遥感原理与方法ppt课件

武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感原理与方法 武汉大学遥感信息工程学院 周军其 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 总体要求 掌握遥感原理 方法以及其应用 了解遥感的现状发展趋势 掌握有关软件的操作 能应用所学知识解决实际问题 加强其他相关学科知识 根据应用目的 设计需要的遥感系统 选择适用的遥感数据 采用适当的处理手段 正确地解释图像和结果 包括遥感图像解译和目标识别 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法成绩 课堂 作业 论文 实习 考试 总成绩 f 课堂 作业 论文 实习 考试 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 教材 遥感原理与应用 武汉大学出版社2003年 参考书和网站 遥感与图象解译 第四版 电子工业出版社 遥感应用分析原理与方法 赵英时科学出版社 遥感影像地学理解与分析 周成虎等科学出版社 遥感图象处理应用与分析 戴昌达清华出版社 遥感物理 徐希孺 北大出版社 遥感精解 测绘出版社 1993年 是日本遥感学会以村井为首的集体编写 Fieldguide ERDAS的帮助文件 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 参考书和网站 ManualofRemoteSensing 2ndversion Vol 1 2 1983 ASPRS 3rdversion Vol 1 2 3 4 1998 JohnWiley 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 有关网站 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 相关的刊物 ISPRSJournalofPhotogrammetryandRSCanadianJournalofRSPhotogrammetricEngineeringandRSGeocartoInternationalCentreIEEETransactiononGeoscienceandRSInternationalJournalofRSITCJournalRSofEnviromentRSreviews 武汉大学学报 信息科学版 遥感学报 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 本课程教学安排 遥感概论 遥感平台 遥感传感器及成像原理 遥感图象几何处理 遥感物理基础 遥感图象辐射处理 遥感图象目视判读 遥感图象计算机自动分类 遥感技术与应用 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 本人的联系方式 Junqi zhou 027 62350043 答疑地点 遥感教研室 时间 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 第一章概论 一 遥感的概念在介绍遥感概念之前先请大家看几景图像 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 仔细分析图象的区别 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 黑白的图象 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 彩色的图象 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 局部图象 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 思考 和普通的图象有什么异同 能从图象上得到什么 为什么要从那么高的空间对地成像 想了解有关的空间信息 通过什么途径 如何获取信息 遥感的作用或者目的 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的概念 1 字面含义 遥远地感知 REMOTESENSING2 广义的含义 泛指各种非接触的 远距离的探测技术 根据物体对电磁波的反射和辐射特性 以获取物体信息的一种技术 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 3 狭义的含义 指从远距离 高空以至外层空间的各种平台上 利用可见光 红外 微波等探测仪器 通过摄影或扫描 信息感应 传输和处理 从而识别地面物质的性质和运动状态的一门现代化技术科学 陈述彭院士 遥感的概念 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的概念 本教材前言中的定义 指在高空和外层空间的各种平台上 运用各种传感器获取反映地表特征的各种参数 通过传输 变换 处理 提取有用的信息 实现研究地物形状 位置 性质 变化及与环境的相互关系的一门现代应用科学 遥感技术 实现上述目的所采取的各种技术手段的总称 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的概念 理解遥感概念的重要性包括几个重要部分 物理基础 地物属性 遥感平台以及传感器 信息处理和提取 应用 评价 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 二 遥感的过程 实景 地物 传感器接收 传感器实体 电磁波 辐射 一组测量值 输出分类结果 应用评价分析决策预测 按一定规定判决 计算机 输出分类图扫描仪或屏幕 x2 2 t2 d2 x1 1 t1 d1 分类器xn n tn dn 传感器平台 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的过程 1 目标的电磁波特性 遥感的物理基础 任何目标都具有发射 反射 吸收电磁波的性质 目标和电磁波的相互作用构成了目标的电磁波特性 这种特性是可以测定的 包括信息获取前的目标波谱特性测量 信息获取同时进行有关的遥感数据采集 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的过程 2 信息的获取 传感器 接收记录目标电磁波特性的仪器 