1、乔 红 波遥感 -深度认识地球系统的高新技术第1章 绪论1.1 遥感的基本概念1. 广义：泛指各种非接触的、远距离的探测技术。 （遥感大词典）电磁波遥感 ：光、热、无线电力场遥感 ：重力、磁力声波遥感地震波遥感用传播信息载体或媒介来定义空对地地对空空对空用目标与观测者的相对位置关系来定义 2. 狭义： 是应用探测仪器,不与探测目标乡接触,从远处把目标的电磁波特性记录下来,通过分析,揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术.对象：地面载体：电磁波（主要）目的：地面物质的性质和运动状态（周期性、重复性）过程：成像、传输、处理、应用1.2 遥感系统 被测目标的信息特征 信息的获取遥感系统包括：信
2、息的传输与记录 信息的处理 信息的应用1.3 遥感的类型1.3.1 按遥感平台分地面遥感高塔 （300m)车船 （30m)观测架 （几米）航空遥感飞机气球飘浮气球 （50km）系留气球 （15km）中空飞机 （9-15km）低空飞机 （9km）航天遥感轨道卫星载人飞船 （500 km)航天飞机 （300 km)探空火箭 （100-650 km)地球同步卫星太阳同步卫星长寿命(500-1000 km)（36000 km）短寿命(150-500 km)航宇遥感星际飞船1.3.2 按传感器的探测波段分紫外(0.05-0.38mm)可见光(0.38-0.76mm)微波(1mm-10m)红外(0.7-1
3、4mm)反射红外(0.7-3mm)近红外(0.7-1.3mm)短波红外(1.3-3mm)中红外(3-6mm)远红外(6-15mm)热红外(8-14mm)多波段遥感 探测波段在可见光和红外波段范围内 被动方式 扫描(图像方式)非扫描非图像方式微波辐射计地磁测量仪重力测量仪傅立叶光谱仪其他图像方式(照相机)黑白天然彩色红外彩色红外其他像面扫描电视摄像机固体扫描仪(CCD)物面扫描光机扫描仪固体扫描仪1.3.3 按工作方式分主动方式 扫描(图像方式)非扫描(非图像方式)微波散射计微波高度计激光光谱仪激光高度计像面扫描（被动型相控阵雷达）物面扫描激光水深计激光测距仪微波辐射计真实孔径雷达合成孔径雷达1
4、.3.4 按遥感的应用领域分从大的研究领域分为外层空间、大气层、陆地、海洋遥感等；从具体应用领域分为资源、环境、农业、林业、城市等；农业方面：土地利用类型调查（非农业占地，土地种植面积）精细农业（水肥状况，缺素情况.）作物估产（产量，收获与成熟期）农业灾害评估（受灾面积，程度.）遥感在地质矿产方面的应用应用遥感技术，能观真实地反反各种地质质象，形象地反反区域地质构造,找矿工程地质、地震地质、水文地质和灾害地质等综合信息。在区域分析及建设规划方面的应用1. 大面积的同步观测 遥感平台越高,视角越宽广,可以同步探测的地面范围就越大,容易发质地球上一些重要目标物空间分布的宏观规律,而有些规律,是依靠
5、地面观测难以发质的.2. 时效性 遥感探测,可以在短时间内对同一地区进行重复探测,发质地球上许多事物的动态变化.遥感平台高度不同,重复的周期也不同,地球同步卫星可以半小时观测一次,太阳同步可以每天2次对同一地区进行观测;3. 数据的综合性和可比性 地球资源卫星可以综合地反反地质、地貌、土壤、植被等特征，具有广泛的应用领域；而且遥感的探测波段、成像方式、成像时间、数据记录等均可按要求设计，使数据具有同一性和可比性。4. 经济性 遥感的费用投入与所获得的效益比，可大大的节省人力、物力、才力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。5. 局限性 遥感技术的局限性主要表质在所利用的电磁波还很有限,仅是其中
6、的几个波段,有许多谱段资源有待进一步开发。另外，已被利用的谱段还不，准确反反地物的某些特征，还需要发展高光谱分辨率遥感；遥感的探测结果还需要其他手段相配合，特别是地面调查和验证。1. 无记录的遥感阶段 1608年，李波尔赛制造了世界上第一架望远镜，年，李波尔赛制造了世界上第一架望远镜，1609年年伽里略（伽里略（Galleo）制作了放大倍数）制作了放大倍数3倍的科学望远镜，从而为倍的科学望远镜，从而为观测远距离目标奠定了基础，促进了天文学的发展，开创了观测远距离目标奠定了基础，促进了天文学的发展，开创了地面遥感新纪元。但仅仅依靠望远镜观测的缺点是不，把观地面遥感新纪元。但仅仅依靠望远镜观测的缺
7、点是不，把观测到的事物用图像的方式记录下来。测到的事物用图像的方式记录下来。4. 航天遥感阶段1956年，Colwell,特殊目的的航摄试验，分类并识别植被类型，探测病虫害及受灾植被1957年，前苏联第一颗卫星1960年第一颗气象卫星TIROS-I，病虫害及受灾植被20世纪60年代中期，NASA资助，大量红外及多光谱彩色摄影1972年第一颗地球观测卫星Landsat发射成功。（原名地球资源技术卫星ERTS-1后命名为陆地卫星，遥感一词迅速普及，卫星已超过3000颗（军用60%）2.有记录的地面遥感阶段 对遥感目标的记录与成像，开始于摄影技术的发明，对遥感目标的记录与成像，开始于摄影技术的发明，
