地球科学概论.docx

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地球科学概论

地球科学概论

对地观测与地球信息学

1地球表层环境

I.地球表层环境指人类在其中生存与发展的地球表层，即自然地理环境。

自然地理环境的要素组成，包括地质、地貌、气候、水文、土壤、植物和动物。

II.自然地理环境的各种物质成分在以太阳能和地球内能为主的各种环境能量的作用下，形成了各种自然地理组成要素。

每一组成要素都按着自身的规律存在和发展着，而且，各个要素又相互联系、相互作用，使自然地理环境组成为一个特殊的物质体系。

III.圈层结构

A）无机系统：

岩石圈、水圈、大气圈

B）类有机系统：

土壤圈

C）有机系统：

生物圈

IV.时间尺度

A）几百万年至几十亿年

发生于地质历史时期，受地球行星演化规律与进程控制

海陆变化、山脉形成；生命起源；大气圈水圈的形成

B）几千年至几十万年

第四纪晚期和人类历史时期，主要受地球轨道参数变化影响

海平面升降、第四纪冰期-间冰期的交替

C）几年至几百年

受太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、温室效应等影响

全球气温上升、地表侵蚀、植物物候和种群结构变化

D）几天至几个季度（数天到一年内，本质为季节的更替）

E）几秒至几小时（日变化）

V.空间尺度

A）全球尺度：

空间范围在20000km以上，约相当于半球至全球尺度

如：

全球温室效应

B）区域尺度：

空间范围在100km以上，相应的地域单元有大陆、大洋、陆地上的自然地带和自然地区、海区

特征事件有季风和大型天气过程、海流、造山运动等

C）地方尺度：

空间范围在10km以上

特征事件有地震、水土流失、城市气候和大气污染

D）局地尺度：

空间范围在数千米以下

特征事件火山爆发、小流域地表侵蚀

VI.时空尺度的相关性

较大空间尺度的事件和过程，其时间尺度的范围也较大；较小空间尺度的时间和过程，其时间尺度的范围也较小

VII.地球表层系统的驱动力

A）太阳辐射

1）性质：

外部驱动力

2）时空不均匀分布与能量交换

B）地球内能

1）火山活动

a）大气成分改变

b）形成气溶胶层（大气降温，“阳伞效应”）

2）地幔对流

3）放射性元素

C）人类活动

1）改变自然物质含量的比例关系

2）改变自然物质的赋存位置

3）带给自然界原来不存在的物质

VIII.各圈层相互作用

A）海、陆、气两两之间都能进行相互作用，伴随热量交换和动量交换

B）人类活动与生存环境之间也有相互作用

1）人类社会从环境中攫取自然资源，改变他们在自然界中所处的位置，造成环境退化，并向环境中排放污染物质；

2）环境对人类资源需求量的限制，对污染物排放量的限制，以及环境退化和环境污染对人类生活质量的影响。

2自然地理环境的有关规律

I.整体性规律

A）指自然地理环境各组成要素以及各组成部分之间内在联系的规律性。

自然地理环境组成要素或各组成部分相互联系、相互作用，构成一个有机整体；其中某一要素会影响其他要素，某一部分会影响其他部分。

B）作为一个有机整体，自然地理环境具有各单独组成要素或各单独组成部分所不具备的统一的结构和功能。

因此，不能把个别成分各自特征的组合代替整体的特征，把个别成分各自作用的叠加作为整体的作用。

II.节律性规律

A）自然地理过程（及其现象）随时间重复出现的变化规律。

B）在发展背景上的重复，是递进中的循环。

C）类型

1）周期性节律

a）按严格的时间间隔重复变化

b）发生在地球自转和公转及地表光、热、水周期性变化的基础上

c）节律：

昼夜节律/季节节律

2）旋回性节律

a）以不等长的时间间隔为重复周期

b）范例：

1.地质旋回

a.在每一个时期里，地壳运动仿佛重复着上一时期运动过程的特点。

例如，每一个地质时代的首末总是以大规模的地壳上升、强烈的褶皱和造山运动、大陆广泛发展以及气候的变异等等为其特征，而在每一地质时期其间都以地壳长期的相对稳定、持续的剥蚀夷平和沉积作用、稳定的气候等等为其特征。

