遥感概论 教案.docx

1、遥感概论 教案一、学生情况分析遥感概论这门课是土管14级本科班学生首次接触遥感知识的基础课程，之前对于遥感知识的理论内容从未涉及，只在大一时期学习过土地信息系统课程中数据源遥感图像，如遥感的物理基础、遥感数据平台、光学电磁波的内容均尚未涉及。该专业的培养方案注重学生的地理信息技能人才，本课程应按照培养方案的培养目标，启发和调动本专业同学对遥感知识的兴趣，开拓地理知识，激发同学空间研究潜力，为遥感学科储备人才。二、课程教学目标本课程的主要目的是通过学习使学生掌握遥感的基础知识，在内容上着重于遥感基本原理和方法的介绍。遥感概论课程主要介绍现代遥感技术的发展与最新成果，系统、全面地介绍遥感基本理论与

2、基础知识和遥感技术的基本原理及其应用。教学内容主要包括：遥感的基本概念，遥感的物理基础，传感器，航空遥感数据，地球资源卫星数据，微波遥感数据，热红外遥感数据，高光谱遥感数据，遥感数字图像处理基础，遥感数据预处理，遥感图像处理，遥感图像目视解译原理与方法，计算机遥感图像解译，遥感应用等。通过本课程的学习，可以为后续其它课程的学习打下良好的基础。三、课程教学内容第一章概述主要内容：遥感概念、遥感的特性、遥感的分类、遥感技术系统、遥感的几个基本术语、遥感的发展历程、遥感的现状与趋势、遥感的应用。本章重点：掌握遥感概念、遥感的特性，基本了解遥感的几个基本术语，以及遥感应用。本章无难点。第二章遥感电磁辐

3、射基础主要内容：对电磁波谱进行介绍，了解辐射的基本定律，以及太阳辐射过程，掌握太阳辐射与大气、地面的相互作用，同时介绍了三种遥感模式。本章重点：掌握太阳辐射与大气、地面的相互作用。本章难点：辐射的基本定律，太阳辐射过程。第三章传感器主要内容：了解传感器的组成、传感器的分类，掌握摄影型传感器以及扫描式传感器的知识，了解传感器的发展趋势。本章重点：摄影型传感器以及扫描式传感器，以及常见的扫描式传感器。本章难点：传感器的构造及运行原理。第四章航空遥感数据主要内容：了解航空遥感平台、航空摄影、航空像片的基本知识，及航空像片的立体观测和量测原理，掌握航空像片的目视判读方法，熟练掌握常见地物的像片判读知识

4、。本章重点：常见地物包括水体、植被、居民地、道路的判读规律。本章难点：立体观测与量测的原理。第五章地球资源卫星数据主要内容：地球资源卫星的概述，主要讲解Landsat卫星的知识，包括简介、轨道、各项卫星参数、工作系统、数据特征等方面，同时介绍了卫星遥感数据的目视判读特点及方法步骤，及常见地物的判读规律，最后列举了其它地球资源卫星数据与气象卫星数据的数据特征。本章重点：Landsat卫星有关的内容，其它地球资源卫星与气象卫星数据的介绍。本章难点：Landsat卫星数据的数据特征、工作系统。第六章微波遥感数据主要内容：了解主动微波遥感的传感器，机载侧视雷达的遥感系统，以及星载雷达遥感系统的基本参数

5、，掌握雷达的特点，了解激光雷达的基本知识。本章重点：雷达图像的亮度、波长、穿透力、极化及几何特性，图像的辐射特征。本章难点：雷达的特点。第七章热红外遥感数据主要内容：了解热红外遥感原理，热红外遥感图像特征与解译，热容量制图系统的简介，掌握LandsatTM热红外数据基础知识，热红外遥感数据的应用。本章重点：掌握LandsatTM热红外数据基础知识，热红外遥感数据的应用。本章难点：热红外遥感原理，热红外遥感的辐射定标。第八章高光谱遥感数据主要内容：了解高光谱遥感数据的概述，基本概念和高光谱遥感原理，了解高光谱遥感的传感器，掌握高光谱遥感影像分析技术原理及应用。本章重点：高光谱遥感影像分析技术，高

