第六讲-遥感应用及3S技术集成

第六章遥感应用及3S技术集成,遥感应用3S集成应用,主要内容,植被遥感,植被调查是遥感的重要应用领域；主要用于确定植被的类型、分布及长势,植物的光谱特征,在可见光的0.55m附近有一个小反射峰。在0.45m和0.65m附近有两个明显的吸收谷。在0.7-0.8m是一个陡坡，反射率急剧增高。在近红外波段0.8-1.3m之间形成一个高的反射峰。在1.45m，1.95m和2.6-2.7m处有三个吸收谷。,植物的光谱特征,影响植物光谱的因素除了植物本身的结构特征，同时也受到外界的影响。外界影响主要包括季节的变化，植被的健康状况，植物的含水量的变化，植株营养物质的缺乏与否等等。但外界的影响总是通过植物本身生长发育的特点在有机体的结构特征反映出来的。,不同颜色的植物的光谱曲线,不同含水量的植物的光谱曲线,在近年随着高光谱遥感的兴起而发展起来的光谱数据分析技术中，植被“红边”位移现象是研究最多、成效显著的成果之一。“红边”定义为反射光谱的一阶微分最大值所对应的光谱位置，通常位于0.68-0.75m之间。当绿色植物叶绿素含量高，生长旺盛时，“红边”会向波长增加的方向偏移，称“红移”。当植物由于受金属元素“毒害”、感染病虫害、污染受害或者缺水缺肥等原因而“失绿”时，则“红边”会向波长短的方向移动，称“蓝移”。,反射曲线的蓝移现象,植物的光谱特征,植被指数,对于复杂的植被遥感，仅用个别波段或多个单波段数据分析对比来提取植被信息是相当局限的。多光谱遥感数据经分析运算（加、减、乘、除等线性或非线性组合方式），产生某些对植被长势、生物量等有一定指示意义的数值即所谓的“植被指数”。它用一种简单有效的形式来实现对植物状态信息的表达，以定性和定量地评价植被覆盖、生长活力及生物量等。,植被指数中，通常选用植物光谱中的最典型的波段，即对绿色植物（叶绿素引起的）强吸收的可见光红波段和对绿色植物（叶内组织引起的）高反射的近红外波段。,遥感图像上的植被信息，主要通过植物光谱特性及其差异、变化而反映的；不同光谱通道所获得的植被信息与植被不同要素或某种特征状态有相关性；,植被指数,比值植被指数（RVI）：可见光红波段与近红外波段的数值比，比值植被指数能增强植被与土壤背景之间的辐射差异，被广泛用于估算和监测绿色植物生物量。,差值植被指数（DVI）：又称环境植被指数，被定义为近红外波段与可见光红波段数值之差。,归一化植被指数（NDVI）：近红外波段与可见光红波段数值之差和这两个波段数值之和的比值，它是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子，与植被分布密度呈线性相关，因此又被认为是反映生物量和植被监测的指标。,垂直植被指数（PVI）：在红光波段与近红外波段的二维坐标系内，土壤的光谱响应表现为一条斜线即土壤亮度线。植物像元到土壤亮度线的垂直距离定义为垂直植被指数。,叶面积指数LAI：是指每单位土壤表面积的叶面面积比例,它对植物光合作用和能量传输是十分有意义的。,植被指数,原始影像数据,NDVI植被指数,植被遥感应用,不同植物类型的区分：根据植被的光谱特征、形态特征和环境特征，区分不同的植物类型；,植物生长状况解译：健康的绿色植物具有典型的光谱特征，当植物的生长状况发生变化时，其波谱曲线形态也会发生变化；,大面积农作物的遥感估产：包括利用植物的色调、图形差异对农作物进行识别；采用高分辨率遥感影像估算种植面积、长势监测以及建立估产模式对农作物进行估产；,此外，遥感植被解译可以广泛应用于植被制图、城市绿化调查与生态环境评价、草场及林业资源调查等领域,植被遥感应用,水体遥感,水体遥感是通过对遥感影像的分析，获取水体的分布、泥沙、有机质等状况和水深、水温等要素信息，从而对一个地区的水资源做出评价，为水利、交通、航运和资源环境部分提供决策服务,在可见光波段，水体的反射率总体较低，一般为4%-5%，并随着波长的增加而降低；波长大于0.75m的水体几乎被全部吸收，因此在近红外波段清澈的水体呈现黑色；水体在微波1mm-30cm范围内的发射率较低约为0.4%，平坦的水面，后向散射很弱，因此在侧视雷达上，水体呈现黑色。