101《遥感概论》课程教案

嘉 应 学 院教 案20112012 学年 第2学期系(部、室)地理学院教研室GIS教研室课 程 名 称遥感概论专业班级地理科学专业101班主 讲 教 师熊永柱职 称 职 务副教授使 用 教 材梅安新遥感导论，高等教育出版社，2001嘉应学院教务处制2012年2月目 录第1章 教学整体安排1第2章 教学整体安排8第3章 教学整体安排19第4章 教学整体安排34第5章 教学整体安排46第6章 教学整体安排57第7章 教学整体安排68第8章 教学整体安排74遥感概论课程教案第1章 教学整体安排授课时间第1周 星期五 第1-2节第2周 星期五 第1-2节课时数4节授课题目（教学章、节或主题）：第一章 绪论教学目的、要求（分掌握、理解、了解三个层次）：通过本门课的教学使学生： 1掌握遥感的基本概念、组成及应用领域； 2了解遥感发展现状和趋势。 教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 重点：遥感的概念、组成及应用领域 难点：遥感的概念、组成及应用领域 基本内容：1. 课程安排： 学时分配：总共48学时 讲授：36学时，上机实践：12学时 成绩考核： 平时评分（作业、上机实习、实验报告）： 40% 期末考试评分： 60% 上课地点：田104；上机地点： GIS 实验室2. 课程介绍： 主要讲述了遥感的基本概念、分类、发展以及与其它学科的关系。主要内容：本章主要介绍遥感概念、遥感的特点、遥感数据、遥感数据类型、遥感数据的应用以及遥感技术的发展。1 遥感绪论2 遥感概念和遥感数据3 遥感的特性4 遥感平台5 遥感数据的类型6 遥感数据的应用领域7 遥感的发展简况学习本章的意义：学习本章的目的，主要使学生了解什么是遥感，它主要包括哪些内容？我国遥感事业的成就与遥感的重要意义。本章内容主要有：遥感的定义（广义与狭义）、遥感系统组成、遥感的类型与特点。本章内容主要涉及：遥感的定义；遥感系统的组成；遥感的分类；遥感的主要特点；遥感发展简史及我国遥感事业的成就。第一节遥感的基本概念1、本节教学内容与要求：1.1 教学内容：（1）广义的遥感概念 （2）狭义的遥感概念1.2 教学要求：（1）掌握遥感的基本概念。（2）了解广义的遥感概念与狭义的遥感概念之间的关系。1.3、教学难点和重点：难点：广义的遥感概念与狭义的遥感概念之间的关系。重点：遥感的概念理解。2、教学内容的知识要点2.1遥感遥感(Remote Sensing)就字面含义可以解释为遥远的感知。它是一种远离目标，在不与目标对象直接接触的情况下，通过某种平台上装载的传感器获取其特征信息，然后对所获取的信息进行提取、判定、加工处理及应用分析的综合性技术。人类通过大量实践，发现地球上每一物质作为其固有的性质都会反射、吸收、透射及辐射电磁波。物体的这种对电磁波固有的波长特性叫光谱特性（Spectral Characteristics）。一切物体，由于其种类及环境条件不同，因而具有反射或辐射不同波长的电磁波的特性。遥感就是根据这个原理来探测目标对象反射和发射的电磁波，获取目标信息，完成远距离识别物体的技术。 2.2广义的遥感概念广义理解，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波(声波、地震波)等的探测。实际工作中，重力、磁力、声波、地震波等的探测被划为物探(物理探测)的范畴。因而，只有电磁波探测属于遥感的范畴。2.3狭义的遥感概念狭义的遥感特指通过遥感器这类对电磁波敏感的仪器，在远离目标和非接触目标物体条件下探测目标地物，获取其反射、辐射或散射的电磁波信息，进行处理、分析与应用的一门科学和技术。 遥感的标准概念为Remote sensing is the science (and to some extent, art) of acquiring information about the Earths surface without actually being in contact with it. This is done by sensing and recording reflected or emitted energy and processing, analyzing, and applying that information. (CCRS) 遥感是无需接触地球表面而获取其信息的科学（或艺术），它是通过感知和记录反射或发射（电磁波）能量，并处理、分析和应用所获取的信息。遥感的观测对象主要是地球表层的各类地物，也包括大气、海洋和地下矿藏中不同成分。地球表层各类地物都具有两种特征，一是空间几何特征，一是物理、化学、生物的属性特征。第二节遥感系统1、本节教学内容与要求：1.1 教学内容：（1）遥感系统的组成。（2）遥感系统各组成部分的内涵。1.2 教学要求：（1）掌握遥感系统的组成部分。（2）了解遥感系统各组成部分的内涵。1.3、教学难点和重点：难点：遥感系统各组成部分的内涵，理解遥感是由一个综合系统组成。重点：遥感系统的五个组成部分。2、教学内容的知识要点2.1 空间信息获取系统 地球表面地物目标空间信息获取主要由遥感平台、遥感器等协同完成。 遥感平台 (Platform for Remote Sensing )是安放遥感仪器的载体，包括气球、飞机、人造卫星、航天飞机以及遥感铁塔等。 