b.地质旋回具有级别不同的周期，它们对应于相当的地质年代单位。

2.气候旋回

a.世纪内旋回：

是波动周期较短的气候旋回，其旋回周期在几年至几十年的范围内。

b.超世纪旋回：

其旋回周期在100年至10000年之间。

目前在世界上已被确定的世界范围内的超世纪旋回是1800~1900年为周期的气候旋回。

c.冰期-间冰期旋回：

这是波动周期在1万年以上，甚至超过100万年的气候旋回。

最长的周期可达4000~8000万年之久。

近7亿年来地球表面曾有几个时期广泛分布了冰川，气候明显变冷，出现大量冰碛物，这些时期称为冰期。

在两个冰期之间的间冰期，冰川面积退缩，气候转暖。

3）阶段性节律

a）生物自身特性所形成的节律

b）表现形式为突变性的重复

c）生物生长节律

每种生物的生命运动，其生长过程总是经历着个体的出生、成长和衰亡，而子代个体又重复这一类似的过程。

这样，一定区域的生物类群便遵循着各自的生命长短呈阶段性的节律变化。

d）生物进化节律

地球生物界的进化不是匀速渐变的，而是表现为阶段性的突变和跃升。

III.分异性规律

A）地域性

1）地域分异，是指自然地理环境各组成要素或自然综合体沿地表按确定方向有规律地发生分化所引起的差异。

支配这种分化现象的客观规律也就称为地域分异规律。

2）反映整个自然环境各个部分的空间分化。

3）规模

a）大尺度：

大陆层次（一个大陆或一个洲）

b）中尺度：

区域层次（约106km2）

c）小尺度：

局地层次（小于几百平方公里）

4）基本因素与基本规律

a）基本因素：

太阳辐射，地球内能

b）规律：

1.地带性

a.由太阳辐射在地表分布不均而引起的地域分异

b.纬向地带性与经向地带性

i.纬向地带性

a.产生南北向的分化

b.大气降水土壤和生物

ii.经向地带性

a.非地带性规律在地表的具体表现

b.自然地理要素或自然综合体大致沿经线方向延伸，按经度由海向陆发生有规律的东西向分化。

iii.垂直地带性

a.自然地理要素及自然综合体大致沿等高线方向延伸，随地势高度发生垂直更替的规律。

它同时受到两种基本地域分异因素作用，是叠加了地带性影响的非地带性在地表垂直方向的具体表现。

b.垂直地带性与纬向地带性及经向地带性相互作用共同支配着自然地理环境三度空间地域分异，被合称为“三维地带性”。

c.构造隆起和山地地形是产生垂直地带的前提条件。

d.垂直自然带：

在垂直地带性规律支配下，具有一定高度的山体所产生的由下而上的带状更迭，称之为垂直自然带。

2.非地带性

a.由于地球内能作用而产生的海陆分布、地势起伏、构造活动等区域性分异，称为非地带性。

b.非地带性的典型表现是地表的构造区域性

3.地带性与非地带性的关系

地带性的能量来自太阳辐射，非地带性的能量来自地球内能，因此地带性因素和非地带性因素互不从属，两者具有矛盾性；但它们又共同作用于自然地理环境中，两者存在着互相制约的联系，具有统一性。

这两种基本的地域分异规律的矛盾统一性在不同规模的地域上发生作用，才使得自然地理环境产生复杂的空间分化。

3遥感原理

I.概念

A）广义：

广义理解，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、地震波等的探测被划为物探（物理探测）的范畴。

