《遥感概论》课程电子讲义

《遥感概论》课程电子讲义丁建丽新疆大学资源与环境科学学院1《遥感概论》课程讲义第一章遥感概述本章从整体上简单介绍了遥感技术的全貌，目的是让同学们对遥感有一个大致的认识。遥感技术的根本目的在于获取目标地物的信息，为了获取这种信息，遥感采用了与传统技术不同的手段、角度、媒介，由此产生了与传统观察方法不同的效果和特点，从而遥感技术得到了广泛的应用。本章重点是掌握遥感基本概念与遥感技术系统。第一节遥感基本概念1.1.1遥感概念遥感(RemoteSensing)泛指对地表事物的遥远感知。狭义的遥感特指通过遥感器这类对电磁波敏感的仪器，在远离目标和非接触目标物体条件下探测目标地物，获取其反射、辐射或散射的电磁波信息，进行处理、分析与应用的一门科学和技术。遥感通常是指通过某种遥感器从空中或太空获取地表各类地物信息，并对这些信息进行提取、分析，以此来测量与判定地表目标地物的性质或特性。1.1.2观测对象及其特征遥感的观测对象主要是地球表层的各类地物，也包括大气、海洋和地下矿藏中不同成分。地球表层各类地物都具有两种特征，一是空间几何特征，一是物理、化学、生物的属性特征。1.1.3特点与优势遥感技术是20世纪70年代起迅速发展起来的一门综合性探测技术。遥感技术发展速度之快与应用广度之宽是始料不及的。仅经过短短30多年的发展，遥感技术已广泛应用于资源与环境调查与监测、军事应用、城市规划等多个领域。究其原因，在于遥感具有客观性、时效性、宏观性与综合性、经济性的特点。第二节遥感技术系统1.2.1空间信息获取系统地球表面地物目标空间信息获取主要由遥感平台、遥感器等协同完成。遥感平台(PlatformforRemoteSensing)是安放遥感仪器的载体，包括气球、飞机、人造卫星、航天飞机以及遥感铁塔等。遥感器(RemoteSensor)是接收与记录地表物体辐射、反射与散射信息的仪器。目前常用的遥感器包括遥感摄影机、光机扫描仪、推帚式扫描仪、成像光谱仪和成像雷达。按其特点，遥感器分为摄影、扫描、雷达等几种类型。1.2.2遥感数据传输与接收空间数据传输与接收是空间信息获取和空间数据应用中必不可少的中间环节。遥感器接收到地物目标的电磁波信息，被记录在胶片或数字磁带上。从遥感卫星向地面接收站传输的空间数据中，除了卫星获取的图像数据以外，还包括卫星轨道参数、遥感器等辅助数据。这些数据通常用数字信号传送。遥感图像的模拟信号变换为数字信号时，经常采用二进制脉冲编码的PCM式（pulsecodemodulation:脉冲编码调制）。由于传送的数据量非常庞大，需要采用数据压缩技术。2卫星地面接收站的主要任务是接收、处理、存档和分发各类地球资源卫星数据。地面站接收的卫星数据通常被实时记录到HDDT(highdensitydigitaltape，高密度磁带)上，然后根据需要拷贝到CCT(computercompatibletape，计算机兼容磁带)、光盘、盒式磁带等其他载体上。CCT、光盘、盒式磁带等是记录、保存、分发卫星数据等昀常用的载体。1.2.3遥感图像处理遥感图像处理是在计算机系统支持下对遥感图像加工的各种技术方法的统称。遥感图像处理依赖于一定的图像处理设备。对于数字图像处理系统来说，它包括计算机硬件和软件系统两部分。硬件部分包括：计算机(完成图像数据处理任务)、显示设备(高分辨率真彩色图像显示）、大容量存贮设备、图像输入输出设备等。软件部分包括：由数据输入、图像校正、图像变换、滤波和增强、图像融合、图像分类、图像分析以及计算、图像输出等功能模块。1.2.4遥感信息提取与分析遥感信息提取是从遥感图像（包括数字遥感图像）等遥感信息中有针对性地提取感兴趣的专题信息，以便在具体领域应用或辅助用户决策。遥感信息分析指通过一定的方法或模型对遥感信息进行研究，判定目标物的性质和特征或深入认识目标物的属性和环境之间的内在关系。第三节遥感主要应用领域1.3.1外层空间遥感利用探空火箭、人造卫星、人造行星和宇宙飞船等航天运载工具，对外层空间进行的遥感探测。在不久的将来外层空间遥感将会取得丰硕的成果。1.3.2大气遥感探测仪器不和大气介质直接接触，在一定距离之外，感知大气的物理状态、化学成分及其随时空的变化，这样的探测技术与方法称大气遥感。