遥感器( Remote Sensor)是接收与记录地表物体辐射、反射与散射信息的仪器。目前常用的遥感器包括遥感摄影机、光机扫描仪、推帚式扫描仪、成像光谱仪和成像雷达。按其特点，遥感器分为摄影、扫描、雷达等几种类型。2.2 遥感数据传输与接收 空间数据传输与接收是空间信息获取和空间数据应用中必不可少的中间环节。 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。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（pulse code modulation: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。 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(high density digital tape，高密度磁带)上，然后根据需要拷贝到CCT(computer compatible tape，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。2.3 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，它包括计算机硬件和软件系统两部分。硬件部分包括：计算机(完成图像数据处理任务)、显示设备(高分辨率真彩色图像显示）、大容量存贮设备、图像输入输出设备等。软件部分包括：由数据输入、图像校正、图像变换、滤波和增强、图像融合、图像分类、图像分析以及计算、图像输出等功能模块。 2.4 遥感信息提取与分析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。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。2.5 遥感过程的要素 A: 能量来源：电磁能量（Energy Source or Illumination）；B：辐射与大气 （Radiation and the Atmosphere ）；C：与目标的作用 （Interaction with the Target ）；D：记录电磁辐射（传感器）（Recording of Energy by the Sensor ）；E：传输、接收与处理（Transmission, Reception, and Processing ）；F：解释与分析 （Interpretation and Analysis ）；G：应用 （Application ）。 第三节 遥感的类型1、本节教学内容与要求：1.1 教学内容：（1）遥感的分类方法。 （2）各分类方法的具体遥感划分类型。1.2 教学要求：（1）掌握遥感的分类方法。（2）了解各分类方法的具体遥感划分类型。1.3、教学难点和重点：难点：理解遥感的分类方法的具体依据与划分原则。重点：各分类方法的具体遥感划分类型。2、教学内容的知识要点2.1 按工作平台分 地面遥感、航空遥感、航天遥感和航宇遥感。2.2 按电磁波工作波段分 紫外遥感：0.05-0.38m 可见光遥感：0.38-0.76m 红外遥感：0.76-1000m （光学遥感） 微波遥感：1mm-10m多波段遥感。2.3 按传感器工作原理分 主动遥感（active remote sensing）：传感器从遥感平台主动发射出能源，然后接收目标反射或辐射回来的电磁波 如微波遥感中的侧视雷达；被动遥感（passive remote sensing）：传感器不向目标发射电磁波，仅接收目标地物反射及辐射外部能源的电磁波，如对太阳辐射的反射和地球辐射。2.4 按获取方式分 成像遥感和非成像遥感。2.5 按波段宽度和连续性分 宽波段遥感（常规遥感）：波段宽度一般大于100nm，且波段不连续; 高光谱遥感：利用很多狭窄的电磁波波段（波段宽度通常小于10nm）产生光谱连续的图像数据。2.6 按应用领域分 环境遥感、城市遥感、农业遥感、林业遥感、海洋遥感、地质遥感、气象遥感、军事遥感、考古遥感等。 第四节遥感的特点1、本节教学内容与要求：1.1 教学内容：（1）遥感的五大特点。 1.2 教学要求：（1）了解遥感的特点。（2）理解这些特点的由来。1.3、教学难点和重点：难点：理解遥感为何有这五大特点，结合实例进行讲解。重点：遥感的五大特点内涵。2、教学内容的知识要点2.1 大面积的同步观测如一幅Landsat图像，覆盖面积185km185km， 在56min内可完成扫描，实现对地的大面积同步观测。所取得的数据可进行大面积资源和环境调查，并且不受地形阻隔等限制。 2.2 时效性，动态监测，快速更新监控范围数据遥感探测可以在短时间内对同一地区进行重复探测，监测地球上许多事物的动态变化。一般地球资源卫星89天可重复一次，气象卫星每天两次，而传统的地面调查需要花费大量的人力和物力，且周期很长。因此，遥感方法具有很好的时效性。遥感在天气预报、火灾和水灾监测以及军事行动等领域的应用，反映了遥感方法的时效性优势。 2.3 数据的综合性和可比性遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上许多自然、人文信息，客观地记录了地面的实际状况，数据综合性很强。 