义
资源与环境学院
张晓丽
第一章绪论
第一节地球信息科学
一、含义：
地球信息科学（Geoinformatics或Geomatics），又译为地理信息科学，是测绘学、摄影测量与遥感学、地图学、地理科学、计算机科学、卫星定位技术、专家系统技术与现代通讯技术等的有机集成，即多种学科的综合。
是用各种现代化方法采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播、和应用与地理和空间分布有关数据的一门综合的计算机信息科学、技术和产业实体。
Geomatics作为解决空间问题的工具，是一门应用科学。
地球——空间系统本身是复杂的、开放的、动态的，因此要用动态的、系统的方法来研究。
“3S”技术是Geomatics的核心内容，Geomatics是3S技术的广义定义。
二、特点：
动态性、系统化、实时性、空间特征、信息科学
三、组成：
GIS：
多种学科集成的基础平台，用来搜索、存储、管理和分析空间信息数据。
RS、DPS、GPS：
快速获取和更新地理信息的主要技术手段。
地图学与图象图形学：
用作地理信息的表示、分析和处理，以及地理信息成果的表达和显示。
人工智能：
如专家系统（ES）和人工神经网络，使数据采集、更新、分析和应用更加自动化和智能化，达到决策层次的应用。
现代通讯技术：
为地理信息在各部门的传播和应用提供保证。
第二节狭义的3S技术
一、含义：
RS（RemoteSensing）：
获取地面信息，并更新。
GIS（GeographicInformationSystem）：
对地理信息进行采集、存储、管理、分析和显示的基础平台。
GPS（GlobalPositioningSystem）：
实现准确的定位。
（实时、动态）
二、应用领域
地图制图：
RS和GPS—获取和更新数据，GIS—编辑、存储、显示和输出。
自然资源管理、监测和评价：
森林资源、土地资源、矿产等。
如土地资源管理、监测。
城市与区域规划：
需综合自然环境、地形、地貌、人口密度等多种因素，同时考虑生态、经济、社会等多种效益。
进行各种空间分析，如连通度分析。
设计交通网络、地下管线、绿地设施、水系和利用等。
交通管理：
导航系统，实时监控、调度。
环境监测和分析：
污染监测、评价和分析。
确定污染源、蔓延过程、评价污染程度、预测。
工商管理：
客户位置、相关信息（邮编、电话、销售状况、负责销售员等），销售分析。
第三节RS的概念、发展及应用
RS技术是60年代以来，在现代物理学（包括光学技术、红外技术、微波技术、雷达技术、激光技术和全息技术）、空间科学、电子计算机技术、数学方法和地球科学理论的基础上，建立和发展起来的一门新兴的综合性的边缘学科，是一门先进的，实用的探测技术。
一、概念
RS（抽象）：
安装在平台上的传感器，借助于某种信息传播媒介来感测遥远事物的过程。
RS技术（具体）：
从不同高度的平台（如飞机、人造卫星等）使用传感器收集地物的电磁波信息，再将这些信息传输到地面并加以处理，从而达到对地物的识别与监测的全过程。
构成要素：
对象：
被感测的事物
传感器：
能感测事物并能将感测的结果传递给使用者的仪器。
如摄影机、雷达等。
信息传播媒介：
在对象和传感器间起信息传播作用的媒介。
如电磁波、声波、重力场、磁力场、电力场、地震波。
平台：
装载传感器并使之能有效地工作的装置。
如飞机、人造地球卫星、航天飞机等。
能够运动的平台也叫运载工具。
现在实用的RS技术大多是以电磁波为信息传播媒介，以飞机、人造卫星等飞行器为平台的。
二、分类：
Ø按遥感对象分：
宇宙遥感：
对象是宇宙中的天体和其他物质。
地球遥感：
对象是地球和其他的事物。
Ø按遥感平台分：
航天遥感：
平台处于海拔高度大于80km的空中，如火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等。
航空遥感：
平台处于海拔高度小于80km的空中，如飞机、气球等。
地面遥感：
平台处于地面。
如三脚架、遥感车、塔、船等。
Ø按传播媒介分：
电磁波遥感：