平台 安装传感器的平台 3 信息的接收与传输 传感器接收的目标地物电磁波信息记录在数据存储介质或胶片上 4 信息的处理 首先是在卫星接收地面站进行一系列的处理 信息恢复 辐射校准 卫星姿态校正 投影变换 再转换为用户的通用数据格式或者是胶片 地面站也可以做精处理 专题信息处理 分类等 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的过程 5 信息的应用与评价 遥感的目的 根据不同的应用目的进行 各个专业领域的人员 在应用的过程中需要大量的信息处理 分析 遥感过程归纳 遥感是一个综合系统 涉及到很多领域 这些领域或学科包括 同学思考 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 综合性的应用科学 数据获取 物理学 电子学 空间科学 信息科学 数据的处理 分析 数学 计算机科学 数据的应用 以地学规律为基础的分析方法 广泛的应用到地球科学 生命科学 遥感是以物理手段 数学方法和地学分析为基础的综合性应用科学 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 三 遥感的类型 1 按平台分 地面遥感 航空遥感 航天遥感 宇航遥感 2 按遥感所用的波谱性质 电磁波 声波 物理波等 电磁波遥感 利用各种目标辐射出不同特性的电磁波进行的遥感 3 按波段分 可见光 红外 微波遥感 多波段遥感 探测波段在可见光和红外波段范围内 分成若干窄波段来探测目标 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的类型 4 按工作方式分 主动式与被动式成像和非成像方式 5 按应用领域分 大范围的有 外层空间 大气层 陆地 海洋 环境 6 具体应用极为广泛 测绘 农业 军事 工程 城市 海洋 林业 地质 考古等等 以后会和我们的生活密切相关 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 四 遥感的特点 波谱辐射量化性 宏观性 探测范围大 可以进行大面积同步观测 与传统观测比较 点与面的关系 多源性 多平台 多时相 多波段 多尺度 周期性 时效性 可以及时发现问题以及变化情况 满足各种需要 综合性和可比较性 地表信息的综合反映 经济性 获取信息的手段灵活 应用广泛 遥感信息的复杂性 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感信息的复杂性和不确定性 同质异谱 同谱异质 混合像元 时相变化 信息的衰减和增益 单元空间分布相互交错复杂性 地物纹理特性的复杂性 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 五 遥感的发展 概念的提出 1960年美国人提出的 我们可以把遥感看成是人类眼睛的延伸 两个方面 历史 眼睛 望远镜 摄影机 空中 航天 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感技术的发展划分为四个阶段 根据遥感信息的利用方式和效应1 瞬时 实时 信息的定性分析遥感技术主要作为 种环境检测和信息侦察的手段 选择特定的遥感仪器 进行专题探测 利用单一波段信息 图象记录和目视判读作为遥感应用的主要技术手段 特点 图象记录 显示 分析方浅都较单一 如 用红外扫描仪进行林火监测 寻找地下水源和浅海淡水等 用侧视雷达监测海冰 海面油污染等 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 空间信息的定位分析 主要作为一种自然环境与资源勘探的手段 主要研究物质与能量的空间分布规律 利用多波段信息 进行图象匹配和光电分析仪器作为遥感应用的主要技术手段 如 资源调查 地质填图 农业区划 森林普查 土地利用等 工作中运用彩色合成 边缘增强等光学处理技术 进行一些特征信息提取以编制各种专题图 系列图 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 3 时间信息的趋势分析 作为生产管理和动态检测的手段 主要研究地球表面物质与能量的迁移规律 利用周期性的遥感图象和数据 通过时间序列的对比 反映研究对象不同时间轨迹的动态变化 如 自然环境变迁 城市扩展 灾情调查等 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 4 环境信息的综合分析 随着遥感技术的发展 获取环境信息的手段越来越多 信息也就越来越丰富 它们包括了各种环境卫星系列 地面遥感检测站网 地理信息系统 自动分类与自动制图系统以及情报资料网络系统等所获取的各种环境信息数据 这些环境信息数据的迅速积累 为多种来源的信息进行复合处理和综合分析提供可能 同时还促使建立起全面收集 整理和检索这些数据的空间数据库及管理系统 建立一些地学分析模型 计量分析模型或进行其它相关研究与综合分析 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 存在局面 传感器落后于运载工具 图象数据的处理分析又落后于传感器的研制 环境遥感信息机制的理论研究更落后于图象数据处理技术 这种现象是否存在 或程度如何 可以说是衡量一个国家遥感技术水平的一个标志 是发展本国遥感技术的关键 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 现有的卫星系列 气象卫星系列 海洋卫星系列 环境与资源卫星系列 军事侦察及测绘卫星系列 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 六 遥感的发展 1 遥感物理基础 地物波谱特性形成机制与遥感信息传输理论研究 建立地物波谱与影像特征之间的关系模型 以实现遥感影像分析解译的定量化和精确化 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 遥感平台 多样化 系列化 小型化 普遍化 有效载荷增多 接受数据方便 航空遥感业务化 航天平台系列化 出现宇航平台 往返于空间与地面之间的航天飞机 有以空间轨道卫星为主的航天平台 有地球同步 太阳同步 低轨与高轨卫星 有大型卫星 专题目标明确的小卫星群 不同高度 不同用途的卫星构成了对地球和宇宙的多角度 多周期观测 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 