遥感地学分析绪论

绪论 GeographyAnalysisforRemoteSensing 遥感地学分析 课程要求 专业方向核心课 2 5学分 40学时 讲课28学时 实验12学时 理解遥感地学分析的概念 掌握土地遥感的应用领域和解决方法 掌握植被遥感的应用领域和解决方法 理解土壤遥感的应用领域和解决方法 理解水环境遥感的应用领域和解决方法 了解灾害环境遥感的应用领域和解决方法 评分 期未考试成绩70 实验成绩20 平时考勤等10 课程主要内容 绪论 引言典型地物反射光谱特征波段介绍及遥感意义遥感信息地学评价常用卫星遥感系统介绍 地学 是对以我们所生活的地球为研究对象的学科的统称 通常有地理学 地质学 海洋学 大气物理 古生物学等学科 地理学是研究地球表面自然和人文现象以及它们之间的相互关系和区域分异的学科 简单说就是研究人与地理环境关系的学科 地质学是关于地球的物质组成 内部构造 外部特征 各圈层间的相互作用和演变历史的知识体系 海洋学是研究海洋中各种现象及其规律和各组成部分之间相互联系与作用的科学 大气物理学是研究大气的物理现象 物理过程及其演变规律的大气科学的分支学科 1 引言 1 引言 遥感 指空对地的遥感 即从远离地面的不同工作平台上 如高塔 气球 飞机 火箭 人造地球卫星 宇宙飞船 航天飞机等 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综合性技术 1 引言 遥感为我们提供了海量的数据源 然 当今人们面临的问题是 1 引言 充分利用海量地理空间信息的关键 如何解释其内涵 即将原始的数据转变为人们可以理解的信息 1 引言 遥感的局限性 遥感传感器所获取的是地表各要素的综合光谱 主要反映的是地物的群体特性而不是地物的个体特性 细碎的地物及地物的细节通常得不到反映 1 引言 由于遥感的局限性及遥感信息之间的复杂相关性 决定了遥感信息单纯数字 物理处理结果的不确定性或多解性 因此地学分析方法与遥感图像处理方法有机地结合起来 一方面可扩大地学研究本身的视域 提高对区域的认识水平 另一方面可改善遥感分析 处理 识别目标的精度 地学分析是以地学规律为基础对信息进行的分析处理过程 1 引言 遥感信息处理与分析是以建立遥感信息模型为基础 对地球表层资源与环境进行探测 分析 并揭示其要素的空间分布特征与时空变化规律 遥感地学分析是建立在地学规律基础上的遥感信息处理和分析模型 其结合物理手段 数学方法和地学分析等综合型应用技术和理论 通过对遥感信息的处理和分析 获得能反映地球区域分异规律和地学发展过程的有效信息的理论方法 2 典型地物的反射光谱特征 1 岩石的反射光谱特征岩石的波谱特征是地质遥感的基础 不同的矿物成分 矿物含量 风化程度 含水状况 颗粒大小 表面的光滑程度 色泽等都会影响到其反射波谱特征 2 典型地物的反射光谱特征 2 土壤的反射光谱特征自然状况的土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值 一般来说土质越细 反射率越高 有机质含量越高和含水量越高反射率越低 此外土壤的肥力也会对反射率产生影响 不同含水量的土壤反射光谱曲线 三种土壤反射波谱曲线比较 2 典型地物的反射光谱特征 3 水体的反射光谱特征水体反射主要在蓝光波段 其他波段吸收都很强 特别在近红外以后水体便成为一个吸收体 水体光谱反射特性可能包括来自三方面的贡献 水的表面反射 水体底部物质的反射和水中悬浮物质的反射 水体光谱吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关 而且还明显地受到水中各种类型和大小的物质 有机物和无机物的影响 2 典型地物的反射光谱特征 水体的反射光谱特征 2 典型地物的反射光谱特征 4 植被的反射光谱特征植被的反射波谱曲线规律性明显而独特 主要分为三个波段 可见光波段 0 4 0 76 m 有一个小的反射峰 位于0 55 m 绿光波段 处 两侧蓝光波段 0 45 m 和红光波段 0 67 m 则有两个吸收带 近红外波段 0 7 0 8 m 有一反射徒坡 至1 1 m附近有一峰值 中红外波段 1 3 2 5 m 受绿色植物含水量的影响 吸收率大增 反射率下降 在1 