第一章 空间信息技术基础知识.docx

1、第一章 空间信息技术基础知识第1章 空间信息技术相关基础知识1.1 遥 感1.1.1遥感基本概念广义而言，遥感（Remote Sensing）泛指各种非直接接触的、远距离探测目标的技术。主要根据物体对电磁波的反射和辐射特性对目标进行采集，利用声波、引力波和地震波等也都包含在广义的遥感之中。通常人们所认为的遥感的概念是指：从远距离、高空，以至外层空间的平台（Platform）上，利用可见光、红外、微波等遥感器（Remote Sensor）,通过摄影、扫描等各种方式，接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的综合技术。利用遥感技术，通过观测电

2、磁波，从而判读和分析地表的目标及现象，是利用了物体的电磁波特性，即“一切物体，由于其种类及环境条件的不同，因而具有反射或辐射不同波长的电滋波的特性”。所以遥感也可以说是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测电滋波达到识别物体及物体存在的环境条件的技术。远距离感测地物环境反射或辐射电磁波的仪器，叫做遥感器，照相机、扫描仪等即属于此类。装载遥感器的运载工具，叫做遥感平台，如飞机、飞艇和人造卫星等。遥感这一词汇是20世纪60年代在美国创造的技术用语，它是用来综合以前所使用的摄影测量、像片判读、地质摄影而提出的。特别是1972年，随着第一颗地球观测卫星Landsat的发射成功而迅速得到普及。

3、遥感研究的内容，由于应用领域及其所研究的对象的千差万别而显得形形色色，但它们都是通过接收电磁波，来识别和分析地表的目标及现象的。因此，利用遥感技术，就是利用了物体的电磁波特征，即一切物体，由于其种类及环境条件的不同，因而具有反射或辐射不同波长电磁波的特性。从理论上讲，对整个电磁波波段都可以进行遥感（表1.1），但是由于受到大气窗口和技术水平的限制，目前只能在有限的几个波段上进行，其中最重要的波段为可见光和近红外波段、中红外和热红外波段、微波波段等。在这些遥感波段上，物体所固有的电磁波特性还要受到太阳及大气等环境条件的影响，因而遥感器接收到目标反射或辐射的电磁波后，还需进行校正处理及解译分析，才

4、能得到各个领域的有效信息。表1.1 电滋波的分类名称名 称波长范围频率范围紫外线10nm0.4m7503,000THZ可见光线0.40.7m430750THZ红外线近红外短波红外中红外热红外远红外0.71.3m1.33m38m814m14m1mm230430THZ100230THZ38100THZ2238THZ0.322THZ电波亚毫米波0.11mm0.33THZ微波毫米波（EHF）厘米波（SHF）分米波（UHF）110mm110cm0.11m30300GHZ330GHZ0.33GHZ超短波（VHF）短 波（HF）中 波（MF）长 波（LF）超长波（VLF）110m10100m0.11km11

5、0km10100km30300MHZ330MHZ0.33MHZ30300KHZ330KHZ1.1.2 遥感的主要分类按遥感平台的高度分类 大体上可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感三种。航天遥感又称太空遥感（space remote sensing）泛指利用以各种太空飞行器为平台的遥感技术系统，以地球人造卫星为主体，包括载人飞船、航天飞机和太空站，有时也把各种行星探测器包括在内。卫星遥感（satellite remote sensing）为航天遥感的组成部分，以人造地球卫星作为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。航空遥感泛指从飞机、飞艇、气球等空中平台对地观测的遥感技术系统

6、。地面遥感主要指以高塔、车、船为平台的遥感技术系统，地物波谱仪或传感器安装在这些地面平台上,可进行各种地物波谱测量。按所利用的电磁波的光谱段分类 可分为可见光/反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感三种类型。可见光反射红外遥感，主要指利用可见光（波长0.4-0.7微米）和近红外（波长0.7-2.5微米）波段的遥感技术统称，前者是人眼可见的波段,后者即是反射红外波段，人眼虽不能直接看见,但其信息能被特殊遥感器所接受。它们的共同的特点是，其辐射源是太阳，在这二个波段上只反映地物对太阳辐射的反射，根据地物反射率的差异，就可以获得有关目标物的信息，它们都可以用摄影方式和扫描方式成像。热红外遥感，指通过红外