同时，不同的卫星传感器获得的同一地区的数据以及同一传感器在不同时间获得的同一地区的数据，均具有可比性。 2.4 经济性从投入的费用与所获取的效益看，遥感与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。如Landsat卫星的投入与效益比估计为1:80。 2.5 局限性信息的提取方法不能满足遥感快速发展的要求；数据的挖掘技术不完善，使得大量的遥感数据无法有效利用。 第五节遥感发展简史1、本节教学内容与要求：1.1 教学内容：（1） 遥感的发展史。（2） 遥感的发展趋势。 1.2 教学要求：（1）了解遥感的发展简史。（2）了解遥感的发展趋势。1.3、教学难点和重点：难点：理解遥感的发展趋势。重点：遥感的的发展简史。2、教学内容的知识要点2.1 遥感技术发展简史最早使用“遥感”一词的是美国海军研究局的艾弗林普鲁伊特 (Evelyn. L. Pruit,1960)。 1961年，在美国国家科学院（National Academy of Sciences）和国家研究理事会（Nation Research Council）的资助下，于密歇根大学 (University of Michigan) 的威罗兰 (Willow Run) 实验室召开了“环境遥感国际讨论会”，此后，在世界范围内，遥感作为一门新兴的独立学科，获得飞速的发展。但是，遥感学科的技术积累和酝酿却经历了几百年的历史和发展阶段。 1.无记录的地面遥感阶段（1608-1838年）2.有记录的地面遥感阶段（1839-1857年） 3.空中摄影遥感阶段（1858-1956年） 4.航天遥感阶段（1957-）2.2 遥感技术发展趋势 随着人类对遥感技术的逐渐认识，观测技术的进步和社会需求的增加，遥感正经历着技术不断完善、能力不断增强、应用领域不断扩大的发展过程。社会需求成为遥感技术发展的动力和目标。在21世纪前叶，人类将进入一个多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代。第六节 中国遥感事业的发展 1、本节教学内容与要求：1.1 教学内容：（1）遥感的发展史。1.2 教学要求：（1）了解遥感的发展简史。1.3、教学难点和重点：难点：理解遥感的发展趋势。重点：遥感的的发展简史。2、教学内容的知识要点2.1 遥感基础事业的发展 我国虽然在二十世纪30年代个别城市进行过航空摄影，但系统的航空摄影是从二十世纪50年代开始，主要用于地形图的制作、更新，并在铁路、地质、林业等领域的调查研究、勘测、制图等方面起到了重要的作用。我国自1970年4月24日发射了东方红一号人造卫星以后，相继发射了数十颗不同类型的人造地球卫星。太阳同步的风云一号（FY-1A 1B）和地球同步轨道的风云二号（FY-2）的发射及返回式遥感卫星的发射与回收，使我国开展宇宙探测、通讯、科学实验、气象观测等有了自己的信息来源，1999年10月14日中国巴西地球资源遥感卫星CBERS-1的成发射，使我国拥有了自己资源卫星。2002年五月十五日中国太原卫星发射中心“一箭双星”，成功将第一颗海洋卫星“海洋一号”和第六颗气象卫星“风云一号D”同时送入太空。“海洋一号”卫星是中国第一颗用于海洋水色探测的试验型业务卫星，“风云一号D”卫星由上海航天技术研究院为主研制，是一颗太阳同步轨道业务应用气象卫星，1986年我国建成了遥感卫星地面站，逐步形成了具有接收美国的Landsat、法国的SPOT、加拿大的RADARSAT和中国-巴西的CBERS等7颗遥感卫星数据的能力。数十个分布于全国各地的气象卫星接收站，可以接收地球同步（静止轨道）和太阳同步（极轨）气象卫星。这些都标志着我国强大的接收和处理卫星遥感数据的能力。在遥感图像信息处理方面，已开始从普遍采用国际上先进的商品化软件向国产化转移。ERDAS、INTERGRAPH、ER-MAPPER、ENVI、PCI等软件已被我国的有关研究部门、公司及生产单位所采用，IDRISI已经汉化并为许多教学单位采用。2.2遥感应用的发展在遥感的应用方面，中国自二十世纪70年代中后期开始广泛的应用，取得了巨大的成就。通过“六五” 到“九五”的攻关，完成了一批具有世界先进水平的应用成果，并且具有中国自己的特色。其主要成果表现在以下几方面： 1）在遥感各应用领域进行了广泛的探索和应用试验研究。2）遥感广泛地渗透到各地区和各专业部门，遥感应用研究覆盖领域广，类型多，有专题性，也有综合性。3）完成了一批全国范围和省、市、自治区范围的大型应用项目。4）遥感应用研究取得良好的经济效益和社会效益。结合实例讲解，如云南腾冲遥感综合试验研究、长春净月潭试验研究、山西太原盆地农业遥感试验研究、东海渔业遥感试验研究、长江下游地物光谱试验研究等等。讨论、思考题、作业： 1、什么是遥感？遥感技术系统由哪些部分构成？ 2、说明遥感按内容和按数据特征的分类。