城市建设3SRS、GIS、GPS技术-遥感系统和遥感技术的物理基础

第七章遥感系统和遥感技术的物理基础,第七章遥感技术和遥感技术的物理基础,一、本章学习目的：通过本章学习，了解遥感系统的物理基础和相关概念，掌握地物光谱特性并能利用它进行一些简单分类。二、本章学习内容：遥感技术概述电磁波和电磁波谱太阳辐射与大地辐射太阳辐射的传输与大气窗口地物光谱特性及其测量彩色原理及其合成,第一节遥感技术概述,一、遥感的基本概念,广义：泛指各种非接触的、远距离的探测技术。（遥感大词典）,第一节遥感技术概述,一、遥感的基本概念,狭义：应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。,对象：地面载体：电磁波（主要）目的：地面物质的性质和运动状态（周期性、重复性）过程：成像、传输、处理、应用,遥感数据获取原理,预处理,用户应用处理,遥感数据获取原理,二、遥感系统,遥感系统是一个从地面到空中直至空间；从信息收集、存贮、传输处理到分析判读、应用的完整技术体系。它主要包括以下几部分。遥感实验（被测目标的信息特征：目标物的电磁波特性）信息的获取：信息的传输与记录：信息的处理：信息的应用：,第一节遥感技术概述,遥感过程是指遥感信息的获取、传输、处理，以及分析判读和应用的全过程。,第一节遥感技术概述,（一）遥感试验其主要工作是对地物电磁辐射特性（光谱特性）以及信息的获取、传输及其处理分析等技术手段试验研究。遥感试验是整个遥感技术系统的基础，遥感探测前需要遥感试验提供地物的光谱特性，以便选择传感器的类型和工作波段；遥感探测中以及处理时，又需要遥感试验提供各种校正所需的有关信息和数据。遥感试验也可为判读应用提供基础。遥感试验在整个遥感过程中起着承上启下重要作用。（二）遥感信息获取遥感信息获取是遥感技术系统的中心工作。遥感工作平台以及传感器是确保遥感信息获取的物质保证。,第一节遥感技术概述,遥感平台,什么是传感器？,传感器是收集、量测和记录遥远目标的地物电磁辐射（反射或发射）能量信息的仪器，如航空摄影机、多光谱扫描仪等。是遥感技术系统的核心。在遥感平台上装载上传感器，按照确定的飞行路线飞行或运转进行探测，即可获得所需的遥感信息。传感器一般由信息收集、探测系统、信息处理和信息输出4部分组成。,（三）、遥感信号的传输RS信号的传输方式：直接回收：传感器将地物的反射或发射电磁波信号记录在胶卷或磁带上，待运载工具返回地面时回收。非实时，航空常用。优点：回收方便，不经过转换，信号损失少，保密性较强。缺点：非实时，数据容量小，成本高。视频传输（无线电传输）：传感器将接收到的地物反射或发射的电磁波信号，经过光电转换，通过无线电将数据传送到地面接收站，包括实时和非实时传输。优点：可以实时回收。缺点：保密性差，有信息损失。视频传输是卫星遥感常用的信号传输方式。,第一节遥感技术概述,（四）遥感信息处理遥感信息处理是指通过各种技术手段对遥感探测所获得的信息进行的各种处理。例如，为了消除探测中各种干扰和影响，使其信息更准确可靠而进行的各种校正（辐射校正、几何校正等）处理，为了使所获遥感图像更清晰，以便于识别和判读，提取信息而进行的各种增强处理等。为了确保遥感信息应用时的质量和精度，以及为了充分发挥遥感信息的应用潜力，遥感信息处理是必不可少的。（五）遥感信息应用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。总之，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。