6、光谱遥感的应用。本章难点：高光谱遥感原理及传感器工作原理，混合光谱分解技术。第九章遥感数字图像处理基础主要内容：掌握遥感数字数据各种存储格式，图像输入与输出，数字图像的统计特征，了解遥感图像的处理软件。本章重点：遥感数字数据的存储格式，图像的统计特征。本章难点：各存储格式的差别。第十章遥感数据预处理主要内容：掌握遥感数字数据特征提取内容及方法，熟练掌握辐射预处理的原理及辐射校正方法，几何误差类型和几何校正原理及方法，校正地面控制点的选取，卫星影像的地图投影，掌握数据融合的几种常用方法。本章重点：辐射校正方法、几何校正方法、地图投影原理、数据融合方法。本章难点：辐射误差和几何误差形成原因，数据融

7、合方法的原理。第十一章遥感图像的增强处理主要内容：了解遥感图像的彩色合成，图像中直方图对比度调整的各种变换方法，单波段黑白遥感图像的密度分割与灰度颠倒，掌握几种领域法增强处理方法的作用原理，及图像间灰度值运算基本原理，掌握以LandsatTM为例的多波段压缩处理方法。本章重点：遥感图像的领域法增强处理，主成分分析法与缨帽变换方法压缩多波段冗余信息。本章难点：密度分割与灰度颠倒原理，领域法增强处理方法的作用原理。第十二章遥感图像的分类主要内容：了解遥感影像分类器的基本介绍，遥感图像的信息类别与光谱类别，熟练掌握非监督分类的特点、方法、运行步骤，监督分类的特点，监督分类训练区选择原则与步骤，监督分

8、类的方法原理及一般步骤，掌握其它分类方法及分类策略，了解分类中应用的辅助数据类型，图像分类的有关问题。本章重点：非监督分类方法，监督分类方法及一般步骤。本章难点：监督分类方法原理，其它分类方法。第十三章分类精度评价主要内容：了解精度的概念与意义，掌握分类误差的来源，误差特征，熟练掌握精度评价方法及误差矩阵的应用。本章重点：精度评价方法及误差矩阵的应用。本章难点：精度评价方法原理，误差矩阵的比较分析。第一讲：概述一、教学目标1.掌握遥感概念、遥感的特性、遥感技术系统2.了解遥感的几个基本术语、遥感的发展历程、遥感的现状与趋势3.了解遥感的应用二、重点与难点分析1.重点：理解遥感概念，了解遥感的特

9、性和遥感技术系统2.难点：无三、教学内容与教学过程1.进行自我介绍姓名，联系方式，专业方向。建议学生用电子邮件方式联系。2.进行课程简介介绍课程的学习目标、参考书及资料、课程教学目标和内容框架、学习方法、作业与实验、考核方式、上课时间与地点等情况，研究性学习的安排。强调本课程与相关课程的关系。教学提示：考核方式为平时占10 %，实验报告占30%，期末笔试占60%。研究性学习任务部分章节会布置，采用分组完成的方式，承接任务的小组或个人应提供本任务的分工、研究结果和收获。3.演示“第一讲”PPT课件，进入主题。(1)解释名词。遥感：遥感（Remote sensing），即遥远的感知，是指不接触目标

10、物用探测仪器接受目标物的电磁波并记录下来，根据其数据处理结果对目标物进行识别、分析、测定、解译的一门技术。相应的英文介绍：The acquisition andmeasurement of data/information on some property(ies) of a phenomenon, object,or material by a recording device not in physical, intimate contact with thefeature(s) under surveillance遥感一词，最早是1960年由美国海军研究局的艾弗林.普鲁伊特所使用，196

