遥感知识集锦

遥感知识集锦一.遥感的基本概念1.遥感的基本知识“遥感”一词来自英语RemoteSensing，从字面上理解就是“遥远的感知”之意。顾名思义，遥感就是不直接接触物体，从远处通过探测仪器接受来自目标物体的电磁波信息，经过对信息的处理，判别出目标物体的属性。实际工作中，重力、磁力、声波、机械波等的探测被划为物理探测（物探）的范畴，因此，只有电磁波探测属于遥感的范畴。根据遥感的定义，遥感系统包括：被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用这五大部分。1.目标物的电磁波特性任何目标物体都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感探测的依据。2.信息的获取接受、记录目标物体电磁波特征的仪器，称为“传感器”或者“遥感器”。如：雷达、扫描仪、摄影机、辐射计等。3.信息的接收传感器接受目标地物的电磁波信息，记录在数字磁介质或者胶片上。胶片由人或回收舱送至地面回收，而数字介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线输送到地面的卫星接收站。4.信息的处理地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息，记录在高密度的磁介质上，并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变换等，再转换为用户可以使用的通用数据格式，或者转换为模拟信号记录在胶片上，才能被用户使用。5.信息的应用遥感技术是一个综合性的系统，它涉及到航空、航天、光电、物理、计算机和信息科学以及诸多应用领域，它的发展与这些科学紧密相关。2.遥感的分类1）按遥感平台分地面遥感：传感器设置在地面上，如：车载、手提、固定或活动高架平台。航空遥感：传感器设置在航空器上，如：飞机、气球等。航天遥感：传感器设置在航天器上，如：人造地球卫星、航天飞机等。2）按传感器的探测波段分紫外遥感：探测波段在0.05~0.38μm之间。可见光遥感：探测波段在0.38~0.76μm之间。红外遥感：探测波段在0.76~1000μm之间。微波遥感：探测波段在1mm~10m之间。3）按工作方式分主动遥感：有探测器主动发射一定电磁波能量并接受目标的后向散射信号。被动遥感：传感器仅接收目标物体的自身发射和对自然辐射源的反射能量。4）按遥感的应用领域分外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等。3.遥感发展简史最早使用“遥感”一词的是美国海军研究所的艾弗林*普鲁伊特。1961年，在美国国家科学院和国家研究理事会的支持下，在密歇根大学的威罗*兰实验室召开了“环境遥感国际讨论会”，此后，在世界范围内，遥感作为一门新兴学科飞速发展起来。1）无记录的地面遥感阶段（1608---1838年）1608年，汉斯*李波尔赛制造了世界第一架望远镜，1609年伽利略制作了放大倍数3倍的科学望远镜，从而为观测远距离目标开辟了先河。但望远镜观测不能吧观测到的事物用图像记录下来。2）有记录的地面遥感阶段（1839---1857年）对探测目标的记录与成像始于摄影技术的发展，并与望远镜相结合发展为远距离摄影。3）空中摄影遥感阶段（1858---1956年）1858年，G..F.陶纳乔用系留气球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰”像片。1860年，J.布莱克乘气球升空至630m，成功的拍摄了美国波士顿的照片。1903年，J.钮布郎特设计了一种捆绑在飞鸽身上的微型相机。这些试验性的空间摄影，为后来的实用化航空摄影打下了基础。在第一次世界大战期间，航空摄影成了军事侦探的重要手段，并形成了一定规模。与此同时，像片的判读水平也大大提高。一战以后，航空摄影人员从军事转向商务和科学研究。美国和加拿大成立了航测公司，并分别出版了《摄影测量工程》及类似性质的刊物，专门介绍有关技术方法。1924年，彩色胶片出现，使得航空摄影记录的地面目标信息更为丰富。二战中，微波雷达的出现及红外技术应用于军事侦查，使遥感探测的电磁波谱段得到了扩展。