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1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2RS（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：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。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。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。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。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。按应用领域分：农业遥感、林业遥感、地质遥感、大气遥感等等。3三、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185185km2。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；4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）。5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。图6-1电磁震荡的传播电磁振源电场磁场图6-1电磁震荡的传播电磁振源电场磁场6（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