遥感数据及应用.doc

遥感数据 航天遥感应用中使用的数据基本有两种主要形式：遥感影像和数字图像无论是用何种遥感成像方式，影像都是记录在感光胶片或象纸上。如同普通像片那样，其灰度和颜色是连续变化的，它也被称为模拟图象，而数字图像往往记录在数字磁带上的，其灰度或颜色是离散变化的。 遥感影像 遥感影像可以通过对地表摄影或扫描获得。摄影影像是摄相机对地面物体摄影，直接在感光材料上记录地物的光像；扫描影像是地面信息通过探测器先变为电信号并记录在磁带上，然后回放磁带，在感光片上曝光而成。遥感影像有黑白和彩色两种，由于彩色影像比黑白影像能提供更多的地表信息，因此彩色影像在遥感中得到广泛地使用。 (1)多波段影像：多波段影像是用多波段遥感器对同一目标（或地区）一次同步摄影或扫描获得的若干幅波段不同的影像。与单波段影像相比，它具有信息量大，光谱分辨率高（遥感器能分辨的地物的最小波长间隔）的特点，并且可通过各种影像增强技术，获得彩色合成影象，大大提高对地物的识别能力。Landsat上的MSS和TM影像都属多波段扫描影像。 (2)彩色合成影像：彩色合成是将多波段黑白图像变换为彩色图像的处理技术。一般为三色合成,也可两色或四色合成。合成的方法有两种：直接使用光学方法和使用计算机的数字处理。前者是将一组黑白透明片放入配有特定的红、绿、蓝三色滤光片的光学系统中，投影到同一屏幕上，使图像精确重合，形成彩色图像。数字处理合成法是令三幅图的像元亮度值变换为红、绿、蓝三基色的彩色编码去控制彩色显示设备，形成彩色图像。根据合成影像的彩色与实际景物自然彩色的关系，可分为真彩色影像和假彩色合成影像，前者是比较真实地反映地物原来彩色的影像，它可以通过彩色感光胶卷拍摄获得，也可以用彩色合成方法获得；假彩色合成影像是通过彩色合成方法获得的非真彩色影像。在光学合成法中，是将多波段影像配合不同滤光片准确重叠合成。影像的波段和滤光片可有各种组合方案，所得的假彩色影像也各不相同。解译时为了突出显示影像中的某种地物，可选择最佳组合方案。目前,用Landsat的MS-4,5,7波段影像的正片,分别配以蓝、绿、红滤光片，重叠投影合成的是标准假彩色影像。在这种影像上，植被显示为红色，城镇为蓝灰色，水体为蓝色，雪和云为白色等等。假彩色合成影像目前广泛用于专题制图、资源调查、地学研究和环境监测等方面。 数字图像 入射到遥感器的电磁波经探测元件交换为电信号后，需要进行数字化，即把模拟遥感数据变为数字化数据。它包括二个步骤，一是采样，它是把空间域的连续量变为离散量；二是量化,它是对电磁辐射强度的离散化。 数字图像又称“数字化图像”，它是以二维数组形式表示的图像。该数组由对连续变化的图像作等间隔采样所产生的采样点像元(像素)组成，像元的实地面积大小就是影像的地面分辨率，即相当于IFOV在地面的投影面的大小，例如，陆地卫星(Landsat) MSS的4,5,6,7波段影像各由7,500,000个像元点构成。 每个像元相当于实地面积5779m2 ；TM的影像除第6波段外，像元的实地面积为3030m2 。在数字图像中，像元排列的横方向从左到右按像元号排列，在纵方向上按行号排列。各像元的位置由(像元号，行号)决定。 采样点(像元)用一数值表示称为像元的亮度值或灰度值，它对应着一个像元所代表的相应实地面积内地物电磁辐射的强度。电磁辐射强度越大，则亮度值越大。在量化的数据中，对应一个通道(波段)一个像元的信息量用比特(bit)表示。Landsat的TM的量化比特为8，MSS为6，NOAA的AVHRR为10。 在计算机处理中使用字节(byte)为单位(1 byte=8 bits)，所以， 通常用一个字节或二个字节的数据进行处理。图像数据的全部数据量为：行数像元数通道数比特数/8，单位为byte。 遥感图像的数据量非常巨大。在地面站接收的卫星数据通常被实时记录到高密度数字磁带(HDDT)上，然后根据需要拷贝到计算机兼容磁带(CCT)等其它载体上。