7、敏感元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术的统称。遥感中指8-14微米波段范围。地物在常温（约300K）下热辐射的绝大部分能量位于此波段，在此波段地物的热辐射能量，大于太阳的反射能量。热红外遥感具有昼夜工作的能力。微波遥感，指利用波长1-1000毫米电磁波遥感的统称。通过接收地面物体发射的微波辐射能量，或接收遥感仪器本身发出的电磁波束的回波信号，对物体进行探测、识别和分析。微波遥感的特点是对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天候工作。按研究对象分类 可分为资源遥感与环境遥感两大类。资源遥感：以地球资源作为调查研究的对象的遥感方法和

8、实践，调查自然资源状况和监测再生资源的动态变化，是遥感技术应用的主要领域之一。利用遥感信息勘测地球资源，成本低，速度快,有利于克服自然界恶劣环境的限制，减少勘测投资的盲目性。环境遥感：利用各种遥感技术，对自然与社会环境的动态变化进行监测或作出评价与预报的统称。由于人口的增长与资源的开发、利用，自然与社会环境随时都在发生变化，利用遥感多时相、周期短的特点，可以迅速为环境监测、评价和预报提供可靠依据。按应用空间尺度分类 可分为全球遥感、区域遥感和城市遥感。全球遥感：全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感的统称区域遥感：以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程，它通常按行政区划（国家、省区等）

9、和自然区划（如流域）或经济区进行。城市遥感：以城市环境、生态作为主要调查研究对象的遥感工程。1.1.3目前遥感技术发展的特点（1）追求更高的空间分辨率。目前空间分辨率，多波段为20m，全色波段为10m，但已有好几颗卫星计划装载空间分辨率优于10m的遥感器。（2）追求更精细的光谱分辨率。目前星载遥感器的光谱率大约为可见近红外波段略优于100nm（10-4 m），在热红外波段约为200nm左右，而机载的成像光谱仪已达到可见光、近红外波段约10nm，热红外波段约30nm左右，整个波段数已达到256个波段。美国制定的EOS计划（地球观测计划）就包括有中分辨率和高分辨率的成像光谱仪。（3）综合多种遥感器

10、的遥感卫星平台。一颗卫星装备多种遥感器，既有高空间光谱分辨率，窄成像带的遥感器，适合于小范围详细研究，又有中低空间、光谱分辨率、宽成像带的遥感器，适合宏观快速监测，二者综合，服务不同的需求目的。（4）多波段、多极化、多模式合成孔径雷达卫星。合成孔径雷达具有全天侯和高空间分辨率等特点。目前已有几颗卫星装备有单波段、单极化的合成孔径雷达。1995年11月4日加拿大发射的Radarsat（雷达卫星）就具有多模式的工作能力，能够改变空间分辨率、入射角、成像宽度和侧视方向等工作参数。1995年美国航天飞机两次飞行试验了多波段、多极化合成孔径雷达。（5）斜视、立体观测、干涉测量技术的发展。可见光斜视、立体

11、观测可以用于卫星地形测绘,干涉测量技术是利用相邻两次的合成孔径雷达影像进行地形测量和微位移形变测量的技术。目前法国的SPOT卫星已具备斜视立体观测能力，进行地形测绘的技术取得重大进展，但仍未完全实用化。干涉测量技术在欧空局的ERS-1卫星C波段SAR计划中进行过实验。法国一个小组利用这项计划研究了火山爆发后火山锥的变化，但这项技术仍有待研究发展。1.1.4 电磁波及其波谱描述电磁波主要有4个量：频率（波长）、传播方向、振幅和偏振。振幅的平方就是强度，对应着遥感影像中的强度、亮度。传播方向在遥感系统中也起着重要作用，主要是涉及到辐射源、地物和遥感平台间三者的位置关系。 偏振是指电磁波的电场振动的