1.3.3海洋遥感海洋遥感以海洋和海岸带作为研究与监测对象，其内容涉及到海洋学多个领域，如利用遥感技术监测海洋的环流、表面温度、风系统、波浪、生物活动等。卫星海洋遥感已成为海洋科学的新兴分支。在未来几年，中国将发射一系列海洋卫星，实现对中国及周边海域甚至全球海洋的遥感动态监测。1.3.4陆地遥感陆地遥感是遥感技术应用昀早、应用范围昀为广阔深入的一个方面。陆地遥感主要为资源与环境遥感。1.3.5军事遥感遥感技术是现代战争“制高点”。侦察卫星从太空轨道上对目标实施侦察、监视或跟踪，以搜集地面、海洋或空中目标军事情报。第四节遥感技术发展与展望1.4.1遥感技术发展简史1957年10月4日，苏联第一颗人造地球卫星的发射成功，标志着人类从空间观测地球和探索宇宙奥秘进入了新的纪元；1960年开始，美国发射了TelevisionInfraredObservationSattellite(TIROS-1)和NationalOceanicandAtmosphericAdministration(NOAA-1)太阳同步气象卫星，开始利用航天器对地球进行长期观测；31960年美国人EvelynPruitt提出遥感一词；1972年ERTS-1发射（后改名为Landsat-1），装有MSS传感器，分辨率79米，标志着遥感进入新阶段；1982年Landsat-4发射，装有TM传感器，分辨率提高到30米；1986年法国发射SPOT-1，装有PAN和XS遥感器，分辨率提高到10米；1988年9月7日中国发射的第一颗“风云1号”气象卫星，其主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感试验；1999年美国发射IKNOS，空间分辨率提高到1米；1999年10月14日中国成功发射资源卫星1号；1.4.2遥感技术发展趋势随着人类对遥感技术的逐渐认识，观测技术的进步和社会需求的增加，遥感正经历着技术不断完善、能力不断增强、应用领域不断扩大的发展过程。社会需求成为遥感技术发展的动力和目标。在21世纪前叶，人类将进入一个多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代。第二章电磁波谱与地物波谱特征遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。本章重点是掌握可见光近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。第一节电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波与电磁波谱1．电磁波一个简单的偶极振子的电路，电流在导线中往复震荡，两端出现正负交替的等量异种电荷，类似电视台的天线，不断向外辐射能量，同时在电路中不断的补充能量，以维持偶极振子的稳定振荡。当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。2．电磁辐射电磁场在空间的直接传播称为电磁辐射。1887年德国物理学家赫兹由两个带电小球的火花放电实验，证实了电磁场在空间的直接传播，验证了电磁辐射的存在。装载在遥感平台上的遥感器系统，接收来自地表、地球大气物质的电磁辐射，经过成像仪器，形成遥感影象。3．电磁波谱γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波（微波、短波、中波、长波和超长波等）在真空中按照波长或频率递增或递减顺序排列，构成了电磁波谱。目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。可见光区间辐射源于原子、分子中的外层电子跃迁。红外辐射则产生于分子的振动和转动能级跃迁。无线电波是由电容、电感组成的振荡回路产生电磁辐射，通过偶极子天线向空间发射。微波由于振荡频率较高，用谐振腔及波导管激励与传输，通过微波天线向空间发射。由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。44．