CCT是记录、保存、分发卫星数据等数字信息的最一般的载体，计算机可以直接对CCT 数据进行各种有效、灵活、可靠的处理，使遥感图像获得良好的判读、分析效果。 自然灾害的遥感监测 我国是一个自然灾害种类繁多、发生频繁和危害严重的国家，应用遥感，地理信息系统和计算机等高新技术，对重大自然灾害进行监测评价，为政府和有关部分提供及时、准确和可靠的信息，使防灾、减灾和救灾有充分的科学依据是国民经济建设和社会保障的重大问题。 洪水、林火、干旱、森林病虫害、地震和沙漠化等基本为突发性自然灾害,能否对这些灾害作出快速反应(例如在2-3天为作出评估作为第一反应能力，在半个月左右作出较详细的评价作为第二反应能力)对于防灾救灾决策的制定最为关键。 目前，监测森林病虫害、沙漠化等主要以陆地卫星TM数据为主，分别构建了相应的监测模型，进而确定出沙漠化及森林病虫害侵袭的程度和分布范围。林火、洪水、雪灾、旱灾和地震等灾害主要以NOAA数据来监测，因为这些灾害的发生、发展更为迅速，如果不能及时获得灾情，就很难做出准确的决策。对于灾后的评价多采用航空遥感手段，以便更准确地制定生产自救和重建家园计划。 目前，我国已建立了重大自然灾害的历史数据库和背景数据库，从全国范围的角度，宏观地研究了自然灾害的危险程度分区和成灾规律。同时还选择了上述重大灾种进行了详细的监测评价技术方法与应付突发性灾情的研究，建立了各自的感遥-地理信息系统，实现了对经常性和突发性自然灾害的监测评价功能。遥感在气候和气象中的应用在天气分析和气象预报中的作用：卫星(主要指气象卫星)资料促进了世界范围的大气，温度探测，使天气分析和气象预报工作更为完全和准确。在气象卫星云图上可以根据云的大小、亮度、边界形状、纹理、水平结构、垂直结构等，来识别各种云系的分布，从而推断出锋面、气旋、台风、冰雹、雷雹等的存在和位置，对这种大尺度和中小尺度的天气现象进行成功地定位、跟踪及预报。 应用于气候研究和气候变迁的研究：根据近年的研究表明，控制大气长期天气过程和气候变动的有以下几个因素:太阳活动;对于大气圈的下垫面-地表面对大气的影响;海洋对大气的影响，以上这些因素都将引起整个地-气系统辐射信息的变化，而这方面的资料可以通过卫星来获取。如气象卫星上有仪器可以直接取得CO2 等含量的数据。冰雹覆盖也可以通过云图的辐射信息获得。此外为研究世界气候和灾害性天气变化，还专门设计了地球辐射收支试验装置，用于测定整个地-气系统获得和损失的辐射能量。这对气候学研究将不很大的推动。遥感在森林资源调查和经营管理中的应用利用遥感技术进行森林资源调查和经营管理经历了以下几个阶段，即二十世纪二十年代开始试用航空目视调查；30-40 年代利用航片进行森林区划和成图，结合地面进行森林资源勘测；50年代中发展了利用航片的分层抽样调查，60-70年代，由于引进大量新的设备和先进的技术，如红外彩色摄影，多光谱摄影、光学增强技术、计算机技术的应用等,已形成多阶抽样体系。目前，遥感技术在林业工作中主要用于森林资源的调查和动态监测以及森林经营管理方面。林业资源分布广，经营面积辽阔，属于再生性生物资源。应用遥感技术可编制大面积的森林分布图，测量林地面积，调查森林蓄积和其它野生资源的数量。对宜林荒山荒地进行立地条件调查、绘制林地立地图、土地利用现状图和土地潜力图等，测算各类土地面积，进行土地评价。通过对森林变化的动态监测，可以及时对林业生产的各个环节-采种、育苗、造林、采伐、更新、林产品运输等工作起指导作用。 在“七五”“八五”期间,我国已成功地利用陆地卫星数据对我国“三北”防护林地区进行了全面的遥感综合调查，并对其植被的动态变化及其产生的生态效益做了综合评价，为国家制定长远的发展计划奠定了科学的基础。现在，遥感技术已成为获取森林资源信息的重要手段,相信随着遥感技术的不断完善，它将给林业的生产和管理带来划时代的革命。 