参考资料（含参考书、文献等）： 教材： 作者：梅安新遥感导论，高等教育出版社 2001实习指导书： 作者：刘慧平遥感实习教程，高等教育出版社 2001教学参考书： 作者：吕国楷遥感概论 高等教育出版社 1998 作者：尹占娥现代遥感导论 科学出版社 2008教学过程设计：复习 分钟，授新课160分钟，安排讨论15分钟，布置作业5分钟授课类型（请打）：理论课 讨论课 实验课 练习课 其他教学方式（请打）：讲授 讨论 指导 其他教学资源（请打）：多媒体 模型 实物 挂图 音像 其他第2章 教学整体安排授课时间第3周 星期五 第1-2节第4周 星期五 第1-2节课时数4节授课题目（教学章、节或主题）：第二章 电磁辐射与地物光谱特征教学目的、要求（分掌握、理解、了解三个层次）：通过本门课的教学使学生： 1掌握遥感的基本概念、组成及应用领域； 2了解遥感发展现状和趋势。 教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 重点：地物波谱特征 难点：电磁辐射原理 基本内容： 1 遥感的电磁波原理 2 太阳辐射 3 太阳辐射与大气的作用 4 太阳辐射与地物的作用 5 地物的热辐射 6 微波与地物的作用 7 各典型地物的光谱曲线学习本章的意义：学习本章的目的，主要使读者了解遥感的物理基础，即电磁辐射与地物波谱特性主要包括哪些内容，如何进行度量？掌握电磁辐射与地物波谱特性在遥感中的作用与基础地位是什么？本章内容主要有：电磁波谱、电磁辐射、黑体辐射及黑体辐射规律、实际物体辐射规律、太阳光谱、大气吸收、大气散射（瑞利散射、米氏散射、无选择性散射）、大气窗口及投射分析、地表自身的热辐射、反射率、反射的类型及地物反射波谱特征、地物波谱特性的测量。本章内容主要涉及：电磁波谱、电磁辐射的概念，电磁辐射的度量；黑体辐射的概念、黑体辐射与实际物体辐射的规律；太阳光谱的特点；太阳辐射传播到地表面又返回到传感器的过程中所发生的物理现象；大气散射的类型与其特点；大气窗口的概念及大气窗口的主要光谱段；反射率及其类型；太阳辐射与地表之间的相互作用；植被、土壤、水体及岩石的光谱特征；地物波谱特性的测量。 第一节电磁波谱与电磁辐射1、本节教学内容与要求：1.1 教学内容：（1）电磁波的定义、特点，电磁波谱的定义与划分。（2）电磁辐射的度量。（3）黑体辐射的定义与相关定律。1.2 教学要求：（1）了解电磁波谱、电磁辐射的概念； （2）理解并掌握电磁辐射的度量方法。（3）了解黑体辐射的概念、黑体辐射与实际物体辐射的规律。1.3、教学难点和重点：难点：理解黑体辐射的内涵与实际地物辐射的关系。重点：电磁波谱的划分与电磁辐射的度量。2、教学内容的知识要点2.1 电磁波与电磁波谱1电磁波 一个简单的偶极振子的电路，电流在导线中往复震荡，两端出现正负交替的等量异种电荷，类似电视台的天线，不断向外辐射能量，同时在电路中不断的补充能量，以维持偶极振子的稳定振荡。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，这就是电磁波。2电磁辐射 电磁场在空间的直接传播称为电磁辐射。装载在遥感平台上的遥感器系统，接收来自地表、地球大气物质的电磁辐射，经过成像仪器，形成遥感影象。3电磁波谱 射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波（微波、短波、中波、长波和超长波等）在真空中按照波长或频率递增或递减顺序排列，构成了电磁波谱。目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。可见光区间辐射源于原子、分子中的外层电子跃迁。红外辐射则产生于分子的振动和转动能级跃迁。无线电波是由电容、电感组成的振荡回路产生电磁辐射，通过偶极子天线向空间发射。微波由于振荡频率较高，用谐振腔及波导管激励与传输，通过微波天线向空间发射。由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。4电磁波的性质描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。电磁波是横波，传播速度为3108m/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。电磁辐射在传播过程中具有波动性和量子性两重特性。 2.2 电磁辐射的度量遥感信息是从遥感器定量记录的地表物体电磁辐射数据中提取的。为了测量从目标地物反射或辐射的电磁波的能量，以伽玛射线到电磁波的整个波段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。 2.3 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，则该物体是绝对黑体（Blackbody）。显然，绝对黑体的吸收率为1，反射率0，透射率0，与温度和波长无关，达到最大的吸收，最大的发射。自然界不存在绝对黑体，黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体，试验中的黑体是人工方法制成的。当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射和吸收现象时，物体的光谱吸收系数和反射系数之和恒等于1。实际物体的温度不同或入射电磁波的波长不同，都会导致不同的吸收和反射。 2.黑体辐射规律a.普朗克（Planck）公式： c为真空中的光速；k为波尔兹曼常数，1.38*10-23 J/K；h为普朗克常数，6.63*10-34 Js; M为辐射出射度；T温度。