遥感应用分析原理与方法-复习资料

绪论1.为什么说遥感是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，探测、分析和研究地球资源与环境的，揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律的一门科学技术？电磁波遥感，即利用航天、航空（包括近地面）遥感平台上的遥感仪器，获取地球表面（包括陆圈、水圈、生物圈、大气圈）特征的反射或发射电磁辐射能的数据，通过数据处理和分析，定性、定量地研究地球表层的物理过程、化学过程、生物过程、地学过程，为资源调查、环境监测等服务。这里把地球作为遥感的研究对象。因此，可以说，遥感是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，探测、分析和研究地球资源与环境的，揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律的一门科学技术。2.遥感数据源的改善：三高两多高光谱、高几何分辨率、高灵敏度、多角度、多类型。第一章遥感原理1.波粒二象性及如何验证1.波动性：干涉（杨氏双缝实验）、衍射、偏振。2.粒子性：光电效应、黑体辐射。2.为什么大气散射对遥感数据、遥感数据传输的影响极大？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，削弱了到达地面或地面向外的辐射，产生了漫反射的天空散射光（又叫天空光或天空辐射），增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”。散射使地面阴影呈现暗色而不是黑色，使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息。此外，散射使暗色物体表现得比它自身的要亮，使亮物体表现得比它自身的要暗。因此，它降低了遥感影像的反差，降低了图像的质量以及图像上空间信息的表达能力。3.反射的定义及分类当电磁辐射能到达两种不同介质的分界面时，入射能量的一部分或全部返回原介质的现象，称之为反射。分类：镜面反射、漫发射、方向反射。4.BRDF与BRF(二者关系:BRF=π(BRDF))BRDF：二向性反射率分布函数BRF：二向反射因子第二章遥感数据源1.遥感数据源的特征1.空间分辨率（几何特征）指可以识别的最小地面距离或最小目标的大小。表示方法：1.像元(pixel)单位为米(m)或公里(km)；2.线对数(linepairs)单位为线对/mm；3.瞬时视场(IFOV)单位为毫弧度(mrad)。2.光谱分辨率（物理特征）指遥感器所选用的波段数量的多少、各波段的波长位置、及波长间隔的大小。3.时间分辨率（时间特征）指重复观测的最小时间间隔。遥感探测器按一定的时间周期重复采集数据，这种重复周期，又称回归周期。4.辐射分辨率（物理特征）指遥感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力。2.植物的光谱特征健康绿色植物的波谱特征主要取决于它的叶子。在可见光谱段内，植物的光谱特征主要受叶的各种叶绿素的支配，其中叶绿素起着最重要的作用。由于色素的强烈吸收，叶的反射和透射很低。在以0.45μm为中心的蓝波段及以0.67μm为中心的红波段叶绿素强烈吸收辐射能（90%）而呈吸收谷。在这两个吸收谷之间（0.54μm附近）吸收相对减少，形成绿色反射峰（10%~20%）而呈现绿色植物。假若植物受到某种形式的抑制，阻止它正常生长发育，导致叶绿素含量降低，叶绿素在蓝、红波段的吸收减少反射增强，特别是红反射率升高，以至于植物转换为黄色（绿色+红色=黄色）。当植物衰老时，由于叶绿素逐渐消失，叶黄素、叶红素在叶子的光谱响应中起主导作用，因而秋天树叶变黄或枫叶变红。在近红外谱段内，植物的光谱特征取决于叶片内部的细胞结构。叶的反射及透射能相近（各占入射能的45%~50%），而吸收能量很低（5%）。在0.74μm附近，反射率急剧增加。在近红外0.74~1.3μm谱段内形成高反射。这是由于叶子的细胞壁和细胞空隙间折射率不同，导致多重反射引起的。