3 传感器的发展 传感器的四个特性 空间分辨力提高 探测波段增加 从单一波段向多波段发展 波段的范围不断延伸 波段的分割变细 高光谱 成像光谱技术 数字成像技术 成像RADAR LASER与遥感的结合 多探测技术集成 实时测图 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 4 遥感硬件软件处理系统 处理手段 光学处理变为计算机处理 可以处理海量数据 数字成像技术 以计算机处理为主 打破了摄影与扫描的界限 光存储器的出现 海量数据的存储和传输得到缓解 大容量高速计算机与功能强大的软件在不段的完善 能读取多种格式图象 有专门的功能模块 软件从人机对话到视窗方式 向智能化 软件组件化 网络化方向发展 实现软件和资源的共享和实时传输 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 5 遥感数据库系统 遥感的发展一个特点是海量数据 影像的检索和处理发生困难 以影象金字塔为主体的无缝数据库 涉及影象纠正 数据压缩和数据变换等理论和方法 还产生了数据挖掘的新理论和方法 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 6 图象识别和分类 为了从图象上提取信息 需要对图象进行识别和分类 统计模式识别 结构模式识别 模糊分类 神经元网络分类 半自动人机交互分类和遥感图象识别的专家系统 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不断引入相邻学科的信息处理方法 丰富了遥感图象处理的内容 逐步引入人的思想 向全数字化 可视化 智能化 网络化发展 信息融合可以弥补传感器之间信息的不足 信息提取 目前从遥感图象获取的信息经计算机处理的不足5 还不能完全满足用户的需求 信息处理是制约遥感发展的关键之一 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 7 遥感的应用范围越来越广 学科能否得到迅速发展 取决与什么 从宏观到微观 从定性到定量 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的应用 经过四十年的发展 遥感技术已经广泛的渗透到国民经济和社会发展的各个领域 对于推动经济建设 社会进步 环境改善和国防建设起到重大作用 外层空间探测 从卫星上获取的信息是地面观测所不能取得的 空间遥感对地观测得到的全球变化信息是不可替代的 全球的气候变化 温室效应 沙漠化 自然灾害等的动态变化已经引起人们的重视 海洋渔业 交通 海洋生态和环境 土地资源 矿ft资源 森林资源 水资源 农作物估产 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的应用 遥感在解决环境变化 如城市化 沙漠化 土地退化 盐渍话 环境污染有独特的作用 灾害问题 冰 火 地震等多种气象灾害 农作物病虫害预测预报评估 精细农业 军事 旅游 考古 地质 其他 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 8 空间信息系统集成与数字地球 遥感技术与其他相关技术的集成 指对真实地球以及相关现象数字化描述的一个虚拟地球 遥感技术将为数字地球提供动态的高分辨率高光谱多尺度影象 生成三维数字地面模型 以及相关的地物和环境的各种属性数据等 数字地球中最基础的数据是空间信息系统集成的重要部分 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 9 与遥感技术发展相关的方面 同学思考 遥感学术与教育 以及产业化 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 总体表现 多分辨率传感器并存 多波段 多角度及多极化遥感并用RS GPS与GIS的集成 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 七 遥感的应用 遥感多学科的交叉性 以及所具有的宏观 综合动态 快速的特点 决定了遥感的应用领域 并将产生巨大的经济和社会效益 遥感的基本出发点和归宿 根据用户的各种要求来选择适当的获取手段 得到所需要的遥感数据 选择适当的分析处理方法 以突出用户所要的信息 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 八 遥感发展中存在的问题 1 问题 遥感应用还不能满足实用的要求 1 遥感的时效性 实时检测与处理能力不足 尚未充分体现 2 遥感定量反演 图象的自动识别 专题信息提取 遥感定量反演地学参数的能力和精度 不能达到实用要求 3 适用性限制 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 原因 1 遥感技术本身的局限性 遥感传感器的定标 遥感数据的定位 遥感传感器的分辨力 遥感数据处理的局限性 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 原因 2 认识上的局限性 人们对遥感成像以及传输机理 影象特征 地学规律的认识随着遥感及各学科的发展而逐步深化的 我们在分析遥感数据时 在很多时候需要做出假设 这个假设和实际之间有一定的差距 地物和电磁波的相互作用认为是 朗伯体 推算地表温度 假设地表是一个黑体 遥感定量反演和应用中 反演模型和应用分析模型的建立 过于理想化和概念化 具有很多不确定性 精度不能满足要求 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 3 解决的方法 改善数据质量 提高获取数据的分辨力 多角度多类型 高精度定位 数据处理分析方法和手段 提高数据的时效性和精度 遥感定量反演 从遥感原始测量值中模拟和反演各类有价值的地表参数 遥感应用分析模型的深化 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 本章总结 请同学总结 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 请同学们搜索有关遥感的书籍和杂志网站并相互交流 下次再见 第二章遥感物理基础 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 遥感的基础 