45 1 95和2 7 m为中心是水的吸收带 形成低谷 2 典型地物的反射光谱特征 矿区红杉林反射曲线的红边蓝移现象 绿色植物有效光谱响应特征 3 波段介绍及遥感意义 4 遥感信息地学评价 1 空间分辨率 Spatialresolution 又可称地面分辨率 Groundresolution 前者是针对传感器或图像而言的 指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小后者是针对地面而言 指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小 4 遥感信息地学评价 空间分辨率的三种表示形式 A 象元 pixelsize 瞬时视域所对应的地面面积 pixe1 即与一个象元大小相当的地面尺寸 单位为米 m 如LandsatTM一个象元相当地面28 5 28 5m的范围 简称空间分辨率30m 象元是扫描影像的基本单元 是成像过程中或用计算机处理时的基本采样点 4 遥感信息地学评价 B 线对数 解像率Photographicresolution LinePairs 对于摄影系统而言 影像最小单元的确定往往通过l毫米间隔内包含的线对数 单位为 线对 毫米 1 mm 线对指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的明暗条对 C 瞬时视场 IFOV 指遥感器内单个探测元件的受光角度或观测视野 单位为毫弧度 mrad IFOV越小 最小可分辨单元 可分像素 越小 空间分辨率越高 一个瞬时视场内的信息 表示一个象元 4 遥感信息地学评价 空间分辨率与概括能力地面目标是多维的真实模型 是无限 连续的信息源 时空尺度上 遥感数据是对地面信息源有限化 离散化的二维平面记录 从地面原型到遥感信息 即把地面信息有限化 离散化过程必然要损失部分信息 这本身就是一种概括能力 如同制图综合一样 遥感信息的概括能力随分辨率的降低而增大的 4 遥感信息地学评价 空间分辨率 30Meter 10Meter 1Meter 4 遥感信息地学评价 4 遥感信息地学评价 航空 机载 遥感图像 常用遥感图像的空间分辨率 4 遥感信息地学评价 光谱分辨率 不同空间分辨率传感器的应用 4 遥感信息地学评价 2 光谱分辨率 传感器所选用的波段数量的多少 各波段的波长位置 及波长间隔的大小 即波段数 波段中心波长 及带宽 4 遥感信息地学评价 光谱分辨率 多光谱 高光谱 常用遥感图像的光谱分辨率 4 遥感信息地学评价 NASA的AVIRIS光谱范围400 2450nm波段数224EOS MODIS数据36个波段分辨率 250m 1000m幅宽 2330km每天覆盖全球以X波段开放发送 免费接收 常见的高光谱分辨率遥感数据 4 遥感信息地学评价 光谱分辨率越高 专题研究的针对性越强 对物体的识别精度越高 遥感应用分析的效果也就越好 多波段信息直接地综合解译较困难 而多波段的数据分析 可以改善识别和提取信息特征的概率和精度 4 遥感信息地学评价 3 时间分辨率 对同一地区遥感影像重复覆盖的频率 在同一区域进行的相邻两次遥感观测的最小时间间隔 时间间隔大 时间分辨率低 反之时间分辨率高 根据地球资源与环境动态信息变化的快慢 可选择适当的时间分辨率范围 超短期 如台风 寒潮 火山爆发等 以小时计 短期 如洪水 旱涝 虫害等 以日数计 中期 如土地利用 作物估产等 以月或季度计 长期 如湖泊消长 海岸变迁 沙化等 则以年计 超长期 如新构造运动等 可长达数十年以上 美国Oakland县动态监测 常用遥感图像的时间分辨率 4 遥感信息地学评价 时间分辨率的意义 动态监测与预报 自然历史变迁和动力学分析 利用时间差提高遥感的成像率和解像率 更新数据库 4 遥感信息地学评价 4 辐射分辨率 Radiantresolution 辐射分辨率指传感器对光谱信号强弱的敏感程度 区分能力 即探测器的灵敏度 遥感器感测元件在接收光谱信号时能分辨的最小辐射度差 或指对两个不同辐射源的辐射量的分辨能力 一般用灰度的分级数来表示 即最暗 最亮灰度值 亮度值 间分级的数目 量化级数 常用遥感图像的辐射分辨率 SPOT3HRV传感器光谱段 无蓝光波段 