以可见光、红外、微波、紫外线较为常见（利用不同的工作波段）。
声波遥感：
适于探测海水和海底情况，一般用超声波。
力场遥感：
重力场、磁力场、电力场等，适用于物理探矿。
地震波遥感：
探测地层构造和探矿。
Ø按传感器工作方式分：
被动遥感：
传感器本身不发射任何人工探测信号，只能被动地接受来自对象的信息。
如不用闪光灯的摄影。
主动遥感：
传感器本身带有电磁波的辐射源，工作时向目标发射信号，接收目标物反射这种辐射波的强度，如使用闪光灯的摄影和侧视雷达。
Ø按资料获取方式分：
成象方式：
把所探测的地物辐射的电磁波强度用不同的色调构成图象如航片、卫片等。
光学摄影：
将探测到的地物的电磁波信息以深浅不同的色调直接记录在感光胶片上。
以照相机或摄影机进行。
扫描成象：
将所探测视场分为若干象元，传感器按顺序接收每个象元的电磁波强度，并将其转换成电信号，经传输、处理再显示成图象。
如电视摄像、雷达成象等。
非成象方式：
获取数据、曲线等形式的资料。
如不扫描的辐射计。
Ø按应用领域分：
农业遥感、林业遥感、地质遥感、大气遥感等等。
三、特性：
空间特性：
感测距离远，视域范围大。
某些波段的遥感对冰雪、云雾、水体和陆地等有一定的穿透力。
因此RS具有宏观性和直观性。
如LandsatTM每幅图象所表示的地面区域为185185km2。
时相特性：
平台运行快，周期短，能够周期成象。
且能获得多时相、准同步的影象和数字资料。
通过不同时间成象资料的对比，可以研究地面物体的动态变化，为环境监测、病虫害等地物发展变化规律的研究提供了条件。
光谱特性：
探测波段从可见光向两侧延伸。
现在，已用于遥感的电磁波段有射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波以及波长更长的无线电波等。
各波段间性质差异很大，用途也各不相同。
可以用于地物分类、制图、遥感定量分析和应用等等。
这三大特性构成了遥感信息地学评价的三个基本标准（空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率）。
四、优势：
信息量大
受地面条件限制少：
可用于自然条件更劣，地面工作困难的地区。
经济效益好：
降低成本，特别是灾害预报、资源探测、资源清查等。
用途广
发展迅速
五、遥感的发展：
世界遥感发展简史：
1962年：
“RS”术语在第一次国际环境遥感讨论会后被普遍采用，由美国海军研究局的伊普鲁伊特（ErelynPruitt）最早提出。
19世纪20年代：
航空摄影
一战时期：
主要用于军事。
航空摄影因军事的需要得到发展，形成了具有独立体系的航空摄影测量学—象片判读航空遥感RS的初始阶段。
二战时期：
航空摄影技术得到发展，从可见光扩展到紫外线和红外波段长及微波，形成现代航空遥感体系，开始用于自然资源调查。
1957年：
前苏联发射了第一颗人造地球卫星；
60年代：
美、苏发射了宇宙飞船；
70年代初：
美国发射了第一颗地球资源技术卫星。
航天技术迅速发展，传感器不断改进
中国遥感发展简史：
50年代：
开始开展航空摄影工作，并在此基础上，进行了土地资源、森林资源的调查研究及地质找矿、铁路选线等。
60年代：
航空摄影初具规模，完成了大部分地区的航空摄影工作。
70年代初：
成功地发射了第一颗人造地球卫星，并很快掌握了卫星回收技术，获得了我国的第一批卫星图象。
70年代后期：
购买了美国陆地卫星图象，并引进了数字图象处理系统。
发展趋势：
（从应用角度）
遥感分析由单一遥感资料到多时相、多数据源（含非RS数据）的信息复合与综合分析；
从资源环境静态分布研究到动态过程监测；
从动态监测到预测预报；
从定性调查、系列制图到计算机辅助的数字图象处理、定量自动制图；
从对各种事物表面现象描述到内在规律分析、计量探求—定量遥感。
发展趋势：
（从技术角度）未来10～20年内：
微波遥感技术进一步提高，其实用性可与现在的MSS，TM，HRV等传感器不分伯仲。
星载传感器的地面分辨力和光谱分辨力大大提高，可达到与目前航空摄影的效果相似的程度。
