现代遥感导论

现代遥感导论上海师范大学地理系尹占娥殷杰电子教案使用说明本电子教案，是为方便教师和学生使用科学出版社出版的“国家十一五规划”教材《现代遥感导论》（尹占娥编著）而制作的。内容说明电子教案的内容与教材配套，内容丰富全面，各高校在使用时可自行调整选讲的内容和章节，也可根据所掌握的材料，自组教学内容，对重点和难点内容自行调整。同时考虑到本课程目的是使地学、测绘及相关专业的学生掌握遥感理论和应用遥感数据的方法，教案在讲解遥感原理的基础上，侧重于对各种遥感数据和信息提取方法方面的教学，并安排相应的实习内容（参见实习指导光盘），以提高教学效果。说明由于时间仓促，本教案难免存在不妥之处，敬请使用者批评指正。联系信箱：[e-mail]目录第一章绪论第八章高光谱遥感数据第二章遥感电磁辐射基础第九章遥感数字图像处理基础第三章传感器第十章遥感数据预处理第四章航空遥感数据第十一章遥感图像的增强处理第五章地球资源卫星数据第十二章遥感图像的分类第六章微波遥感数据第十三章分类精度评价第七章热红外遥感数据第一章绪论本章提要(…)§1遥感概念§2遥感的特性§3遥感的分类§4遥感技术系统§5遥感的几个基本术语§6遥感的发展历程§7遥感的现状与趋势§8遥感的应用本章主要介绍遥感概念、遥感的特点、遥感数据、遥感数据类型、遥感数据的应用以及遥感技术的发展。§1遥感概念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。§2遥感的特性空间特性:宏观性,大尺度观测时相特性:周期成像,动态监测波谱特性:波谱段广,观测范围大§3遥感的分类主要按6个方面分类按遥感探测对象按遥感平台按遥感获取的数据形式按传感器工作方式按遥感探测的电磁波按遥感应用宇宙遥感,地球遥感航天遥感(150km)航空遥感(12km)地面遥感(地面或近地面)成像方式遥感(摄影方式/扫描方式)非成像方式遥感(光谱辐射计等)主动遥感(雷达)被动遥感可见光遥感/红外遥感微波遥感/紫外遥感等遥感的分类遥感数据分类成像方式非成像方式被动式主动式——雷达摄影方式扫描方式宽波段摄影黑白摄影彩色摄影多波段遥感多镜头相继摄影单镜头相继摄影主动式——雷达高度计、雷达散射计、微波辐射计波动式——红外辐射计等传感器所获取的各种数据、曲线等形式的资料光学机械扫描（多波段扫描仪）推帚扫描（CCD）§4遥感技术系统遥感平台传感器遥感信息的接收和处理遥感图像判读和应用back遥感平台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（36000km，10年以上）back传感器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。back§5遥感的几个基本术语地物光谱差异辐射记录差异空间分辨差异几何误差像片格式与数字格式的可转换性遥感成像系统大气作用§6遥感的发展历程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§7遥感的现状与趋势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；微波遥感、高光谱遥感迅速发展遥感的综合应用不断深化商业遥感时代到来§8遥感的应用农林方面的应用地质、矿产方面的应用水文、海洋方面的应用环境保护方面的应用测绘方面的应用地理学方面的应用第二章遥感电磁辐射基础本章提要(…)§1电磁波谱§2辐射基本定律§3太阳辐射§4太阳辐射与大气的相互作用§5太阳辐射与地面的相互作用§6三种遥感模式本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、三种遥感模型等。§1电磁波谱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。电磁波传播示意图电磁波谱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：r射线—x射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。电磁波谱示图各电磁波段主要特性紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm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：0.38～0.76μm，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0.76～1000μm，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。无线电波：波长范围10-3～104m之间，主要用于广播、通信等方面。红外线的划分近红外：0.76～3.0µm，与可见光相似。中红外：3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。§2辐射基本定律黑体辐射普朗克辐射(Planck)定律斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律基尔霍夫（Kirchhoυυ)辐射定律维恩(Wien)位移定律黑体辐射黑体是绝对黑体的简称，指在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（100%）的物体。黑体的热辐射称为黑体辐射。黑体模型普朗克辐射(Planck)定律普朗克定义了一个常数(h)，给出了黑体辐射的能量（Q）与频率（υ）之间的关系：Q=h·υh—普朗克常数，6.626×10-34焦·秒（J·S）斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬－玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。TbW4σ:斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.6697＋－0.00297）×10－12Wcm-2K-4红外装置测试温度的理论根据。基尔霍夫（Kirchhoυυ)辐射定律给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与吸收率α之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。),(),(),(TMTMTb发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。维恩(Wien)位移定律黑体辐射的峰值波长λmax与绝对温度T的乘积是常量，即：bTmaxb:常数，2897.8＋－0.4μm·K黑体温度增加时，其辐射曲线的峰值波长向短波方向移动。分光谱辐射通量密度wλ（瓦/厘米2●微米）00.20.40.60.824681012900k800k700k600k500k波长（μm）§3太阳辐射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。太阳辐射光谱及大气的作用太阳辐射能量分布波长/μm波段名称能量比例/%小于10－3X、γ射线0.0210－3～0.2远紫外0.20～0.31中紫外1.950.31～0.38近紫外5.320.38～0.76可见光43.500.76～1.5近红外36.801.5～5.6中红外12.005.6～1000远红外0.41大于1000微波太阳光谱曲线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。§4太阳辐射与大气的相互作用大气概况大气的吸收作用大气的散射作用大气窗口大气校正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。大气成分大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3悬浮微粒：尘埃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。O2吸收带0.2μm，0.155μm最强O3吸收带0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收带0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收带1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm尘埃吸收量很小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：dλ大气窗口概念：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。透射率%近红外可见光主要大气窗口与遥感应用大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0．3～1.3μm大于90TM1-4、SPOT的HRV近红外1.5～1.8μm80TM5近－中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μm—NOAA的AVHRR远红外（热红外）8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat大气校正概念：为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正，称作大气校正。大气对遥感图像的影响与波长、时间、地点、大气条件、大气厚度、太阳高度角等因素有关。按照校正的过程，可以分为间接大气校正方法和直接大气校正方法。直接大气校正是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气影响。间接大气校正指对一些遥感常用函数，如NDVI进行重新定义，形成新的函数形式，以减少对大气的依赖。§5太阳辐射与地面的相互作用反射作用反射率的概念反射光谱曲线常见地物的光谱曲线吸收作用透射作用反射作用镜面反射漫反射实际地面反射反射率的概念反射率（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。反射光谱曲线地物反射率随波长是变化的，我们以波长作为横坐标，反射率作为纵坐标，将地物反射率随波长的变化绘制成曲线，即地物的反射率随波长变化的曲线，叫地物的反射光谱曲线。不同地物的该曲线是不同的。不同地物反射波谱曲线分析常见地物的光谱曲线植物光谱曲线水体光谱曲线土壤光谱曲线岩石光谱曲线吸收作用太阳辐射到达地面，一部分能量被地物吸收并且转换成热能，使地表具有一定温度再发射，被称为“热辐射”。发射率是地物的辐射能量与相同温度下黑体辐射能量之比，又叫比辐射率。温度一定时，地物