能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象 一切物体由于其种类 特征和环境条件的不同 具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征 遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理之上的 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 本章主要内容 电磁波谱 物体的发射 反射特性 大气对遥感的影响及大气窗口 地物波谱特性及应用等 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 1电磁波和电磁波谱 不同的波源产生不同的电磁波 电磁波 射线 X射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波 电磁波谱图 电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列 电磁波谱区段的界限是渐变的 一般按产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划分 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 电磁波谱 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法特点 电磁波波长范围非常宽 射线到 无线电波的波长之比高达1022倍以上 遥感波段 紫外 微波 传感器通过探测或感测不同波段电磁波谱的发射 反射辐射能级而成像的 电磁波的存在是获取图像的物理前提 根据不同的目的选择不同的波谱段 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 电磁辐射的有关概念 辐射能量 Q 电磁波辐射的能量 单位 焦耳 J 辐射通量 辐射功率 单位时间内通过某一表面的辐射能量 单位瓦 W 焦耳 秒 dQ dt 辐射出射度 辐射通量密度W 面辐射源在单位时间内 从单位面积上辐射出的辐射能量 即物体单位面积上发出的辐射通量 单位 瓦 米2 W d dA 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 电磁辐射的有关概念 辐射照度 E 面辐射源在单位时间内 从单位面 积上接收的辐射能量 即照射到物体单位面积上的辐射通量 单位 瓦 米2 M d dA 辐射强度 I 点辐射源在单位立体角 单位时间内 向某一方向发出的辐射能量 即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量 单位 瓦 球面度 I d d 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 电磁辐射的有关概念 辐射亮度 L 面辐射源在单位立体角 单位时间内 在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量 即辐射源在单位投影面积上 单位立体角内的辐射通量 单位 瓦 米2 球面度 L d2 d dAcos 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2物体的发射辐射 宇宙中的各种物体 如太阳 各种星体 一定厚度的大气层 人造飞行器 地球及地球上各种生物 非生物都是热辐射源 为了便于讨论一般物体的热辐射性质 需要有一个理想的标准热辐射体作为参照源 这个参照源就是绝对黑体 一般物体的发射率小于绝对黑体的发射率 因而 物体的辐射温度小于它的实际温度 为了求出一般物体的辐射温度 必须采用与绝对黑体进行比较的方法 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 1 黑体辐射 1860年 基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律 它说明了凡是吸收热辐射能力强的物体 它们的热发射能力也强 凡是吸收热辐射能力弱的物体 它们的热发射能力也就弱 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 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同类的物体 不透明的物体 对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用 吸收率 T 反射率 T 1 一般物体 系数都与波长和温度有关 绝对黑体 吸收率 T 1 反射率 T 0 绝对白体 反射率 T 1 吸收率 T 0 与温度和波长无关 遥感原理与方法 实验上理想的绝对黑体 空腔壁由不透明的材料制成 空腔器壁对辐射只有吸收和反射作用 黑色的烟煤 吸收系数接近99 最接近黑体武的汉大学辐遥感信射息工程源学院遥感 教研室恒周军星其 和太阳 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 普朗克公式 1900年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度W 和其温度的关系以及按波长 分布的辐射定律 1 W 5ech kT 1 2 hc2 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同温度下黑体辐射波谱曲线 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法3 黑体辐射的三个特性 1 斯忒藩一玻耳兹曼定律 d 1 2 5ech k T 1 W 0 2 hc W T4 为斯忒藩一玻耳兹曼常数 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 维恩位移定律 max 2897 8 k4 96511 ch T 表明 黑体的绝对温度增高时 它的最大辐射本领向短波方向位移 若知道了某物体温度 就可以推算出它所辐射的波段 在遥感技术上 常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 如果辐射最大值在可见光波段 物体的颜色会随着温度的声高而变化 波长变短 颜色由红外到红色变蓝变紫 3 每根曲线彼此不相交 