遥感在地质中的应用利用遥感技术进行地质，矿产调查和水文、工程，环境地质勘查与监测，在地质工作中正发挥着日益重要的作用。遥感地质是在50年代航空遥感地质工作的基础上和70年代运用航天遥感技术发展起来的。经过近二十多年的推广应用和研究，目前已成为地质调查和环境资源勘查与监测的重要技术手段。应用范围已由区域地质、矿产勘查：水文、工程、环境地质勘查扩大到农业地质，旅游地质，国土资源、土地利用、城市综合调查、环境监测等许多领域。应用技术方法水平随着遥感和计算机技术的发展也有了很大提高。 区域地质调查与编图：区域地质调查是重要的基础地质工作，以遥感方法为主填图，大面积多图幅联测，不仅节约经费，而且还能提高工效；在矿产勘查工作中，利用陆地卫星TM数据，经计算机处理镶嵌，制作成卫星影像图，为宏观分析研究重点区的区域地质背景，提取有用矿产信息提供了主要基础图件。 金属矿产勘查与预测：遥感在金属矿产勘查与预测的应用方面，近年来在分析技术及应用效果方面有了很大的发展和提高，已从过去单一的构造，线性影像解译已发展为各种矿化蚀变、含矿岩石波谱特征研究，多元信息综合图像处理以及综合各类地学信息对目标矿种成矿有利地段进行优化。 油气勘探：利用卫星遥感资料解译圈定的地质构造，经野外调查和验证,常可获得许多靶区。此外在天然气管道选线工程，油田环境监测以及大比例尺地形图修测等方面卫星遥感也发挥着更要的作用。 遥感在农业中的应用 现代遥感技术的多波段性和多时相性，十分有利于以绿色植物为主体的再生资源的研究。遥感技术在农业中的应用主要有以下几方面。土地资源调查：土地资源是指包括气候、地形、表层岩石、土地、植被和水文等自然要素的综合体，可以说包括了整个农业生产的生态要素。国际上于50年代开始大量地使用航空像片进行以土地为主体的土地资源调查工作，70年代开始利用卫星影像对原来缺乏资料的第三世界国家进行了中比例尺制图。 土地资源监测：土地资源是一个变化的自然综合体，特别是一些人类经营得不合理的地区,往往引起土壤侵蚀，土地沙化和土地次生盐渍化等。对土地资源的监测除实地进行定位观测外，还可用不同时期的同一幅影像进行影像迭加，对比，来准确地看出土地资源的变化情况，特别是一些交通不便，或面积较大的地区，只有卫星遥感技术发展以后，真正的所谓监测才变成了现实。 作物估产：作物的农业产量对于一个国家经济发展影响很大；所以倍受各国的重视。从目前的研究来看，作物估产基本上分两个方面：一是大面积估产，它是以卫星影像进行生态分区，在各个生态区根据历史产量建立各种的产量模拟公式，并根据每年的气候条件进行校正。另一方面是小区估产，它是将卫星影像和航空像片相结合的一种方法。 农作物生长状况及其生态环境的监测：地面温度、土壤水分的旱涝状况等环境条件以及其生长状况都可通过近红外和热红外接收的遥感影像探测到。 鱼情水产研究。 草原调查与监测。 遥感(RS)简介 遥感是以航空摄影技术为基础，在本世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。开始为航空遥感，自1972年美国发射了第一颗陆地卫星后，标志着航天遥感时代的开始。经过几十年的发展，目前遥感技术已广泛应用于资源环境、水文、气象，地质地理等领域，成为一门实用的，先进的空间探测技术。 遥感是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的，它根据不同物体对波谱产生不同响应的原理，识别地面上各类地物，具有遥远感知事物的意思。也就是利用地面上空的飞机、飞船、卫星等飞行物上的遥感器收集地面数据资料，并从中获取信息，经记录、传送、分析和判读来识别地物。（一）遥感技术主要特点 1可获取大范围数据资料。遥感用航摄飞机飞行高度为10km左右，陆地卫星的卫星轨道高度达910km左右，从而，可及时获取大范围的信息。例如，一张陆地卫星图像，其覆盖面积可达3万多km2。这种展示宏观景象的图像，对地球资源和环境分析极为重要。 