遥感应用分析原理与方法-习题和答案

绪论思考题1.如何理解“遥感”是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础来探测、研究地面目标的科学。遥感—是一种远离目标，通过非直接接触而感知、测量、分析并判定目标性质，其空间展布、类型及其数量的探测技术。广义上的遥感：泛指一切不接触物体而进行的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。狭义上的遥感：指不与探测目标相接触，利用传感器（遥感器），把目标的电磁波特性记录下来，通过对数据的处理、综合分析，揭示出物体的特点及其变化规律的综合性探测技术。地物波谱特性然界任何物体都具有反射、吸收、发射电磁波的能力，这是由于组成物质的最小微粒不同运动状态造成的；不同的物质由于物质组成和内部结构、表面状态不同，具有相异的电磁波谱特性，这是遥感识别目标的前提；地物波谱特征可通过各种光谱测量仪器测得。遥感的物理基础任何物体都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，物体与电磁波的相互作用，形成了物体的电磁波特性，这是遥感探测物体的依据。2.遥感的特点（优势）主要有哪些？遥感的特点（优势）：面状信息获取：时效性：快速准确连续性：动态观测多维信息：平面、高程（立体）生动、形象、直观：经济：节约人力、物力、财力、时间……3.说明遥感应用的基本步骤。遥感应用的基本步骤：•根据研究的目标选择合适的遥感数据源考虑空间分辨率、时间分辨率、光谱波段等因素，目标不同、尺度不同、时相要求不同、光谱特点不同•进行图像的（预）处理多时相图像配准、几何纠正、图像镶嵌、数据融合•特征参数选择波段选择bandselection、特征提取featureextraction（通过一定的数学方法对原始波段进行处理，得到能反映目标地物特性的新的参数，如植被指数、主成分等等）•建立分类系统各类及亚类分类指标（定性、定量）•专题信息提取（分类）与综合分析分类，并对分类结果进行分析（数量、质量、分布、发展变化特点与趋势、产生的原因）•结果检验与成果输出对结果进行验证（直接验证、间接验证），满足需要则输出结果，反之，返回第三步、第四步，进行相关的修改、调整。4结合个人的专业背景，试举例说明遥感的应用及前景。5.试说明遥感技术的发展特点和趋势。遥感技术的发展趋势多层次:地面、航空、航天、宇宙从单一传感器---多传感器分辨率不断提高：空间、时间、辐射和光谱分辨率不断提高全天候、全天时：可见光/近红外、短波红外、热红外、微波静态---动态：短周期、多时相定性---定量：新的算法、半自动化、自动化、智能化遥感和非遥感资料结合遥感和GIS、GNSS（全球导航卫星系统，GlobalNavigationSatelliteSystem，GPS、北斗、伽利略计划等）结合遥感技术的新特点1三高(1)高空间分辨率(2)高光谱分辨率(3)高时间分辨率2两全(1)全频段（全天时、全天候、多角度）(2)全方位（天、机、球）3一体化(1)遥感、导航定位、通讯、信息技术(2)空间、地面、应用技术第一章思考题1.掌握辐射出射度M、辐射照度E、辐射亮度L的概念。辐射通量Φ（radiantflux），又称辐射功率，指单位时间内，通过某一表面的辐射能量。单位为瓦（w），即焦耳/秒(Js-1)，表达为：Φ=dQ/dt辐射通量是波长的函数。下图:光谱辐射通量：表示单位波长间隔内的辐射通量表达为：Φ（λ）=dΦ/dλ=dQ/dt.dλ单位为瓦/微米（wμm-1）。辐射出射度M（radiantexitance），指面辐射源在单位时间内，从单位面积上发射出的辐射能量，即物体单位面积上发出的辐射通量，单位为瓦/米2（wm-2），表达为：Md/dA/dA辐射照度E（irradiance），简称辐照度，指面辐射体在单位时间内，单位面积上接收的辐射能量，即照射到物体单位面积上的辐射通量，单位为瓦/米2（wm-2），表达为：Ed/dA辐射亮度L：辐射亮度，简称辐亮度，指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积，Acosθ）上发射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量，如右图所示，单位为瓦/米2·球面度（wm-2sr-1），表达为：遥感观测到的是辐射亮度值L。