高光谱遥感、高空间分辨率遥感将得到极大发展，激光测距与遥感成像、卫星定位技术的集成使3D实时成像成为可能。
专业的图象处理软件的功能将不断完善，如可以读取多种数据格式，可以处理雷达数据、进行三维显示和分析、与GIS软件和数据库的兼容等等。
在信息提取方面，分形理论、小波变换、人工神经网络等方法使信息处理和分析更趋智能化。
RS将与GIS、GPS、DPS、ES更加紧密地结合，在各领域中发挥出更大的作用。
六、遥感的应用：
农林方面：
农业：
识别各类农作物、估产、灾害预报、分析长势；
林业：
调查森林资源、监测森林火灾和病虫害等等；（如1987年中国大兴安岭特大森林火灾，运用LandSatTM和NOAA卫星数据进行火灾监测和灾后生态评价）；
土地资源与土壤调查：
RS资料提供了土地和土壤状况的动态情况。
协助寻找宜林、宜农荒地；（如伊朗通过卫星图象找到了3%的可耕地）。
地质矿产方面：
减小野外工作量，节省人力、物力、财力，加快速度，提高精度。
如：
进行成矿条件的地质分析；查明地质构造，发现隐伏构造；大型堤坝、厂矿等的选址和道路选线；地震、暴雨等造成的灾害性地质过程的预测。
水文和水资源研究：
水资源调查、水文情报预报和区域水文研究等等。
海洋学研究：
海洋占全球表面积的71%，探测海洋的未知区，测量海面温度、盐度、海冰、海流、潮汐等；海岸地质地貌调查、海岸线长度测量、海岸动态变化监测、海岸污染等。
环境监测：
大气污染、土地污染及其导致的破坏和影响。
生态环境监测和评价等等。
沙漠化监测和防治。
测绘：
遥感技术弥补了航空摄影测量的不足。
制作影象地图并据遥感资料编绘专题地图。
地理学研究：
获得大量的第一手地理信息和数据，科学、准确、及时地提供分析结果，为地理学丛定性到定量、从静态到动态、从整体到局部、从过程到模式研究提供了条件。
第一章复习思考题
1.地球信息科学的含义
2.RS概念和构成要素
3.什么是主动式遥感和被动式遥感？
4.RS按平台分可分为几类？
5.什么是成象方式遥感？
成象方式遥感分为哪两种方式？
含义是什么？
6.RS的特征是什么？
其优势是什么？
7.RS的发展和应用（了解）。
第二章遥感的理论基础
第一节电磁辐射与地物光谱特性
RS的理论基础主要是物理学，也涉及天文、大气、地理、地质、数学和计算机等学科。
迄今为止，在各部门中应用的遥感技术大多是电磁波RS。
因此，可以说，RS的理论基础是物理学，其核心是电磁波理论。
1．电磁波与电磁辐射
（1）波：
振动在空间的传播。
如声波、水波、地震波等都是振源发出的振动在弹性媒介中的传播，称为机械波。
（2）电磁波：
由振源发出的电磁振动在空间的传播。
振动的是空间电场矢量E和磁场矢量B。
电磁波是通过电场和磁场间的相互联系和转化传播的。
变化的电场能够在它周围空间产生磁场。
交变电场周围会产生交变磁场。
交变磁场周围会产生交变电场，它们互相套环，沿直线迅速向远方传播。
即：
交变电场和交变磁场迅速向远方传播的过程叫做电磁波。
电磁波性质：
电场矢量E和磁场矢量B互相垂直，且都垂直于电磁波传播方向V，因此，电磁波是横波。
（声波是典型的纵波）
在真空中以光速传播
电磁波的几个主要参量：
周期（T），频率（f），波长（），C=f=/T，
其中，C为真空中的光速，C=3×1010cm/s
电磁波具有波粒二象性
图6-2电磁波
（3）波段：
两个波长之间的全体波长的集合。
（4）辐射：
电磁波在空间中的传播叫做电磁辐射，简称辐射。
分为入射、发射、反射、透射、散射、吸收。
（5）辐射源：
任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其它物体对它的辐射，也能够向外辐射。
（6）辐射通量（）：
单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dW/dt，单位为W（瓦）。
（7）辐射通量密度（E）：
单位时间内通过单位面积的辐射能量，E=d/Ds，单位为W/m2。
（8）辐照度（I）：