b.斯忒藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmanns Law）：该定律揭示了绝对黑体总辐射出射度随温度变化的定量关系。整个电磁波谱的总辐射出射度 M，可以用某一单位波长间隔的辐射出射度M对波长由O到无穷大的整个电磁波段积分，用普朗克公式对波长积分，得到斯忒藩一玻尔兹曼定律，即绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。 c.维恩位移定律(Wiens Displacement Law)：maxTb， b为常数，（b2.89810-3mk）。是指黑体的光谱出射度极值对应的波长与温度T成反比的规律。实验发现，当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值对应的波长向短波方向移动。黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。如果辐射最大值落在可见光波段，物体的颜色会被看到。随着温度的升高，波长逐渐变短，颜色由红外到红色再逐渐变兰变紫。兰火焰比红火焰温度高，就是这个道理。 3.实际物体的辐射（1）基尔霍夫辐射定律（Kirchhoffs Law）：孤立系统中几个物体，经一定时间后，物体温度均保持恒定的事实，说明在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等，并且都等于黑体对同一波长的单色辐出度，这一定律称为基尔霍夫辐射定律（1890年）。定律表示，好的吸收体也是好的辐射体。黑体是完全的吸收体，因此也是完全的辐射体。散热器件通常都要对其表面进行“发黑”处理，以增加它的散热效果。黑色烟煤在常温下是黑色，说明它发射很弱，反射极少。一旦燃烧，温度升高，可以达到很强的发射，因而十分明亮，性质也越接近黑体。 （2）实际物体的辐射不同于绝对黑体的辐射，在相同温度下，实际物体的辐射出射度（辐射通量密度）比绝对黑体的要低。 地物发射某一波长的辐射出射度（辐射通量密度）与同温下黑体在同一波长上的辐射出射度之比，称地物光谱发射率（emissivity）(也称比辐射率)，发射率是一个数字，其值介于0和1之间，作为比较一辐射源接近黑体的程度。不同地物有不同的，同一地物在不同波段的波谱发射率也不同。实际地物的发射分两种情况：a.选择性辐射体，在各波长处的发射率不同；b.灰体，在一定温度下，其各处的发射率相等。 按发射率变化情况，将地物分为以下几个类型绝对黑体、灰体、选择性辐射体和理想反射体。第二节太阳辐射及大气对辐射的影响 1、本节教学内容与要求：1.1 教学内容：（1）太阳辐射、太阳常数、太阳光谱。（2）大气的大气层次与成分和大气对辐射的吸收作用。（3）大气散射。（4）大气窗口及透射分析。1.2 教学要求：（1）了解太阳辐射、太阳常数、太阳光谱的基本概念。（2）了解大气的大气层次与成分和大气对辐射的吸收作用。（3）了解大气散射的定义与大气散射现象的三种情况。（4）掌握大气窗口的基本概念及透射定量分析。 1.3、教学难点和重点：难点：理解大气对辐射的影响和遥感的关系。重点：大气窗口的作用及透射定量分析。2、教学内容的知识要点2.1 太阳辐射 被动遥感的辐射源主要来自与我们人类最密切相关的两个星球，即太阳和地球。其中太阳是最主要的辐射源。1.太阳和太阳常数：太阳是太阳系的中心天体，在太阳系空间，布满了从太阳发射的电磁波的全波辐射及粒子流，地球上的能量主要来自太阳。太阳常数指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位（日地平均距离，149,597,870*103m）的区域内，垂直于太阳辐射方向上单位面积和单位时间黑体所接收到的太阳辐射能量，可以认为是在地球大气顶端接受的太阳能量。2.太阳光谱与太阳辐射 太阳辐射指太阳发出的电磁波辐射，习惯上称为太阳光。太阳辐射在从近紫外到中红外这一波段区间内能量最集中而且相对来说最稳定，太阳强度变化最小。太阳辐射接近于温度为6150K的黑体辐射太阳的电磁辐射主要集中在波长较短的部分，即从紫外、可见光到近红外区段。太阳最大辐射的对应波长max0.47m。就遥感而言，被动遥感主要利用可见光、红外波段等稳定辐射，而主动遥感则利用微波，使太阳活动对遥感的影响减至最小。太阳光谱能量各波段所占比例不同，近紫外、可见光、近红外和中红外部分约占太阳总辐射的84.62%；X射线、伽玛射线、远紫外及微波波段的总能量不到1%。图中海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很大不同。其差异主要是地球大气引起。由于大气中的水、氧、臭氧、二氧化碳等分子对太阳辐射的吸收作用，加之大气的散射使太阳辐射产生很大衰减，衰减最大的区间便是大气分子吸收的最强的区间。2.2 大气吸收1.大气层次与成分大气在垂直方向自下而上分为对流层、平流层、电离层、外大气层。对流层：高度在712km，温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在1250km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。 