因而，只有电磁波探测属于遥感的范畴。

B）狭义：

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。

II.遥感技术系统

A）遥感过程的要素

1）能量来源：

电磁能量（EnergySourceorIllumination）

2）辐射与大气（RadiationandtheAtmosphere）

3）与目标的作用（InteractionwiththeTarget）

4）记录电磁辐射（传感器）（RecordingofEnergybytheSensor）

5）传输､接收与处理（Transmission,Reception,andProcessing）

6）解释与分析（InterpretationandAnalysis）

7）应用（Application）

B）组成

1）传感器（sensor）

a）接收从目标中反射或发射来的电磁波的装置

b）类型：

1.成像传感器

a.摄影传感器

b.扫描成像传感器

c.雷达成像传感器

2.非成像传感器

2）遥感平台（remoteplatform）

a）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

b）按高度分：

近地平台、航空平台、航天平台

c）可单独使用，或配合使用，组成多层次立体观测系统

3）遥感卫星地面站

a）任务：

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、数据处理方法及相关技术的研究

b）生产运行系统：

包括接收站、数据处理中心和光学处理中心

c）数据的传送和接收

1.跟踪卫星、传送接收卫星数据。

2.覆盖区：

直接实时传送

3.非覆盖区：

通过数据记录器、跟踪与数据中继卫星

d）数据加工：

进行复杂的辐射校正及几何校正处理，消除畸变，恢复图像，提供给用户使用。

III.遥感的分类

A）分类标准：

1）工作平台

a）地面遥感

b）航空遥感

c）航天遥感

2）电磁波工作波段

a）紫外遥感：

0.05~0.38μm

b）可见光遥感：

0.38~0.76μm

c）红外遥感：

0.76~1000μm

（可见光遥感和近红外遥感合称光学遥感）

d）微波遥感：

1mm~10m

3）传感器

a）主动遥感（activeremotesensing）：

传感器从遥感平台主动发射出能源，然后接收目标反射或辐射回来的电磁波

b）被动遥感（passiveremotesensing）：

传感器不向目标发射电磁波，仅接收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）数据获取方法

a）成像遥感：

将目标电磁辐射转换成可以显示为图像的遥感数据；

b）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）波段宽度和光谱连续性

a）宽波段遥感（常规遥感）：

波段宽度一般大于100nm，且波段不连续;

b）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

6）应用领域

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、军事遥感、考古遥感……

IV.遥感的特点

A）宏观观测，大范围获取数据资料

LANDSAT185*185公里SPOT60*60公里

B）动态监测，快速更新监控范围数据

LANDSAT16天，NOAA每天两次

C）技术手段多样，可获取海量数据

不同波段、传感器、分辨率；1景TM（7波段）270MB，覆盖全国：

135GB

D）数据的综合性和可比性

综合信息，传感器和信息记录向下兼容

E）应用领域广泛，经济效益高

LANDSAT经济投入与效益比为1：

8或更大

F）局限性

波段范围有限，反映的特征

V.遥感发展简史

A）最早使用“遥感”一词的是美国海军研究局的艾弗林·普鲁伊特（Evelyn.L.Pruit,1960）。

1961年，在美国国家科学院（NationalAcademyofSciences）和国家研究理事会（NationResearchCouncil）的资助下，于密歇根大学（UniversityofMichigan）的威罗·兰（WillowRun）实验室召开了“环境遥感国际讨论会”，此后，在世界范围内，遥感作为一门新兴的独立学科，获得飞速的发展。

B）发展阶段：

1）无记录的地面遥感阶段（1608~1838年）：

望远镜

2）有记录的地面遥感阶段（1839~1857年）：

摄影技术的发明，并与望远镜相结合为远距离摄影

3）空中摄影遥感阶段（1858~1956年）

a）1858年,G.F.陶纳乔（GasparddFelixTournachon）用系留气球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰”像片

b）一战、二战：

军事侦察航空摄影

c）微波雷达、红外

4）航天遥感阶段（1957~）

a）1957-10-04苏联第一颗人造地球卫星的发射成功，标志着人类从空间观测地球和探索宇宙奥秘进入了新的纪元；1959年9月美国发射的“先驱者2号”探测器拍摄了地球云图，同年10月苏联的“月球3号”航天器拍摄了月球背面的照片。

真正从航天器上对地球进行长期观测是从1960年美国发射TIROS1和NOAA-1太阳同步气象卫星开始的

5）陆地卫星：

1972年

6）平台、传感器、信息处理（包括软件）、应用

C）中国遥感事业发展

1）20世纪30年代，于个别城市进行过航空摄影，系统的航空摄影从20世纪50年代开始，主要应用于地形图的制图、更新，在铁路、地质、林业等领域的调查、勘测、制图等方面起到重要的作用。