故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 4 太阳辐射 传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波 主要是来自太阳辐射的一种转换形式 太阳常数 指不受大气影响 在距离太阳一个天文单位内 垂直于太阳光辐射的方向上 单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量 I 135 3mW m2 太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量 太阳辐射包括了整个电磁波波谱范围 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 太阳辐照度分布曲线 波长 W 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 太阳辐射的光谱是连续的 它的辐射特性与绝 对黑体的辐射特性基本一致 太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定 在X射线 射线 远紫外及微波波段 能量小但变化大 被动遥感主要利用可见光 红外等稳定辐射 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 主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射的结果 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 5 地球辐射 地球辐射可分为 短波0 3 2 5 m 长波辐射6 m以上 地球的短波辐射以地球表面对太阳的反射为主 地球自身的热辐射可以忽略 地球的长波辐射只考虑地表物体自身的热辐射 这个区域太阳照度的影响很小 中红外波段 2 5 6 m 太阳辐射和地球热辐射均有 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 太阳与地球的辐射照度 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 6 大气对辐射的影响 1 地球大气分布 地球大气从垂直方向可划分成四层 对流层 平流层 电离层和外大气层 大气成分 不变成分 可变成分 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 对流层 从地表到平均高度12km处 特点 1 温度随高度上升而下降 每上升1km下降6 2 空气密度和气压也随高度上升而下降 3 空气中不变成分和可变成分的相对含量 平流层 在12 80km的垂直区间中 电离层 在80 1000km为电离层 外大气层 1000km以上为外大气层 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 大气对太阳辐射影响 吸收 散射及反射作用 可见光波段 引起电磁波衰减的主要原因是分子散射 紫外 红外与微波区 引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 大气的吸收作用 引起大气吸收的主要成分是氧气 臭氧 水 二氧化碳等 大气吸收的影响 主要是造成遥感影像暗淡 由于大气对紫外线有很强的吸收作用 因此 现阶段遥感中很少用到紫外线波段 在可见光波段范围内 大气分子吸收的影响很小 主要是散射引起衰减 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 大气的散射作用 概念 电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变 并向各个方向散开 影响 强度不大 从遥感数据角度分析 太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中 二次通过大气 传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光 这二次影响增加了信号中的噪声部分 造成遥感影像质量的下降 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 散射方式 米氏 Mie 散射 均匀散射 瑞利 Rayleigh 散射等 米氏散射 如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级 均匀散射 当不均匀颗粒的直径a 时 发生 瑞利散射 介质的不均匀程度a小于入射电磁波波长的十分之一 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 自然现象 瑞利散射强度I与波长的四次方成反比 解释 晴朗的天空呈蓝色 清晨太阳呈红色 大气中的瑞利散射对可见光影响较大 而对红外的影响很小 对微波基本没有影响 微波具有穿透云雾的能力 天空有云层或雨层时呈现白色 属于均匀散射 阴天不利于可见光遥感 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 3 大气的反射 反射同样满足反射定律 各波段受到不同程度的影响 削弱了电磁波到达地面的程度 对图象质量的影响 选择无云的天气接收遥感信号 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 大气效应随波长的变化 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 7 大气窗口 概念 遥感选择波段的要求 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 大气窗口 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 常用窗口 0 30 1 15 m 主要是反映地物对太阳光的反射 通常采用摄影或扫描的方式在白天感测 收集目标信息成像 1 3 2 5 m大气窗口白天夜间都可应用 是以扫描的成像方式感测 收集目标信息 主要应用于地质遥感 3 5 5 0 m大气窗口 包含地物反射及发射光谱 用来探测高温目标 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 常用窗口 8 14 m热红外窗口 属于地物的发射波谱 是常温下地物热辐射能量最集中的波段 