电离层：高度在501000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层：80035000km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。太阳辐射通过地球大气照射到地面，经过地面物体反射又返回，再经过大气到达航空或航天遥感平台，被安装在平台上的传感器接收。这时传感器探测到的地表辐射强度与太阳辐射到达地球大气上空时的辐射强度相比，已有了很大的变化，这种变化主要受到大气主要成分影响。大气主要成分可分为二类：气体分子和其它微粒。分子中氮和氧占99%，臭氧、二氧化碳、水分子及其它（N2O, CH4, NH3等）约占1%； 颗粒主要有烟、尘埃、雾、小水滴和气溶胶。气溶胶是一种固体、液体的悬浮物，有一个固体的核心，如尘埃、花粉、微生物、海上的盐粒等，在核心以外包有一层液体，直径约为0.0130m，多分布在高度5KM以下。它们对电磁辐射具有折射、反射、吸收、散射作用。2.大气对辐射的吸收作用 太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，吸收作用使辐射能量变成分子的内能，引起这些波段的太阳辐射强度衰减；严重影响传感器对电磁辐射的探测，导致太阳辐射强度衰减；吸收作用越强的波段，辐射强度衰减越大，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气，形成了电磁波的某些吸收带。主要吸收带：水： 0.94 m，1.38m，1.86m，2.5-3.0m，3.24m，5-7m，7.13m，24m以上（微波）；二氧化碳：2.8m，4.3m臭氧：0.2-0.32m，0.6m，9.6m；氧气：0.2m，0.6m，0.76m。 2.3 大气散射辐射在传播过程中遇到小微粒会使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射。散射的作用使在原传播方向上的辐射强度减弱，增加了向其他各个方向的辐射，尽管强度不大，从遥感数据角度分析，太阳辐射在照到地面又向回反射到航空或航天传感器的过程中，二次通过大气。在照射地面时，由于散射增加了漫入射的成分，使反射的辐射成分有所改变；返回到传感器的时候，除反射光外还增加了散射光进入传感器。通过二次散射影响，增加了信号中的噪声成分，造成遥感图像的质量下降。散射现象的实质是电磁波传输中遇到大气微粒产生的一种衍射现象。因此，这种现象只有当大气中的分子或其它微粒的直径小于或相当于辐射波长时发生，大气的散射现象有以下三种情况： （1）瑞利散射（Rayleigh scattering）。当大气中粒子的直径小于波长1/10或更小时发生的散射，由大气中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起。特点是散射强度与波长的四次方成反比。（2）米氏散射（Mie scattering）。当大气中粒子的直径大于波长1/10到与辐射的波长相当时发生的散射，由烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比，且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性较明显。云、雾的粒子大小与红外线（0.7615m）的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。因此，潮湿天气米氏散射影响较大。（3）无选择性散射（Non-selective scattering）。当大气中粒子的直径大于波长时发生的散射。这种散射的特点是散射强度与波长无关，任何波长的散射强度相同，因此称为无选择性散射。由以上分析可知，散射造成太阳辐射的衰减，但是散射强度遵循的规律与波长密切相关。而太阳的电磁波辐射几乎包括电磁辐射的各个波段。因此，在大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。对于大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段。波长超过1m后，瑞利散射的影响则大大减弱。对于大气微粒引起的米散射从近紫外到红外波段都有影响，当波长进入红外波段后，米散射的影响超过瑞利散射。对于大气中的云层，小雨滴的直径相比大气中的其它微粒最大，对于可见光而言只有无选择性散射发生，云层越厚，对可见光的无选择散射越强；而对微波而言，微波波长比粒子的直径大很多，则属于瑞利散射的类型，散射强度与波长四次方成反比，波长越长，散射强度越小，所以在这一条件下，微波可能有最小散射，最大透射，而被称为具有穿云透雾的能力。 2.4 大气窗口及透射分析1.大气折射 电磁波穿过大气层时会发生折射现象。大气的折射率与大气密度直接相关，大气密度越大，折射率越大。空气越稀薄、折射也越小。正因为电磁波传播过程中折射率的变化，使电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线，到达地面后，地面接收的电磁波方向与实际上太阳辐射的方向相比偏离了一个角度称为折射值R。当太阳垂直入射时，天顶距为0折射值R为零；随太阳天顶距加大，折射值增加；天顶距为45时，折射值R1；天顶距为90时，折射值R35。