CIBERS的CCD传感器光谱段 4 遥感信息地学评价 中巴资源1号CCD图像 4 遥感信息地学评价 法国SPOT多光谱图像 4 遥感信息地学评价 同为20米分辨率的中巴资源1号卫星CCD图象质量比法国SPOT多光谱图像差的主要原因是辐射分辨率低造成的 SPOT无蓝光波段如何模拟真彩色图像 1 xs1为蓝波段 xs1 xs2 xs3 3为绿波段 红波段用xs22 xs1为蓝波段 xs1 3 xs3 4波段作为绿波段 红波段用xs23 2p xs1 xs1 xs2 作蓝波段 2p xs2 xs1 xs2 为绿波段 红波段用 ap 1 a xs3 其中p为全色波段 a作为系数为防止出现饱和现象 根据影响灰度情况取值介于0 1 0 5之间 这种方法的最大特点是引入了全色波段 因全色波段空间分辨率高 故做此算法前需进行影象配准处理 第一和第二种方法因算法比较接近 故生成的色彩效果区别不大 稳定性高 工作效率也高 第三种方法因参数需自己定 遥感影像的景观地物不同 参数也应做出相应的调整 思考3 自己检索文献总结SPOT影像和CIBERS影像的遥感影像领域 优缺点和发展态势 5 遥感数据介绍 1 高分辨率遥感数据2 中分辨率遥感数据3 低分辨率遥感数据 1 高分辨率遥感数据 高分辨率 高清晰度 遥感卫星像片空间分辨率一般为5m 10m左右 卫星一般在距地600km 千米 左右的太阳同步轨道上运行 应用范围 精度相对较高的城市内部的绿化 交通 污染 建筑密度 土地 地籍等的现状调查 规划 测绘地图 大型工程选址 勘察 测图和已有工程受损监测等 还可应用于农业 林业 灾害等领域内的详细调查和监测 地区 上海浦东 分辨率 1m 采集时间 2000年3月26日 IKONOS影像图 多光谱影像分辨率2 8m QuickBird影像图 IKONOS卫星光谱分布表 QUICKBIRD卫星光谱分布表 应用实例 基于QuickBird遥感影像的铜仁市城市绿地景观结构特征分析 王志泰等 西北林学报 2010 25 1 166 170QuickBird影像在城市中的应用研究 高喜霞等 测绘与空间地理信息 2008 31 2 65 66 70基于Quickbird影像的成都市高新区绿地景观格局研究 韩周林登 中国农学通报 2010 26 17 238 241一直以来 对于城市绿地的研究数据源大多采用TM SPOT或彩红外航空影像 这些卫星影像分辨率低 难以准确地进行定量化分析 随着遥感技术的发展 目前 商用高精度的遥感影像 如QuickBird遥感影像 已逐渐被广泛应用 QuickBird遥感影像为城市应用带来新的活力 具有广泛的应用价值 通过试验 在地形较为平坦地区采用单片纠正的方法 至少可以达到1 5000地形图的精度 而分辨细节则可以用于判别很多城市应用所感兴趣的目标体 这类影像还可以用来制作1 5000比例尺专题地图 更新1 5000比例尺的地形图 进行比较详细的城市土地利用现状和变化分析 获取城市建筑类型分布状况信息 进行城市交通研究 开展城市灾害和垃圾研究以及为城市GIS提供有关数据 思考1 自己回去检索IKONOS影像的遥感应用领域 总结其优点和弊端 发展前景 2 中分辨率遥感数据 中等分辨率 高清晰度 遥感卫星数据空间分辨率一般为80m 10m左右 卫星一般在距地700km 900km的近极地太阳同步轨道上运行 重复覆盖同一地区的时间间隔为几天至几十天应用范围 资源调查 环境和灾害监测 农业 林业 水利 地质矿产和城建规划等近50个行业和领域 MSS传感器光谱段 TM传感器光谱段 Landsat MSS光谱特性 MSS1 0 5 0 6 m 为蓝绿波段 对蓝绿 黄色景物一般呈浅色调 随着红色成分的增加而变暗 水体色调最浅 对水体有一定的穿透能力 可测一定的水深 约10 20m 的水下地形 并利于识别水体混浊度 沿岸流 沙地 沙洲等 MSS2 0 6 0 7 m 为橙红色波段 橙红景物一般呈浅色调 随着绿色成分的增加而变暗 水体色调最浅 对水体也有一定的穿透能力 约2m 水中泥沙反映明显 对裸露的地表 植被 土壤 岩性地层 地貌现像等可提供较丰富的信息 为可见光最佳波段 Landsat MSS光谱特性 MSS3 0 7 0 8 m 为红 近红外波段 MSS4 0 8 