所探测的信息主要反映地物的发射率及温度 1 0mm 1m微波窗口 分为毫米波 厘米波 分米波 遥感中常采用被动式遥感 微波辐射测量 和主动式遥感 前者主要测量地物热辐射 后者是用雷达发射一系列脉冲 然后记录分析地物的回波信号 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 8 辐射传输方程 传感器从高空探测地面物体时 所接收到的电磁波能量包括 1 太阳经大气衰减后照射地面 经地物反射后 又经大气第二次衰减进入传感器的能量 2 地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器 3 大气散射和辐射的能量等 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 太阳辐射与大气的相互作用 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 辐射传输方程 b N L K sin d W e 辐射传输方程描述的是传感器接受的能量和有关参数之间的关系 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 9 一般物体的发射辐射 自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低 实际物体的辐射不仅依赖于波长和温度 还与构成物体的材料 表面状况等因素有关 发射率 来表示它们之间的关系 W W 发射率 就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 分类 选择性辐射体 在各波长处的光谱发射率 不同 即 灰体 在各波长处的光谱发射率 相等即 理想反射体 绝对白体 0 发射率是一个介于0和1的数 用于比较此辐射源接近黑体的程度 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 几种主要地物的发射率表 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 几种岩石的发射辐射 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 同一种物体的发射率与温度有关 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 3地物的反射辐射 一 物体对电磁波的反射有三种形式 1 镜面反射 2 漫反射 3 方向反射 反射角 入射角 各方向反射亮度相同 在某个方向上反射最强烈 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 空间观察效果 从空间对地面观察时 对于平面地区 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地区 为方向反射 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 二 光谱反射率及地物的反射光谱特性 1 光谱反射率 反射率 反射辐射通量 入射辐射通量 100 反射率是在理想的漫反射体的整个电磁波长的反射率 反射率是波长的函数 也是入射角 物体的电学特性 表面粗糙度以及质地的函数 由于物体固有的结构特点 对于不同波长的电磁波有选择的反射 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法例 绿色植物呈现绿色 蓝 红光辐射能被叶绿素吸收进行光合作用 绿光也吸收了一大部分 但仍反射一部分 近红外线可以穿透叶绿素 并被反射 因此 在近红外波段上形成强反射 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 地物的反射光谱特性曲线 反射波谱特性曲线 反射波谱是某物体的反射率 或反射辐射能 随波长变化的规律 以波长为横坐标 反射率为纵坐标所得的曲线 物体的反射波谱限于紫外 可见光和近红外 尤其是后两个波段 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 反射光谱特性 反射光谱特性取决于该物体与入射辐射相互作用的波长选择 即对入射辐射的反射 吸收和透射的选择性 其中反射作用是主要的 物体对入射辐射的选择性作用受物体的组成成分 结构 表面状态以及物体所处环境的控制和影响 在漫反射的情况下 组成成分和结构是控制因素 任何物体的反射性质是揭示目标本质的最有用信息 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 反射光谱特性 四种地物的反射波谱特性曲线 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 反射光谱特性 番茄玉米棉花 四种植物的反射波谱特性曲线 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 3 特点 各种物体由于其结构和组成成分不同 反射光谱特性是不同的 即 各种物体的反射特性曲线的形状是不一样的 即便是在某波段相似 甚至一样 但在另外的波段还是有很大的区别的 这个特点的重要性是什么 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法重要性 不同波段地物反射率不同这就使人们很容易想到用多波段进行地物探测 例如在地物的光谱分析以及识别上用多光谱扫描仪 成像光谱仪等传感器 另外多源遥感数据融合 假彩色合成等也逐渐成为遥感图像的重要处理方式 不同地物在不同波段有不同的反射率 物体的反射特性曲线作为判读和分类的物理基础 广泛地应用于遥感影像的分析和评价中 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 三 地物的波谱特征与方向谱特征 地物的波谱特征 指该地物对太阳辐射的反射 散射能力随波长而变的规律 地物的方向特征是用来描述地物对太阳辐射反射 散射能力的空间变化的 这种空间变化特征主要决定于两种因素 其一是物体的表面粗糙度 而且还与视角关系密切 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 电磁波在土壤表面的反射 土壤含水量增加 土壤含水量增加 土壤较干燥 土壤较干燥 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 