遥感原理与方法

遥感原理与应用绪论1.遥感的概念遥感：即遥远感知，是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术。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：电磁波遥感，即应用传感器，不与探测目标接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示物体的特征性质及其变化的技术。2.遥测与遥控遥测：对被测物体某些运动参数和性质进行远距离测量的技术。遥控：远距离控制目标物体运动状态和过程的技术。3.遥感的分类按遥感平台分：地面遥感、航空遥感、航天遥感、宇航遥感。按传感器的探测波段范围分：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感。按工作方式分：主动遥感、被动遥感。按记录信息的表现形式分：成像遥感、非成像遥感。按遥感的应用领域分：外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感、资源遥感、农业遥感、林业遥感、地质遥感、城市遥感、军事遥感等等。4.遥感三要素目标物传感器测量方法5.遥感的主要特点1)获取信息真实、客观2)获取信息的速度快，周期短3)获取信息受条件限制少,范围大4)获取信息的手段多，信息量大6.遥感的过程地物发射或反射电磁波传感器获取数据数据处理信息提取应用7.遥感的应用①利用多时相影像发现土地利用变化、农业作物估产、林业资源调查、自然灾害监测、全球和局部环境监测；②利用高分辨率影像提取城市信息(交通道路网络)；③军事应用越来越重要：重要目标定位与侦察、导航与武器制导、打击效果评估、战场环境监测等；④高光谱遥感在精准农业中的应用；⑤在建设数字城市、数字省区和数字中国中的应用：DOM、DEM和DLG。第一章电磁波及遥感物理基础1.电磁波传播原理：交互变化的电磁场在空间的传播。描述特性指标：波长、频率、振幅、相位等。特性：波动性、粒子性、横波2.干涉基本原理：波的叠加原理叠加条件：频率相同、震动方向相同、具有固定位相关系3.衍射概念：光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象。爱里斑：衍射实验中观察屏上的中央亮斑，其角半径为衍射角。瑞利判据：如果一个点光源的衍射图象的中央最亮处刚好与另一个点光源的衍射图象第一个最暗环相重合时，这两个点光源恰好能被这一光学仪器所分辨。4.偏振概念：如果光矢量E在一个固定水平面内只沿一个方向作振动，则这种光称为偏振光。偏振态：光矢量在垂直于传播方向的平面内可能存在的不同振动状态偏振面（振动面）：振动方向（光矢量方向）与光传播方向构成的平面偏振态分类：完全偏振（线偏振、圆偏振、椭圆偏振），非偏振，部分偏振5.极化概念：极化是指电磁波的电场振动方向的变化趋势。水平极化（H极化）：卫星向地面发射信号时，电磁波的振动方向是水平方向。垂直极化（V极化）：卫星向地面发射信号时，电磁波的振动方向是垂直方向。6.电磁波波谱紫外线：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。7.黑体绝对黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。黑体辐射：黑体的热辐射称为黑体辐射。黑体辐射的三个特性：温度越高，总的辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。8.太阳辐射概念：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光。太阳常数：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。（1353W/m2）特点：①太阳光谱相当于5800K的黑体辐射；②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；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；9.大气大气垂直分层：对流层、平流层、电离层和外大气层大气对太阳辐射的作用：大气吸收（主要原因）、散射、反射引起吸收的主要成分：氧气、臭氧、二氧化碳、水蒸气散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向的一种现象。（主要发生在可见光波段）散射方式：米散射、均匀散射、瑞利散射大气散射特点：群体散射强度是个体散射强度的线性和。大气散射系数与高度的关系分子散射与气溶胶散射光强之比随角度和能见度的变化规律。大气窗口：电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。遥感大气窗口：大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.3～1.1μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μm60～70NOAA的AVHRR远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat10.地物发射辐射发射率：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。影响因素：地物的性质、表面状况、温度按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体：发射率小于1，常数选择性辐射体：发射率小于1，且随波长而变化。地物的发射光谱发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。亮度温度：它是衡量地物辐射特征的重要指标。指当物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。等效温度：为了分析物体的辐射能力，常用最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线来表达，这时黑体辐射温度称为该物体的等效辐射温度。11.地物辐射地物辐射特性：①在0.3～2.5um波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。