第一章--遥感原理.ppt

2013 2014 1 资源与环境学院罗欣UESTC 遥感应用分析原理与方法 GradingPolicy 3 第一节概论 遥感技术是20世纪60年代发展起来的一门综合性探测技术 遥感技术与现代物理学 空间技术 计算机技术 数学和地理学密切相关 遥感技术已广泛应用于各种领域 成为地球环境资源的调查和规划不可缺少的有效手段 4 一 遥感概念 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 从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息 经过信息的传输及其处理分析 来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术 5 遥感通过安装在飞机 飞船 卫星等平台上的可见光 红外 微波等光学或电子探测仪器 称为传感器 对目标物进行摄影或扫描 接受地面物体反射或发射的电磁波信号 并保存光学或数字图像 经过信息的传输及其处理 判读解译及分析 信息提取和野外实地验证 最后生成用于辅助决策的信息 遥感数据获取 处理与分析 应用 二 遥感过程 3 15 2020 6 遥感观测系统 1 宏观性 综合性 覆盖范围大 信息丰富 一景TM影像为185 185平方公里 影像包含各种地表景观信息 有可见的 也有潜在的 三 遥感的特性 波段的延长使对地球的观测走向了全天候 光谱分辨率 指传感器所选用的波段数量的多少 通道数 各波段的波长位置 中心波长 及波长间隔的大小 带宽 2 多波段性 三 遥感的特性 9 10 3 多尺度性 空间 空间 地面 分辨率 遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小 即传感器能够把两个目标作为清晰的实体 记录下两个目标物之间最小的距离 是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标 通常用像元大小 像解率或视场角 IFOV 来表示 11 MODIS 500m 北京地区 几何纠正后 12 TM 30m 13 SPOT 5m ALOS 2 5m 15 QuickBird 0 62m 0 5米的Worldview Geoeye 0 41m 18 航拍 0 12m 4 多时相性 重复探测 有利于进行动态分析 LasVegas 1992 LasVegas 1986 LasVegas 1972 三 遥感的特性 20 1 按运载工具分地面遥感航空遥感航天遥感 四 遥感的分类 21 22 近地面遥感 23 遥感飞机 24 25 航天器 26 卫星 27 2 按电磁波段分 可见光遥感 红外遥感 微波遥感 28 北京 1999年10月22日 29 InfraredImageofAlaska centeredat58N 150W at4 4kmresolution 30 雷达图像 31 3 按工作方式分 五 遥感发展概况与展望 1 遥感发展概况 照相机 气球 飞机构成初期遥感技术系统 1962年在美国密歇根大学召开的第一次国际环境遥感讨论会上 美国海军研究局的EretynPruitt 伊 普鲁伊特 首次提出 RemoteSensing 一词 会后被普遍采用至今 二次大战中的航空侦察促进了航空摄影技术的发展 20世纪60年代以来 苏美空间技术竟相发展 分别发射了一系列的空间计划卫星 促进了航天遥感技术的发展 1903 WrightBrothers发明了飞机 使航空摄影测量成为可能 AerialphotographyinWorldWarI FigureClose upviewofaworldwarIFigureVerticalphotographyofWorldWarItrenchesinEurope 2 我国遥感发展概况 50年代航空摄影和应用工作 60年代 航空摄影工作初具规模 应用范围不断扩大 70年代 腾冲遥感实验获得巨大成功 70年04月24日发射第一颗人造地球卫星 80年代是大发展阶段 目前 某些方面已经进入世界先进水平行列 五 遥感发展概况与展望 3 当前遥感发展主要特点与展望 