12、方向,对于可见光和红外遥感，尚没有开发利用这个性质。在微波遥感中，偏振被称为极化，对于雷达，考虑到发射和接收各有水平和垂直极化两种选择，共有4种组合， 极化是微波遥感中的一个重要参数。频率、波长二个量有密切关系， f = v， v是电磁波在传播媒介中的传播速度，在真空中的速度就是常说的光速C=2.998108m/s，在空气中的传播速度接近于光速。电磁波的频谱很宽，波长从小于10-10 m 到104 m 以上， 相对应的频率从1015 Hz 以上到100，跨度达15个数量级。遥感波段的辐射源不同，辐射与地物相互作用的机理就不同，因此所反映的信息也不同。在可见光、近红外波段，主要反射太阳的辐射，遥

13、感信息所反映的主要是地物的反射率。地物反射率除了反映地物固有的性质之外，更主要的是有方向性，与辐射源所处的方位以及遥感器的方位都有关。反射率的另一个特点是所谓的谱特性，就是说反射率还随波长变化而变化。日常生活中各种物体呈现五彩缤纷的色彩，就是因为其吸收反射光谱特性而表现出来的。我们能够利用遥感信息识别不同地物的一个根本原因就是因为各种地物间光谱特性具有一定的差异。但是相近的物质其光谱反射率曲线形状相似，这给遥感信息的识别分类带来了困难。而一些环境因子（如水份含量多少）或混合物中组分的变化导致光谱反射率曲线在某些特定波长处的波谷波峰强度变化，这种强度变化与组分含量有定量关系存在，这正是遥感定量分

14、析的基础。对于热红外波段，主要是地物自身的热辐射，按照热辐射理论，所遥感的信息是地物的辐射亮温，它与地物的物理温度和发射率有关。地物的物理温度一方面随时间有周期性变化，另一方面不同地物由于自身热力学特性（吸收率、热传导、热容量等）不同，而具有一定的空间分布。被动式微波遥感（微波辐射计）同热红外遥感相似，只是在微波波段地物的辐射能量更加微弱，因而空间分辨率更低。微波波长比红外波长更长，其发射率对介电特性的依赖更大。主动式微波遥感（雷达）则反映了地物的后向散射特性，这主要与物体的复介电常数有关（最敏感的因素是水分的含量及水的状态（相）；另外还与地物的几何形态有关，如连续表面的粗糙程度，离散散射体的

15、排列、取向、密度等。1.1.5 遥感器（Remote Sensor）遥感器也称传感器、探测器，是远距离感测地物环境辐射或反射电磁波的磁仪器，通常安装在不同类型和不同高度的遥感平台上。按遥感器本身是否带有电磁波发射源可分为主动式（有源）遥感器和被动式（无源）遥感器两类。主动式的遥感器向目标物发射电磁波，然后收集目标物反射回来的电磁波的遥感器，目前，在主动式遥感器中，主要使用激光和微波作为辐射源；被动式的是一种收集太阳光的反射及目标，自身辐射的电磁波的遥感器，它们工作在紫外，可见光，红外，微波等波段，目前，这种传感器占太空遥感器的绝大多数。按遥感器记录数据的不同形式，它又可分成像遥感器和非成像遥感

16、器，前者可以获得地表的二维图像；后者不产生二维图像。在成像传感器中又可分细分为摄影式成像遥感器（相机）和扫描式成像遥感器，相机是最古老和常用的遥感器，具有信息贮存量大，空间分辩率高、几何保真度好和易于进行纠正处理。空间扫描方式和物空间扫描方式两种。前一种方式的代表是电视报像机，后一种方式的代表是光机扫描仪。推帚式扫描仪（固体扫描仪,也叫CCD摄影机）是两种方式的混合，即在行进的重直方向上是 图像平面扫描,在行进方向上是目标平面扫描。从可见光到红外区的光学领域的遥感器统称光学遥感器，微波领域的传感器统称微波遥感器。地表物质的组成极为复杂多样，要充分探测它的各方面特性，最理想的办法无疑是全波段探测