这时折射值达到最大。2.大气反射电磁波传播过程中通过两种介质的交界面上时，还会出现反射现象。而通过大气时，气体、尘埃反射作用很小，反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，而且各个波段均受到不同程度的影响，严重地削弱了电磁波强度。因此，如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天气接收遥感信号，则不用考虑大气的反射。 3.大气窗口由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波段，才对遥感观测有意义。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。主要的大气窗口光谱段有：0.3-1.3m，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段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。比如，Landsat 卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。 1.5-1.8m，2.0-3.5m，即近、短波、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。 3.5-5.5m，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93m探测海面温度，获得昼夜云图。 8-14m，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。 0.8-2.5cm至更长, 即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。而且工作方式为主动遥感。其常用的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm等等, 有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm波段。4.透射现象 太阳的电磁辐射经过大气时，被云层或其它粒子反射回去的部分比例最大，就可见光和近红外而言，约占30，其次为散射的作用，约占22，占第三位是吸收，约占17，这样，透过大气到达地面的能量仅占入射总能量的31。这仅仅是一般地对透过率（透过大气的辐照度与入射大气前的辐照度之比）的粗略估计。实际上，除气象卫星必须探测云层外，大多数遥感被动传感器都选择无云天气情况下的数据资料使用。这时大气对太阳辐射的衰减就只计算散射和吸收二种作用产生的影响了。第三节地球的辐射与地物波谱1、本节教学内容与要求：1.1 教学内容：（1）太阳辐射和地球辐射的分段性。（2）地表自身热辐射。（3）地物反射波谱特征。（4）地物波谱特性的测量。1.2 教学要求：（1）了解太阳辐射和地球辐射的分段性。（2）了解地表自身热辐射的变化规律。（3）掌握反射波谱的基本概念与主要地物反射波谱特征。（4）了解地物波谱特性的测量方法。1.3、教学难点和重点：难点：太阳辐射和地球辐射的相互作用性。重点：反射波谱的基本概念与主要地物反射波谱特征。2、教学内容的知识要点除了太阳以外，遥感探测中被动遥感的辐射源还来自地球。2.1 太阳辐射和地球辐射的分段性太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即0.3-2.5m，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。地球自身发出的辐射主要集中在波长较长的部分，即6m以上的热红外区段。在2.5-6m的中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。 2.2 地表自身热辐射地表各种物体都具有发射电磁波的能力。由地表物体发射的电磁波一般称为地表热辐射。地表物体的自身热辐射由比辐射率、温度、波长决定：M(，T)=(，T)*M0(，T)(M=*M0, 基尔霍夫定律) 。由于公式中的温度指地表面的温度，而这一温度与地面以上和地下深部的温度不同，同时还随着一天内时间的变化和季节的变化而变化。所以在测量中常用红外辐射计来探测地表物体的温度。 在温度一定的情况下，物体的比辐射率随波长变化。比辐射率（发射率）波谱特性曲线的形态特征可以反映地面物体本身的特性，包括物体本身的组成和温度、表面粗糙度等物理特性有关。特别是曲线形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体。尤其是在夜间，太阳辐射消失后，地面发出的能量以发射光谱为主，探测其红外辐射及微波辐射并与同样温度条件下的比辐射率（发射率）曲线比较，是识别地物的重要方法之一。2.3 地物反射波谱特征地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地物波谱。地物波谱是电磁辐射与地物相互作用的结果。不同的物质反射、透射、吸收、散射和发射电磁波的能量是不同的，它们都具有本身特有的变化规律，表现为地物波谱随波长而变的特性，这些特性叫做地物波谱特性。