由于植物类别间叶子内部结构变化大，故植物在近红外的反射差异比在可见光区域大得多，这样我们就可以通过近红外谱段内反射率的测量来区分不同的植物类别。此外，在近红外谱段内，植物光谱往往表现出以0.96μm、1.1μm处的两个水吸收带，虽然强度不大，但在多层叶片下，对反射率仍有显著影响，这对植被受水分胁迫状况的研究是有意义的。在短波红外谱段内（1.3μm以外），植物的入射能基本上均吸收或反射，透射极少。植物的光谱特性受叶子总含水量的控制，叶子的反射率与叶内总含水量约呈负相关，即反射总量是叶内水分含量及叶片厚度的函数。由于叶子细胞间及内部的水分含量，绿色植物的光谱反射率受到以1.4μm、1.9μm、2.7μm为中心的水吸收带的控制，而呈跌落状态的衰减曲线。其中1.4μm和1.9μm处的两个吸收带是影响叶子短波红外波段光谱响应的主要谱带。位于三个吸收带之间的1.6μm和2.2μm处有两个反射峰。第三章可见光—反射红外遥感1.光学遥感器的基本组成1.采集器：采集地物辐射能量。2.探测器：将采集的辐射能转变成化学能或电能。3.处理器：对采集的信号进行处理。4.输出器：输出获得的图像、数据。2.彩色红外片彩红外胶片的三层感光乳胶层中，以感红外光层替代了天然彩色胶片的感蓝光层，因此，片基以上依次为感红层，感绿层，感红外层。当目标反射0.5~0.9μm波长范围内的电磁波能量入射到胶片上时，其中的红外分量、绿光分量、红光分量分别在相应的乳胶层感光，经显影、定影处理后，在胶片（负片）上分别呈青、黄、品红影像，而在像片（正片）上分别呈现红、蓝、绿（负片色彩的互补色）的彩色影像。在彩色红外像片上，“绿色”物体呈蓝色，“红色”物体呈绿色，“反射强红外”的物体则显示红色。可见，彩红外像片上重现的“物体颜色”均向短波段方向移动了一个色位。自然界的大多数物体同时反射几个谱段的光，因而彩红外像片显示多种反射而产生的多种色彩，基本色源蓝、绿、红以及它们叠加后的各种间色、复色。再加上彩红外像片的三层乳胶层感光度不同，使它们的成色差别较大，色反差增大。因而，彩红外像片较一般彩色像片色彩更鲜艳，层次更丰富，地物对比更明显，微弱的色差更易分辨。彩红外像片比一般彩色像片，不仅信息更丰富而且识别地物的能力更强。这些特点正是彩红外像片在资源、环境、航空遥感调查中被如此广泛应用的原因所在。3.扫描成像系统的优势1.摄影系统的波谱区域仅局限在0.3~0.9μm的光学摄影波段内；多波段扫描系统运用电子探测器，可将感应波段扩展到0.3~14μm，包括紫外、可见光、近红外、中红外、热红外谱区，且可以感应很窄的光谱波段。2.摄影系统以回收胶片方式为主，而胶片—图像的转换，需由地面完成；扫描系统是数字记录形式，能根据要求迅速地发送、记录、分析或处理输出的电信号，并可实时显示。3.摄影系统的图像是由胶片光化学过程获得，辐射定标困难；扫描系统的数据是由电子产生，更适于定标，可给出定量的辐射数据。4.扫描系统的电子格式允许记录很宽范围的值，即探测器的动态范围，通常比摄影胶片大，且在探测过程中，探测器并不损耗。5.多光谱摄影系统，用多个分离的光学系统独立地采集每个波段图像，这导致各分波段图像在空间和辐射方面的可比性问题；多光谱扫描系统用同一光电系统同时采集整个光谱波段的数据，再经分光系统分解成不同波长的光。4.TM与MSS相比有哪些改进1.TM较MSS频道增多，波带变窄，针对性更强，并增加了蓝波段和短波红外波段，大大扩大了它在生物学、地质学、水文学等方面的应用。同时，更利于根据不同应用目的，选择多种数据组合处理有效地提取不同的专题信息。2.辐射分辨率：MSS7为64量级，MSS4~6为128量级。TM的扫描镜可以在往返两个方向上进行扫描和获取数据。（MSS只能单方向扫描），可以降低扫描速率，缩短停顿时间，改善信噪比、提高辐射精度，所以TM的辐射分辨率提高到256量级。3.一景MSS图像的总数据量为30兆字节。一景TM图像的总数据量增至230兆字节。4.TM与MSS相比，改进了姿态控制系统，使平台稳定性改善，同时，因扫描方式变化，扫描镜摆动速度降低，以及探测器直接位于焦平面上，系统的光学效率得以改善等，因而TM数据平面位置几何精度提高，更利于图像配准和制图，可用于编制1:10万，甚至1:5万的专题图。