17、，因为单一波段的探测只能反映某几个方面特性，常常遗失掉可能是主要的信息内容，不能反映出目标的全貌，对以后的目标识别造成困难等等，但全波段探测需要的设备太多太复杂在实践中未必可能，也不一定必要，目前的做法是采用若干个典型的波段，对同一个目标同时进行探测的信息量可以充分了解它的特性，而又不使设备太庞大太复杂，这就是所谓多光谱遥感技术，这是当前遥感器的主要工作方式之一。1.1.6 遥感平台种类 遥感平台是指装载遥感器的运载工具，按高度，大体可分为地面平台，空中平台和太空平台三大类。地面平台包括三角架、遥感塔、遥感车（船）、建筑物的顶部等，主要用于在近距离测量地物波谱和摄取供试验研究用的地物细节影像；

18、空中平台包括在大气层内飞行的各类飞机、飞艇、气球等，其中飞机是最有用、而且是最常用的空中遥感平台；太空平台包括大气层外的飞行器，如各种太空飞行器和探测火箭。在环境与资源遥感应用中，所用的航天遥感资料主要来自于人造卫星。在不同高度的遥感平台上，可以获得不同面积，不同分辨率的遥感图像数据。在遥感应用中，这三类平台可以互为补充、相互配合使用。各类遥感平台见表1.2。表1.2 可应用的遥感平台遥感平台高 度目的用途其它静止卫星36,000km定点地球观测气象卫星（GMS等）圆轨道卫星（地球观测卫星）500km1,000km定期地球观测Landsat、SPOTMOS等航天飞机240km350km不定期地

19、球观测空间实验无线探空仪100m100km各种调查（气象等）高高度喷气机10,000m12,000m侦察、大范围调查中低高度喷气机500m8,000m各种调查航空摄影测量飞 艇500m3,000m空中侦察、各种调查直升机100m2,000m各种调查、摄影测量无线遥控飞机500m以下各种调查、摄影测量飞机、直升机牵引飞机50m500m各种调查、摄影测量牵引滑翔机系留气球800m以下各种调查索 道10m40m遗址调查吊 车5m50m近距离摄影测量地面测量车0m30m地面实况调查车载升降台1.1.7 遥感应用遥感的应用领域是非常广泛的，从室内的工业测量到大范围的陆地、海洋信息的采集以至全球范围的环境

20、变化监测。在城市和区域的尺度内，可应用于土地开发进展及绿地植被的变化监测等，同时也是掌握沙漠化等全球尺度的自然环境变化的不可缺少的手段。在海洋研究中，可以收集海面水位、混浊状况、植物性浮游生物的分布状况、海面温度等各种信息，同时从遥感得到的波浪信息中还可以测定海面风的风向和风速。在大气研究中，可应用于调查二氧化碳及臭氧等微量成分的组成以及从云图中分析气象现象等领域。随着地球环境时代的到来，遥感也更加显示出其重要性。概括起来有如下应用： 遥感在农业中的应用； 遥感在森林资源调查和经营管理中的应用； 遥感在自然灾害监测中的应用； 遥感在气候和气象中的应用； 遥感在海洋研究中的应用； 遥感在地质中的

21、应用； 遥感在制图中的应用； 遥感在军事上的应用。1.2 地理信息系统1.2.1 地理信息系统的概念GIS是英文Geographical Information System的缩写，中文译为地理信息系统。在英文文献中，也有用Spatial Information System，即空间信息系统，来表示同样的意思。地理信息系统通常泛指用于获取、储存、查询、综合、处理、分析和显示与地球表面位置相关的数据的计算机系统。它的特征有两点：一方面，它是一个计算机系统；另一方面，它处理的数据与地球表面位置相关的。由于古往今来，几乎人类的所有活动都是发生在地球之上，与地球表面位置相关，同时计算机技术也日益完善和