多国发射卫星的局面已经形成 高分辨率小型商业卫星发展迅速 雷达卫星遥感日益受到青睐星载主动式遥感的发展 是探测手段更趋多样化 高光谱分辨率传感器是未来空间遥感发展的核心内容 高光光谱分辨率传感器是指既能对目标物成像有可以测量目标物光谱特性的光学传感器 遥感应用不断深化 五 遥感发展概况与展望 38 总体发展趋势 多星协同 空间分辨率的提高 光谱分辨率的提高 高光谱遥感的发展 二维信息向三维信息的发展 遥感图像处理算法的发展 定量遥感的发展 自动化信息提取及应用的扩展 五 遥感发展概况与展望 六 遥感的应用 遥感应用从内容上可以概括为 资源调查与应用环境监测评价区域分析规划全球宏观研究 应用方法 定性 监测 评估定量 模型 反演 40 六 遥感的应用 1 遥感在资源调查方面的应用 1 在农业 林业方面的应用 农 林土地资源调查 病虫害 土壤干旱 盐化沙化的调查及监测 土地利用类型调查精细农业作物估产 三北 防护林遥感综合调查 六 遥感的应用 43 土地覆盖变化监测 45 国家气象中心 46 农业结构的调整 左图是1995年时 土地用来种植农作物 右图是1999年时 土地已经被利用来养鱼 通过遥感的手段 能够掌握土地利用变化的情况 并估计各农产品产量 47 2 遥感在地质矿产方面的应用客观真实地反映各种地质现象 形象地反映区域地质构造 地质找矿工程地质 地震地质 水文地质和灾害地质 六 遥感的应用 49 3 在水文 水资源方面的应用 水资源调查 流域规划 水土流失调查 海洋调查等 六 遥感的应用 青藏高原水资源调查三峡工程南水北调 51 4 遥感在环境监测评价等方面的应用 在环境监测方面的应用污染物位置 性质 动态变化及对环境的影响 环境制图长江三峡库区环境本底调查 环境演变分析 动态监测等 在对抗自然灾害中的应用灾害性天气的预报旱情 洪水 滑坡 泥石流和病虫害森林火灾 六 遥感的应用 56 59 水灾图 60 火情监测图 61 监测沙尘暴灾害 62 2006年05月14日四川北川县 2008年05月14日四川北川县 地震灾情评估 5 在区域分析及建设规划方面的应用 区域性是地理学的重要特点 腾冲 长春 三北防护林等都是遥感区域分析的典范 城市化和城市遥感的兴起 城市土地利用 环境监测 道路交通分析 环境地质 城市规划等 六 遥感的应用 上海城市发展 6 遥感在全球性宏观研究中的应用 全球性问题与全球性研究 GlobalStudy 人口问题 资源危机 环境恶化等 利用GPS监测和研究板块的运移 深大断裂活动 全球性气候研究和灾情预报 世界冰川的进退 六 遥感的应用 南半球四季 海冰监测 渤海湾海冰监测 7 遥感在其它方面的应用 在测绘制图方面的应用在历史遗迹 考古调查方面的应用在军事上的应用 六 遥感的应用 乾陵考古的航拍图 76 第二节遥感电磁辐射原理 遥感的理论基础就是物体的电磁辐射 电磁辐射是能量传播的一种形式 被动遥感系统中的主要辐射源是太阳 太阳辐射出的电磁波能量穿过大气层达到地表 被地物吸收 透射 一部分被反射后又经大气吸收 散射到达传感器 被记录成遥感资料和图象 此外 所有温度高于绝对零度的物体也都向外发射电磁辐射 所以电磁辐射是传感器与远距离物体之间联系的环节 77 一 电磁波与电磁波谱 电磁波 electromagneticwave 在真空或物质中通过电磁场的振动而传输电磁能量的波 光波 热辐射 微波 无线电波等都是由振源 辐射源 发出的电磁振荡在空间的传播 声波 实验证明 射线 射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波等都是电磁波 只是振源不同 波长 频率 也各不相同 将各种电磁波在真空中的波长 频率 按其长短 依次排列制成的图表叫做电磁波谱 电磁波谱 电磁波波长 太阳辐射各波段的百分比 3 15 2020 81 遥感中的辐射源有两类 自然辐射源 包括太阳辐射和地球的电磁辐射 人工辐射源 人工辐射源主要指主动式遥感的辐射源 人工发射一定波长 一定功率的波束 然后再接收该波束被地物散射后返回的后向反射信号 从而探知地物和测距 称为雷达 radar 82 传感器所接收到的辐亮度包括6部分 L LS LD LA