11、2式使用，最早是指非摄影的方式取得目标物的数据或图像，后来将摄影和非摄影的方式均包括在内。概念按照广义和狭义分别介绍：广义遥感：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。狭义遥感：是从远处探测感知物体，也就是不直接接触物体，从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息，经过对信息的处理，判别出目标地物的属性。教学提示：遥感即遥远的感知，英文名称为RemoteSensing。利用911前后的纽约世贸中心和汶川地震前后北川的遥感图，解释遥感图前后的差异。(2)解释遥感的特性共有3个特性，分别为空间特性、时相特性、波谱特性，其中：1.空间特性是宏观性，大尺度观

12、测1：1万航空像片可以表示2.3km2.3km范围的地面，连续拍摄的航空像片又可以镶嵌为更大的区域，而卫星影像能覆盖更大的范围，例如Landsat5卫星能扫描地面185km185km的范围，图上是一景TM数据，而左下角是滁州市的位置，形象表示TM一景所覆盖大小。2.时相特性是周期成像，动态监测Landsat5每天环绕地球14.5圈，覆盖地球一遍所需时间16天，如果两颗卫星同时运行，只需8天，气象卫星的周期更短，只有0.5天。航空像片则需要联系飞行机构安排飞行拍摄任务。前面所看到的遥感图正是动态监测最好的例子。3.波谱特性是波谱段广，观测范围大目前遥感能探测的电磁波段有紫外线、可见光、红外线、微

13、波。教学提示：以上优势决定了遥感具有信息量巨大、受地面限制条件少、经济效益好、用途广等优势。(3)介绍遥感的分类1按遥感对象分（1）宇宙遥感以外太空其它星体为感测对象（2）地球遥感地球表层环境环境遥感；在环境遥感中若地球表层资源为对象称为资源遥感2按遥感平台分（1）航天遥感平台H150km火箭、人造卫星、飞船、航天飞机等（2）航空遥感平台1kmH12km普通飞机、气球、飞艇等（3）地面遥感平台贴近地面遥感车、遥感塔、“远洋测量船”、三脚架等3按遥感媒介分（1）电磁波遥感常用的电磁波波段是紫外、可见光、红外和微波等（2）声波遥感潜水艇的声纳技术、探测珍贵鱼群的回游路线和迁徙规律（3）重力场遥感地

14、质探矿，通过重力值的变化来推断地层中是否有某种元素富积（4）地震波遥感4按遥感器的工作方式分（1）被动遥感遥感本身并不发射任何人工探测信号，只是被动接收来自于目标的信号，从而实现对目标性质、数量、空间位置等特征进行识别的遥感方式，例如：“无源遥感”，如中午拍照。（2）主动遥感遥感器发射人工探测信号，到达目标后信号反射回来被传感器接收从而对目标性质、数量、空间位置进行识别的遥感方式。如，夜晚拍照通常要在相机上装闪光灯。主要是“微波遥感”。5按遥感获取的数据形式分（1）成像方式遥感（能获得目标的图像Image，图形Graphics）A摄影方式，照相机B扫描方式，TM与雷达（2）非成像方式遥感（不能

15、获得目标物的图像，常是一些曲线，如气象中温度辐射计）6按应用领域分地质、农业、林业、草原、水文、测绘、环境、灾害、城市、海洋、大气、军事等。(4)介绍遥感技术系统1遥感平台(Platform)：搭载遥感仪器的装置，如：汽车，汽球，飞机，卫星等。地面平台：主要指用于安置传感器的三脚架、遥感塔、遥感车等，高度在100米以下。航空平台：指高度在12千米以内的飞机和气球。航天平台：指高度在150千米以上的人造地球卫星、宇宙飞船、空间轨道站和航天飞机等。人造地球卫星：1、低高度/短寿命（150-350km，几天到几十天）；2、中高度/长寿命（350-1800km，3-5年）；3、高高度/长寿命（3600