被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，I=d/Ds
（9）辐射出射度（M）：
辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=d/Ds。
辐照度与辐射出射度都是辐射通量密度的概念，但I为物体接收的辐射，
M是物体发出的辐射，都与波长有关。
（10）黑体：
绝对黑体，指能够将外来辐射能量全部吸收的物体。
（11）发射率：
地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同面积黑体发射能量M黑之比值。
即：
ε=M/M黑
（12）反射率：
地物的反射能量与入射总能量之比，其数值用百分数表示。
（13）透射率：
地物的透射度与其表面的辐照度之比。
（14）吸收率：
地物的吸收度与其表面的辐照度之比。
2．电磁波谱
（1）定义：
按照波长的长短顺序将各种电磁波排列制成的一张图表叫做电磁波谱。
在电磁波谱中，从左到右，波长逐渐增大。
从左到右依次是宇宙射线、射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、以及其它无线电波等。
（2）遥感中常用的电磁波段：
可见光、红外线、微波是RS中常用的三大波段。
紫外线（UV）：
波长范围是0.01m～0.38m（1m=10-6m），其中波长<0.3m的能量被大气层吸收，只有0.3～0.38m。
由于紫外线在大气中传输时受到很大衰减，在RS中很少被应用。
一般只用来探测海面石油污染的范围和油膜厚度，以及测定碳酸盐岩分布。
紫外线从空中可探测的高度<2000m，对高空遥感不适用。
可见光（VI）：
可见光波长范围是0.38m～0.76m，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成，是摄影方式常用的遥感波段，可以粗分为蓝、绿、红三色：
蓝：
0.38m～0.50m；
绿：
0.50m～0.60m；
红：
0.60m～0.76m。
可见光是RS中最早和最常使用的波段。
红外线（IR）：
波长是0.76m～1000m，可分为4个光谱段：
近红外（NIR）：
0.76m～3m，在性质上与可见光相似，在RS技术中采用摄影和扫描方式，可接收和记录光红外反射。
中红外（MIR）：
3m～6m，
远红外（FIR）：
6m～15m，热红外（产生热感的原因）
超远红外（MIR）：
15m～1000m，
红外线也是RS中常用的波段之一，使用率仅次于可见光。
红外RS采用热感应方式探测地物本身的热辐射。
红外线在云、雾、雨中传播时，受到严重的衰减，因此红外RS不是全天候RS，不能在云、雾、雨中进行，但不受日照条件的限制。
微波：
1mm～1m的无线电波。
微波和红外两者的特征相似，都属于热辐射性质。
微波能穿透云雾、小雨，是全天候遥感，昼夜均可进行。
微波对植被、冰雪、干沙、干土均有较强的穿透力，常被用来探测被冰雪、植被、沙土所遮掩的地物。
RS技术使用电磁波段分类名称和波长范围
名称
波长范围
紫外线
0.01～0.38m
可见光
0.38～0.76m
红外线
近红外
0.76～3m
中红外
3～6m
远红外
6～15m
超远红外
15～1000m
微波
毫米波
1～10mm
厘米波
1～10cm
分米波
1～10dm
紫
0.38～0.43um
蓝
0.43～0.47um
青
0.47～0.50um
绿
0.50～0.56um
黄
0.56～0.59um
橙
0.59～0.62um
红
0.62～0.76um
3．大气窗口：
电磁波在进入地球之前必须通过大气层，在通过大气层时，约有30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间，约有17%被大气吸收，22%被大气散射。
仅有31%的太阳辐射直射到地面。
大气吸收：