8、并与望远镜相结合发展为远距离摄影。并与望远镜相结合发展为远距离摄影。1839年，达盖尔年，达盖尔(Daguarre)发表了他和尼普斯拍摄的照片，第一次成功发表了他和尼普斯拍摄的照片，第一次成功地把拍摄到事物形象地记录在胶片上。地把拍摄到事物形象地记录在胶片上。1849年，法国人年，法国人劳塞达特劳塞达特(Aime Laussedat)制定了摄影测量计划，成为有制定了摄影测量计划，成为有目的有记录的地面遥感发展阶段的标志。目的有记录的地面遥感发展阶段的标志。l3. 空中摄影遥感阶段 1858年，陶纳乔年，陶纳乔( G a s p a r d F e l i x Tournachon)用系留气用系
9、留气球拍摄了法国巴黎的球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰鸟瞰”像片。像片。 1860年，布莱克年，布莱克(James Wallace Black)与金与金(Sam King)教授乘气球升空至教授乘气球升空至630米，成功地拍摄米，成功地拍摄了美国波士顿市的照片。了美国波士顿市的照片。 同年，莱特兄弟同年，莱特兄弟(Wibour Wright & Orvilke Wright)发明发明了飞机，才真正地促进了航空遥感向实用化前进了一大步。了飞机，才真正地促进了航空遥感向实用化前进了一大步。 4.4. 航天遥感阶段航天遥感阶段 19561956年，年，Colwell,Colwell,特殊目的的航摄试验，分类并
10、识别植特殊目的的航摄试验，分类并识别植被类型，探测病虫害及受灾植被被类型，探测病虫害及受灾植被 19571957年，前苏联第一颗卫星年，前苏联第一颗卫星 19601960年第一颗气象卫星年第一颗气象卫星TIROS-ITIROS-I，病虫害及受灾植被，病虫害及受灾植被 2020世纪世纪6060年代中期，年代中期，NASANASA资助，大量红外及多光谱彩色资助，大量红外及多光谱彩色摄影摄影 19721972年第一颗地球观测卫星年第一颗地球观测卫星LandsatLandsat发射成功。（原名地发射成功。（原名地球资源技术卫星球资源技术卫星ERTS-1ERTS-1后命名为陆地卫星，遥感一词迅速后命名为
11、陆地卫星，遥感一词迅速普及，卫星已超过普及，卫星已超过30003000颗（军用颗（军用60%60%） 80年代法国的年代法国的SPOT卫星；卫星； 之后的之后的MODIS、QUICKBIRD等。等。1多分辨率多遥感平台并存2.新型传感器不断涌质,微波遥感、高光谱遥感迅速发展3.遥感的综合应用不断深化4.商业遥感时代的到来l 随着热红外成像、机载多极化合成随着热红外成像、机载多极化合成 孔径孔径雷达和高分辨力表层穿透雷达和星载合成孔雷达和高分辨力表层穿透雷达和星载合成孔径雷达技术日益成熟，径雷达技术日益成熟， 和星载合成孔径雷达和星载合成孔径雷达技术日益成熟，技术日益成熟， 遥感波谱域从最早的可
12、见光遥感波谱域从最早的可见光向近红向近红 遥感波谱域从最早的可见光向近红外、遥感波谱域从最早的可见光向近红外、 短波红外、热红外、微波方向发展，波谱域短波红外、热红外、微波方向发展，波谱域的扩展将进一步适应各种物质反射、辐射波的扩展将进一步适应各种物质反射、辐射波谱的特征谱的特征 峰值波长的宽域分布。峰值波长的宽域分布。 l大、中、小卫星相互协同，高、中、 低轨道相结合，在时间分辨率上从几 小时到 小时到18 天不等， 形成一个不同时 形成一个不同时间分辨率互补系列。 l 随着高空间分辨力新型传感器的应用， 遥感图像空间分辨率从 从1km、500m 、 250m、80m 、30m 、20m 、
13、10m 、5m 发展到1m, 军事侦察卫星传感器可达到 15cm 或者更高的分辨率。空间分辨 率的提高，有利于分类精度的提高， 但也增加了计算机分类的难度. l 高光谱遥感的发展，使得遥感波段宽度从高光谱遥感的发展，使得遥感波段宽度从 早早期的期的0.4 0.4m (黑白摄影黑白摄影)、 0.1m (多光谱多光谱 扫扫描描)到到5nm (成象光谱仪成象光谱仪)，遥感器波段宽，遥感器波段宽 度窄度窄化，针对性更强，可以突出特定地物化，针对性更强，可以突出特定地物 反射峰值反射峰值波长的微小差异；同时，成像光波长的微小差异；同时，成像光 谱仪等的应用，谱仪等的应用，提高了地物光谱分辨力，提高了地物