16、0km，10年以上）。2传感器(Remote sensor)：接收，记录和传送遥感信息的装置，如，照相机，摄像机，扫描仪。传感器也称遥感器或者探测器，是远距离感测和记录地物环境辐射或反射电磁能量的遥感仪器。根据记录方式不同，主要分为成像方式和非成像方式两类。传感器一般由信息收集、探测系统、信息处理和信息输出4部分组成。3遥感信息的获取与接收(Acquisition)：通过传感器，如扫描仪，摄影机等接收或记录目标物的电磁波。传感器可以装载在地面（如车载），空中或空间等遥感平台上。记录在传感器介质上的电磁波信息传输给地面的接受站接受。如美国陆地资源卫星(landsat)的地面接收站。4遥感信息的处

17、理(ImageProcessing)：为了便于应用接收到的电磁波数字信息通过计算机要进行一系列的处理，如几何和大气校正，图像的增强，变换，融合等。专用的遥感图像处理软件有ERDAS，ENVI，PCI等。5遥感信息的应用(Application)：根据遥感信息的特点和应用的目的，遥感信息的应用十分广泛。在国土资源（土地利用，地质勘探，农林资源监测），测绘，军事，城镇规划，环境监测，交通运输，海洋，水文等许多方面都有应用。(5)介绍遥感的几个基本术语1地物光谱差异：不同地面地面物体反射或发射能量之间的光谱差异，如玉米和小麦的光谱特征差异；不同地面物体反射或发射能量随波长变化，如多波段图像识别地物；

18、不同时期地物的反射或发射能量之间的光谱差异，如农作物的物候时期光谱变化。2辐射记录差异：传感器对物体和目标地物的亮度差异的记录。3空间分辨差异：空间分辨率决定了影像的空间细节水平。取决于传感器、成像高度、地面景观的空间复杂度。4几何误差：由于传感器镜头的观察角度、扫描仪的运动，地形起伏和地球的曲率造成的，遥感器获得影像与地面景观不能形成一致的几何关系，存在位置误差。5像片格式与数字格式的可转换性6遥感成像系统：成像系统中包括镜头，胶片。7大气作用：所有能量达到遥感仪器前都经过了大气的衰减作用。教学提示：像片格式与数字格式分别用例子来阐述。(6)简述遥感的发展历程遥感最初是随着望远镜，摄影技术，

19、航空和航天技术以及电子和计算机技术的发展而发展起来的。1608年和1609年的汉斯.李波尔的第一架望远镜和伽里略的放大望远镜。无记录时期1839年法国人达盖尔发明了第一台可携式木箱照相机。开始了有记录时期。1858年纳乔士用气球上的照相机拍摄了巴黎的鸟瞰图。开始了空中摄影。1860年美国人华莱士乘气球拍摄了波士顿市。1903年莱特兄弟发明了世界第一架飞机。1909年威尔伯赖特（Wilber Wright）在飞机上拍摄了最早的航拍照片，从空中鸟瞰一座叫做森托切利的意大利城镇。1913年航空摄影用于油田测量。此后航空摄影技术逐渐用于农业，林业，矿业，城市规划等其它领域。二次大战航空摄影技术广泛用于

20、军事侦察，并得到了迅速的发展。航天遥感是伴随着人造卫星的上天而发展起来的。1957年前苏联发射了世界上第一个人造卫星。开始了航天遥感。1960年美国的太阳同步气象卫星。1972年美国的陆地资源卫星（landsat）。1986年法国的spot资源卫星。90年代以后高分辨率的遥感卫星，如ikonos、quickbird等相继出现，分辨率可达到米级以下。与此同时相应的计算机图像处理软件的出现。发展历程阶段分为：摄影术阶段、空中气球摄影阶段、飞机摄影阶段、航空遥感阶段、卫星遥感阶段。中国的遥感发展简况：我国的遥感技术始于上个世纪30年代，以航空摄影为主。上世纪50年代引入前苏联的航空摄影技术，航空遥感

