遥感地学应用01-遥感绪论

1遥感地学应用第一章遥感基础2一、遥感基础遥感技术是20世纪60年代发展起来的一门综合性探测技术。遥感技术与现代物理学、空间技术、计算机技术、数学和地理学密切相关。遥感技术已广泛应用于各种领域，成为地球环境资源的调查和规划不可缺少的有效手段。3遥感(RemoteSensing)概念广义：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。遥感定义：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。1、遥感的概念4遥感数据太阳辐射经过大气层到达地面，一部分与地面发生作用后反射，再次经过大气层，到达传感器。传感器将这部分能量记录下来，传回地面，即为遥感数据。5遥感数据获取过程简图6Landsat-5数据，波段组合432。反映了黄河三角洲地区泥沙及周边的自然状况。可以看出，黄河的入海河道由原来的东南走向改变为东北走向，新河道河水充盈，大量泥沙在新河口淤积，黄河三角洲已由鹰嘴状变成羊角状，这些都为研究合理利用黄河水沙资源提供了极珍贵的信息。72.1空间特性视域范围大，具有宏观特性。光谱特性：探测的波段从可见光向两侧延伸,扩大了地物特性的研究范围。时相特性：周期成像，有利于进行动态研究和环境监测。2、遥感的特性8•由于探测距离远，传感器所获得的地面影像覆盖的空间范围较大。以美国陆地卫星5号（Landsat5）为例，它距离地表的高度是705.3km，对地球表面的扫描宽度是185km，一幅TM图像可以全部覆盖我国海南岛大小的面积。2.1.1视域范围大，具有宏观特性9•遥感所利用的电磁波谱范围主要是紫外UV（0.3~0.38um）——可见光VIS（0.38~0.74um）——近红外NIR（0.74~1.3um）——短波红外SWIR（1.3~3um）——中红外（3~6um）——远红外FIR（6~15um）——微波MW（1mm~1m）2.1.2光谱特性1011•航空与航天飞行器运行快、周期短，可获得多时相数据。例如Landsat5每天环绕地球14.5圈，覆盖地球一遍所需时间仅16天，而气象卫星的周期更短（1天或半天）。2.1.3时相特性122.2遥感的特点大面积的同步观测。时效性。数据的综合性和可比性。经济性。局限性。2、遥感的特性132.2.1大面积的同步观测•如一幅Landsat图像，覆盖面积185km×185km，在5~6min内可完成扫描，实现对地的大面积同步观测。所取得的数据可进行大面积资源和环境调查，并且不受地形阻隔等限制。142.2.2时效性•遥感探测可以在短时间内对同一地区进行重复探测，监测地球上许多事物的动态变化。一般地球资源卫星8~9天可重复一次，气象卫星每天两次，而传统的地面调查需要花费大量的人力和物力，且周期很长。因此，遥感方法具有很好的时效性。遥感在天气预报、火灾和水灾监测以及军事行动等领域的应用，反映了遥感方法的时效性优势。152.2.3数据的综合性和可比性•遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上许多自然、人文信息，客观地记录了地面的实际状况，数据综合性很强。•不同的卫星传感器获得的同一地区的数据以及同一传感器在不同时间获得的同一地区的数据，均具有可比性。162.2.4经济性•从投入的费用与所获取的效益看，遥感与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。如Landsat卫星的投入与效益比估计为1:80。172.2.5局限性•信息的提取方法不能满足遥感快速发展的要求•数据的挖掘技术不完善，使得大量的遥感数据无法有效利用。183、遥感平台遥感平台是装载传感器的运载工具,按高度分为：地面平台：为航空和航天遥感作校准和辅助工作。航空平台：80km以下的平台，包括飞机和气球。航天平台：80km以上的平台，包括高空探测火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机。人造地球卫星的类型：①低高度、短寿命卫星：150～350km，用于军事。②中高度、长寿命卫星：350～1800km，地球资源。③高高度、长寿命卫星：约3600km，通信和气象。194、遥感数据类型按平台分地面遥感、航空遥感、航天遥感数据。按电磁波段分可见光遥感、红外遥感、微波遥感、紫外遥感数据等。按传感器的工作方式分主动遥感、被动遥感数据。205、遥感数据应用领域林业：清查森林资源、监测森林火灾和病虫害。农业：作物估产、作物长势及病虫害预报。水文与海洋：水资源调查、水资源动态研究、冰雪监控、海洋渔业。国土资源：国土资源调查、规划和政府决策。气象：天气预报、气候预报、全球气候演变研究。21环境监测：水污染、海洋油污染、大气污染、固体垃圾等及其预报。测绘：航空摄影测量测绘地形图、编制各种类型的专题地图和影像地图。城市：城市综合调查、规划及发展。考古：遗址调查、预报。地理信息系统：基础数据、更新数据。226、遥感发展历史照相机、气球、飞机构成初期遥感技术系统。1962年在美国密歇根大学召开的第一次国际环境遥感讨论会上，美国海军研究局的EretynPruitt（伊·普鲁伊特）首次提出“RemoteSensing”一词，会后被普遍采用至今。二次大战中的航空侦察促进了航空摄影技术的发展2320世纪60年代以来，苏美空间技术竟相发展，分别发射了一系列的空间计划卫星，促进了航天遥感技术的发展。20世纪70年代，空间技术转向为人类服务，地球资源技术卫星诞生。20世纪80年代，地球资源技术卫星的传感器技术不断提高。20世纪90年代，除美苏外，其他国家均发射了各种资源卫星。目前，高分辨率的商业卫星发展迅速。247、电磁波原理电磁波交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为3×108m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。25电磁波谱按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。