2.试说明黑体的概念及黑体辐射的三大定律。黑体：是一个完全的吸收体和完全的发射体，即吸收率和发射率均为1的物体（无反射，也无透射）；它是一个自然界并不存在的假设的理想辐射体；但可由人工方法制作，它的行为表现可被实验室设备所模拟。黑体辐射遵循普朗克辐射定律、斯特藩—玻耳兹曼辐射定律（Stefan—Boltzmann）和维恩位移定律三条基本的物理定律。3.被动遥感的主要‘能源’是什么？试分析它们的特点。地表与大气的最主要能源是太阳辐射以及相伴的地球辐射。30%：被大气里的云、其他大气成分反射回太空17%：被大气吸收22%：被散射，以漫射的形式到达地表31%：直射到达地表地面接收的太阳辐射照度E与太阳天顶角θ有关。地面接收的太阳辐照度还与大气的吸收及散射有关。（感觉不太对）2、地球辐射·长波辐射（6μm以上）：指地表物体自身的热辐射。此范围短波辐射可忽略不计。·短波辐射（0.3～2.5μm）：指地球表面对太阳的反射辐射。此范围长波辐射可忽略不计。·中红外辐射（2.5～6μm）：太阳辐射和热辐射的影响均有，均不能忽略。4.试分析遥感在研究地表辐射平衡中的作用和局限性。利用遥感研究地表净辐射α为地表反照率(半球反射率)（可由VIS—NIR遥感反演获得）；Ts为地表温度（可由TIR、MW遥感反演获得）；Ta为大气温度，可用红外测温仪对天空测得；εa为大气发射率，是大气温度Ta、大气水汽压ea、天空云量C的函数，无云天气下公式：多云天气下公式：εs为地表发射率，是波长的函数，约为0.9-0.98，可测量；σ为斯特藩—玻耳兹曼常数为：第一项表示入射的短波辐射能量和反射的短波辐射能量差，即收入的短波辐射；第二项为大气的热辐射部分，第三项为地物向上的热辐射部分，三项之和为地面的净收入。（参看书p432）需要说明几点：遥感所测得的数据：RS（反射太阳的短波辐射）和长波辐射RL具有非连续（窄波段）、窄视场、特定方向的特点；而自然界地物的反射与发射具有全波段、半球视场、各向异性的特点；两者间的差异是影响遥感反演地表参数反照率与温度Ts精度的重要原因，是定量遥感迫切需解决的问题。目前的研究途径：①通过方向模型，把地表方向反射率ρ转换为地表光谱反照率α；②通过野外（同步）试验，用遥感、地面、大气数据，建立宽波段辐射值（反射或发射），与窄波段遥感数据间的关系（多为统计模型）。3.散射的概念及大气散射作用对遥感的影响。大气散射（Atmosphericscattering）散射——指电磁波在非均匀或各向异性介质中传播时,改变原来传播方向的现象。大气散射对遥感的影响大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向；造成遥感图像辐射畸变、图像模糊。大气散射产生天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身“亮度”；使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息，使暗色物体表现得比它自身的要亮；降低了遥感影像的反差（对比度），降低了图像的质量（清晰度）及图像上空间信息的表达能力（灵敏度）。因此，遥感器常利用滤光片，阻止蓝紫散射光透过。散射对低层大气尤为重要（约低于3km，湿度大、气溶胶集中。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。6.大气纠正及其基本方法。大气纠正:为了从遥感图像数据中提取真实地表信息，必须对传感器进行大气校正。这已成为定量遥感的必要条件之一。大气纠正就是消除这些大气效应（吸收、散射等）的处理。大气纠正模型1）基于图像特征模型2）地面线性回归经验模型3）基于大气辐射传输理论模型(具体的查看书本p25)7.试分析电磁波与地表相互作用的基本物理过程及影响因素。