基于遥感的数据采集技术 1

三、基于遥感的数据采集技术,1.遥感的基本概念与原理2.遥感平台与传感器3.遥感图像及其特征4.遥感处理的基本流程与技术5.遥感应用,6/7/2020,3,1.遥感的基本概念与原理,遥感就是从远处在不直接接触地表目标物和现象的情况下获取其信息的科学和技术。遥控遥测,6/7/2020,4,遥感的原理：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。,6/7/2020,5,利用先进的对地观测探测器对目标物进行遥远感知的整个过程，通过装在平台上的传感器来收集（测定）由对象辐射或（和）反射来的电磁波，并将地面目标信息转换成图像，然后根据事先掌握的各类物质波谱特性，再通过对这些数据的分析和处理，获得对象信息的技术。,遥感技术的含义,6/7/2020,6,遥感作为一种空间数据采集手段，具有以下特点:探测范围广，能够提供综合、宏观的视角；获取手段多样，获取的信息量大；获取信息快，更新周期短，可进行动态监测；全天候作业；遥感技术可以根据不同的目的和任务，选用不同的波段和不同的遥感仪器，取得所需的信息；应用范围广，等等。,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。,遥感的物理基础,（1）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发出的电磁振荡在空间的传播。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，只是波源不同，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。,电磁波谱与可见光谱,a电磁波谱,b可见光谱,遥感中常用的各光谱段,紫外线：0.010.4m，太阳辐射含有紫外线，通过大气层时，波长小于0.3m的紫外线几乎都被吸收，只有0.30.4m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0.4m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。,可见光：0.40.7m，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象易于区分。,红外：0.71000m。划分为：近红外（0.763.0m）、中红外（3.06.0m）、远红外（6.015.0m）和超远红外（151000m）。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340m之间，而15m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315m波段，更多的是利用35m和814m。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，能进行全天时遥感。,微波：1mm1m。分为：毫米波、厘米波和分米波。微波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,6/7/2020,14,（2）大气窗口：有些波段的电磁辐射能够透过大气层时衰减较小（发射和吸收较小），即透射率较高，这个波谱范围，叫做“大气窗口”。,电磁波谱中的遥感波段应当选择在相应的大气窗口范围内，这样才能保证收集到足够的地物辐射或反射的电磁辐射信息。,0.3-1.3m,这个窗口包括紫外（0.3-0.38m）、可见光全部（0.40-0.76m）和部分近红外波段（0.76-1.3m），属于地物的反射光谱。这个窗口对电磁波的透射率达90%以上。在日照条件好的情况下，可以采用摄影方式成像，也可以用扫描方式成像。目前胶卷感光条件最好的是在0.32-1.3m范围，超出这个范围则不能采用摄影方式的传感器。,1.3-2.5m,这个窗口位于近红外波段的中段，属于地物反射光谱，但不能用胶片摄影，仅能用光谱仪和扫描仪来记录地物的电磁波信息。该窗口又可分为1.5-1.7m和2.0-2.5m等两个窗口，它们的透射率都近80%。目前近红外窗口应用不多，但在某些波段对区分蚀变岩石有较好的效果。因此在遥感地质应用方面很有潜力。例如，陆地卫星4、5号的专题制图仪就设置有1.55-1.75m和2.08-2.35m两个波段。,3-4m、4.5-5m：这个波段属于中红外波段。通过这个窗口的可以是地物反射光谱，也可以是地物发射光谱，属于混合光谱范围。中红外窗口应用很少，目前只能用扫描方式。8-14m：这个窗口属于远红外波段，是热辐射光谱。在这个波段范围内由于臭氧、水汽及二氧化碳的影响，使窗口的透射率约为6070%。由于这个窗口是地物在常温下热辐射能量最集中的波段，所以对遥感地质有用。目前主要是利用扫描仪和热辐射计来获得地物发射的电磁波信息。,0.05-300cm,这个窗口是微波窗口，属于发射光谱范围。这个窗口不受大气干扰，是完全透明的，透射率可达100%，是全天候的遥感波段。,6/7/2020,19,（3）辐射传输理论,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）。,6/7/2020,20,传感器所接收到的辐亮度包括6部分:,L=Ls+LD+LALT+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；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；Lup表示大气向上的热辐射直接进入传感器的辐亮度。