,水体遥感,不同泥沙含量水体的光谱曲线,遥感可以探测的水中悬浮物有两种，一种是无机的泥沙，一种是有机叶绿素；,含有泥沙的浑浊水体与清水相比，光谱反射特征存在以下差异：浑浊水体的反射光谱曲线整体高于清水；波谱反射峰值向长波方向移动；随着悬浮泥沙浓度的加大，可见光对水体的透射能力减弱，反射能力加强;波长较短的可见光，如蓝光和绿光对水体的穿透力较强，可反映出水面下一定深度的泥沙分布状况。,不同叶绿素含量海水的光谱曲线,水体遥感,水体中的叶绿素与水体反射光谱曲线之间关系：水体叶绿素浓度增加，蓝光波段的反射率下降，绿光波段的反射率增高；水面叶绿素和浮游生物浓度高时，近红外波段仍存在一定的反射率，该波段影像中水体不呈黑色，而呈灰色，甚至浅灰色。,当大量的营养盐进入水体后，在一定条件下台引起藻类的大量繁殖，而后在藻类死亡分解过程中消耗大量溶解氧，从而导致鱼类和贝类的死亡。这一过程称为水体的富营养化。反映水体富营养化程度的最主要因子是叶绿素。,赤潮是因海水富营养化加上其它环境条件，海洋浮游植物短期内大量繁殖、聚集而引起海水变色的一种现象，本质也是水体富营养。,水体遥感,此外，根据水体反射光谱曲线的不同，水体遥感可以广泛应用于水体温度的探测、水体污染的探测和水深的探测,卫星遥感水体叶绿素浓度专题图,洞庭湖区域洪水淹没范围,鄱阳湖区域洪水淹没范围,水体遥感,地质遥感,地质遥感的是通过对遥感影像解译确定一个地区的岩石性质和地质构造，分析构造运动的状况；其实岩性和地质构造的识别是地质遥感的基础。,岩石的反射光谱特性与岩石本身的矿物成分和颜色密切相关，此外，还受岩石的颗粒物大小和表面粗糙度的影响。,土壤遥感,根据电磁波辐射原理，通过各种传感器远距离接收土壤反射或发射的电磁波谱信号，通过分析这些图像和数据可以掌握土壤特性、土壤类型、分布规律和利用现状。从而绘制土壤图，计算土壤类型分布面积。,不同类型的土壤的光谱反射曲线,不同有机质含量的土壤的光谱反射曲线,高光谱遥感,高光谱与一般遥感的主要区别在于：高光谱遥感的成像光谱仪可以分离成几十甚至数百个很窄的波段类接收信息，每个波段宽度仅10nm；所有波段的光谱连在一起可以组成一个连续的光谱曲线；光谱覆盖范围从可见光到热红外的全部电磁辐射波谱范围。,高光谱图像(HyperspectralImage)通常指光谱分辨率在10nm数量级范围内的光谱图像。,波段多，波段宽度窄光谱响应范围广，光谱分辨率高：光谱分辨率达到纳米级，一般为10nm左右，精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。可提供空间域信息和光谱域信息，即“谱像合一”：由成像光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相类比。数据量大，信息冗余多：高光谱数据的波段众多，其数据量巨大，而且由于相邻波段的相关性高，信息冗余度增加。,高光谱遥感特点,高光谱遥感具有很好的光谱信息因此在地质调查、植被制图、大气遥感、水文及冰雪制图、环境与灾害以及城市环境中有着广泛的应用。,海洋遥感,海洋遥感（oceanremotesensing）利用传感器对海洋进行远距离非接触观测，以获取海洋景观和海洋要素的图像或数据资料。,遥感方式有主动式和被动式两种：主动式遥感：先由遥感器向海面发射电磁波，再由接收到的回波提取海洋信息或成像。这种传感器包括侧视雷达、微波散射计、雷达高度计、激光雷达和激光荧光计等。被动式遥感：传感器只接收海面热辐射能或散射太阳光和天空光的能量，从中提取海洋信息或成像。这种传感器包括各种照相机、可见光和红外扫描仪、微波辐射计等。,海洋遥感卫星,海洋二号卫星：2011年8月16日发射，是中国第一颗海洋动力环境卫星，其主要使命是监测和调查海洋环境，获得包括海面风场、浪高、海流、海面温度等多种海洋动力环境参数，直接为灾害性海况预警预报提供实测数据；,HY-2卫星装载雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计和校正微波辐射计以及DORIS、双频GPS和激光测距仪。雷达高度计用于测量海面高度、有效波高及风速等海洋基本要素，微波散射计主要用于全球海面风场观测，扫描微波辐射计主要用于获取全球海面温度、海面风场、大气水蒸气含量、云中水含量、海冰和降雨量等，校正微波辐射计主要用于为高度计提供大气水汽校正服务。,ENVISAT卫星是欧空局的对地观测卫星系列之一，于2002年3月1日发射升空。该卫星是欧洲迄今建造的最大的环境卫星。