LT Lup Ldn LS LD分别表示地物对到达地表的太阳直射辐射 大气的天空光在传感器方向的反射辐亮度 LA表示大气散射的太阳光直接进入传感器的辐亮度 LT表示地物向传感器方向发射的热辐射引起的辐亮度 Lup表示大气向上的热辐射直接进入传感器的辐亮度 Ldn表示大气向下的热辐射经地物反射后进入传感器的辐亮度 二 遥感中常用的各光谱段 1 紫外线 0 01 0 4 m 太阳辐射含有紫外线 通过大气层时 波长小于0 3 m的紫外线几乎都被吸收 只有0 3 0 4 m波长的紫外线部分能够穿过大气层 且能量很小 主要用于探测碳酸盐岩的分布 碳酸盐岩在0 4 m以下的短波区域对紫外线的反射比其它类型的岩石强 也用于油污染的监测 因为水面漂浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈 由于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收和散射作用 通常探测高度在2000米以下 二 遥感中常用的各光谱段 0 4 0 7 m 是遥感中最常用的波段 尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用 它仍是遥感成像所使用的主要波段之一 在此波段大部分地物都具有良好的亮度反差特性 不同地物在此波段的图像易于区分 2 可见光 二 遥感中常用的各光谱段 0 7 1000 m 划分为 近红外 0 76 3 0 m 中红外 3 0 6 0 m 远红外 6 0 15 0 m 和超远红外 15 1000 m 近红外与可见光相似 又称光红外 中红外 远红外和超远红外是产生热感的原因 所以称为热红外 物体在常温范围内发射红外线的波长多在3 40 m之间 而15 m以上的超远红外易被大气和水分子吸收 在遥感中主要利用3 15 m波段 更多的是利用3 5 m和8 14 m 红外遥感是采用热感应方式探测地物本身的辐射 如热污染 火山 森林火灾等 所以不仅白天可以进行 夜间也可进行 能进行全天候遥感 3 红外 二 遥感中常用的各光谱段 1mm 1m 分为 毫米波 厘米波和分米波 微辐射和红外辐射都具有热辐射性质 由于微波的波长比可见光 红外线要长 能穿透云 雾而不受天气影响 所以能进行全天时全天候的遥感探测 微波遥感可以采用主动或被动方式成像 另外 微波对某些物质具有一定的穿透能力 能直接透过植被 冰雪 土壤等表层覆盖物 4 微波 二 遥感中常用的各光谱段 89 第三节地物的光谱特性 自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律 物体反射和发射电磁波的能力的大小主要取决于物体本身的理化性质 也与来自周围的电磁波辐射强度有关 将地物的这种反射 发射 吸收 透射电磁波以及反射和发射强度随波长的改变而改变的特性称为地物的光谱特性 90 电磁波辐射到任何一个物体上均会产生三个分量 即反射 吸收和透射 三分量之和等于入射电磁波的总能量 但三分量各占多少则取决于物体的性质 衡量物体的反射 吸收和透射能力通常采用反射率 吸收率及透射率 第三节地物的光谱特性 91 反射率 即指物体反射电磁波的能量与入射电磁波的总能量之比 以 表示 反射能量 入射总能量透射率 它反映物体对外来电磁波的透射能力 定义为物体透射电磁波的能量与入射能量之比 以 表示 透射能量 入射总能量吸收率 吸收能量 入射总能量 1对于不透明的地物 0 上式可写成 1 第三节地物的光谱特性 92 一 地物的反射辐射 物体反射电磁波的性能通常用 反射率 或者 亮度系数 表示 地物反射率的大小 与入射光的波长 入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关 一般来说 反射入射光能力强的地物 反射率大 传感器记录的亮度值就大 在像片上呈现的色调就浅 反之则深 这些色调的差异是遥感图象目视解译的重要标志 亮度系数是指在相同光照条件下 物体的亮度值与标准反射面 常为硫酸钡板 的亮度值的比值 常用百分数表示 第三节地物的光谱特性 93 1 地物反射的类型 一 地物的反射辐射 94 