实际情况 所以从垂直介面的方向看 一个物体可以展示出粗糙面的特性 当视线的高度角趋于零时 它的行为向光滑面 过渡 这种过渡的快慢因目标不同而异 物体的三维几何结构特征及其阴影的影响 这种目标物三维结构与阴影的影响取决于目标 太阳 传感器三者之间的空间关系 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 地物反射特征的几种描述方法 双向反射率分布函数 BRDF 双向反射率因子 BRF 半球反射率 albedo 方向 半球反射率与半球 方向反射率 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 双向反射率分布函数 BRDF 反 来自方向地表辐照度的微增量与其所引起的方向上i射辐射亮度增量之间的比值 r f dL dE 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 投射向L 点目标 造成该点目标的辐照度为 dE L cos d 其亮度值为 传感器从 r 方向观察目标物 接收到来自目标物对外来辐射的反射 散射辐射 dL 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 为什么引入BRDF 在现实世界中投射到地物表面上的辐射能量往往有两部份组成 即来自太阳的直射辐射与天空散射辐射 传感器在方向上测得的辐射亮度是空间入射辐射场的综合效应 它不仅与该点地物的反射特性有关 而且与辐射环境 即入射辐射亮度的空间分布函数 有关 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 如何避免环境辐射 其一 设定入射辐射场为 分布函数 其二 把入射辐射亮度L变换为对目标的辐照度 这样就消除了来自不同方向的L可能对值的影响 其三 采用比值形式 而不采用绝对值 dL dE 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 BRDF特点 与辐射环境无关 它仅与该地物的反射 散射辐射特性有关 并且具有的因次 是与 五个自变量的函数 从理论上能较好地表征地物的非朗伯体特性 但在实际测量上困难较大 精确测量 dE sr 1 很困难 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 理想的漫反射体 理想漫反射体的BRDF值为 dLpdMp 1 dEpdMp fp 1 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 双向反射率因子 BRF 在反 定义 在相同的辐照度条件下 地物向方向的反射辐射亮度与一个理想的漫反射体该方向上的反射辐射亮度之比值 称为双向r射率因子 一般用R表示 R dLT dLp 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 BRF的定义并没有对辐射环境作任何限定 因此严格讲R值不仅取决于目标物的非朗伯体特性 而且还与辐射环境有关 BRF并不是一个理想的描述地物非朗伯体特性的物理量 与BRDF有原则上的不同 两者的量纲亦不相同 这充分地表明了它们的区别 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 如果入射光源对目标物所张的立体角 以及传感器对目标物所张的立体角都趋于无穷小 则 dLTfTdE dLPfpdE T R f T 0 f lim R 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 半球反射率 目标物的出射度与入射度之比值称为半球反射率 通常用符号 表示之 作物光合 在辐射热平衡和关键的物理量 E作用强度中都是较为 M 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 方向 半球反射率 f cos d r 2 r r 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 半球 方向反射率 2 f cos d r 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 四 地物的反射1 同一地物的反射波谱特性 表现为两个特性 空间效应和时间效应 同一作物在不同生长阶段的波谱特性曲线 花期黄叶期灌浆期乳熟期土壤 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 不同地物的反射波谱特性 1 城市道路 建筑物的反射波谱特性 各种建筑物顶的波谱特性 各种道路的波谱特性 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 粉煤灰矾土渣煤矸石钢渣炉渣生活垃圾 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 水体的反射波谱特性 水体的反射率产生于来自水面 水中的悬浮物或水 底的交互作用 如果水底部分影响可以忽略 水体的反射特性不仅与水体本身 也与水中的物质相关 水体的反射主要在蓝绿光波段 其他波段吸收率很强 特别在近红外 中红外波段有很强的吸收带 反射率几乎为零 因此在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓 水的浑浊度的变化 叶绿素浓度的变化 对反射率都有影响 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 长江支流香溪的光谱特性曲线 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 藻类悬浮物 含沙水流清水 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 3 土壤的反射波谱特性 自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值 土壤 的反射率一般随波长的增加而增加 在可见光和近红外波段明 显 土壤对所有的入射能均吸收或反射 无透射 土壤本身是一种复杂的混合物 由物理和化学性质不同的各不相同的物质组成 会不同程度的影响土壤的反射和吸收光谱特征 一般来讲土壤的光谱特性曲线与以下一些因素有关 即 土壤类别 含水量 有机质含量 砂 土壤表面的粗糙度 