21、测量和监测在我国开始广泛应用。上世纪70年代以后，开始对应用于各种遥感平台的各种传感器进行了广泛深入的研究，如多光谱扫描仪，红外照相机，成像光谱仪，雷达微波技术。1970年我国发射了“东方红一号”人造卫星，标志着我国自主研发的航天遥感技术的到来。1988年发射了我国第一颗气象卫星“风云一号”。1999年又发射了“中巴资源卫星”在此期间航空航天遥感技术在气象、国土资源、环境、地质勘探，水利，海洋、农业、林业、地质、交通、城市规划、军事等许多方面都有全方位的应用和研究。(7)遥感的现状与趋势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全色0.85m，多光谱3.330m的多空

22、间分辨率。美国的ORBVIEW可获取1m精度，美国EOS卫星的MODIS-N有35个波段，美国NOAA的单颗卫星每天对同一区域可观测2次。2微波遥感、高光谱遥感迅速发展微波遥感技术是近十年发展起来的具有良好应用前景的主动式探测方法，具有穿透性强、不受天气影响的特性，可全天时、全天候工作。成像雷达、激光雷达。能探测宽波段遥感中不能探测的物质。有高光谱仪的卫星为EO-1、MERIS、ADEOS-2、ORBVIEW4。3遥感的综合应用不断深化4商业遥感时代到来(8)遥感的应用1农林方面的应用：农作物类型区分、种植面积的估算、农作物长势和病虫害动态监测、作物估产、土地资源与肥力监测、森林、草场资源的清

23、查、评价和调控、森林、草场的火灾和病虫害动态监测。2地质、矿产方面的应用：成矿条件的地质分析、指导矿产普查勘探的方向、预估矿区的发展前景。在工程地质、水文地质、石油地质以及地震地质等方面均有应用。3水文、海洋方面的应用：水资源调查、水资源动态研究、冰雪研究以及海洋研究等。其中海洋研究，例如渔业资源调查，海岸带地质地貌分类、海岸带资源开发、滩涂面积、海岸线长度量算。4环境保护方面的应用：大气污染监测、土地污染监测、赤潮监测、海洋污染监测、其它污染监测。5测绘方面的应用：地形图测绘、专题地图的编绘作用。6地理学方面的应用：获取地理空间信息和定量数据、为规划制图和空间分析、获取全球信息、遥感考古、城

24、市规划、旅游规划、环境规划等。3S技术的密切结合，共同作用。4.教学小结本讲首先介绍了本课程的基本情况与要求，介绍了遥感的有关概念、特性和分类，并通过图片的形式直观地介绍了遥感的应用。第二讲：遥感电磁辐射基础一、教学目标1.对电磁波谱进行介绍，了解辐射的基本定律，以及太阳辐射过程2.掌握太阳辐射与大气、地面的相互作用3.了解三种遥感模式二、重点与难点分析重点：掌握太阳辐射与大气、地面的相互作用难点：辐射的基本定律，太阳辐射过程三、教学内容与教学过程1.电磁波谱与电磁辐射(1)波：振动的传播，质点在平衡位置振动而能量向前传播，如抖动绳索产生的波。如果质点的振动方向与波的传播方向相同，称为纵波。如

25、果质点的振动方向与波的传播方向垂直，称为横波。(2)电磁波：电磁振动的传播，交互变化的电磁场在空间的传播。当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波，其方向是由电磁振荡向各个不同方向传播的。按电磁波在真空中传播的波长或频率、递增或递减依次排列为一个序谱，将此序谱称为电磁波谱。电磁波谱按波长从小到大（或按频率从高到低）排列，可以划分为咖吗射线、x射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。教学提示：遥感中较多地使用可见光、红外和微波波段，特别是可见光近红外波段。(3)各波段的主要特性紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只

