遥感复习资料

第一章绪论1.1遥感的定义广义的概念：无接触远距离探测(磁场、力场、机械波）狭义的概念：遥感是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。1.2遥感的特点宏观性、时效性、可比性、经济性、光谱性、地域性、真实性、局限性动态：3W（When,Where,What）宏观：3全（全天候、全天时、全球）准确：3高（高空间、高光谱、高时相）系统:3组合（星座、地空、技用）1.3遥感的构成（遥感系统）目标地物的电磁波特性、信息的采集与获取、信息的传输和接收地面定标及实况调查、信息的处理和加工、信息的分析与应用1.4遥感器(Sensor)与遥感平台(Platform)遥感器又称为传感器，是接收、记录目标电磁波特性的仪器。常见的传感器有摄影机、扫描仪、雷达、辐射计、散射计等。遥感平台是搭载传感器的工具。遥感平台按高度可分为：地面平台：手提平台、遥感车、遥感塔等空中平台：飞机、气球、飞艇等空间平台：卫星、宇宙飞船、空间实验室等1.5遥感的分类按遥感平台分：地面遥感、航空遥感、航天遥感、航宇遥感按探测波段分：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、（发射红外遥感、热红外遥感）微波遥感、多光谱遥感、高光谱遥感按工作方式分：主动遥感、被动遥感按是否成像分：成像遥感、非成像遥感按覆盖区域分：全球遥感、区域遥感、城市遥感按研究领域分：陆地遥感、海洋遥感、大气层遥感、外空间遥感按应用领域分：资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、工程遥感、灾害遥感、军事遥感等1.6遥感发展趋势对地球的全面观测（广度）卫星分辨率不断提高（深度）－空间分辨率在20世纪末几乎每10年提高一个数量级－光谱分辨率从70年代的50-100nm到目前的5-10nm－在全球观测背景下，时间分辨率大为提高（≤1天）技术的专业化和综合集成化（业务系统）大型综合平台（TERRA、ENVISAT）、专用型微小卫星(北京1号)国际和区域合作的加强与各国独立自主的发展企业化和产业化的发展第二章遥感的电磁辐射原理2.1电磁波谱将电磁波在真空中传播的波长或频率、递增或递减依次排列为一个序谱，将此序谱称为电磁波谱。次序为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波无线电波与微波波长：长波，大于3000m；中波和短波，10~3000m；超短波，1~10m；微波，1mm~1m；红外线与可见光波长分布：超远红外，15-1000µm；远红外，6-15µm；中红外，3-6µm；近红外，0.76-3µm；红，0.62-0,76µm；橙，0.59-0.62µm；黄，0.56-0.59µm；绿，0.50-0.56µm；青，0.47-0.50µm；蓝，0.43-0.47µm；紫，0.38-0.43µm；2.2电磁波的性质电磁波是横波电磁波在真空中以光速传播满足:c=f·λE=h·f电磁波具有波粒二象性电磁波传播到气体、固体、液体时,会发生反射、折射、吸收、透射现象,碰到粒子会发生散射现象.电磁辐射能量以离散的单元形式（光子、量子）被吸收和发射。2.3黑体辐射原理吸收α；反射ρ；发射(比辐射)ε；透射(过)τ；散射γ黑体：对任何波长的电磁辐射都全吸收的假想的辐射体。α(λ,T)≡1α与λ无关理想的黑体：实验上带小孔的空腔最接近黑体的自然物质：黑色的烟煤接近黑体辐射的辐射源：太阳、恒星灰体：α(λ,T)＜1α与λ无关选择性辐射体：α(λ,T)＜1α随λ变而变。普朗克辐射定律(Plank):描述了黑体辐射源的辐射出射度与波长、温度的关系(Plank公式)斯波定律(Stefan-Boltzmann)：描述了黑体的总辐射出射度与温度的定量关系：M=∫Mλ(λ)dλ——M=σT4维恩位移定律(Wien’s)：描述了黑体的辐射峰值与温度的定量关系λmax·T=b太阳：0.47µm6000K;地球：9.66µm300K黑体辐射性质：（1）黑体辐射出射度随波长连续变化。每条曲线只有一个最大值。（普朗克定律）（2）温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大。不同温度的曲线是不相交的。绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的4次方成正比。（斯玻定律）（3）黑体辐射光谱中，最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。并且，随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。（维恩位移定律）。2.4实际物体辐射实际物体：灰体、选择性辐射体基尔霍夫定律：描述了实际物体辐射出射度与黑体辐射出射度的关系(同一温度、统一波长)实际物体辐射性质：对于实际物体，都可以看作辐射源。如果物体的吸收本领大，它的发射(比辐射)本领也大，即越接近黑体辐射。实际物体的辐射比黑体辐射弱，而且随波长、温度不同而不同。2.5电磁辐射的大气传输遥感过程：太阳地物传感器地气系统能源（辐射体）—大气—地表地物—再次大气—传感器—地面接收站—图像数据—信息产品—多目标用户太阳辐射：太阳是被动遥感的电磁辐射源。太阳辐射曲线（太阳辐照度分布曲线）①太阳光谱相当于6000K左右的黑体辐射；②太阳辐射的能量主要集中在可见光，最大辐射强度位于波长0.47µm左右；③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；④经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；⑤各波段的衰减是不均衡的。太阳辐射的垂直入射与斜入射①地面接收到的太阳辐照度与太阳天顶角θ（太阳高度角h的余角）有关。在忽略大气衰减的情况下，入射辐照度满足以下公式：E=(Eo/d2)·cosθ②太阳常数Eo：是指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。1.36×103W/m2。③太阳天顶角θ：cosθ=sinψ·sinδ+cosψ·cosδ·costψ：地理纬度；δ：赤纬(太阳光线与赤道面的夹角，一年内在±23°27’内变动，对应夏至和冬至，通过查找表计算)；t：时角（地方时6时为-π/2，12时为0，18时为π/2）④日地距离d：据儒略日和查找表插值计算2.6大气概况大气层顶：理论上，气压为0的高度，1000km大气层次（按热力学性质）：对流层、平流层、中间层、电离层（热层、散逸层）大气的成分：气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3等悬浮微粒：烟尘、雾霾、水滴、冰粒、气溶胶电磁波与大气的相互作用主要有两种基本的物理过程——吸收和散射，其他作用如折射等可忽略不计。