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农业信息技术第四章农业遥感监测3遥感技术概述电磁波谱与地物波谱特征遥感影像获取、解译与处理高光谱遥感与定量遥感基础农业遥感监测应用农业遥感监测实例第一节遥感技术概述一、遥感技术的概念二、遥感技术系统三、遥感技术的类型四、遥感技术的特点五、遥感技术发展与展望第一节遥感技术概述一、遥感技术的概念遥感技术（RemoteSensing，RS）是指从不同高度的平台上，使用不同的传感器，收集地球表层各类地物的电磁波谱信息，并对这些信息进行分析处理，提取各类地物的特征，探测和识别各类地物的综合技术。由于地面目标的种类及其所处环境条件的差异，地面目标具有反射或辐射不同波长电磁波信息的特性，遥感正是利用地面目标反射或辐射电磁波的固有特性，通过观察目标的电磁波信息以达到获取目标的几何信息和物理属性的目的遥感数据采集示意图第一节遥感技术概述一、遥感技术的概念遥感数据流程图不同地面目标所固有的电磁波特性受到太阳及大气等环境条件的影响后，再通过传感器收集并经过数据加工处理，最终应用到各种领域的数据流程。第一节遥感技术概述二、遥感技术系统第一节遥感技术概述二、遥感技术系统（一）空间信息获取系统安放遥感仪器的载体收集记录地表物体辐射、反射与散射信息的仪器遥感摄影机光机扫描仪推帚式扫描仪成像光谱仪成像雷达第一节遥感技术概述二、遥感技术系统（二）遥感数据传输与接收这些数据通常用数字信号传送。遥感图像的模拟信号变换为数字信号时，经常采用二进制脉冲编码的PCM式（pulsecodemodulation：脉冲编码调制）。由于传送的数据量非常庞大，需要采用数据压缩技术。遥感器接收到地物目标的电磁波信息，被记录在胶片或数字磁带上。从遥感卫星向地面接收站传输的空间数据中，除了卫星获取的图像数据以外，还包括卫星轨道参数、遥感器等辅助数据。第一节遥感技术概述二、遥感技术系统（二）遥感数据传输与接收卫星地面接收站的主要任务是接收、处理、存档和分发各类地球资源卫星数据。地面站接收的卫星数据通常被实时记录到HDDT(highdensitydigitaltape，高密度磁带)上，然后根据需要拷贝到CCT(computercompatibletape，计算机兼容磁带)、光盘、盒式磁带等其他载体上。CCT、光盘、盒式磁带等是记录、保存、分发卫星数据等最常用的载体。第一节遥感技术概述二、遥感技术系统（三）遥感图像处理遥感图像处理是在计算机系统支持下对遥感图像加工的各种技术方法的统称。遥感图像处理依赖于一定的图像处理设备。对于数字图像处理系统来说，它包括硬件和软件系统两部分。数据输入图像校正图像变换滤波和增强图像融合图像分类图像分析计算图像输出计算机显示设备大容量存贮设备图像输入输出设备第一节遥感技术概述二、遥感技术系统（四）遥感信息提取与分析遥感信息分析指通过一定的方法或模型对遥感信息进行研究，判定目标物的性质和特征或深入认识目标物的属性和环境之间的内在关系。遥感信息提取是从遥感图像（包括数字遥感图像）等遥感信息中有针对性地提取感兴趣的专题信息，以便在具体领域应用或辅助用户决策。第一节遥感技术概述二、遥感技术系统遥感技术系统示意图第一节遥感技术概述二、遥感技术系统遥感系统信息处理流程第一节遥感技术概述三、遥感技术的类型（一）按遥感平台划分类别平台举例（说明）地面遥感地面平台车载、船载、手提、固定或活动高架平台等航空遥感航空器飞机、气球航天遥感环地球的航天器人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等航宇遥感星际飞船对地月系统外目标的探测第一节遥感技术概述三、遥感技术的类型（二）按传感器的探测波段划分类别探测波段紫外遥感0.01～0.4µm可见光遥感0.4～0.7µm红外遥感0.7µm～1mm微波遥感0.001～1m多波段遥感在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干窄波段来探测目标第一节遥感技术概述三、遥感技术的类型（三）按工作方式划分类别工作方式主动遥感被动遥感主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量成像遥感非成像遥感前者传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成（数字或模拟）图像后者传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。第一节遥感技术概述三、遥感技术的类型（四）按遥感的应用领域分从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等；从具体应用领域可分为资源遥感、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、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种专题应用。第一节遥感技术概述三、遥感技术的类型（五）按遥感光谱分辨率划分类别波段宽度特点常规遥感（宽波段遥感）一般＞100nm波段在波谱上不连续，并不完全覆盖整个可见光至红外光（400～2400nm）光谱范围，属于二维遥感高光谱遥感＜10nm从目标物体获取连续光谱信息，达到光谱和图像合一的三维遥感方法第一节遥感技术概述四、遥感技术的特点综合性：涉及电磁学、机电仪器制造、信息技术、图像识别等多学科内容宏观性：侧重于大范围、大尺度获取地面信息时效性：在短期内周期性的重复收集地面信息动态变化，火灾、水灾灾情监测经济性：与人工调查相比相对投入小客观性：地物的电磁波特性很客观反映地物特征，较大程度排除人为干扰局限性：成像的空间分辨率和波谱分辨率有待提高。第二节电池波谱与地物波谱特征一、电磁波谱与大气窗口1.电磁波谱特征电磁波：交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标：波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性：电磁波是横波，传播速度为3×108m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。电磁波谱：按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。第二节电池波谱与地物波谱特征1.电磁波谱特征电磁波谱：第二节电池波谱与地物波谱特征1.电磁波谱特征紫外线：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，在石油勘探、污染事故中应用，其他领域较少。