方向反射介于漫反射与镜面反射之间 它在各向都有反射但亮度L不是常数 而是在某个方向上的反射比其它方向强 从空间对地面观察时 对于平坦地区 并且地面物体均匀分布 可以看成漫反射 对于地形起伏和地面结构复杂的地区 为方向反射 1 地物反射的类型 一 地物的反射辐射 95 地物表面之所以产生这三种反射形式 主要与地物表面的光滑程度有关 通过实验 通常把地物表面分为光滑和粗糙两大类 瑞利准则指出 如果两条光线入射到某地物的表面上 其反射光线的相位差小于 2弧度 则该表面被认为是光滑的 1 地物反射的类型 一 地物的反射辐射 96 2 地物反射光谱曲线 按地物反射率与波长之间关系绘成的曲线 横坐标为波长值 纵坐标为反射率 称为地物反射光谱曲线 一 地物的反射辐射 植物的光谱曲线 土壤的光谱曲线 水体的光谱曲线 岩石的光谱曲线 常见地物的光谱曲线比较 常见地物的光谱曲线比较 3 地物光谱曲线的作用 物体光谱曲线形态 反映出该地物类型在不同波段的反射率 通过测量该地物类型在不同波段的反射率 并以此与遥感传感器所获得的数据相对照 可以识别遥感影像中的同类地物 反射性质是揭示目标本质的最有用信息 一 地物的反射辐射 4 应用地物光谱特征需要注意的问题 绝大部分地物的光谱值具有一定的变幅 它们的光谱特征不是一条曲线 而是具有一定宽度的曲带 地物存在 同物异谱 和 异物同谱 现象 同物异谱 是指两个类型的个体地物 在某个波段上光谱特征不同 异物同谱 是指不同类型的地物具有相同的光谱特征 一 地物的反射辐射 5 影响地物光谱反射率变化的因素 太阳高度 日期 时间 大气条件 地形 阴影 地形 坡度 气候 植物的病变 环境状况 一 地物的反射辐射 6 地物光谱特性的测定 对于不透明的物体 其发射率与反射率有下列关系 1 各种地物发射辐射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射辐射电磁波的特性得到 地物光谱特征 反射光谱 测定的原理是 用光谱测定仪器 置于不同波长或光谱段 分别探测地物和标准板 测量 记录和计算地物对每个光谱段的反射率 其反射率的变化规律即为该地物的光谱特性 一 地物的反射辐射 测定地物反射光谱特性的仪器 分光光度计 光谱仪 摄谱仪 仪器由收集器 分光器 探测器和显示或记录器组成 收集器的作用是收集来自物体或标准板的反射辐射能量 它一般由物镜 反射镜 光栏 或狭缝 组成 分光器的作用是将收集器传递过来的复色光进行分光 色散 它可选用棱镜 光栅或滤光片 探测器的类型有光电管 硅光电二极管 摄影负片等 显示或记录器是将探测器上输出信号显示或记录下来 或驱动X Y绘图仪直接绘成曲线 地物光谱特性的测定步骤 架设好光谱仪 接通电源并进行预热 安置波长位置 调好光线进入仪器的狭缝宽度 将照准器分别照准地物和标准板 并测量和记录地物 标准板在波长 1 2 n处的观测值I 和I 0 计算 1 2 n处的 根据所测结果 以 为纵坐标轴 为横坐标轴画出地物反射光谱特性曲线 111 二 地物的发射辐射 根据近代物理学的基本理论 任何物质的温度大于绝对零度时组成物质的原子 分子等微粒在不停地做热运动 都有向周围空间辐射红外线和微波的能力 通常地物发射电磁辐射的能力是以发射率作为衡量标准 地物的发射率以黑体辐射为基准 112 黑体是指入射的全部电磁波被完全吸收 既无反射也没有透射的物体 既是完全的吸收体 又是完全的辐射体 在遥感中 当观测热辐射的温度时 由于通常观测的物体不是黑体 所以必须使用发射率 Emissivity 进行修正 对于某一波长来说 发射率定义如下 发射率 观测物体的辐射能量 与观测物体同温的黑体的辐射能量发射率随物质的介电常数 表面的粗糙度 温度 波长 观测方向等条件变化 取0到1之间的值 二 地物的发射辐射 113 黑体灰体 greybody 发射率与波长无关的物体选择性辐射体 发射率依波长而变化的物体 根据发射本领的变化规律 把物体一般分为三种类型 114 总结 一切物体只要它不是处在绝对零度 总是不断地发射辐射 物体的温度愈高 发射出射度就愈大 而最大发射出射度的最大波长就愈向短波方向移动 当温度一定时 每一种物体都有自己固定的发射率 