粉砂相对百分含量等 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 土壤湿度对反射率的影响 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 在三峡地区实际测得的土壤反射率情况 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 干红砂岩冲积干黏土湿红沙岩湿风化残积红土冲积湿黏土 干风化残积红土 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 重度盐渍化 轻度盐渍化中度盐渍化非盐渍土轻微盐渍土 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 4 植物的反射波谱特性由于植物均进行光合作用 所以各类绿色植物具有很 相似的反射波谱特性 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 在可见光波段 健康的绿色植被的波谱特性 取决于叶子 反射峰值在0 55 m 叶绿素对绿光反射强烈 而对蓝波段和红波段强烈吸收0 45 m 0 67 m叶绿素吸收蓝区和红区能量 如果植物受到某种形式的抑制 叶绿素含量下降 植物变黄色 植物衰老时变黄色或者红色 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 在近红外波段 在近红外波段植物的光谱取决于叶片内部的细胞结构 在0 7 m 1 3 m叶子吸收能量少 反射率来自植物叶子内部结构 形成高反射 由于叶子内部结构差别大 植被在近红外的发射差异比可见光区域大 所以在近红外波段内测量植物的反射率来区别不同的植物 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 短波红外波段 植物的入射能基本上均吸收或反射 透射很少 植物的光谱特性受叶子总含水量的控制 叶子的反射率与叶内总含水量负相关 反射总量是叶内水分含量以及叶片厚度的函数 由于植物叶子内水的强烈吸收 在1 45 m 1 95 m 2 7 m处有吸收带 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同类植被的光谱特征 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同类植被的光谱特征 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同季节 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同含水 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同健康状况的植被 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 5 岩石的反射波谱特性 反射波谱特性曲线的形态受岩石成分 矿物质含量 含水状况 风化程度 颗粒大小 色泽 表面光滑程度等的影响 在遥感探测中可以根据所测岩石的具体情况选择不同的波段 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同颜色的光谱特征 砖红色砂岩灰绿色砂岩紫色色砂岩黑灰色碳研砂 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同灰岩 白云岩灰白色大理岩灰岩 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同岩石 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 不同石英石 大理石蛇纹大理岩绿色石英岩红色石英岩偷闪石英岩角闪岩矽线石榴子石片麻岩白云大理岩 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 五 影响地物光谱反射率变化的因素 影响因素 太阳位置 传感器位置 地理位置 地形 季节 气候变化 地面湿度变化 地物本身的变异 大气状况等 太阳位置 指太阳高度角和方位角 传感器位置 传感器的观测角和方位角 地理位置 太阳高度角和方位角 地理景观 地物本身的变异 时间变化 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 地物波谱复杂性 遥感数据的不确定性 地物波谱特性的特点和影响的因素 决定了地物波谱特性的复杂性 遥感传感器所获取的数据的不确定性 在进行遥感图象解译的时候 要充分认识地物波谱特性的复杂性 减少外界因素的影响 为提高定量遥感的精度 需要通过大量的地面样本分析建立先验知识 确定遥感模型的约束条件 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 4地物波谱特性的测定 1 作用 研究遥感成像机理 选择遥感波谱段 设计遥感仪器的依据 在外业测量中 它是选择合适的飞行时间和飞行方向的基础资料 有效地进行遥感图像数字处理的前提之一 用户判读 识别 分析遥感影像的基础 定量遥感的基础 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 2 地物波谱特性的测定原理 用光谱测定仪器 置于不同波长或波谱段 分别探测地物和标准板 测量 记录和计算地物对每个波谱段的反射率 其反射率的变化规律即为该地物的波谱特性 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 3 测定仪器 测定地物反射波谱特性的仪器分为分光光度计 光谱仪 摄谱仪等 仪器由收集器 分光器 探测器和显示或记录器组成 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 4 具体过程 1 先测量地物的反射辐射通量密度 在分光光度计视场中收集到的地物反射辐射通量密度为 E G 1 2 经光电管转变为电流强度在电表上指示读数I k 3 测量标准板的反射辐射通量密度 E G 0 0 1 4 电表读数为I0 k 0 武汉大学遥感信息工程学院遥感教研室周军其 遥感原理与方法 5 地物的电流强度与标准板的电流强度相比 0 0 k k I0 I 6 地物的光谱反射率为 0 I0 I 7 绘制波谱特性曲线 武汉大学遥感信息工程学院遥