26、有0.30.38m波长的光到达地面，且探测高度在2000 m以下。可见光：波长范围：0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉。红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为1 mm1 m，对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪有一定的穿透能力。伽马射线和X射线属于能量高、穿透能力强的电磁辐射。无线电波主要用于广播、通讯等方面。3.红外线的划分近红外：0.763.0m，与可见光相似，所以又称光红外。中红外：3.06.0m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.015.0m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：

27、15.01000m，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。4.电磁辐射的度量1辐射源：广义：任何物体；狭义：太阳及发热、发光物体。2辐射测量：辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J辐射通量（）：=dW/dt单位时间内通过某一面积的辐射能量。辐射通量密度：E=d/ds（w/s）单位时间内通过单位面积的辐射能量。辐照度（I）：I=d/ds（w/s），是在某一指定表面上单位面积上所接受的辐射通量。辐射出射度（M）：M=d/ds（w/s），辐射源物体表面单位面积的辐射通量。辐照度和辐射出射度都是辐射通量密度的概念，不过，I为物体接受的辐射，M为物体发出的辐射，它们都与波长有关。辐射亮度（L）：面辐射

28、源上某点在一定方向上的辐射强弱的度量，具体是指辐射源在某一方向上，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。L=/（Acos）其中=s/R，说明：立体角，单位是球面度，无量纲；s为与球半径垂直的某小面元的面积，R为球半径。方向看到的源面积是A的投影面积即为Acos。辐射源向外辐射电磁波时，L往往随角而改变，也就是说，接收辐射的观察者以不同的角观察辐射源时，L值不同。辐射亮度（L）与观察角（）无关的辐射源，称为郎伯源。5.黑体辐射绝对黑体：吸收任何波长电磁辐射的物体，简称黑体。绝对黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的绝对黑体。6.黑体辐射定律1普朗克辐射定律2斯蒂芬玻尔兹曼定律3维恩位移定律4基

29、尔霍夫（Kirchho)辐射定律教学提示：实际物体辐射中，把实际物体看作是辐射源研究其辐射特性，是将其与绝对黑体进行比较。7.太阳辐射及大气对辐射的影响太阳是被动遥感最主要的辐射源，太阳辐射实际上就是太阳光。它通过地球大气层照射到地面，经过地面物体反射后又返回，再经过大气到达传感器，而这时传感器探测到的辐射强度与太阳辐射到达地球大气上空时的辐射强度相比已经有了很大的变化。1太阳辐射太阳常数：不受大气影响，在距离一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。太阳光谱曲线：在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的光谱曲线，它近似于6000K的黑体辐射曲线。

30、2太阳辐射特征太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光；到达地面的太阳辐射主要集中在近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。教学提示：太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最为集中而且稳定性最好。这也是遥感特别是被动遥感利用的主要电磁波谱。3大气成分大气主要由分子和其他微粒组成。分子主要有：N2和O2约占99%、O3、CO2、H2O及其他。微粒主要有：烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶，等等。4大气散射散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开的现象。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加其他方

31、向的辐射。从遥感角度看，太阳辐射在照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气。在照到地面时，由于散射增加了漫入射的成分，使反射的辐射成分有所改变。在返回传感器时，除反射光之外还增加了散射光进入传感器。增加了信号噪声，影响遥感影象质量。瑞利散射（原子和分子）：当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射。主要影响可见光和近红外波段。接瑞利散射：晴空天蓝，就是因为蓝光波长短、散射强度大，蓝光向四面八方散射使整个天空蔚蓝。米氏散射（微粒）：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。主要有大气中的微粒、如烟、尘埃、气溶胶等引起。对于近紫外和红外线波段都有影响。波长进入红外线波段后，米氏散射超过瑞利散射。无选择性散射：当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射。其特点