地物的波谱特征是遥感识别地物的基础。1.概述在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主，太阳辐射到达地面之后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即：到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量。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透射能力较强，特别是对0.450.56m的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达1020m，清澈水体可达100m的深度。对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5cm的电磁波却有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土壤。2.反射率与反射波谱反射率指反射能量与总入射能量的百分比=（P/P0）*100%，反射率大小与物体本身的性质和表面状况、波长、入射角等有关。三种反射状况：镜面反射、漫反射、方向反射。当入射波和反射波在同一平面内，且入射角与反射角相等时，称为镜面反射。当反射波方向与入射波方向无关，且从任何角度观察 反射面，其反射辐射亮度为一常数时，称为漫反射。漫反射的反射面称为朗伯面。朗伯面：对于漫反射面，当入射照度一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面称朗伯面。现实生活中的反射大多数处于上述两种理想反射模型之间，通常称为实际物体反射。 3.地物反射波谱曲线地物的反射波谱是研究地面物体反射率随波长的变化规律。通常用二维几何空间内的曲线表示。横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。地物反射曲线的形态很不相同，表明反射率随波长变化的规律不同。除了因为不同地物的反射率不同外，同种地物在不同的内部和外部条件下反射率也不同。一般说来，地物反射率随波长的变化，有规律可循。从而为遥感影像的判读提供依据。 （1）植被0.4-0.7m有一个小的反射峰，位于绿色波段（0.55m），两边（蓝、红）为吸收带（凹谷）；0.76-1.3m高反射，在0.7m处反射率迅速增大，至1.1处有峰值；1.3-2.5m受植物含水量影响，吸收率增加，反射率下降，形成几个低谷。（2）土壤土壤表面反射光谱曲线比较平滑，没有明显的峰谷。一般情况下，土质越细反射率越高，有机质含量越低；反射率越高，土壤含水量越低反射率越高。 （3）水体水体在蓝绿光波段有较强反射，在其它可见光波段吸收都很强，在近红外波段吸收更强。水体中含有其它物质时，水体的反射光谱曲线会发生 变化，如含有泥沙时反射峰值出现在黄红区，含有叶绿素 时近红外波段反射率明显增加。（4）岩石岩石反射光谱因矿物成分、矿物含量、风化程度、含 水状况、颗粒大小、表面光滑度、色泽等而异，无统一特征。 （5）常见地物的光谱曲线比较影响地物反射光谱的主要因素：（1）地物电磁学性质；（2）表面粗糙度；（3）电磁波入射角；（4）环境因素（温度、湿度、紧密度、季节等）。2.4 地物波谱特性的测量 地物波谱是遥感研究的基础。在电磁波中只有可见光和近红外波段（0.32.5m）是以地球表面反射为主的区间，多数传感器使用这一区间，作为目前和今后研究地球表面特性的主要波段。可见光和近红外地物光谱的测试可以有三方面作用：传感器波段的选择、验证、评价；建立地面、航空和航天遥感数据的定量关系；建立地物相关和应用模式。反射光谱特性的测量主要通过样品的实验室测量和野外测量两种方法。讨论、思考题、作业：1、什么是遥感地物光谱曲线？什么遥感大气窗口？2、说明遥感按内容和按数据特征的分类。参考资料（含参考书、文献等）： 教材： 作者：梅安新遥感导论，高等教育出版社 2001实习指导书： 作者：刘慧平遥感实习教程，高等教育出版社 2001教学参考书： 作者：吕国楷遥感概论 高等教育出版社 1998 作者：尹占娥现代遥感导论 科学出版社 2008教学过程设计：复习 分钟，授新课160分钟，安排讨论15分钟，布置作业5分钟授课类型（请打）：理论课 讨论课 实验课 练习课 其他教学方式（请打）：讲授 讨论 指导 其他教学资源（请打）：多媒体 模型 实物 挂图 音像 其他第3章 教学整体安排授课时间第5周 星期五 第1-2节第6周 星期五 第1-2节课时数4节授课题目（教学章、节或主题）：第三章 遥感成像原理与遥感图像特征教学目的、要求（分掌握、理解、了解三个层次）：通过本门课的教学使学生： 1了解主要的遥感平台及各平台的工作特点。 2掌握评价遥感图像质量的方法。 教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 重点：摄影成像的基本原理及图像特征、评价遥感图像质量的方法 难点：中心投影的原理 基本内容：1、 摄影成像的基本原理及图像特征。2、 扫描成像的基本原理及扫描图像的特征。3、 微波成像与摄影、扫描成像的区别。4、 评价遥