1 1 m 为近红外波段 两个波段对植被反映敏感 植被为浅色调 水体为深色调 Landsat TM光谱特性 TM1 0 45 0 52 m 蓝波段 波段的短波端相应于清洁水的峰值 长波端在叶绿素吸收区 这个波段对水体的穿透力强 对叶绿素与叶色素浓度反映敏感 有助于判别水深 水中泥沙分布和进行近海水域制图等 对针叶林的识别更强 TM2 0 52 0 60 m 绿波段 这个波段在两个叶绿素吸收带之间 因此相应于健康植物的绿色 对健康茂盛植物反映敏感 对水的穿透力较强 用于探测健康植物绿色反射率 按 绿峰 反射评价植物生活力 区分林型 树种和反映水下特征等 TM1和TM2合成 显示水体的蓝绿比值 能估测可溶性有机物和浮游生物 Landsat TM光谱特性 TM3 0 63 0 69 m 红波段 为叶绿素的主要吸收波段 反映不同植物的叶绿素吸收 植物健康状况 用于区分植物种类与植物覆盖度 在可见光中 这个波段是识别土壤边界和地质界线的最有利的光谱区 信息量大 表面特征经常展现出高的反差 大气蒙雾的影响比其他可见光谱段低 影像的分辨能力较好 广泛用于地貌 岩性 土壤 植被 水中泥沙流等方面 TM2 3波段较MSS1 2波段范围窄 主要是为了提高植物光谱变化检测的灵敏度 Landsat TM光谱特性 TM4 0 76 0 90 m 近红外波段 对绿色植物类别差异最敏感 受植物细胞结构控制 相应于植物的反射峰值 为植物遥感识别通用波段 用于生物量调查 作物长势测定 进行农作物估产等 TM5 1 55 1 75 m 中红外波段 处于水的吸收带 1 4 1 9 m 内 反映含水量敏感 在这个波段叶面反射强烈地依赖于叶湿度 对干旱的监测和植物生物量的确定有用 用于土壤湿度 植物含水量调查 水分状况 地质研究 作物长势分析等 从而提高了区分不同作物类型的能力 易于区分云 冰与雪 Landsat TM光谱特性 TM6 10 4 12 5 m 热红外波段 这个波段来自表面发射的辐射量 根据辐射响应的差别 区分农 林覆盖类型 辨别表面湿度 水体 岩石以及监测与人类活动有关的热特征 进行热测量与制图 对于植物分类和估算收成很有用 TM7 2 08 2 35 m 近红外波段 为地质学研究追加的波段 由于岩石在不同波段发射率的变化与硅的含量有关 因此可以利用这种发射光谱特性来区分岩石类型 为地质解译提供了更多的信息 该波段处于水的强吸收带 水体呈黑色 用于城市土地利用与制图 岩石光谱反射及地质探矿与地质制图 特别是热液变质岩环的制图 基于TM影像的盐城市土地利用时空变化研究 王琳 等 中国农学通报 2011 27 04 464 468 基于TM影像的平原湖泊水体信息提取的研究 杨莹 等 遥感信息 2010 3 基于TM影像的城市热岛效应监测与预测分析 盛辉 等 遥感技术与应用 2010 25 1 基于LANDSAT TM影像提取太湖CDOM浓度空间分布 陈军 等 光谱学与光谱分析 2011 31 1 TM遥感影像应用实例 思考2 分组进行汇总分析TM影像在以下研究领域的应用进展在土地利用 覆被变化方面在水环境监测方面在植被遥感监测方面在城市热岛效应监测在灾害遥感监测方面 MODIS成像光谱仪 MODIS测量的基本目标如下 陆地和海洋表面的温度和地面火情海洋彩色 水中沉积物和叶绿素全球植被测绘和变化探测云层表征汽溶胶的浓度和特性大气温度和湿度的探测 雪的覆盖和表征海洋流 36个光谱段空间分辨率波段1 2 250m 可见光波段 波段3 7 500m波段8 36 1000m时间周期 1 2天 MODIS传感器光谱段 Modis波段 标定产品 大气产品 海洋产品 陆地产品 冰雪产品 http modis gsfc nasa gov data dataprod index php 2 44种产品 按照4个专题 2 44种产品 按照4个专题 1 4 大气 2 44种产品 按照4个专题 2 4 陆地 2 44种产品 按照4个专题 3 4 冰雪 2 44种产品 按照4个专题 4 4 海洋 MODIS遥感影像应用实例 基于MODIS数据的丘陵地区冬小麦种植面积提取研究 王云峰 等 安徽农业科学 2009 37 33 16694 16696利用遥感进行冬小麦面积提取最早开始于美国 其利用陆地卫星1