太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段由吸收作用，引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气，从而形成了在太阳辐射到达地面时电磁波的某些缺失带。
大气散射：
辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射。
散射造成太阳辐射的衰减，散射的强度与波长密切相关。
对于大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段；
对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外波段都有影响，特别是对红外波段的影响；
大气云层中，对可见光只有无选择性散射，云层越厚，散射越强，而对微波来说，则属于瑞利散射，波长越长散射强度越小。
大气折射：
电磁波穿过大气层时，还会出现折射。
大气的折射与大气密度有关，密度越大。
折射率越大，离地面越高，折射率越小。
折射改变了太阳辐射的方向，但不改变太阳辐射的强度。
大气反射：
电磁波传播过程中，若通过两种介质的交界面，还会发生反射现象。
反射主要发生在云层顶部。
由于反射的存在，削弱了电磁波到达地面的强度。
大气窗口的定义：
电磁波在大气中传输时，通过大气层未被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段范围，称为大气窗口。
目前，遥感技术选用的大气窗口，多为下表所列光谱段。
在这六个光谱段内各种地物的反射和发射光谱可以很明显地区别开来。
遥感种常用的大气窗口
序号
波段
波长范围
投射率（%）
特点
1
NUV～可见光
～NIR短波
0.30～1.3m
>70
反射光谱，用于扫描、摄影方式
2
NIR中波
1.40～1.90m
65～95
反射光谱，用于扫描、摄影方式，可用扫描仪和光谱仪，不能用胶片摄影
3
NIR长波
2.05～3.00m
>80
同上
4
MIR
3.50～5.50m
60～70
反射和发射光谱，用于扫描方式
5
FIR
8～14m
>80
热辐射，用扫描仪和热辐射计
6
微波
8～25cm
80～100
发射光谱，全天候，透射率高
图2-4遥感种常用的大气窗口
4。
地物的光谱特性
（1）意义：
地物的光谱特性是RS技术的重要理论基础。
因为它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是RS数据正确分析和判读的理论基础，同时也可作为利用电子计算机进行数字图象处理和分类时的参考标准。
（2）含义：
自然界中的任何地物都具有本身的特有规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；具有发射红外线、微波的特性（都能进行热辐射）；少数地物具有透射电磁波的特性。
地物的反射光谱特性：
反射率大小与入射光的波长、入射角大小及地物表面粗糙度等有关。
其中，地物的反射率随入射波长变化的规律是地物反射光谱特性的主要反映。
一般地，反射率大，传感器记录的亮度值大，在象片上呈现的色调浅；反之，反射率小，传感器记录的亮度值小，在象片上呈现的色调深。
地物的反射率：
地物的反射能量与入射的总能量之比。
辐射能量入射到任何地物表面上，会出现三种过程：
反射、吸收、透射。
根据能量守恒定律：
P=P+P+P①
其中：
P为入射总能量；P为地物的反射能量；
P为地物的吸收能量；P为地物的透射能量。
由①式可得：
1=P/P+P/P+P/P
设：
=P/P100%，=P/P100%，=P/P100%，
因此1=++，对于不透明的地物=0，则=1②
②式表明：
反射率高的地物，吸收率低。
地物的反射率可以测定，吸收率通过反射率推求。
地物的反射光谱曲线：
地物的反射率随入射波长变化的规律。
以波长为横坐标，反射率为纵坐标，绘成的曲线图称为地物反射光谱曲线。
水：
一般地，水的反射率很低，小于10%。
纯净水反射率在蓝光谱段最高。
雪：
在可见光的大部分区域（0.38～0.70μm）内，雪的反射率都很高。