,第一节遥感技术概述,地面技术系统严格地讲，地面系统有两大任务：卫星在轨运行任务管理（也通俗地称为“测控”）；卫星数据接收与处理两类不同的地面系统以前通常是在物理上分开的，但现在有合并的趋势（如商业化卫星的运行管理）大多数国际上的地面站，都只承担卫星数据接收与处理任务，具体分为：数据接收：卫星实时下行数据数据处理：辐射和几何标定数据存档：存档管理与检索数据分发：用户应用,第一节遥感技术概述,地面技术系统是连接卫星、传感器技术与地面应用的技术切换环节数据接口（卫星数据的“用户”，应用用户的“数据源”）是保证对地观测技术体系有效运行不可或缺的一部分,第一节遥感技术概述,三遥感的类型,按遥感平台分,第一节遥感技术概述,多波段遥感探测波段在可见光和红外波段范围内,按传感器的探测波段分,紫外(0.05-0.38mm),可见光(0.38-0.76mm),微波(1mm-10m),按工作方式分,按遥感的应用领域分从大的研究领域分为外层空间、大气层、陆地、海洋遥感等；从具体应用领域分为资源、环境、农业、林业、城市等；,4遥感的特点,大面积的同步观测遥感平台越高,视角越宽广,可以同步探测的地面范围就越大,容易发现地球上一些重要目标物空间分布的宏观规律,而有些规律,是依靠地面观测难以发现的.,时效性遥感探测,可以在短时间内对同一地区进行重复探测,发现地球上许多事物的动态变化.遥感平台高度不同,重复的周期也不同,地球同步卫星可以半小时观测一次,太阳同步可以每天2次对同一地区进行观测;,数据的综合性和可比性地球资源卫星可以综合地反映地质、地貌、土壤、植被等特征，具有广泛的应用领域；而且遥感的探测波段、成像方式、成像时间、数据记录等均可按要求设计，使数据具有同一性和可比性。,经济性遥感的费用投入与所获得的效益比，可大大的节省人力、物力、才力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。,局限性遥感技术的局限性主要表现在所利用的电磁波还很有限,仅是其中的几个波段,有许多谱段资源有待进一步开发。另外，已被利用的谱段还不能准确反映地物的某些特征，还需要发展高光谱分辨率遥感；遥感的探测结果还需要其他手段相配合，特别是地面调查和验证。,第二节电磁波和电磁波谱,一、电磁波及其特性波是振动在空间的传播。如在空气中传播的声波，在水面传播的水波以及在地壳中传播的地震波等，它们都是由振源发出的振动在弹性介质中的传播，这些波统称为机械波。光波、热辐射、微波、无线电波等都是由振源发出的电磁振荡在空间的传播，这些波叫做电磁波。在电磁波里，振荡的是空间电场矢量E和磁场矢量B。电场矢量E和磁场矢量B互相垂直，并且都垂直于电磁波传播方向V。电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。实际上电磁振荡是沿着各个不同方向传播的。这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射等）称为电磁辐射。电磁波是物质存在的一种形式。,波动的基本特点是时、空周期性。电磁辐射以波动的形式在空间传播。因此，电磁波具有波动的特性（如干涉、衍射、偏振和色散等现象）。同时，电磁波还具有粒子（量子）性。电磁辐射在传播过程中，主要表现为波动性；当电磁辐射与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这即谓电磁波的波粒二象性。遥感传感器所探测到的目标物在单位时间辐射（反射或发射）的能量，由于电磁辐射的粒子性，所以某时刻到达传感器的电磁辐射能量才具有统计性。电磁波的波长不同，其波动性和粒子性所表现的程度也不同，一般来说，波长愈短，辐射的粒子特性愈明显，波长愈长，辐射波动特性愈明显。遥感技术正是利用电磁波波粒二象性这两方面特性，达到探测目标物电磁辐射信息的。,第二节电磁波和电磁波谱,图电磁震荡的传播,图电磁波,二、电磁波谱（1）定义：按照波长的长短顺序将各种电磁波排列制成的一张图表叫做电磁波谱。在电磁波谱中，从左到右，波长逐渐增大。从左到右依次是宇宙射线、射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、以及其它无线电波等。,图电磁波谱,第二节电磁波和电磁波谱,（2）遥感中常用的电磁波段：可见光、红外线、微波是RS中常用的三大波段。紫外线（UV）：波长范围是0.01m0.38m（1m=10-6m），其中波长0.3m的能量被大气层吸收，只有0.30.38m。由于紫外线在大气中传输时受到很大衰减，在RS中很少被应用。一般只用来探测海面石油污染的范围和油膜厚度，以及测定碳酸盐岩分布。紫外线从空中可探测的高度2000m，对高空遥感不适用。