主要有三种基本的物理过程：反射（Reflection）吸收（Absorption）透射（Transmission）其中，能量R、A、T的比例及每个过程的性质，对不同的地表特征是变化的,它既依赖于地表特征的性质与状态（如物质组成、几何特征、光照角度等），又依赖于电磁波的波长。8.反射率的概念。反射特征用反射率（Reflectivity）ρ表示。它是波长的函数，又称光谱反射率()，被定义为：以百分数表示，其值在0—1之间，为无量纲的量.9.朗伯体的概念。当入射波长比地表高度小或比地表组成物质粒度（直径）小（粗糙表面）时，入射能量均匀地向各方向反射，则为漫反射（朗伯反--Lambert），即L在2π空间上各向同性。一个完全的漫射体称为朗伯体。严格讲自然界只存在近似意义下的朗伯体。只有黑体才是真正的朗伯体。对可见光而言，土石路面、均一的草地表面可属漫射体即是朗伯体。第二章思考题1.试说明遥感数据的空间、光谱、时间、辐射分辨率及其在遥感应用上的意义。空间分辨率（地面分辨率）前者是针对遥感器或图像而言的，指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小；后者是针对地面而言，指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小。在应用上的意义：（1）空间分辨率高——划分地物越细，识别地物细节能力强。（2）不一定是空间分辨率越高越好，要根据应用的特定目的选择合适的空间分辨率。不同的研究目标、尺度需要相应的数据（城市、地质；区域、全球）。光谱分辨率（答案不一定对）•遥感器所选用的波段数量的多少；•各波段的中心波长位置；•波长间隔的大小。意义：光谱信息丰富，可探测到地物光谱的细微变化、微小差异时间分辨率：指遥感器重复观测的最小时间间隔。时间分辨率的意义：动态监测；时序分析时间分辨率的大小，除了主要决定于飞行器的回归周期外，还与遥感探测器、遥感系统的设计等因素直接相关（如：卫星测摆等）。辐射分辨率——指遥感器探测目标光谱信号强弱的敏感程度、区分能力（能分辨的最小辐射度差），即探测器的灵敏度。辐射分辨率一般用灰度的分级数来体现（量化级数）。图像的灰度级越多，视觉效果越好(分辨能力越强,但数据量越大)。2.遥感所利用的电磁波谱范围有哪些？它们各有哪些主要特性？光学波段----反射波段（0.3-5μm）、发射波段（3-15μm）反射波段：遥感器主要接收来自太阳辐射和地面物体的反射辐射的能量,包括UV（0.3-0.38μm）、VIS（0.38-0.76μm）、NIR（0.76-1.3μm）、SWIR（1.3-3μm）、MIR（3-6μm）；其中的紫外—近红外波段（0.3-0.9μm）又称摄影波段；发射波段：遥感器主要接收来自地面物体自身的发射辐射的能量，又称热红外波段（TIR）；包括MIR（3-6μm）、FIR（6-15μm），其中6.0-8.0μm因水汽强吸收地面遥感无法利用）。微波：（1mm-1m）,遥感常用0.8～30cm，波段Ka、K、Ku、X、C、S、L、P3.如何理解地物的波谱反射与辐射特征研究是遥感研究的基础？自然界的任何物体自身都具有反射、吸收、发射电磁波的能力和特征。物质的这种基本特征是由于组成物质的最小微粒——分子，原子、电子的不同运动状态所造成的。从高能向低能状态的转动，将释放（发射）能量；从低能向高能状态的转化，将吸收外来能量。由于不同物质的分子结构、原子组成、运动方式不同，发出的光的频率也就不同，则具有不同的电磁波谱特性。地物的反射、吸收、发射电磁波的特征随波长而变化。人们以波谱曲线的形式表示地物波谱特性,即地物波谱。物波谱可以通过各种光谱测量仪器测得。（不全好像也不对）地物波谱特性地物波谱特性受多种因素的控制和干扰，变化十分复杂；本身也是因时因地在变化着，是一种综合作用的结果。地物波谱特性的复杂性，决定了遥感影像解译的不确定性，以及定量遥感的艰巨性。由于难以将这些干扰因素逐项加以定量消除，因而定量遥感研究中需要通过大量地面样本分析，建立先验知识，确定遥感模型的约束条件，以便提高定量遥感的精度。地物波谱研究地物波谱是遥感识别目标的前提，对它的研究与分析，是遥感重要的基础性研究工作；地物波谱是遥感定量化的依据，是联系遥感基础研究与遥感应用的桥梁；是选择遥感仪器最佳探测波段，以及遥感图