4）航空遥感阶段（1957---）1957年10月4日，苏联第一颗人造地球卫星的发射成功，标志着人的空间观测进入了新纪元。此后，美国发射了“先驱者2号”探测器拍摄了地球云图。真正从航天器上对地球进行长期探测是从1960年美国发射TIROS-1和NOAA-1太阳同步卫星开始。此外，多宗探测技术的集成日趋成熟，如雷达、多光谱成像与激光测高、GPS的集成可以同时取得经纬度坐标和地面高程数据，由于实时测图。总之，随着遥感应用向广度和深度发展，遥感探测更趋于实用化、商业化和国际化。4.遥感应用的一个简单例子大兴安岭森林火灾发生的时候，由于着火的树木温度比没有着火的树木温度高，它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量，这样，当消防指挥官面对着熊熊烈火担心不已的时候，如果这时候正好有一个载着热红外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空，传感器拍摄到大兴安岭周围方圆上万平方公里的影像，因为着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的电磁能量，在影像着火的森林就会显示出比没有着火的森林更亮的浅色调。当影像经过处理，交到消防指挥官手里时，指挥官一看，图像上发亮的范围这么大，而消防队员只是集中在一个很小的地点上，说明火情逼人，必须马上调遣更多的消防员到不同的地点参加灭火战斗。5.中国遥感技术的发展我国自1970年4月24日发射“东方红1号”人造卫星后，相继发射了数十颗不同类型的人造地球卫星，使得我国开展宇宙探测、通讯、科学实验、气象观测等研究有了自己的信息源。1999年10月14日中国---巴西地球资源卫星CBERS---1的成功发射，使我国拥有了自己的资源卫星。在遥感图形处理方面，已开始从普遍采用国际先进的商品化软件向国产化迈进。在科技部、信息产业部的倡导下，国产图像处理软件从研制走向了商品化，并占有一定的市场份额，如photomapper等。在遥感应用方面，国家将遥感列入重点攻关项目和“863”工程。二.电磁辐射与地球的光谱特征1.电磁波谱与电磁辐射（1）基本概念1）波：振动的传播。如：水波、声波、地震波等。2）机械波：振动的是弹性介质中的位移矢量。3）电磁波：电磁振源产生的电磁振荡在空间中的传播。4）电磁波的特点①不需要传播介质②电磁波是横波，在真空中以光速传播③满足波粒二象性④波长与频率成反比，且两者之积为光速：f×λ=c。⑤传播遇到气体、固体、液体介质时，会发生反射、投射、折射、吸收等现象。5）电磁波谱：按照电磁波波长的长短，依次排列成的图表称为电磁波谱。（2）电磁辐射的量度1）辐射源：任何物体都是辐射源，既能吸收其它物体的辐射，也能向外辐射电磁波。2）辐射能量：电磁辐射的能量，单位：J（焦耳）。3）辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量，单位：W。4）辐射通量密度：单位时间内通过表面单位面积上的辐射通量。5）辐照度：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。6）辐射出射度：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。7）辐射亮度：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。8）黑体辐射定律①普朗克公式：描述黑体辐射出射度与温度、波长等的关系②斯蒂芬－玻尔兹曼定律：③维恩位移定律：9）实际物体的辐射物体的发射率是温度和波长的函数，且与种类、物理状况（如粗糙度、颜色等）等有关。按照发射率和波长的关系，辐射源可分为：①黑体：ελ=ε=1②灰体：ελ=ε=常数1③选择性辐射体：ελ1,且随波长而变基尔霍夫定律：即物体的发射率等于该物体的吸收率2.太阳辐射及大气对辐射的影响1）太阳辐射源：太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。2）大气成分组成：①永久气体：氮气、氧气、CO2、惰性气体、氢气、甲烷等。②浓度可变的气体：水蒸气、臭氧、SO2、氨气等。③固体和液体微粒。