22、普及，所以地理信息系统越来越重要，越来越深入人们的生产和生活之中。 按照国外一些学者（Andrew U. Frank 等人）的观点，地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）由四部分所组成：（1）使用地理信息系统的机构和人；（2）描述地球表面空间分布事物的地理数据，它包括属性数据和空间数据；（3）管理与分析地理数据的软件，如基于矢量的地理信息系统和基于栅格的地理信息系统；（4）输入、存 储、处理和输出地理数据的硬件，如工作站、各类微型计算机、数字化仪、扫描仪等。这是一种广义理解的地理信息系统。狭义理解的地理信息系统是一个具有多种功能的计算机软件系

23、统。从其所起作用与实现目的来看，地理信息系统是建立在统一地理坐标基础上的空间信息系统，它利用地学模型来分析空间数据，对地理环境与自然资源的信息进行管理，并对其动态变化进行预测和预报，从而实现为工农业生产管理和规划服务，为国防军事服务的目的。从计算机实现的技术角度看，地理信息系统是一个用于地理数据采集、管理、查询、计算、分析与可视表现的计算机技术系统。一般所指的地理信息系统是软件系统。从计算机科学角度看，信息系统是由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成的问答系统，智能化的系统还包括知识。硬件包括各类计算机处理机及其终端设备，软件是支持数据与信息的采集、存储、加工、再现和回答用户问题的计算机程

24、序系统，数据则包括定量和定性数据，用户是信息系统所服务的对象，是信息系统的主人。用户分一般用户和从事系统建立、维护、管理和更新的高级用户。从科学角度定义，GIS属于技术学科，它主要涉及地理学、测量学、制图学、摄影测量与遥感、计算机科学。特别是计算机制图、数据库管理、计算机辅助设计、遥感和计量地理学形成了GIS理论和技术基础，计算机辅助设计偏重于图形处理与设计，数据库管理系统主要实现对图形和非图形数据的优化存储、管理和检索，遥感技术是对遥感图像进行处理以提取专题住处的技术地球表面信息的宏观性、综合性、区域性、层次性、分布性、动态性等特点决定着地理信息系统的发展对互联网和环球信息网的必然依赖性。在

25、互联网和全球信息网环境下发展的地理信息系统又称为环球信息网地理信息系统（WebGIS）。1.2.2 地理信息系统的基本内容GIS的内容主要包括：（1）有关的计算机软硬件；（2）空间数据的获取；（3）空间数据的表达及数据结构；（4）空间数据的处理；（5）空间数据的管理；（6）空间数据分析；（7）空间数据的显示与可视化；（8）GIS的应用；（9）GIS的项目管理、开发、质量保证与标准化；（10）GIS机构设置与人员培训等。1.2.3 地理信息系统的主要功能信息系统的四大功能为数据采集、管理、分析和表达（图1.1）。通过对国际和国内商品化的地理信息系统的调查和对比研究，可以发现先进的地理信息系统具有

26、以下的功能，这些功能反映了地理信息系统发展现状：数据采集：地理信息采集（包括地图的输入）可以用数字化仪、图形扫描仪、电子平板测图仪、摄像输入或者从其它系统的磁盘数据文件有选择的输入，计算机通过接口与外部设备连接，获得数据。在利用数字化仪、电子平板测图仪进行地理数据采集时，用户可以随时对输入的地图数据进行修改与编辑，系统能够在任何比例下，在任何地图投影上获得数据，然后将这些数据转换成统一的地图比例尺和相同地图投影的空间数据，存储在数据库中。为了防止地图数字化过程中被移动，系统提供完善的地图位置检测与变换程序，以便保证数据采集的正确性。采用扫描仪采集地图数据时，系统能够通过窗口对地图的任何局部以黑