可见光（VI）：波长范围是0.38m0.76m，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成，是摄影方式常用的遥感波段。,第二节电磁波和电磁波谱,可以粗分为蓝、绿、红三色：蓝：0.38m0.50m；绿：0.50m0.60m；红：0.60m0.76m。可见光是RS中最早和最常使用的波段。红外线（IR）：波长是0.76m1000m，可分为4个光谱段：近红外（NIR）：0.76m3m，在性质上与可见光相似，在RS技术中采用摄影和扫描方式，可接收和记录红外光反射。中红外（MIR）：3m6m。远红外（FIR）：6m15m。,第二节电磁波和电磁波谱,超远红外（MIR）：15m1000m，红外线也是RS中常用的波段之一，使用率仅次于可见光。红外RS采用热感应方式探测地物本身的热辐射。红外线在云、雾、雨中传播时，受到严重的衰减，因此红外RS不是全天候RS，不能在云、雾、雨中进行，但不受日照条件的限制。微波：1mm1m的无线电波。微波和红外两者的特征相似，都属于热辐射性质。微波能穿透云雾、小雨，是全天候遥感，昼夜均可进行。微波对植被、冰雪、干沙、干土均有较强的穿透力，常被用来探测被冰雪、植被、沙土所遮掩的地物。,第二节电磁波和电磁波谱,RS技术使用电磁波段分类名称和波长范围,第二节电磁波和电磁波谱,第三节太阳辐射与大地辐射,辐射源任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射。遥感的辐射源分为自然辐射源和人工辐射源两类。自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射；太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源。人工辐射源是指人为发射的具有一定波长的波束；主动遥感采用人工辐射源，目前较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐射源。,第三节太阳辐射与大地辐射,一、太阳辐射太阳辐射是地球上生物、大气运动的能源，也是被动式遥感系统中重要的自然辐射源。太阳表面温度约有6000K，内部温度则更高。在遥感理论计算中就利用这种黑体来模拟太阳辐射光谱。太阳辐射覆盖了很宽的波长范围，由1直至10m以上，包括射线、紫外线、红外线、微波及无线电波。太阳辐射能主要集中在0.33m段，最大辐射强度位于波长0.47m左右。由于太阳辐射的大部分能量集中在0.40.76m之间的可见光波段，所以太阳辐射一般称为短波辐射。,1.太阳常数：是指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直与太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。一般来说，垂直于太阳辐射线的地球单位面积上所接受到的辐射能量与太阳至地球距离的平方成反比。太阳常数不是恒定不变的，一年内约有7%的变动。太阳辐射先通过大气圈，然后到达地面。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射，所以投射到地表面的太阳辐射强度有很大衰减。,第三节太阳辐射与大地辐射,第三节太阳辐射与大地辐射,2.太阳光谱：通常指光球产生的光谱，光球发射的能量大部分集中于可见光波段。如图从图中可知，大气层外太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致。海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很大的不同，其差异主要是地球大气引起的。,第三节太阳辐射与大地辐射,第三节太阳辐射与大地辐射,当太阳倾斜入射时，与太阳垂直入射时的辐照度测量值不同，如果太阳倾斜入射，则辐照度必然产生变化并与太阳入射光线及地平面产生夹角，即与太阳高度角有关。,二、大地的电磁辐射大地辐射可分为两个部分：短波（0.32.5m）和长波（6m以上）部分。