2）20世纪70年代以来，遥感事业有了长足进步。

a）引进、培训

b）应用大项目：

1.“六五”开始进展

2.全方位，软硬件、技术算法遥感机构

3.各部门、教育、出版物

D）趋势与展望

1）多分辨率多遥感平台并存，空间分辨率、时间分辨率及光谱分辨率普遍提高

2）新型传感器不断出现，微波遥感、高光谱遥感、高分辨率遥感迅速发展

3）遥感综合应用不断深化

4）商业遥感时代的到来

a）各国研制遥感卫星，向商用化转移，私营企业参与或独立进行研制、发射、运行，提供服务

b）鼓励高分辨率卫星计划，1~5m，私营公司所有

c）IKONOS，QUICKBIRD，ORBVIEW，EROS（以）

4遥感电磁辐射基础

I.电磁波谱与黑体辐射

A）电磁波及其传输特性

1）电磁波是电磁振动的传播。

当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射

2）电磁波是横波，质点的振动方向与波的传播方向垂直

B）电磁波的性质

1）与光波相同，真空中速度为299792458m/s

2）在介质的分界面发生以下现象：

a）反射，镜面反射/漫反射

b）折射

c）吸收

d）透射，从入射延伸方向射出介质

3）发射

4）能量关系

a）反射、吸收和透射的能量和等于入射的总能量

b）反射率=（反射能量/入射总能量）*100%

c）吸收率=（吸收能量/入射总能量）*100%

d）透射率=（透射反射能量/入射总能量）*100%

5）散射：

辐射传播中，若遇到小粒子，会向四面八方散去，电磁波强度和方向发生各种变化，即散射。

强度随波长改变。

6）偏振：

振动方向随时间改变，在与传播方向垂直的平面变化。

振动方向不随时间变化，称线偏振

C）电磁波谱

D）黑体辐射与实际物体辐射

1）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，与温度和波长无关。

达到最大的吸收，最大的发射

2）维恩位移定律

a）当绝对黑体的温度升高时，单色辐射出射度最大值对应的波长λ向短波方向移动

b）

c）波长越长，最强辐射波长越短

3）实际物体的辐射

a）实际物体的辐射不同于绝对黑体的辐射，在相同温度下，实际物体的辐射出射度（辐射通量密度）比绝对黑体的要低。

b）地物发射某一波长的辐射出射度（辐射通量密度）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（emissivity）（也称比辐射率），即：

c）发射率值介于0和1之间，作为比较一辐射源接近黑体的程度。

d）不同地物有不同的

，同一地物在不同波段的波谱发射率也不同。

II.太阳辐射和地球辐射

A）太阳辐射和地球辐射的分段性

1）太阳辐射接近于温度为6000K的黑体辐射，最大辐射的对应波长0.47μm，地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为

9.66μm，二者相差较远；

2）太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即0.3~2.5μm，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。

