遥感概论

地理0904特此鸣谢所有为本资料付出努力的热心同志！小恺工作室•遥感概论第1页共16页注：由于时间仓促，本次整理可能不甚全面，并特地忽略有关数学公式推导、光学图像处理、3S技术等方面的内容，望同学们多加注意！如有内容重复或逻辑不清等问题敬请谅解！第一章绪论一、遥感（狭义）：在不直接接触目标物的情况下，使用特定的探测仪器来接受目标物体的电磁波信息，再经过对信息的传输、加工、处理、判读，从而识别目标物体的技术。二、遥感平台：用来装载传感器的运载工具。三、遥感的原理：1．物理依据：地球上的物体都在不停地辐射、反射和吸收电磁波，并且不同物体的电磁波特征是不同的。2．原理：利用传感器接收地物反射或辐射出的电磁波，通过分析电磁波的特性区分不同的地物及其环境，主要基于两点：不同地物在不同波段反射率存在差异；同类地物的光谱是相似的，但随着该地物的内在差异而有所变化。四、遥感技术系统：遥感技术系统是一个从地面到空中直至空间，从信息收集、存储、传输处理到分析判读、应用的完整技术系统，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。五、遥感技术特点：1.大面积的同步观测；便于发现和研究宏观现象（平台越高，视角越广，同步探测范围越大）2.时效性：可以在短时间内对同一地区进行重复探测，有利于发现地球表面事物的动态变化，对天气预报，火灾、水灾的灾害监测等非常重要。3.数据的综合性和可比性：综合性包括：自然和人文信息的综合、多层空间的综合、多波段的综合、多时相的综合；可比性指获得的数据具有同一性或相似性，并且不同传感器具有兼容性。4.经济性；与传统方法相比，遥感可大大节省人力、物力、财力和时间，同时具有很高的经济效益和社会效益。5.局限性：一方面，遥感技术所利用的电磁波段很有限；另一方面，已利用的电磁波段对许多地物的某些特征不能准确反映。六、遥感分类：1．按照遥感的工作平台分为：航天遥感、航空遥感、地面遥感。2．按照资料的记录方式分为：成像方式、非成像方式。3．按照电磁波的工作波段分为：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多波段遥感。多波段遥感：探测波段在可见光与近红外波段范围内，再分为若干窄波段来探测目标。高光谱遥感：利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据。4．按照传感器工作方式分为：主动遥感、被动遥感。主动遥感:即通过传感器发射电磁辐射，再接收并记录其返回的辐射能，不受天气干扰。被动遥感:即传感器记录地表反射的太阳辐射或自身发射的热辐射，受天气干扰大。航天遥感、航空遥感、地面遥感的比较类型成像特点应用特点航天遥感比例尺最小，覆盖率最大，具有宏观性特点，多为多波段成像动态性好,适合对某地区连续观察,周期性好航空遥感比例尺中等,画面清晰,分辨率高,可以对垂直点地物清晰成像;多为单一波段成像工作量大，动态性差,受天气影响大，适合做长周期(几个月及更长)观察地面遥感比例尺最大,覆盖率最小,画面最清晰,多为单一波段成像灵活机动,费用较低,适合小范围探测地理0904特此鸣谢所有为本资料付出努力的热心同志！小恺工作室•遥感概论第二章遥感的物理基础一、电磁波与电磁波谱：1.波：波是振动在空间的传播。2.电磁波：交互变化的电磁场在空间的传播。3.电磁辐射：物体向外发射电磁波的过程。4.电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。按波长长短依次为（从左到右波长逐渐变长）：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。（注：电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同）5.电磁波的特性：1)电磁波是横波2)在真空中以光速传播3)电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。6.遥感常用的电磁波波段的特性：1)紫外波段：对油污染敏感，探测碳酸盐岩分布、水面油污染，适合于2000m以下高度的探测。2)可见光波段：人眼对可见光有敏锐的感觉，成像方式有光学摄影和扫描成像两种，是遥感技术应用中的重要波段。3)红外波段：按波长不同分为近红外、中红外、远红外和超远红外。a)近红外：与可见光相似，也是光学摄影和扫描成像两种成像方式，并且对植物十分敏感，可探测植物分布；b)中红外+远红外+超远红外=热红外：能够很好地反映地物的热红外状况，两个大气窗口为3-5um和8-14um。3-5um对高温物体敏感，可用于探测火灾、火箭发射等；8-14um用于探测常温地物，如地热调查、城市热岛效应等。4)微波波段：波长较长，0.8-30cm。二、电磁辐射的度量：1.辐射源：1)太阳辐射：太阳辐射的光谱特性：太阳光谱辐射曲线近似于5900K的黑体辐射曲线；辐射能量主要集中在中-短波辐射（最大辐射强度位于0.47um左右）；太阳辐射经过大气层以后，各波段的能量发生不同程度的衰减。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，值为23106.31mw2)地球辐射：能量99%集中在3um以上的波长范围内。地球辐射特性（地球辐射的分段特性）：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。2.5～6.0um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。6.0um以上波段（热红外）：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）。红外遥感时，选择清晨时间，就是要避免太阳辐射的影响。3)人工辐射源：即雷达探测（主动式遥感），波长较长。包括微波雷达和激光雷达。微波雷达：微波雷达特点见上面微波波段特点。激光雷达：精确测定卫星的位置、高度、速度等，也可测量地形、记录海面波浪情况。2.辐射测量：第2页共16页地理0904特此鸣谢所有为本资料付出努力的热心同志！小恺工作室•遥感概论1)辐射能量(W):电磁场所具有的能量。2)辐射通量()：又称辐射功率，指单位时间内，通过某一面积的辐射能量。3)辐射出射度(M)：即辐射通量密度。指辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的能量。4)辐射照度（I）：指面辐射源在单位时间内，从单位面积上接受的辐射能量。5)辐射亮度（L）：指面辐射源在单位立体角内、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的能量。