地球表面平均温度27（绝对温度300K），地球辐射峰值波长为9.66m。在910m之间，地球辐射属于远红外波段。太阳辐射波谱曲线与地球辐射的波谱曲线在波长5m上方处相交。当对地面目标地物进行遥感探测时，传感器接收到小于3m波长，主要是地物反射太阳辐射的能量，而地球自身的热辐射极弱，可忽略不计；传感器接收到大于6m波长，主要是地物本身的热辐射能量；在36m中红外波段，太阳与地球的热辐射均要考虑。所以在进行红外遥感探测时，选择清晨时间，其目的就是为了避免太阳辐射的影响。地球除了部分反射太阳辐射以外，还以火山喷发、温泉和大地热流等形式，不断地向宇宙空间辐射能量。每年通过地表面流出的总热量约为11021J。,第三节太阳辐射与大地辐射,太阳辐射经过大气层入射到地面，而地面对太阳辐射的反射，也要经过大气才能被遥感传感器接收。传感器在天底方向所接收到的辐射是两次通过大气而受到衰减的太阳辐射：一次是太阳辐射从大气外界通过倾斜路径到达地面（包括太阳直接辐射和天空光形式的散射辐射）；二次是到达地面的太阳辐射经过地物的反射，垂直向上又一次经过大气。一、太阳辐射的传输：太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果，是使能量不断减弱。约有30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；约有17%被大气吸收，约有22%被大气散射；而仅有31%的太阳辐射辐射到地面。其中反射作用影响最大，由于云层的反射对电磁波各波段均有强烈影响，造成对遥感信息接受的严重障碍。因此目前在大多数遥感方式中，都只考虑无云天气情况下的大气散射、吸收的衰减作用。,第四节太阳辐射的传输与大气窗口,（一）大气的吸收作用太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太阳辐射产生选择性的吸收，即把部分太阳辐射能转换为本身内能，使温度升高。由于各种气体及固体杂质对太阳辐射波长的吸收特性不同，使有些波段通过大气层到达地面，而另一些波段则全部被吸收不能到达地面。因此，造成了许多不同波段的大气吸收带。（二）大气的散射作用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衰减的主要原因。散射强度可用散射系数（）表示，散射系数与电磁波波长有下列关系：式中：为波长的指数，它由大气微粒直径（d）的大小决定。,第四节太阳辐射的传输与大气窗口,根据辐射的波长与散射微粒的大小之间的关系，散射作用可分为三种：瑞利散射、米氏散射和非选择性散射。1.瑞利散射。当微粒的直径（d）比辐射波长（）小得多时，此时散射称为瑞利散射，也叫分子散射。主要是由大气分子对可见光的散射引起的。2.米氏散射。当微粒的直径与辐射光的波长差不多时（即d），称为米氏散射。它是由大气中的气溶胶所引起的散射。由于大气中云、雾等悬浮粒子的大小与0.7615m的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。3.非选择性散射。当微粒的直径比波长大得多时（即d）所发生的散射称为非选择性散射。,第四节太阳辐射的传输与大气窗口,综上所述，太阳辐射的衰减主要是由于散射造成的，散射衰减的类型与强弱主要和波长密切相关。在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。当波长超过1m时，可忽略瑞利散射的影响。米氏散射对近紫外直到红外波段的影响都存在。因此，在短波中瑞利散射与米氏散射相当。但在当波长大于0.5m时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。,第四节太阳辐射的传输与大气窗口,在微波波段，由于波长比云中小雨滴的直径还要大，所以小雨滴对微波波段散射是属于瑞利散射，因此，微波有极强的穿透云层的能力。而红外辐射穿透云层的能力虽然不如微波，但比可见光的穿透能力大10倍以上。太阳光通过大气要发生散射和吸收，地物反射光在进入传感器前，还要再经过大气并被散射和吸收，这将造成遥感图像的清晰度下降。