14、光谱分辨力， 有利于区别各类物质有利于区别各类物质在不同波段的光谱响在不同波段的光谱响 应特性。应特性。 l机载三维成像仪和干涉合成孔径雷达的发展和应用，将地面目标由二维测量为主发展到三维测量。 l各种新型高效遥感图像处理方法和算法将被用来解决海量遥感数据的处理、 校正、融合和遥感信息可视化。 l 遥感分析技术从“定性” 向“定量” 转变，定量遥感成为遥感应用发展的热点。 l建立适用于遥感图像自动解译的专家系统，逐步实质遥感图像专题信息提自动化。 5050年代组建专业飞行队伍，开展航摄和应用年代组建专业飞行队伍，开展航摄和应用7070年年4 4月月2424日，第一颗人造地球卫星日，第一颗人造地
15、球卫星7575年年1111月月2626日，返回式卫星，得到卫星像片日，返回式卫星，得到卫星像片8080年代空前活跃，六五计划遥感列入国家重点科年代空前活跃，六五计划遥感列入国家重点科技攻关项目技攻关项目2.1 电磁波谱与电磁辐射2.1.1 电磁波谱1.波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 分为横波和纵波两种,如果质点的振动方向与波的传播方向相同,称纵波;若质点振动方向与波的传播方向垂直,称横波.2.电磁波:当电磁振荡进入空间,变化的磁场激发了涡旋电场,变化的电场又激发了涡旋磁场,使电磁振荡在空间传播. 方向:由电磁振荡向各个不同方向传播的.3.电磁波谱:按照电磁波的波长（频率的大小
16、）长短，依次排列构成的图表，成为电磁波谱电磁波波段波长长波中波和短波超短波大于3000m 103000m 1 10 m微波1mm1m超远红外远红外 中红外近红外151000m615 m36 m0.763 m红橙黄绿青蓝紫0.620.76 m0.590.62 m0.560.59 m0.500.56 m0.470.50 m0.430.47 m0.380.43 m紫外线10-33.810-1 mX射线10-6 10-3 m 射线小于10-6m电磁波谱电磁波的波源不同,所产生的电磁波的波长是不同的： 无线电波是由电磁振荡发射的； 微波是利用谐振腔及波导管激励与传输，通过微波天线向空间发射的； 红外辐射
17、是由于分子的振动和转动，级跃迁时产生的； 可见光和近紫外辐射是由于原子、分子中的外层电子跃迁时产生的； 紫外线、X射线、 射线是由于内层电子的跃迁和原子核内状态的变化产生的；4. 电磁波的性质（1）是横波；（2）在真空以光速传播；（3）满足f= c ；（4）电磁波具有波粒二象性；2.1.2 电磁辐射的度量1. 辐射源 任何物体都是辐射源。不仅，够吸收其他物体对它的辐射，也，够向外辐射。 遥感的辐射源分为自然辐射源和人工辐射源两类。自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射；太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源。人工辐射源是指人为发射的具有一定波长的波束；主动遥感
18、采用人工辐射源，目前较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐射源。 2. 辐射测量 辐射，量（W）：电磁辐射的，量，电位：J 辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射通量，单位：W 辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射，量，单位：W/m2 辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，单位： W/m2辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，单位：W/m2辐射亮度（L）：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，单位：W/（srm2）朗伯源：辐射亮度L与观察角无关的辐射源，称为朗伯源。2
19、.1.3 黑体辐射1. 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。 实验表明，当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出质对电磁波的反射质象和吸收想象时，这个物体的光谱吸收系数与光谱反射系数之和恒等于1。 光谱吸收系数 ：当物体的温度为T，波长在 范围内， 为吸收，量与入射，量之比。 光谱反射系数：当物体的温度为T，波长在 范围内，为反射，量与入射，量之比。自然界中并不存在绝对的黑体，实用的黑体是由人工方法制成的，它只是一种理想的黑体模型，基本结构是，保持恒定温度的空腔。人工制造的接近黑体的吸收体2. 黑体辐射规律(1) 普郎克公式 描述黑体辐射通量密度