②在2.5～6.0um波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。③在6.0um以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像）地物辐射的分段特性的意义：①可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。②中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。③热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。12.不同电磁波段中地物波谱特性可见光和近红外波段：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。13.地物反射辐射反射率（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。地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生反射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接收。影响因素：表面颜色、粗糙度和湿度地物反射类型：镜面反射、漫反射、方向反射14.地物波谱特性定义：研究可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。作用：物体波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物类型在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器所获得的数据相对照，可以识别遥感影像中的同类地物。研究地表的主要波段：可见光和近红外波段可见光和近红外地物光谱测试的作用：①传感器波段的选择、验证、评价；②建立地面、航空和航天遥感数据的定量关系；③地物光谱数据与地物特征的相关分析。第二章遥感平台及运行特点1.遥感平台组成：由遥感传感器、数据记录装置、姿态控制仪、通信系统、电源系统、热控制系统等组成。功能：在不同高度进行多平台遥感，可获得不同比例尺、分辨率和地面覆盖面积的遥感图像。类型：按遥感平台距地面的高度分为地面平台、航空平台和航天平台。2.遥感平台的作用地面平台：地面平台稳定性高，能够进行近距离测量，可以测定各类地物的波谱特性；航空平台：能够快速进行航空摄影测量，各种大范围调查和侦察。航天平台：进行各地点和时期期的地球观测，空间调查与实验，提供各种数据。3.卫星轨道及运行特点春分点：黄道面与赤道面在天球上的交点升交点：卫星由南向北运行时与赤道面的交点降交点：卫星由北向南运行时与赤道面的交点近地点：卫星轨道离地球最近的点远地点：卫星轨道离地球最远的点卫星在空间的位置和形状是由6个轨道参数来决定的。它们是：升交点赤经Ω:春分点R逆时针方向到升交点K的弧长近地点角距ω:从升交点K沿轨道到近地点A的角距过近地点时刻t:卫星S与近地点A间的角距长半轴a:轨道椭圆的长半径偏心率e:轨道椭圆的偏心率倾角i:轨道平面与赤道平面的夹角卫星坐标解算方法：利用星历参数解算、用GPS测定。卫星的姿态：通常用X(前进的切线方向）、Y（垂直与轨道面方向、Z（垂直与ＸＹ面）三轴定向表示:绕Ｘ轴称滚动；绕Ｙ轴称俯仰；绕Ｚ轴称航偏。测量的方法有：红外姿态测量仪、恒星相机测定法、GPS方法4.遥感中常用卫星轨道参数轨道周期：卫星在轨道上绕地球一周所需的时间；覆盖周期：卫星从某点开始，经过一段时间飞行后，又回到该点用的时间。赤道轨道：i＝0°轨道平面与赤道平面重合地球静止轨道：i＝0°且卫星运行方向与地球自转方向一致，运行周期相等倾斜轨道：顺行轨道--0°＜i＜90°卫星运行方向与地球自转方向一致--可覆盖最高南北纬度为i；逆行轨道--90°＜i＜180°卫星运行方向与地球自转方向相反--可覆盖最高南北纬度为180°－i。星下点:卫星质心与地心连线同地球表面的交点星下点轨迹(地面轨迹):星下点在卫星运行过程中在地面的轨迹卫星速度、星下点速度、卫星平均高度同一天相邻轨道间在赤道的距离每天卫星绕地球的圈数5.陆地卫星用途：用于陆地资源和环境探测平台要求：①对全球表面进行周期性成像覆盖;②保证在卫星通过北半球中纬度地区时有最佳光照条件；③同一地点、不同日期的成像地方时间、太阳光照角基本一致。轨道特征：①近极地轨道，卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角近90度。轨道倾角越大，覆盖地球表面的面积越大。②卫星轨道近圆形地球资源卫星的偏心率很小③与太阳同步轨道：卫星轨道平面与太阳光之间的夹角（太阳光照角）始终保持一致的轨道。④可重复观测：地球资源卫星的按一定的周期运行，一个重复周期对地球扫描一次；第三章遥感传感器及其成像原理1.传感器基本组成：收集系统、探测系统、信号转换系统（处理器）、记录系统（输出器）收集系统：接收地物辐射电磁波将其聚焦成像探测系统。探测系统：对电磁辐射敏感、将辐射能转换成电信号。信号转换系统：将电信号转换为便于显示、记录、处理的光信号。记录系统：将探测系统或信号转换系统输出的电磁波信息（光信号）记录、存储到遥感信息载体，以影像或数字形式输出。2.描述遥感器的特性参数空间分辨率：表示按地物几何特征(尺寸和形状)和空间分布,即在形态学基础上识别目标的能力。光谱分辨率：指遥感器在接收目标辐射的波谱时，能分辨的最小波长间隔，即遥感器的工作波段数目、波长及波长间隔(波带宽度)。辐射分辨率（辐射灵敏度）：辐射分辨率指遥感器探测元件在接收波谱辐射信号时，能分辨的最小辐射度差。时间分辨率：为分析、识别目标所必须具有的最小时间间隔，称时间分辨率。3.传感器类型及优缺点①摄影类型的传感器优点：成本低易操作信息量大缺点：局限性大，影像畸变较严重，成像受气侯、光照和大气效应的限制影像须回收胶片②扫描成像类型传感器优点：可对全部五个大气窗口的电磁辐射进行探测，可进行多波段、超多波段遥感--波谱分辨率高缺点：空间分辨率相对较低③雷达成像类型传感器④非图像类型传感器⑤成像光谱仪⑥推扫式传感器4.TM特点①TM中增加一个扫描改正器,使扫描行垂直于飞行轨道②往返双向都对地面扫描（MSS仅单向扫描）；③地面分辨率由