2获取信息的速度快，周期短。由于卫星围绕地球运转，从而能及时获取所经地区的各种自然现象的最新资料，以便更新原有资料，或根据新旧资料变化进行动态监测，这是人工实地测量和航空摄影测量无法比拟的。例如，陆地卫星4、5，每16天可覆盖地球一遍，NOAA气象卫星每天能收到两次图像。Meteosat每30分钟获得同一地区的图像。 3获取信息受条件限制少。在地球上有很多地方，自然条件极为恶劣，人类难以到达，如沙漠、沼泽、高山峻岭等。采用不受地面条件限制的遥感技术，特别是航天遥感可方便及时地获取各种宝贵资料。 4获取信息的手段多，信息量大。根据不同的任务，遥感技术可选用不同波段和遥感仪器来获取信息。例如可采用可见光探测物体，也可采用紫外线，红外线和微波探测物体。利用不同波段对物体不同的穿透性，还可获取地物内部信息。例如，地面深层、水的下层，冰层下的水体，沙漠下面的地物特性等，微波波段还可以全天候的工作。 遥感技术所获取信息量极大，其处理手段是人力难以胜任的。例如Landsat卫星的TM图像，一幅覆盖185km185km地面面积，象元空间分辨率为30m，象元光谱分辨率为28位的图，其数据量约为60006000=36Mb。若将6个波段全部送入计算机，其数据量为：36Mb6=216Mb 为了提高对这样庞大数据的处理速度，遥感数字图像技术随之得以迅速发展。 目前，遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领域。在未来的十年中，预计遥感技术将步入一个能快速，及时提供多种对地观测数据的新阶段。遥感图像的空间分辨率，光谱分辨率和时间分辨率都会有极大的提高。其应用领域随着空间技术发展，尤其是地理信息系统和全球定位系统技术的发展及相互渗透，将会越来越广泛。遥感（Remote Sensing），从广义上说是泛指从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身，从远处通过仪器（传感器）探测和接收来自目标物体的信息（如电场、磁场、电磁波、地震波等信息），经过信息的传输及其处理分析，识别物体的属性及其分布等特征的技术。 通常遥感是指空对地的遥感，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。 当前遥感形成了一个从地面到空中，乃至空间，从信息数据收集、处理到判读分析和应用，对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系，成为获取地球资源与环境信息的重要手段。 遥感在地理学中的应用，进一步推动和促进了地理学的研究和发展，使地理学进入到一个新的发展阶段。 遥感信息应用是遥感的最终目的。遥感应用则应根据专业目标的需要，选择适宜的遥感信息及其工作方法进行，以取得较好的社会效益和经济效益。 遥感技术系统是个完整的统一体。它是建筑在空间技术、电子技术、计算机技术以及生物学、地学等现代科学技术的基础上的，是完成遥感过程的有力技术保证。（二）遥感的原理与实践-以上海市第三轮航空遥感调查为例 在人类即将告别20世纪，并迈步跨入21世纪之际，上海市人民政府要求: 对20世纪末的上海城市发展状况，作一次全面的航空遥感调查，这是继1988年和1994年前两轮航空遥感调查之后的上海市第三轮航空遥感调查。本次航空遥感调查的目的是：运用现代信息技术手段，将20世纪末的上海城市发展状况，以数字化的形式真实、详细地记录下来，建立相应的遥感影像资料数据库，并对这些数据充分加以分析和利用，以便为未来的上海城市发展提供信息服务和决策参考。 一、遥感的基本原理 （一）基本概念 遥感一词来源于英语“Remote Sensing”，其直译为“遥远的感知”，时间长了人们将它简译为遥感。遥感是20世纪60年代发展起来的一门对地观测综合性技术。自20世纪80年代以来，遥感技术得到了长足的发展，遥感技术的应用也日趋广泛。