3）地球自身发出的辐射主要集中在波长较长的部分，即6μm以上的热红外区段。

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

B）大气及其对太阳辐射的影响

1）大气分层

2）大气吸收

a）严重影响传感器对电磁辐射的探测，导致太阳辐射强度衰减；

b）吸收作用越强的波段，辐射强度衰减越大，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。

c）在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，增加了向其它各方向的辐射

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

5）

a）折射改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐射的强度。

b）太阳辐射经过大气传输后，主要是反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过部分。

c）遥感传感器只能选择透过率较高的波段（大气窗口）才有意义。

III.地面物体反射光谱（0.4~2.5μm）

A）意义

1）被动遥感在遥感探测中占重要地位，主要为反射太阳辐射

2）可准确识别地面目标

B）反射波谱：

研究地物反射率随波长的变化规律

5遥感光学基础

I.光和颜色

A）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

B）可见光加上紫外和红外部分来自原子和分子的发光辐射，称为光学辐射

II.颜色的性质

A）颜色描述对遥感图象很重要，颜色变换是遥感图象处理的重要方法。

B）所有颜色都是对某段波长有选择地反射而对其它波长吸收的结果

C）颜色的性质由明度（Brightness/Lightness）、色调（Hue）、饱和度（Saturation）来描述

III.加色法/减色法

A）若三种颜色，其中的任一种都不能由其余二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。

实验证明，红、绿、蓝三种颜色是最优的三原色。

B）由三原色混合，可以产生其他颜色，称为加色法。

C）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。

D）减色法是从自然光（白光）中，减去一种或二种基色光而生成色彩的方法。

一般适用于颜料配色、彩色印刷等色彩的产生。

E）减法三原色：

指加法三原色的补色，即黄（Yellow）、品红（Magenta）和青色（Cyan）。

6传感器与成像原理

I.传感器：

是获取地面目标电磁辐射信息的装置，是遥感技术系统中数据获取的关键设备。

A）组成

1）收集器

2）探测器

3）处理器

4）输出器

B）分类

1）按记录方式：

a）成像传感器（摄影成像、扫描成像）、

b）非成像传感器（记录地物的一些物理参数）

2）按传感器工作的波段：

a）可见光传感器

b）红外传感器（光学传感器）

c）微波传感器

3）按工作方式（接收目标自身的热辐射或反射太阳辐射）：

a）主动传感器

b）被动传感器

C）传感器的性能

最具实用意义的是分辨率，它是遥感技术及应用中的一个重要概念，也是衡量遥感数据质量的重要指标

1）光谱分辨率

a）传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。

b）间隔愈小，分辨率愈高

c）传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果

感测人体选择8~12μm,探测森林火灾应选择3~5μm

2）空间分辨率

a）遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸，是用来表征图象分辨地面目标细节能力的指标。

b）通常用像元大小、像解率或视场角来表示。

1.像元（pixel）：

将地面信息单元离散化而形成的格网单元，单位为米，是组成图象的基本单元。

像元越小，空间分辨率越高；

2.像解率（resolution）是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（instantaneousfieldofview,IFOV）:

指传感器的张角及瞬时视域，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。

在遥感图象上表现为每一像元的辐射量化级（D）。

如6bit,7bit,8bit,11bit,……

4）时间分辨率

对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔（重访周期）

II.摄影成像的传感器

A）摄影是通过成像设备获取物体影象的技术。

B）传统摄影依靠光学镜头及放在焦平面的感光胶片记录物体影象。

数字摄影则通过放置在焦平面的光敏元件，经光/电转换，以数字信号记录物体的影象

C）工作波段：

主要为可见光（部分近红外），较多用于航空遥感探测

III.扫描方式的传感器

A）光机扫描仪

它是把搭载扫描仪的飞行平台的移动与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遥感器。

是对地表的辐射分光后进行观测的机械扫描型辐射计。

B）推帚式扫描仪

通过光学系统一次获得一条线的图象，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。

7遥感平台

I.航空遥感系统

A）80km以下

B）气球可携带简单的传感器

1）低空气球：

发送到对流层的气球

2）系留气球：

用绳子系在地面

3）高空气球：

发送到平流层的气球，可达12~40公里

C）飞机最常用、最广泛的航空遥感平台，可携带多种传感器

1）低空飞机：

飞行高度在地面上空2公里以下

2）中空飞机：

飞行高度在地面上空2~6公里

3）高空飞机：

飞行高度为12~30公里

D）特点

1）航空遥感空间分辨率高、信息容量大

2）航空遥感灵活，适用于一些专题遥感研究

3）航空遥感作为实验性技术系统,是各种星载遥感仪器的先行检验者

4）信息获取方便

II.航天遥感

A）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表进行的遥感

B）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）获取同样数量的数据时，费用较低；

4）适于动态监测；

5）分辨率一般低于航空遥感，但已大大改善

8微波遥感

I.大部分微波遥感器是主动方式的

II.特点：

A）具有穿云透雾的能力

B）可以全天候工作

C）对地表面的穿透能力较强

D）具有某些独特的探测能力（海洋参数、土壤水分、地下测量）

III.微波传感器

A）非成像传感器

一般都属于主动遥感系统。

通过发射雷达信号，再接收回波信号测定参数，不以成像为目的：

微波散射计/雷达高度计

B）成像传感器

1）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象：

微波辐射计、侧视雷达、合成孔径雷达