20、与温度、波长分布的关系。 ) 1(2),(5kThc2bechTMh: 普朗克常数6.6260755*10-34 Ws2k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK-1 c: 光速; : 波长（m）; T: 绝对温度（K）(2) 斯蒂藩玻尔兹曼定律 对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂藩玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。TbW4: 斯蒂藩玻尔兹曼常数，5.66970.00297）108Wm-2K-4（3）维恩位移定律描述物体辐射的峰值波长与温度的定量关系bT maxb : 常数，2897.80.4 m K黑体温度越高，曲线的顶峰就越往左移，即
21、往波长短的方向移动。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9.66m ）3. 实际物体的辐射（1）基尔霍夫定律 给定温度下，任何地物的辐射出射度与吸收率之比是常数，即等于 同温度下黑体的辐射出射度。 ),(),(),(TMTMTb发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。（2）实际物体的辐射 对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。),(),(),(TMTMTb实际物体的辐射出射度与同一温度下黑体辐射出射度的比值。发射率与物质种类、表面状态、温度
22、等有关，还与波长有关。按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：1）黑体2）灰体3）选择性辐射体 (如线谱，带谱)一般辐射体和发射率2.2.1 太阳常数1.太阳常数：是指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直与太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射，量。 2. 太阳光谱：通常指光球产生的光谱，光球发射的，量大部分集中于可见光波段。如图 从图中可知，大气层外太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致。 海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很大的不同，其差异主要是地球大气引起的。当太阳倾斜入射时，与太阳垂直入射时的辐照度测量值不同，如果太阳倾斜入射，则
23、辐照度必然产生变化并与太阳入射光线及地平面产生夹角，即与太阳高度角有关。如图2.2.2 大气吸收1.大气层次与成分大气层的厚度约1 000km，且在垂直方向自下而上分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。如图 在对流层中，温度随高度的增加而降低，空气作垂直运动而形成对流，由于热量的传递而产生天气质象；在平流层中没有明显的对流，几乎没有天气质象，温度由下部的等温层逐渐向上升高，平流层中由于存在臭氧层，臭氧吸收紫外线而升温。热层和散逸层又称电离层。从热层向上温度激增，热层与中间层由于空气稀薄，大气中O2、N2等分子受太阳辐射的紫外线、X射线影响，处于电离状态，形成了D层、E层、F层三个电离层。大
24、气主要成分为分子和其他微粒分子重要有： O2和N2，约占99%，其余1%是O3、CO2、H2O及其他。微粒主要有：烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶。2. 大气对辐射的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。水：分为气态水和液态水水：分为气态水和液态水 两个宽的强吸收带:2.53.0um和57um两个窄的强吸收带：波长为1.38um、1.86um一个弱的窄吸收带：0.71.23um二氧化碳二氧化碳 一个宽的强吸收带波长大于13um，两个窄的强吸收带，2.62.8和4.14.45um臭氧臭氧 ：吸收作用主要集中在紫外波段，对波长0.3um以下的波段全部吸收，在9.6um附近有个很窄