电磁辐射的性质电磁辐射在传播过程中具有波动性和量子性两重特性。2.1.2电磁辐射的传播电磁辐射通过不同的介质时，其强度、波长、相位、传播方向和偏振面等将发生变化，这些变化可能是单一的，也可能是复合的。电磁波可以采用频率、相位、能量、极化等物理参数来描述。电磁波在传播中遵循波的反射，折射，衍射，干涉，吸收，散射等传播规律。2.1.3电磁辐射的测量与度量单位遥感信息是从遥感器定量记录的地表物体电磁辐射数据中提取的。为了测量从目标地物反射或辐射的电磁波的能量，这里介绍两种电磁辐射的测量方式和度量单位：1．辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波的整个波段范围为对象的物理辐射量的测定。2．光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光度观察）评价的物理辐射量的测定。5第二节大气对电磁辐射的影响3.1大气的吸收与散射太阳辐射有时习惯称作太阳光，太阳光通过地球大气照射到地面，经过地面物体反射又返回，再经过大气到达航空或航天遥感平台，被安装在平台上的传感器接收。这时传感器探测到的地表辐射强度与太阳辐射到达地球大气上空时的辐射强度相比，已有了很大的变化，这种变化主要受到大气主要成分影响。大气主要成分可分为二类：气体分子和其它微粒。它们对电磁辐射具有吸收与散射作用。1）大气吸收作用太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，吸收作用使辐射能量变成分子的内能，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。2）大气散射作用。大气中的粒子与细小微粒如烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶等对大气具有散射作用。散射的作用使在原传播方向上的辐射强度减弱，增加了向其他各个方向的辐射。我们把辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开的物理现象，称为散射。散射现象的实质是电磁波传输中遇到大气微粒产生的一种衍射现象，大气散射有以下三种情况：（1）瑞利散射。当大气中粒子的直径小于波长1/10或更小时发生的散射。（2）米氏散射。当大气中粒子的直径大于波长1/10到与辐射的波长相当时发生的散射。（3）无选择性散射。当大气中粒子的直径大于波长时发生的散射。这种散射的特点是散射强度与波长无关，任何波长的散射强度相同，因此称为无选择性散射。2.3.2大气折射和透射大气折射现象电磁波穿过大气层时，除了吸收和散射两种影响以外，还会产生传播方向的改变，产生折射现象。大气的折射率与大气圈层的大气密度直接相关。大气透射现象太阳电磁辐射经过大气到达地面时，可见光和近红外波段电磁辐射被云层或其它粒子反射的比例约占30％，散射约占22％，大气吸收约占17％，透过大气到达地面的能量仅占入射总能量的31％。反射、散射和吸收作用共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。剩余强度越高，透过率越高。对遥感传感器而言，透过率高的波段，才对遥感有意义。2.3.3辐射传输辐射传输是电磁辐射与不同介质相互作用的复杂过程。遥感器，无论是航空器或航天器所载，所接收的电磁辐射都包括来自地面的辐射和来自大气的辐射。在可见光与近红外波段，遥感器观测方向的目标反射辐射经大气散射和吸收之后进入遥感器视场，这一部分经过大气衰减的能量中含有目标信息。但由于太阳入射辐射中，有一部分能量在未到达地面之前就被大气散射和吸收了，其中有一部分散射能量进入了遥感器视场，这一部分能量（通常称之为程辐射）中不含有任何目标信息。另外，由于周围环境的存在，入射到环境表面的辐射被其反射后有一部分经过大气散射后而进入遥感器视场，另一部分又被大气反射到目标表面，再被目标表面反射和大气透过进入遥感器视场。这样，遥感器对地观测获取的信息中，既包括了目标地物信息，也包括了部分大气信息和地物周围环境的信息，这直接影响到遥感图象解译和定量分析。为此，多年来研究者一直对辐