,6/7/2020,21,（4）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，物体反射和辐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辐射强度随波长的改变而改变的特性称为地物的光谱特性。,A.地物的反射光谱特性,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。,地物的反射辐射,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。,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。,6/7/2020,26,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。,从所给的地物反射光谱曲线可以看出：不同地物对太阳的电磁辐射具有不同的波谱反射曲线，若测定了该地区内各种地物的波谱反射曲线，就有可能应用这些波谱曲线数据从遥感图像上识别该地区内的地物。同一类地物例如植被，它们的波谱曲线虽然形状相似，但在某些光谱段内它们的光谱反射率差别较大，利用这些差异，就有可能判别一些同类不同种的地物。同一种地物的波谱曲线，由于测试的时间、季节以及作物长势、湿度等各种因素的影响，也会产生较大的差异，因此在测量各种地物的波谱特性时，地面测量与空中遥感要在同一地区、同一时期内进行。,6/7/2020,28,地物光谱时间特性:指同一位置上的同一地物，由于时间的推移，该地物在一段时间内光谱特性的变化。,地物光谱空间特性:空间特性是指同一类地物，由于其所处的地理位置不同，光谱特性可能存在的一些差异和变化。,B.地物的发射光谱特性,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。,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。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（emissity）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。,根据发射本领的变化规律，把物体一般分为三种类型：（1）黑体（2）灰体（greybody）：发射率与波长无关的物体（3）选择性辐射体：发射率依波长而变化的物体,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。,C.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0.450.56m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12m，一般水体的透射深度可达1020m。又如，波长大于1mm的微波对冰体具有透射能力。,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。,2.遥感平台与传感器,（1）遥感平台,6/7/2020,36,遥感平台选择依据:,选择遥感平台的主要依据是遥感图像空间分辨率。,一般说来，近地遥感地面分辨率高，但观测范围小；航空遥感地面分辨率中等，其观测范围较广；航天遥感地面分辨率低，但覆盖范围广。,一般来讲遥感平台与遥感影像存在着一定的联系:平台的运行高度影响着遥感影像的空间分辨率；遥感平台的运行周期决定着遥感影像的时间分辨率；遥感平台的运行时刻决定着探测区域的太阳高度，从而间接决定着遥感影像的色调及阴影；遥感平台运行稳定状况决定着所获取遥感影像的质量。,6/7/2020,37,（2）传感器,传感器的类型,6/7/2020,39,成像方式（图像方式）:,将所探测到的强弱不同的地物电磁波辐射转换成深浅不同的（黑白）色调构成直观图像的遥感资料形式，如航空像片、卫星图像等。,非成像方式（非图像方式）:,将探测到的电磁辐射，转换成相应的模拟信号（如电压或电流信号）或数字化输出，或记录在磁带上而构成非成像方式的遥感资料，如陆地卫星CCT数字磁带等。,（3）气象卫星:,1960年美国发射第一颗实验性气象卫星（TIROS-1）,应用于气象预报、气象研究、资源调查、海洋研究等方面第一代：TIROS、ESSA、NIMUS、ATS第二代：ITOS-1、SMS、GOES、METEOP、GMS、METEOSAT第三代：NOAA我国：FY-1，FY-2，FY-3,气象卫星的种类,极轨气象卫星：轨道经过两极地区，轨道高度在400-1800km左右，与太阳同步，扫描幅度较宽，对地面扫描重复周期短，在环境监测上具有优越性地球同步卫星：位于地球赤道上空36000km，公转方向与地球自转方向一致，角速度相等，称静止气象卫星,NOAA,美国气象卫星，近圆形太阳同步轨道。NOAA系列卫星采用双星运行，同一地区每天可有四次过境机会卫星携带的环境监测遥感器主要有改进型甚高分辨率辐射计(AVHRR)和泰罗斯业务垂直观测系统(TOVS)。1970年12月发射第1颗NOAA-1，NOAA-19于2009年2月16日成功发射参考网站://,GMS气象卫星,数据来源：日本葵花气象卫星。地球卫星同步轨道。星上载有可