三、地物的光谱特性：地物光谱是指地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，。地物光谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现，包括地物的发射光谱特性、反射光谱特性和透射光谱特性。1.绝对黑体：1)绝对黑体：在任何温度下，对任何波长的电磁辐射的吸收系数都为1（100%，即对任何波长的电磁辐射都全部吸收）的物体。2)黑体辐射定律：（数学推导过程略）普朗克热辐射定律：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。斯特藩-波尔兹曼定律：绝对黑体的单位面积上的总辐射出射度与该黑体的绝对温度的四次方成正比。维恩位移定律：绝对黑体的温度越高，其最大辐射值所对应的波长越短总结黑体辐射的三个特性：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；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；（斯忒藩—玻尔兹曼定律）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（维恩位移定律）；3)发射率与基尔霍夫定律：发射率：地物的单位面积上的总辐射出射度M与同温下的黑体辐射出射度黑M的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。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。基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量M（即物体单位面积单位时间内发射的辐射能量）和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量黑M。亮度温度：当实际物体的辐射通量等于某一黑体相同面积内的辐射通量时，该黑体的绝对温度即为该实际物体的亮度温度。亮度温度是衡量地物辐射特征的重要指标。亮度温度与实际温度的关系：总小于实际温度亮度系数：在相同的照度条件下，物体表面的亮度与绝对白体理想表面的亮度之比。4)黑体的微波辐射：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。根据维恩位移定律可以得到黑体微波辐射的两个规律：微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。2.地物的发射光谱特性：指地物发射电磁波的能力的大小，以发射率为衡量标准，而地物的发射率是以黑第3页共16页地理0904特此鸣谢所有为本资料付出努力的热心同志！小恺工作室•遥感概论第4页共16页体辐射作为参考标准的（波长超过6um的可以忽略反射光谱而只考虑发射光谱）。1)发射率：见上。2)地物的发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。3)发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。（横坐标为波长，纵坐标为发射率，注意与辐射光谱曲线区分，在辐射光谱曲线中，纵坐标是辐射出射度）2.地物的反射光谱特性：1)地物反射光线的三种类型：镜面反射、漫反射、实际物体反射。2)反射率：地物反射的辐射能量占入射总能量的百分比。3)地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。4)地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线（横坐标是波长，纵坐标是反射率，注意与辐射光谱曲线、发射光谱曲线相区分）。5)地物反射特点：不同地物在不同波段反射率存在差异：如绿色植物在近红外波段为强反射带；土壤的光谱反射曲线无明显的峰值，且随波长变长反射率逐渐变大等。同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性：比如绿色植物随着病虫害程度的不断加深，其反射光谱曲线在近红外区的峰值迅速降低，但整个光谱曲线上所体现的基本规律不变；地物的光谱特性具有时间特性和空间特性；如某些地物的理化特征会随季节变化而变化，这种变化也会体现在相应的反射光谱曲线上。3.地物的透射光谱特性：1)透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。2)透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。四、大气对遥感的影响：大气通过影响太阳辐射从而产生对遥感影像的干扰，具体表现在大气对太阳辐射的吸收、反射和散射。其中，太阳辐射能量的30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。1.大气对太阳辐射的吸收：水、臭氧、氧气、二氧化碳1)水：水是吸收太阳辐射能量最强的介质，到处都有吸收带，主要集中在红外和红光部分。2)臭氧+氧气：臭氧主要吸收0.2-0.36um之间的紫外线，氧气则吸收0.2um以下的波段，因此紫外遥感不适合高空探测。3)二氧化碳：集中在红外区，但作用比较微弱。2.大气对太阳辐射的散射：1)散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。包括瑞利散射、米氏散射和无选择性散射三种。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。这种散射主要由大气中的原子、分子引起的。散射率与波长的四次方成反比。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。瑞利散射可以解释晴天天空为什么是蓝色，晨曦和傍晚又变成偏橘红色（蓝紫光波长较短，散射率大，所以晴朗的白天天空呈蓝色；晨曦和傍晚时，太阳高度角非常小，阳光斜射向地面，通过的大气层较厚；在漫长的传播中，蓝紫光早被散射殆尽，绿光散射强度次之，最后只剩下波长最长的红光，加上剩余极少量的绿光，便合成橘红色）。瑞利散射也是多波段遥感不使用蓝紫光的原因。米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射，主要由大气中的微粒引起。散射率与波长的二次方呈反比，且具有方向性，即在光线向前方向的散射比向后方向的散射更强。云雾粒径与红外线的波长较接近，因此，红外线的散射主要是米氏散