5.TM较MSS空间分辨率由80m提高到30m，波段由4个增至7个。（ETM除TM7，又加了一个全色波段（pan）。）5.CCD——电荷耦合器件6.成像光谱的定义及特点1.定义：既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术。成像光谱技术把成像技术和分光谱技术有机地结合起来。它由完成空间成像的前光学系统和光谱仪组成，两者通过视场光阑连接。前者是把地面目标的光能量采集并汇聚到视场光阑上。它由采集地物辐射能量的扫描镜或反射镜、反射镜组、聚光元件等组成，决定了成像光谱仪的空间分辨率。后者，光谱仪系统是将地物的辐射能量分离成不同波长的谱能量，再聚焦投射于焦平面的探测元件上直接成像。它由光栅、棱镜等分光和汇聚（聚焦）系统组成，决定了成像光谱仪的光谱间隔。2.特点在于：高光谱分辨率、图谱合一、高空间分辨率、高辐射分辨率与信噪比。第四章热红外遥感1.什么是热红外遥感?热红外遥感（InfraredRemoteSensing）是指传感器工作波段限于红外波段范围之内的遥感。探测波段一般在0.76-1000微米之间。是应用红外遥感器（如红外摄影机、红外扫描仪）探测远距离外的植被等地物所反射或辐射红外特性差异的信息，以确定地面物体性质、状态和变化规律的遥感技术。2.热传递的方式传导、对流、辐射。3.比辐射率的定义及影响因素所谓比辐射率，又称发射率，用ε（T，λ）表示。比辐射率被定义为，物体在温度T、波长λ处的辐射出射度Ms（T，λ）与同温度、同波长下的黑体辐射出射度MB（T，λ）的比值。又称发射率。物体的比辐射率是物体发射能力的表征。它不仅依赖于地表物体的组成成分，而且与物体的表面状态（表面粗糙度等）及物理性质（介电常数，含水量等）有关，并随着所测定的辐射能的波长（λ）、观测角度（θ）等条件的变化而变化。4.吸收率、反射率、透射率之间的关系α(λ)+ρ(λ)+τ(λ)=1(吸收率+反射率+投射率=1)基尔霍夫定律指出，在热平衡条件下，物体的光谱发射率等于它的光谱吸收率，即ε(λ)=α(λ)。所以ε(λ)+ρ(λ)+τ(λ)=1（发射率+反射率+透射率=1）。一般在遥感应用中，我们研究的目标被假定为对热辐射是不透明体，也就是说τ(λ)=0，所以ε(λ)+ρ(λ)=1。5.热红外遥感中大气窗口的选用在热红外区间内，存在着3~5μm及8~14μm两个大气窗口。热红外遥感的8~14μm谱段，主要用于调查地表一般物体的热辐射特性，探测常温下的温度分布、目标的温度场，进行热制图等。如，地热调查、土壤分类、水资源考察、城市热岛、地质找矿、海洋渔群探测、海洋油污染等。对于森林火灾也可识别，但是对于那些小的火点、暗火、火线等高于红外传感器温度标定上限的目标，则不便区分。热红外遥感中的3~5μm短波红外谱段，对火灾、活火山等高温目标的识别敏感，常用于捕捉高温信息，进行各类火灾、活火山、火箭发射等高温目标的识别、监测。特别是对于森林火灾，它不仅可以清楚地显示火点、火线的形状、大小、位置，而且对小的隐火、残火，也有很强的识别能力。6.温度1.分子运动温度：分子运动温度为热力学温度，又称为真实温度。它是物质内部分子的平均热能，是组成物体的分子平均传递能量的“内部”表现形式。2.辐射温度：辐射温度又称为表征温度。物体辐射能量，其辐射能量是物体能量状态的一种“外部”表现形式。这种物体能量的外部表现形式可用热遥感器（探测热红外谱区电磁辐射的装置，如辐射计、热扫描仪等）来探测。辐射能量常被用来测量地表特征的辐射温度。3.亮度温度：物体的亮度温度是指辐射出与观测物体相等的辐射能量的黑体温度。亮度温度是衡量物体温度的一个指标，但不是物体的真实温度。7.热红外扫描图像的特点1.热图像可以简单地被认为是地物辐射温度分布的记录图像。2.图像色调深浅与温度分布是对应的。3.由于热扩散作用的影响，热红外图像中反映目标的信息往往偏大，且边界不十分清晰。4.水的信息尤为明显。5.热红外扫描图像具有所有扫描图像所固有的几个畸变。6.热红外扫描图像具有不规则性，这种不规则性可以是由多种因素引起的。第六章遥感图像解译与处理1.解译要素1.