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第一章绪论（教材第一章）1.1遥感概述（教材1.1-1.3）遥感的基本概念广义理解，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。狭义遥感是指从远离地面的不同工作平台上（如高塔、气球、飞机、人造地球卫星、宇宙飞船等），通过传感器，对地球表面的电磁波（辐射）信息进行探测，并经信息的传输，处理和判读分析，对地球的资源与环境进行探测和监测的现代化的综合性技术。目前地学中使用的遥感概念都是狭义的遥感概念。遥感探测系统的组成1、遥感试验：对电磁波特性、信息获取、传输和处理技术的试验2、遥感信息的收集系统：遥感平台和传感器3、遥感信息的接收与处理系统：又称地面系统，由地面接收站组成4、遥感信息的判读、分析和应用系统遥感分类1、按遥感的工作平台分类：地面遥感、航空遥感、航天遥感、航宇遥感2、按探测电磁波的工作波段分类：可见光遥感、红外遥感、微波遥感等3按传感器工作方式分类：主动遥感、被动遥感4、按遥感应用的目的分类：环境遥感、农业遥感、林业遥感、地质遥感等5、按资料的记录方式：成像方式、非成像方式6、按传感器波段分类：紫外遥感可见光遥感红外遥感微波遥感多波段遥感1.2遥感发展概况当前遥感发展主要特点遥感平台：遥感船/车，气球等→飞机→卫星/航天飞机当前，航空遥感已成业务化，航天平台已成系列，20世纪已有5000余颗人造卫星升空。传感器：航空摄影机→多光谱摄影机→扫描仪→CCD探测波段不断延伸，波段分割愈来愈细，单一谱段向多谱段发展。遥感信息处理：光学处理→光电子学影像处理→数字图像处理当前，遥感信息处理，在全数字化，可视化，智能化，网络化方面有了很大发展，据估计，遥感获取的图像数据经计算机处理的还不足5%，所以遥感信息的处理将是制约遥感发展的关键之一。遥感应用方面：遥感技术已渗透到国民经济及国防建设各领域。1、掌握发射技术和具备卫星发射能力的国家越来越多，美苏（俄）—独霸空间遥感领域的局面已经打破；日本、中国、巴西、印度、法国、澳大利亚、加拿大等。2、高分辨率小型商业卫星和雷达卫星成为重要的信息来源。3、小卫星：质量小于500千克的小型近地轨道卫星，地面分辨率可达5米，甚至1米。研制和发射成本低廉。研究周期短（1年左右）而大卫星的研制周期平均为10年1.3遥感特点与展望特点：1.空间特性：感测范围大，具有宏观、综合的特点。2.光谱特性：信息量大、手段多、技术先进。3.时相特性：获取信息快，更新周期短，资料新颖，成图迅速，重复探测，有利于进行动态分析。展望：1、单一遥感资料分析，向多时相、多数据源的信息信息复合与综合分析过渡；2、从资源环境静态分布研究，向动态过程监测过渡；3、从动态监测，向预测、预报过渡；4、从定性调查、系列制图，向计算机辅助数字处理、定量自动制图过渡；5、从对各种事物的表面现象描述，向内在规律分析、机理研究过渡。6、商业遥感时代的到来，各国研制遥感卫星，向商用化转移，私营企业参与或独立进行研制、发射、运行，提供服务，鼓励高分辨率卫星计划，1-5m，私营公司所有1.4遥感应用在资源调查方面的应用1.在农业、林业方面的应用：农、林土壤干旱、盐化沙化的调查及监测2.遥感在地质矿产方面的应用：土地利用类型调查客观真实地反映各种地质现象，形象地反映区域地质构造,地质找矿工程地质、地震地质、水文地质和灾害地质3.在水文、水资源方面的应用：水资源调查、流域规划、水土流失调查、海洋调查等在环境监测评价的应用1.在环境监测方面的应用：污染物位置、性质、动态变化及对环境的影响；环境制图2.在对抗自然灾害中的应用：灾害性天气的预报旱情、洪水、滑坡、泥石流和病虫害森林火灾在区域分析及规划的应用在全球性宏观研究应用1.全球性问题与全球性研究2.人口问题、资源危机、环境恶化等3.利用GPS监测和研究板快的运移；深大断裂活动；全球性气候研究和灾情预报；世界冰川的进退在其他方面的应用1、在历史遗迹、考古调查方面的应用2、在军事方面的应用1.5遥感在地理学中的作用一、遥感已成为地理研究的重要信息源二、遥感已成为地理研究的重要手段和方法1.遥感方法改变了地理研究的工作模式2.遥感方法为地理分析提供了基础，也为地理分析从定性到定量，从静态到动态创造了件3.遥感与地理信息系统的结合，为地理研究提供了广阔的发展前景第二章电磁辐射与地物光谱特征2.1电磁波谱与电磁辐射电磁波谱按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，则构成了电磁波谱。γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波(能量从低到高)遥感常用各光谱段范围及主要特征紫外线：0.01-0.38μm0.01-0.3μm：几乎全部被大气层吸收；0.3-0.38μm：部分能通过大气层到达地面，目前主要用于探测碳酸盐分布及油污染监测，但对高空遥感不宜采用。可见光：0.38-0.76μm反射波段人眼对可见光能够直接感觉，所以可见光是作为鉴别物质特征的主要波段，是遥感中最常用的波段。红外线：0.76-1000μm近红外（0.76-3.0μm）：反射波段，特征与可见光相似；中红外（3.0-6.0μm）远红外（6.0-15.0μm）超远红外（15.0-1000μm）：发射波段，红外遥感采用热感应方式探测地物本身的辐射（eg：热污染、森林火灾等），能够全天时遥感。微波：1-1000mm分为：毫米波、厘米波、分米波，具有全天候、全天时、穿透性强。电磁辐射的度量辐射源——任何物体遥感的辐射源可分为自然电磁辐射源（太阳和地球等）和人工电磁辐射源（主动式遥感采用人工辐射源，是指人为发射的具有一定波长或一定频率的波束）两类。电磁波传递——电磁能量的传递遥感的探测——辐射能量的测定辐射能量（W）—单位：J，电磁辐射的能量辐射通量（Φ）—单位：W(=J/s)，单位时间内通过某一面积的辐射能量Φ=dW/dt辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各谱段。辐射通量之和或辐射通量的积分值辐射通量密度（E）—单位W/m²，单位时间内通过单位面积的辐射能E=dΦ/dS，S为面积辐照度（I）—单位W/m²被辐射的物体表面单位面积的辐射通量I=dΦ/dS，S为面积辐射出射度（M）—单位W/m²辐射源物体表面单位面积的辐射通量，dΦ/dS，S为面积I与M都与波长有关辐射亮度（L）—单位W/（sr·m²），假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则L定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即辐射源向外辐射电磁波时，L往往随θ角而改变。