3）大气垂直分层(大气结构)：电离层：距地面85km直到几百千米的范围均为热电离层，温度范围为500K到2000K平流层：在平流层最下面直到20km的高度之内，温度几乎为常数对流层：厚约为10km，温度随高度的增加而降低4）大气辐射衰弱的原因：反射、吸收、散射。大气吸收17％，散射22％，反射30％，其余31％太阳辐射到达地面。5）散射：①瑞利（Rayleigh）散射：当大气中粒子的直径比辐射波长小得多时发生的散射；散射强度与波长的四次方成反比。②米氏散射：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；散射强度与波长的二次方成反比。③非选择性散射：当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射；散射强度与波长无关6）吸收作用：大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧7）反射作用：云量越多、云层越厚，反射越强112),(52kThcehcTM4TMbTmax),(),(),(TMTMTb8）折射作用：折射率与大气密度有关，密度越大折射率越大。3.地球的辐射与地物波谱特征1）太阳辐射与地表的相互作用①温度为300K的黑体，其电磁辐射的波长范围是：2.5~50μｍ(0.3-2.5um)。②地球表面的发射辐射能量集中于近红外波段和热红外波段；在热红外波段，地球的发射辐射能量远远大于太阳的电磁辐射能量，通常称地球的发射辐射为热辐射③地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波长、温度有关：2）地物波谱特征在可见光与近红外波段，地表物体自身的热辐射几乎等于零。所以地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量①反射率：物体反射的辐射能量P占总入射能量0P的百分比②物体的反射：镜面反射、漫反射和实际物体的反射。三.遥感成像原理与遥感图像特征遥感平台是搭载传感器的工具。在遥感平台中，航天遥感平台目前发展最快、应用最广。根据航天遥感平台的服务内容，可以将其分为气象卫星系列、陆地卫星系列和海洋卫星系列。1.气象卫星概述第一代：20世纪60年代TIROS、ESSA、Nimbus、ATS第二代：1970-1977年ITOS-1、SMS、GOES、GMS、Meteosat第三代：1978年以后NOAA系列我国的气象卫星发展较晚。“风云一号”气象卫星（FY-1）是中国发射的第一颗环境遥感卫星。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实验。2.气象卫星特点1）轨道气象卫星的轨道分为两种：低轨和高轨。高轨气象卫星：轨道高度：36000公里信息采集时间周期：约20分钟分辨率：1.25~5公里),(),(),(0TMTTM%1000PP主要应用领域：全球性大气环流；全球性天气过程低轨气象卫星：轨道高度：36000公里信息采集时间周期：约20分钟分辨率：1.25~5公里主要应用领域：全球性大气环流；全球性天气过程2）短周期重复观测3）成像面积大，有利于获得宏观同步信息，减少数据处理容量4）资料来源连续、实时性强、成本低3.陆地卫星系列1）陆地卫星（Landsat）轨道:太阳同步的近极地圆形轨道重复覆盖周期:1618天图象覆盖范围：185*185km（Landsat7185*170km）。Landsat上携带传感器空间分辨率不断提高，从80m到30m到15m2）法国SPOT卫星系列地球观察卫星系统。由瑞典、比利时等国家参加，由法国国家空间研究中心（CNES）设计制造。1986年发射第一颗，到2002年已发射5颗。特点：太阳同步圆形近极地轨道高度830km覆盖周期26天扫描宽度:60(×60)公里主要传感器:2台HRV空间分辨率:全色10m;多光谱20m能满足资源调查、环境管理与监测、农作物估产、地质与矿产勘探、土地利用、测制地图及地图更新等多方面需求SPOT卫星系列优势特征：卫星搭载的传感器具有倾斜（侧视）能力信息获取的重复周期：一般地区3~5天；部分地区达到1天3）中巴地球资源卫星CBERS：1999.10.14，我国第一颗地球资源遥感卫星（又称资源一号卫星）在太原卫星发射中心成功发射CBERS卫星特点：太阳同步近极地轨道，轨道高度778km，卫星重访周期26