27、白或者彩色方式扫描， 并能把扫描后获得的图像任意裁剪、粘贴与复制，以多种通用的数据存储。在后处理过程中，能够在较小的人工辅助干预下实现线段跟踪与符号的识别，完成图像格式数据向图形格式数据的转换。数据管理：主要集中在以下方面：提供地理空间数据和属性数据的统一存储、检索、查询、修改功能，并能够在不同范围内对地图进行编辑与复制，具有多幅地图边界拼接功能，半自动实现多幅地图相邻要素的拼接。拼接后的地图为无“缝”地图，可跨越连续的多幅地图进行检索、查询、修改操作。可以将向量（图形）和网格（图像）数据重叠显示在同一屏幕上，供用户判读和分析。提供数据库安全保护机制。根据使用权限来严格限制对数据库的使用操作。

28、 具有特权的超级用户或者系统管理员能够对整个数据库进行读、写、修改与删除等操作；普通的用户只有在指定的数据库工作区才能进行读、写、修改与删除等操作；或者对整个数据库进行查询与读取操作。提供数据库系统恢复机制与历史管理功能，在系统出现故障而重新启动时，恢复机制可将数据库恢复到故障发生前的状态，用户需要时还可将数据库恢复到任意时刻以前的状态。支持客户/服务器模式，实现要素级地理数据库管理。当多个用户对一个地理数据库更新操作时，同一图层中只有被编辑的地理要素与其相邻的地理要素被锁定，同一图层中其它的要素仍可以被其它用户访问。支持多种数据格式的转换功能。提供了与事实上的数据标准格式转换的接口以及向量式

29、数据转换成网格式数据和网格式的数据转换成向量式数据功能。数据的计算与分析，这是地理信息系统的核心功能，通过地理信息系统的计算功能，过去要用手工在地图上与图像上来解决的一些问题，如位置数据的采集，区域面积与周长的量算，空间位置之间的距离量算等，现在使用地理信息系统可以很方便的完成。数据分为地理空间数据分析与地理属性数据分析两大类。目前比较成熟的地理空间数据分析工具包括数字地面模型、网络分析模型、定距离空间搜索（buffur）模型和点、线、多边形的覆盖重叠模型（Overlay）。利用这些模型，可以实现对单个图层或多个图层的操作，产生的结果为地理属性分析提供了新的空间信息单元。经常采用的地理属性数据

30、分析模型有：地理区域与地理类型的划分与分类模型、评价模型与规划模型、动态模拟与预测模型、统计分析模型等。这些模型仅仅提供了数据分析的工具，在具体应用领域，还需要结合具体地理专业知识和实际要求来确定具体的地学模型的系数或参数。可视表现：将地理数据处理与分析结果通过输出设备直观形象地表现出来，供人们观察、使用与分析。依据输出设备的不同，可视表现分为屏幕显示、打印机输出与绘图仪输出等表现形式。屏幕显示具有方便灵活形式多样的表现方式，它可以采用二维、三维图形方式、图像方式来表达空间地物分布与空间分析结果，也可以采用直方图、折线图或者二维表的形式来表现地理属性信息。打印机输出方法也是一种可视表现形式。它

31、将地理数据处理与分析结果通过文本符号与图像形式在纸张上表现出来，是一种方便、廉价的表现形式。绘图仪输出也是一种高精度可视表现形式。它能够将地理数据处理与分析结果以图形的方式予以表现。由于输出费用较高，一般需要通过屏幕模拟显示输出效果，这样在真正输出到绘图仪之前可以检查和修改地图，最后由绘图仪输出。1.2.4 地理信息系统分类信息系统通常包括信息系统、企业管理信息系统、金融信息系统、交通运输信息系统、空间信息系统和其他信息系统等。其中的空间信息系统SIS是一种十分特别而重要的信息系统，它要采集、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据和空间信息系统。由于地球是人们赖以生存的基础，所以GIS是与人类的生存、发展和进步密切关联的一门信息学与技术，受到人们愈来愈广泛的重视。地理信息系统按其范围大小可以分为全球的、区域的和局部的三种。通常GIS主要研究地球表层的若干个要素的空间分布，属于22.5 维GIS，布满整个三维空间建立的GIS，才是真三维GIS。一般也常常将数字位置模型（2维）和数字高程模型（1维）的结合称为2+1维或3维也纳，加上时间坐标的GIS称为4维GIS或时态