所以在选择遥感工作波段时，必须考虑到大气层的散射和吸收的影响。,第四节太阳辐射的传输与大气窗口,二、大气窗口由于大气层的反射，吸收和散射作用，削弱了大气层对电磁辐射的透明度。电磁辐射与大气相互作用产生的效应，使得能够穿透大气的辐射，局限在某些波长范围内。电磁波在大气中传输时，通过大气层未被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段范围，称为大气窗口。目前，遥感技术选用的大气窗口，多为下表所列光谱段。在这六个光谱段内各种地物的反射和发射光谱可以很明显地区别开来。,第四节太阳辐射的传输与大气窗口,遥感常用大气窗口,第四节太阳辐射的传输与大气窗口,第五节地物光谱特性及其测量,一、意义：地物的光谱特性是RS技术的重要理论基础。因为它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是RS数据正确分析和判读的理论基础，同时也可作为利用电子计算机进行数字图象处理和分类时的参考标准。二、含义：自然界中的任何地物都具有本身的特有规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；具有发射红外线、微波的特性（都能进行热辐射）；少数地物具有透射电磁波的特性。,（一）地物的反射光谱特性：反射率大小与入射光的波长、入射角大小及地物表面粗糙度等有关。其中，地物的反射率随入射波长变化的规律是地物反射光谱特性的主要反映。一般地，反射率大，传感器记录的亮度值大，在象片上呈现的色调浅；反之，反射率小，传感器记录的亮度值小，在象片上呈现的色调深。1、地物的反射率：地物的反射能量与入射的总能量之比。辐射能量入射到任何地物表面上，会出现三种过程：反射、吸收、透射。根据能量守恒定律：P=P+P+P,第五节地物光谱特性及其测量,其中：P为入射总能量；P为地物的反射能量；P为地物的吸收能量；P为地物的透射能量。由式可得：1=P/P+P/P+P/P设：=P/P100%，=P/P100%，=P/P100%，因此1=+，对于不透明的地物=0，则=1式表明：反射率高的地物，吸收率低。地物的反射率可以测定，吸收率通过反射率推求。2、地物的反射光谱特性和反射光谱曲线：地物的反射率随入射波长变化而变化的规律，称为地物的反射光谱特性。以波长为横坐标，反射率为纵坐标，绘成的曲线图称为地物反射光谱曲线。,第五节地物光谱特性及其测量,水：一般水的反射率很低，小于10%。纯净水反射率在蓝光谱段最高。雪：在可见光的大部分区域（0.380.70m）内，雪的反射率都很高。云：与雪接近（在可见光到近红外短波段）。在近红外中波段（1.551.75m）和长波段（2.102.35m），云的反射率远远大于雪的反射率。,第五节地物光谱特性及其测量,影响植物反射率的主要因素包括叶绿素、细胞结构和含水量等。,植物反射光谱曲线,第五节地物光谱特性及其测量,植物：在蓝光波段（0.380.50m）反射率低，绿光波段（0.500.60m）的中点0.55m左右，形成一个反射率小峰，这就是植物叶子呈绿光的原因。在红光波段（0.600.76m），起先反射率甚低，在0.65m附近达到一个低谷，随后又上升，在0.700.80m反射率陡峭上升，到0.80m附近达到最高峰。,不同颜色叶子的植物反射光谱曲线,不同类型的植物反射光谱曲线,第五节地物光谱特性及其测量,RS技术使用电磁波段分类名称和波长范围,遭受不同程度损害的植物反射光谱曲线,第五节地物光谱特性及其测量,水分含量对玉米叶子反射率的影响,第五节地物光谱特性及其测量,（二）地物的发射光谱特性：任何地物当温度高于绝对温度0K时，就存在着分子运动，不断地向外发射电磁波。实际上，世界上任何物体的温度都高于0K（0K=273.15）。所以，任何物体都有热辐射。1、地物的发射率：地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同面积黑体发射能量M黑之比值。即：=M/M黑黑体：绝对黑体指能够将外来辐射能量全部吸收的物体。自然界中并不存在绝对的黑体，实用的黑体是由人