也就是说，接收辐射的观察者以不同的θ角观察辐射源时，L值不同辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源，称为郎伯源。严格的说，只有绝对黑体才是朗伯源。绝对黑体：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。绝对黑体的吸收率α(λ,T)≡1反射率ρ(λ,T)≡0自然界中没有绝对黑体，实用黑体是由人工方法制成的黑体辐射规律普朗克公式：式中，h为普朗克常数，6.626×10-34（J·s）；c为光速，3×108（m·s-1）；k为波尔兹曼常数，1.38×10-23（J·K-1）；T为绝对温度（K）；为波长（m）。此式有两个自变量：λ、T，其它都是常数，因而可写为：=f(λ,T)，表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。黑体辐射的特性：辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值温度愈高，辐射通量密度也愈大，不同温度的曲线是不相交的（斯忒藩-波尔兹曼定律）斯忒藩-波尔兹曼定律：绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化，是红外装置测定温度的理论基础。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）维恩位移定律：黑体辐射光谱中最强辐射的波长λmax与黑体绝对温度T成反比高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66μm）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。实际物体的辐射发射率(Emissivity)是一个介于0和1的数，发射率ε就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下的辐射出射度之比。影响地物发射率的因素：温度、波长、地物的性质、表面状况等按照发射率与波长的关系，把地物分为：绝对黑体=ε=1灰体=ε但0＜ε＜1选择性辐射体ε=ｆ(λ)理想反射体（绝对白体）=ε=0基尔霍夫定律：仅与温度、波长有关。在任一给定温度下，地物单位面积上的辐射通量密度W和吸收率α之比，对于任何地物都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量密度。Mi为辐射出射度，αi为吸收系数，Ii为辐照度。发射率或比辐射率ε：在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）作业：论述太阳辐射在传播到地球表面又返回被卫星或飞机上的传感器接收的整个过程中发生的物理现象。答案示例提纲：（1）太阳辐射下行到达地面①吸收：……②散射：…………（2）太阳辐射与地面的相互作用①反射：……②吸收：……③透射：…………（3）太阳辐射上行到达传感器①吸收：……②散射：…………（4）传感器接收太阳辐射取决于探测元件……2.2太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射：近似于温度为6000K的黑体辐射，主要集中在0.3-2.5μm，在紫外、可见光到近红外区段。太阳辐射的衰减过程：17%被大气吸收22%被大气散射30%被云层反射回，31%到达地面透射率与路程、大气的吸收、散射有关大气的吸收作用：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。大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等①氧气：小于0.2μm；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。②臭氧：数量极少但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。（0.2-0.36；0.6；9.6μm）③水：吸收太阳辐射能量最强的介质，分为气态水和液态水。水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波，都有水汽的吸收带。液态水的吸收更强，主要在长波方向。因此，水对红外遥感有极大的影响。④二氧化碳：量少，吸收主要在红外区，可忽略不计。1.35－2.85um之间有3个弱吸收带，2.7，4.3，14.5um为强吸收带。⑤尘埃：对太阳辐射有一定的吸收作用，但吸收量很少，当有沙尘暴、烟雾和火山爆发等发生时，大气中尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较显著。大气的散射作用：太阳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。改变了电磁波的传播方向，干扰传感器的接收，降低了遥感数据的质量，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。根据辐射的波长与散射微粒的大小之间的关系，散射作用可分为三种：1.瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？蓝光波长短，散射强度较大朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？阳光斜射向地面，波长较短的光都被散射，波长较长的红光、橙光难被散射。因此，旭日和夕阳呈现桔红色。2.米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。米氏散射的强度与波长的二次方成反比，且散射在光线向前方向比向后方向更强，即有方向性。云、雾的粒子大小与红外线的波长(0.76－15um)接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。3.无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常产生非选择性散射。无选择性散射的强度与波长无关大气折射：电磁波穿过大气层时会发生折射现象。折射改变太阳辐射的方向，不改变太阳辐射的强度。为什么早晨看到的太阳园面比中午时看到的太阳园面大？因为当太阳在地平线上时，折射角度最大，甚至它还没出地平面，由于折射，地面上已可以见到它了。反射作用:电磁波传播过程