Envisat-1主要用于监视环境，对地球表面和大气层进行连续的观测，供制图、资源勘查、气象及灾害判断之用,在ENVISAT-1卫星上载有多个传感器：先进的合成孔径雷达；中等分辨率成像频谱仪，用于海洋颜色监测。先进的跟踪扫描辐射计，供精确的海洋表面温度测量和陆地特性观察。先进的雷达高度计，可确定风速，提供海洋循环信息。微波辐射计，测量大气层中的水含量（云、水蒸汽和雨滴）。,海洋遥感卫星,卫星测高技术,卫星测高技术是指利用卫星载体携带的高度计，实时测量地球表面高度随时间的变化信息，早期的测高卫星主要用于测量全球海平面的高度及其随时间的变化信息。其典型代表是欧洲和美国联合开发的Topex/Poseidon卫星，其测量精度达到2-3cm。,卫星测高技术的主要原理利用GPS卫星和地面卫星跟踪系统，实时计算出测高卫星的运行轨迹，从而实时得到卫星距地球质心的高度；利用星载高度计实时计算卫星到星下点瞬时海面的高度；计算星下点的椭球高度。考虑到地球是一个扁圆的旋转椭球体，因此还需要考虑椭球的影响。,卫星测高获取的全球海平面高程,卫星获取的全球海平面温度,HY-2卫星获取的全球海洋水汽分布,HY-2卫星获取的全球海洋表面风场,第六章遥感应用及3S技术集成,遥感应用3S集成应用,主要内容,3S基本概念,遥感(RemoteSensing)、地理信息系统(GeographicInformationSystem)全球定位系统(GlobalPositioningSystem)是现代空间信息科学的核心与主要支撑技术，因为它们的英文名称中最后一个单词均含有”S”，人们习惯将这三种技术合称之为”3S”枝术。,遥感具有快速、实时、动态获取空间数据信息的功能，为地理信息系统提供及时、准确综合和大范围的资源和环境数据。并可以根据需要及时更新GIS数据库。GIS对地理数据进行采集、管理、查询、计算、分析与可视表现，为遥感信息的提取与分析应用提供重要手段和辅助数据资科大大提高遥感数据的自动分类精度。GPS具有实时、连续地确定地球表面任意地点上的经纬度与高程，以及物体和现象的三维速度与精确时间的能力，可以为GIS提供准确的空间定位数据通过识别遥感图像上的地面控制点及样本像元类型，为图像几何校正、投影变换及分类服务。,3S组成及功能,地理信息系统是以电子计算机为核心、以遥感枝术、数据库技术、信息传输、图像处理技术为手段，以航天遥感、航空遥感、地形图、专题地图、监测网信息、统计信息、实况调查信息以及其他联网信息为信息源，运用系统工程和信息科学的理论，按统一地理坐标和统一分类编码，对地理信息进行数据收集、存储、处理、运算、综合分析、显示和应用、为规划、管理、决策和研究提供所需的技术系统。概括的说，GIS就是采集、存储、管理、处理和综合分析地理信息，并输出数据和提供图形服务。,地理信息系统,地理信息系统功能,地理数据的采集功能（空间数据和属性数据）地理数据的管理功能（矢量和栅格数据）空间数据和属性数据的分析（查询、预测、统计）地理信息的可视化功能（数字地图）,全球定位系统,全球定位系统是利用多颗导航卫星的无线电信号，对地球某一点进行定位、报时和导航的技术系统；主要有三部分组成卫星星座（24+3）地面站卫星导航仪,目前存在的全球定位系统有美国的GPS、中国的COMPASS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO；日本和印度的局部定位系统,全球定位系统的作用：精确的定位能力；准确定时及测速能力,遥感技术,遥感可以动态、周期地获取地表信息，广泛应用于各个领域，其在3S中的作用主要有：GIS重要的数据源，提供各种专题图，数据库的更新；获取地面高程，更新GIS高程数据库,全球90m分辨率的SRTM数字高程模型,全球300m分辨率陆地覆盖数据,3S技术在车辆导航与监控系统中的应用,GPS对车辆进行实时定位和导航功能；,GIS提供车辆查询、设施查询、最优路径查询；,RS提供电子地图，矢量地图更新,3S技术在海洋渔业资源开发中的综合应用,GPS确定捕捞船的位置及时间信息，为捕捞船提供导航功能；,GIS支持航洋数字地图的分析和管理，对海洋渔场信息、气象环境参数的可视化呈现；,RS获取海洋遥感影像，并进行处理分析获取海洋表面温度分布图，利用海洋表面温度图推断渔场的位置；利用遥感技术反演海洋水温、叶绿素浓度、海面风场及洋流信息，获取实时的大面积的综合渔场环境参数,3S技术在精细农业发展中的综合