云：
与雪接近（在可见光到近红外短波段）。
在近红外中波段（1.55～1.75μm）和长波段（2.10～2.35μm），云的反射率远远大于雪的反射率。
图2-5典型地物的光谱反射特征图2-6植物反射光谱曲线
图2-7不同颜色叶子的植物反射光谱曲线图2-8不同类型的植物反射光谱曲线
图2-9遭受不同程度损害的植物反射光谱曲线图2-10水分含量对玉米叶子反射率的影响
植物：
在蓝光波段（0.38～0.50μm）反射率低，绿光波段（0.50～0.60μm）的中点0.55μm左右，形成一个反射率小峰，这就是植物叶子呈绿光的原因。
在红光波段（0.60～0.76μm），起先反射率甚低，在0.65μm附近达到一个低谷，随后又上升，在0.70～0.80μm反射率陡峭上升，到0.80μm附近达到最高峰。
影响植物反射率的主要因素包括叶色、细胞结构和含水量等。
地物的发射光谱特性：
任何地物当温度高于绝对温度0K时，就存在着分子运动，不断地向外发射电磁波。
实际上，世界上任何物体的温度都高于0K（0K=273.15℃）。
所以，任何物体都有热辐射。
黑体热辐射定律：
黑体辐射通量密度，可以用普朗克公式表示：
式中，c为真空中的光速；
k为玻尔兹蔓常数，k=1.3810-23J/K；
h为普朗克常数，h=6.6310-34Js；
M为辐射出射度。
单位为wcm2m1
辐射通量密度随波长连续变化，曲线只有一个最大值；
温度愈高，辐射通量密度也愈大，不同温度的曲线不相交；
随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。
由普朗克公式可以导出黑体辐射的两个定律：
史蒂芬—玻尔兹曼辐射定律和维恩位移定律，以及一般地物的辐射定律——基尔霍夫定律。
史蒂芬—玻尔兹曼辐射定律：
将普朗克公式对波长在0到范围内作定积分，可以得到：
黑体在温度T下的总发射度：
M黑（T）=σT4
其中：
σ为常数，σ=5.670×108瓦米2开4（wm2K4）
表明：
黑体总辐射度与温度的4次方成正比。
维恩位移定律：
对普朗克公式中求导，可以得到以下公式：
maxT=b，其中：
b为常数，b=2.898×103mK
说明：
黑体辐射峰值波长与绝对温度成反比，温度升高时，峰值波长变短，即向短波方向移动。
基尔霍夫定律：
在任何一个给定的温度T下，任何一个物体的发射度M（T）与其吸收率（T）之比都等于同一温度下的黑体的发射度M黑（T），即：
M（T）/（T）=M黑（T），即（T）=（T），发射率=吸收率，（T）=M（T）/M黑（T）。
三类发射体：
按发射率（恒等于吸收率）的大小及其与波长的关系，可以把物体分为：
绝对黑体：
任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率恒等于1的物体；
灰体：
任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率都小于1，且不随波长而变化的物体。
其光谱发射率是一个与波长无关的常数。
选择性发射体：
光谱发射率随波长而变化的物体。
此外，如果一个物体的光谱发射率和光谱透射率恒等于0，而反射率恒等于1，称为绝对白体（简称白体）。
地物的发射波谱特性：
地物的发射率与地物表面的粗糙度、颜色和温度等有关。
地物表面粗糙或颜色发暗，其发射率就高，反之则低；
比热大的、热惯性大的以及有保湿作用的地物，其发射率就大；反之就小。
几种地物在红外波段和微波波段中的光谱发射率（%）
波长
红外
微波
4um
10um
3mm
3cm
水体
92
99
63
38
干沙
83
95
86
90
混凝土路面
91
91
92
86
沥青路面
92
92
98
98
钢
60~90
60~90
0
0
地物的透射光谱特性：
入射电磁波穿透物体的能量与入射总能量的比值为透射率。
如水、冰、玻璃能称为透明物。
如水体对0.450.56m
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