25、的弱吸收带氧：氧：对电磁辐射的吸收很弱2.2.3 大气散射散射：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，称散射。散射的实质：电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射质象。大气散射有三种情况：1. 瑞利散射 当引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁波波长时，出质瑞利散射。 发生条件：质点的直径 d (电磁波波长)时，一般认为（d ）, 散射率与波长没有关系 1)(散射特点：2.2.4 大气窗口及透射分析1. 折射质象电磁波穿过大气层时，除发生吸收和散射外，还会出质传播方向的改变，即发生折射。折射率与大气密度有关，密度越大折射率越大。由于折射的影响，使电磁波在大气中传播的轨迹
26、是一条曲线，到达地面后方向与实际方向比偏离了一个角度。早晨看到的太阳圆面比中午时看到的大，就是因为折射所引起的。2. 大气的反射3. 大气窗口大气窗口大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。 要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。大气窗口的主要光谱段：1）0.31.3um： 以可见光为主体的窗口，是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。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。2）1.51.8,2.0-3.5um： 近、中红外窗口，6095，扫描成像，白天记录3）3.55.5um： 中红外窗口，6070，白天夜间，扫描成像
27、记录4）814 um： 远红外窗口，超过80， 白天夜间，扫描记录5）0.82.5cm： 微波窗口， 白天夜间，扫描记录。4. 大气透射的定量分析大气对太阳辐射的衰减总体规律大气对太阳辐射的衰减总体规律：大气吸收15， 散射和反射42，其余43 太阳辐射到达地面。又一说：大气吸收17， 散射22，反射30，其余31 太阳辐射到达地面。 2.3.1 太阳辐射与地表的相互作用太阳辐射近似于温度为6 000K的黑体辐射,辐射主要集中在0.32.5m，在紫外、可见光到近红外区段。当太阳辐射到达地表后,就短波而言,地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球自身的辐射，几乎可以忽略不计。波段名称
28、可见光与近红外中红外远红外波长0.32.5 m2.56 m6 m辐射特性地表反射太阳辐射为主地表反射太阳辐射和自身的热辐射地表物体自身热辐射为主地球辐射的分段特性2.3.2 地表自身热辐射根据黑体辐射规律及基尔霍夫定律知 M=M0式中, 为物体的比辐射率或发射率；M为黑体辐射出射度；M0为实际物体辐射出射度。此公式中的变量都与地表温度T和波长有关，因此又可写为： M（ ，T）= （ ，T） M0 （ ，T）T指地表温度，存在日变化和年变化，当温度一定时，物体的比辐射率随波长变化。2.3.3 地物反射波谱特征1.概述到达地面的太阳辐射，量=反射，量+吸收，量+透射，量2.反射率与反射波谱(1)反
29、射率物体反射的辐射，量P占总入射，量P0的百分比,称为反射率: = P/ P0100%不同的物体反射率不同,反射率的范围是1.(2)物体的反射物体的反射状况分为三种：镜面反射、漫反射和实际物体的反射镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。入射波和反射波在同一平面内，入射角与反射角相等。漫反射：是指不论入射方向如何，虽然反射率与镜面反射一样，但反射方向却是“四面八方”。对于漫反射面，当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。 实际物体反射：介于镜面反射与朗伯面之间（3）反射波谱 地物的反射波谱是指地物反射率随波长的变化规律，如图3. 地物反射波谱曲线（
30、1）植被植被的反射波谱曲线规律性明显而独特，主要分三段：可见光波段有一个小的反射峰，位置在0.55m处近红外波段有一反射的“陡坡”，至1.1m附近有一峰值，形成植被的独有特征在1.32.5 m波段受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，形成低谷白橡树不同生长期的反射光谱曲线不同健康状态松树的反射光谱曲线不同植物的反射波谱曲线（2）土壤自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土质越细，反射率越高，有机质含量越高和含水量越高反射率越低。（3）水体水体的反射率主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，吸收就更强。（4）岩石岩石的反射波谱曲线无统一的特征，受矿物成分、含水量、颗粒大小等的影响。