同样的物体不同的温度其 也是有差异的 二 地物的发射辐射 地物的发射光谱 发射光谱 地物的发射率随波长变化的规律 发射光谱曲线 按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线 二 地物的发射辐射 太阳与地表辐射的电磁波谱 117 三 地物的透射特性 有些地物 如水和冰 具有透射一定波长的电磁波能力 通常把这些地物叫做透明地物 地物的透射能力一般用透射率表示 透射率就是入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比 用 表示 地物的透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同 例如水体对0 45 0 56 m的蓝绿光波具有一定的透射能力 较浑浊水体的透射深度为1 2m 一般水体的透射深度可达10 20m 又如 波长大于1mm的微波对冰体具有透射能力 118 一般情况下 绝大多数地物对可见光都没有透射能力 红外线只对具有半导体特征的地物 才有一定的透射能力 微波对地物具有明显的透射能力 这种透射能力主要由入射波的波长而定 因此 在遥感技术中 可以根据它们的特性 选择适当的传感器来探测水下 冰下某些地物的信息 三 地物的透射特性 119 四 地球大气及其传输特性 大气成分 120 121 1 大气传输特性 四 地球大气及其传输特性 123 太阳辐射通过大气层的主要变化是 太阳辐射通过大气层后 总辐射能量有明显衰减 通过大气层越厚 能量衰减越大 太阳辐射在短波部分能量衰减比长波部分更大 当大气光学厚度增加时 使最大辐射能量的波长向长波方向移动 这就是早晨和黄昏的太阳呈橙红色缘故 四 地球大气及其传输特性 124 2 大气的吸收作用 大气中有一些成分如水蒸气 二氧化碳 臭氧等 对电磁光谱中某些波长处的电磁波能量有或多或少的吸收 根据实验测定其主要的吸收带为 臭氧主要吸收0 3 m以下的紫外区的电磁波 另外9 6 m处有弱吸收 4 75 m和14 m处的吸收更弱 已不明显 四 地球大气及其传输特性 125 126 二氧化碳主要吸收带分别为2 60 2 80 m 其中吸收峰为2 70 m 4 10 4 45 m吸收峰在4 3 m处 9 10 10 9 m吸收峰为10 0 m 12 9 17 1 m吸收峰为14 4 m 全在红外区 水蒸气主要吸收带在0 70 1 95 m间 最强处为1 38 m和1 87 m 2 5 3 0 m间 2 7 m处最强 4 8 8 7 m间 6 3 m处吸收最强 15 m 1mm间的超远红外区 以及微波中0 164cm和1 348cm处 此外 氧气对微波中0 253 0 5cm处也有吸收现象 另外像甲烷 氧化氮 工业集中区附近的高浓度一氧化碳 氨气 硫化氢等都具有吸收电磁波的作用 但吸收率很低 所以可略而不计 2 大气的吸收作用 四 地球大气及其传输特性 127 3 大气的散射作用 大气中各种成分对太阳辐射吸收的显著特点 是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区 而对可见光区基本上是透明的 但当大气中含有大量云 雾 小水滴时 由于大气散射使得可见光区也变成不透明了 散射不同于吸收 它不会使大气中各质点把辐射能变成自身的内能 而是改变传播方向 对遥感来说 散射作用使部分辐射能由于改变辐射方向 降低了传感器接受数据的质量 造成图像模糊 大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区 因此 大气对太阳辐射的散射是太阳辐射能衰减的主要原因 四 地球大气及其传输特性 128 3 大气的散射作用 四 地球大气及其传输特性 大气对太阳辐射的影响 130 散射的类型 散射能力的大小常用散射系数 大气粒子直径 来表达 a 瑞利散射 当 时 发生的散射称粗粒散射 其散射强度与波长无关 是非选择性散射 大气中的液 固态水和固体杂质r 1 m 都大于可见光的波长 r 因此它们对可见光散射出的辐射呈白色 如云 雾等呈白色即是这个原因 3 大气的散射作用 四 地球大气及其传输特性 131 4 大