2627紫外线：波长范围为0.01～0.38um，太阳光谱中，只有0.3～0.38um波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。可见光：波长范围：0.38～0.76um，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。红外线：波长范围为0.76～1000um，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1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。288、太阳辐射•太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线•太阳光谱相当于6000K的黑体辐射。太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47µm左右•到达地面的太阳辐射主要集中在0.3～3.0µm波段，包括近紫外、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。29309、太阳辐射与大气的作用•大气结构•大气成分•大气的吸收作用•大气的散射作用•大气窗口319.1大气结构从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在7～12km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在12～50km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在50～1000km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：800～35000km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。32339.2大气成分•大气的成分主要有氮、氧和各种微量气体（二氧化碳、甲烷、氧化氮、氢、臭氧等）除臭氧外的气体分子在80km以下相对比例基本不变。•水汽占大气总量0.3%，浓度变化很大•悬浮颗粒，具有重要光学效应的悬浮微粒指半径在0.01~20um，比分子大得多的大气粒子（霾、尘埃、液态水、固态水），主要集中在紧靠地面几公里范围内的大气层中。349.3大气的吸收作用大气的吸收作用：大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带359.4大气的散射作用不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三种：瑞利散射：dλ米氏散射：d≈λ非选择性散射：dλ369.5大气窗口•由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口373810、太阳辐射与地物的作用1.太阳辐射与地表的相互作用2.地物的反射率3.漫反射4.镜面反射3910.1太阳辐射与地表的相互作用•太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量•地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。•一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45~0.56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m的深度。•地表吸收太阳辐射后具有约300K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。4010.2地物的反射率反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。4110.3漫反射•不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。4210.4镜面反射•物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的4311地物的热辐射温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱曲线。地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是不同的。热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。4412微波与地物的作用•在电磁波谱中，波长在1mm～1m范围的波称微波。45微波遥感特性：1.能全天候、全天时工作2.对某些地物具有特殊的波谱特征3.对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力4.对海洋遥感具有特殊意义5.分辨率较低，但特征明显4612.2对某些地物具有特殊的波谱特征•由于微波的波长较长，因而散射相对较小，在大气中衰减少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本不受烟、云、雨的限制。对于热带雨林地区更有意义。4712.3对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力•这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。•电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波振幅减少1/e倍（37%）的穿透深度定义为趋肤深度H:H=(5.3×10-3ε1/2)/δ式中：ε为地物的介电常数；δ为地物的导电率4812.4对海洋遥感具有特殊意义•微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。49香港海域微波遥感图像12.5分辨率较低，但特征明显•微波传感器的波长分辨率比较低，是由于其波长较