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。大部分地物在此波段都有良好的亮度反差特征，不同地物图像易于区分。红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、短波红外、中红外、热红外。与温度有关。近红外遥感、热红外遥感等微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响，可全天候进行遥感。微波遥感，地物在微波波段辐射能力较少，一般由传感器主动向地物发射微波，然后记录反射回来的电磁波能力，因此又叫主动遥感。折射改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐射的强度。因此，就辐射强度而言，太阳辐射经过大气传输后，主要是反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波段，才对观测有意义。通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段称为大气窗口。大气窗口的光谱波段主要有：0.3～1.3um，即紫外、可见光、近红外波段，摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，如Landsat卫星的TM（主成像仪）1-4波段第二节电池波谱与地物波谱特征2.大气窗口1.5～1.8um和2.0～3.5um，即近、中红外波段，白天日照条件好时扫描成像常用波段，如TM5-7波段，可探测植物含水量、云、雪等。3.5～5.5um，即中红外波段，该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量；如NOAA卫星的AVHRR传感器，探测海面温度、获得昼夜云图等。8～14um，即远红外波段，主要通透来自地物辐射的能量，适于夜间成像；0.8～2.5cm，即微波波段，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。第二节电池波谱与地物波谱特征第二节电池波谱与地物波谱特征二、物体的电磁波反射特征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＋透射能量地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。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。地表吸收太阳辐射后具有约300K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。因此可以通过记录传感器中接收到的物体本身发射的电磁波和地物反射的电磁波来识别地物。第二节电池波谱与地物波谱特征二、物体的电磁波反射特征反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反射分为漫反射和镜面反射，大多数地物表面粗糙为漫反射，而水面是近似的镜面反射入射角等于出射角，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。第二节电池波谱与地物波谱特征二、物体的电磁波反射特征第二节电池波谱与地物波谱特征二、物体的电磁波反射特征第二节电池波谱与地物波谱特征二、物体的电磁波反射特征地物本身的变异也会使其反射率有很大的变化，如植物的病虫害，土壤含水量的变化第二节电池波谱与地物波谱特征二、物体的电磁波反射特征随着时间的推移也会使同一地物的光谱反射特性产生改变各种物体，由于其结构和组成成分不同，反射光谱特性是不同的。即：各种物体的反射特性曲线的形状是不一样的，即便是在某波段相似，甚至一样，但在另外的波段还是有很大的区别的。不同波段地物反射率不同，这就便人们很容易想到用多波段进行地物探测。正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特征，物体的反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。第二节电池波谱与地物波谱特征二、物体的电磁波反射特征第二节电池波谱与地物波谱特征三、几种主要地物的反射波谱曲线植物的光谱曲线返回由于植物均进行光合作用，所以各类绿色植物具有很相似的反射波谱特性，其特征是：在可见光波段0.55μm（绿光）附近有反射率为10%～20%的一个波峰，两侧0.45μm（蓝）和0.67μm（红）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素的影响造成的，叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿色反射作用强。在近红外波段0.8μm～1.0μm间有一个反射的陡坡，至1.1μm附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶的细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中红外波段（1.3～2.5μm）受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别是以1.45μm、1.95μm和2.7μm为中心是水的吸收带，形成低谷。土壤的光谱曲线土壤反射波谱曲线呈比较平滑的持征，所以在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。一般土质越细反射率越高，有机质和水含量越高反射率越低，可以用于获取土壤含水量、肥力信息。水体的光谱曲线返回水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，吸收就更强(如右图)。因此，在遥感影像上，特别处近红外影像上，水体一般呈黑色。水中含泥沙时，由于泥沙散射，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时，近红外波段明显抬升，这些都成为影像分析的重要依据。岩石的光谱曲线返回岩石的反射光谱无统一特征。矿物成分、含量、风化程度含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽等都会产生影响。第二节电池波谱与地物波谱特征四、地物反射波谱特性的测量为什么要测量？1.是传感器波段选择、验证、评价的依据2.建