电磁辐射在穿过大气时，大气分子等对电磁波的某些波段具有吸收作用，造成能量衰减。电磁波传播过程中起重要作用的气体主要有:臭氧、二氧化碳和水汽。2.7大气吸收◇氧气或氮气吸收0.2um的电磁波◇水汽的吸收带主要有2.5~3.0µm,5~7µm,1.13µm,1.38µm,1.86µm,3.24µm◇二氧化碳的吸收峰为2.8µm和4.3µm◇臭氧的吸收带为0.2~0.32µm，此外,0.6µm,4.75µm和9.6µm处吸收较强2.8大气散射大气散射：辐射在传播过程中遇到小微粒（气体分子或悬浮微粒等）而使传播方向改变，并向各个方向散开，从而减弱了原方向的辐射强度、增加了其他方向的辐射强度的现象。对遥感图像来说，大气散射降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清，降低了图像反差和信息表达能力，但散射使人们有可能在影像处获得地物的部分信息。（大气散射对遥感的影响）大气发生的散射主要有瑞利散射、米氏散射和非选择性散射三种。（1）瑞利散射(Rayleigh)条件：Dλ特征：①I∝λ-4②主要由大气中原子、分子引起，如N2，CO2，O3，O2引起③对可见光而言，瑞利散射明显④多在晴朗无云的高空(9~10km)发生⑤前向散射强度与后向散射强度相当⑥可解释“蔚蓝天空”和“橘红朝霞和夕阳”现象（2）米氏散射(Mie)条件：D≌λ特征：①I∝λ-2②主要由大气中悬浮微粒引起，如烟尘，小水滴，气溶胶等引起③对可见光至红外波段而言，米氏散射明显④多在低空(0~5km)潮湿天气发生⑤前向散射强度大于后向散射强度⑥可解释雨前“天空阴暗”现象（3）非选择性散射条件：D＞＞λ特征：①I不相关λ②主要由大气中云、雾、水滴、尘埃等引起③同等散射所有可见光和近红外④可解释“云雾白色”现象微波的穿云透雾与全天侯遥感：在云雨天气时，在云层中，小雨滴的直径相对其他微粒为最大。对可见光只有非选择性散射发生。云层越厚，散射越强。而对微波来说，微波波长比粒子的直径大得多，则又属于瑞利散射类型，散射强度与波长四次方成方比，波长越长散射强度越小，因此微波相对于可见光和红外波段，具有较小的散射和较大的透射，具有穿云透雾能力。这就是全天候遥感。2.9大气的折射与反射大气折射：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气折射率与大气密度有关，大气密度越大，折射率越大。大气反射：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，大气反射现象主要出现在云顶，发射率取决于云量，且各波段都受不同程度的影响，削弱了电磁波到达地表的强度（云造成的噪声）。2.10大气窗口定义：电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，透过率较高的波段。常见的大气窗口光谱段有：①0.3~1.3µm，紫外、可见、近红外波段，摄影成像的最佳谱段和扫描成像的常用谱段；②1.5~1.8µm和2.0~3.5µm，近、中红外波段，扫描成像的常用谱段；③3.5~5.5µm，中红外波段，探测地物自身热辐射能量；④8~14µm，远红外波段，探测地物自身热辐射能量，适于夜间成像；⑤0.8~2.5cm，微波波段，全天侯遥感。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，因而各波段的透过率也各不相同。2.11大气衰减：又称消光，电磁波在大气传输时，因大气的吸收、散射等作用，使得光线强度减弱的现象。大气衰减作用可用透过率τ表示:τ=E’/E=e-m(θ)xm(θ)：大气质量(θ∈(0,π/3)时，m(θ)=secθ))x：大气的垂直光学厚度m(θ)x：光学厚度2.12地物反射波谱地球辐射：地球表面与大气电磁辐射的总称。地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。装载在遥感平台上的传感器，接受来自地球辐射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。地球辐射是地表参数反演的理论基础。地球辐射主要包括反射、自身热辐射（吸收储存后发射）。地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。2.13不同电磁波段中地物波谱特性可见-反射红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸收作用。热红外波段：主要表现地物热辐射作用微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射2.14地物反射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。地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生发射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接收。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。反射率(ρ)：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。表征物体对电磁波谱的反射能力。反射率是可以测定的。地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率的差别，可以判断地物的属性。反射率与入射电磁波的波长和入射角度有关，也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。2.15物体表面性质对反射的影响地物的反射类型：根据地表目标物体表面性质的不同，物体反射大体上可以分为3种类型，即镜面反射、漫反射、实际物体的反射(1)镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射。物体的反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，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。(2)漫