随着遥感技术的不断进步和遥感技术应用的不断深入，未来的遥感技术将在我国国民经济建设中发挥越来越重要的作用。 关于遥感的科学含义通常有广义和狭义两种解释: 广义的解释: 一切与目标物不接触的远距离探测。 狭义的解释: 运用现代光学、电子学探测仪器，不与目标物相接触，从远距离把目标物的电磁波特性记录下来，通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律。 （二）系统的组成 遥感是一门对地观测综合性技术，它的实现既需要一整套的技术装备，又需要多种学科的参与和配合，因此实施遥感是一项复杂的系统工程。根据遥感的定义，遥感系统主要由以下四大部分组成： 1、信息源 信息源是遥感需要对其进行探测的目标物。任何目标物都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性，当目标物与电磁波发生相互作用时会形成目标物的电磁波特性，这就为遥感探测提供了获取信息的依据。 2、信息获取 信息获取是指运用遥感技术装备接受、记录目标物电磁波特性的探测过程。信息获取所采用的遥感技术装备主要包括遥感平台和传感器。其中遥感平台是用来搭载传感器的运载工具，常用的有气球、飞机和人造卫星等; 传感器是用来探测目标物电磁波特性的仪器设备，常用的有照相机、扫描仪和成像雷达等。 3、信息处理 信息处理是指运用光学仪器和计算机设备对所获取的遥感信息进行校正、分析和解译处理的技术过程。信息处理的作用是通过对遥感信息的校正、分析和解译处理，掌握或清除遥感原始信息的误差，梳理、归纳出被探测目标物的影像特征，然后依据特征从遥感信息中识别并提取所需的有用信息。 4、信息应用 信息应用是指专业人员按不同的目的将遥感信息应用于各业务领域的使用过程。信息应用的基本方法是将遥感信息作为地理信息系统的数据源，供人们对其进行查询、统计和分析利用。遥感的应用领域十分广泛，最主要的应用有: 军事、地质矿产勘探、自然资源调查、地图测绘、环境监测以及城市建设和管理等。 （三）遥感原理 振动的传播称为波。电磁振动的传播是电磁波。电磁波的波段按波长由短至长可依次分为: -射线、X-射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。电磁波的波长越短其穿透性越强。遥感探测所使用的电磁波波段是从紫外线、可见光、红外线到微波的光谱段。 太阳作为电磁辐射源，它所发出的光也是一种电磁波。太阳光从宇宙空间到达地球表面须穿过地球的大气层。太阳光在穿过大气层时，会受到大气层对太阳光的吸收和散射影响，因而使透过大气层的太阳光能量受到衰减。但是大气层对太阳光的吸收和散射影响随太阳光的波长而变化。通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有: 紫外、可见光和近红外波段。 地面上的任何物体（即目标物），如大气、土地、水体、植被和人工构筑物等，在温度高于绝对零度（即0k=-273.16）的条件下，它们都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性。当太阳光从宇宙空间经大气层照射到地球表面时，地面上的物体就会对由太阳光所构成的电磁波产生反射和吸收。由于每一种物体的物理和化学特性以及入射光的波长不同，因此它们对入射光的反射率也不同。各种物体对入射光反射的规律叫做物体的反射光谱。（四）遥感的分类 为了便于专业人员研究和应用遥感技术，人们从不同的角度对遥感作如下分类: 1、按搭载传感器的遥感平台分类 根据遥感探测所采用的遥感平台不同可以将遥感分类为: 地面遥感，即把传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等；航空遥感，即把传感器设置在航空器上，如气球、航模、飞机及其它航