梅安新 《遥感导论》ppt教案

1、遥感导论遥感导论面向二十一世纪课程教材 研制研制 尹占娥尹占娥 黄春晖黄春晖 高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社电子教案 前言：前言：介绍本门课程的教学目标、教学要求、介绍本门课程的教学目标、教学要求、教学主要内容和参考书目，单击可放映。教学主要内容和参考书目，单击可放映。 主界面：主界面：列出遥感导论课程所讲授的共八列出遥感导论课程所讲授的共八章的章标题；有下划线的为超级链接，从该主界面可章的章标题；有下划线的为超级链接，从该主界面可直接链接到各章，开始讲授各章内容直接链接到各章，开始讲授各章内容；每章内容讲解每章内容讲解结束时，点击结束时，点击 按钮

2、，可返回到主界面，也可以按钮，可返回到主界面，也可以点击点击 按钮进入下一章内容。按钮进入下一章内容。 在每章最后一节内容结束后有红色的在每章最后一节内容结束后有红色的“提示语，同时出现提示语，同时出现 按钮，点击可直接按钮，点击可直接到下一章的章界面，开始讲授下一章内容。到下一章的章界面，开始讲授下一章内容。 每节的幻灯片中，有下划线的红色字设置有链接内容，鼠标每节的幻灯片中，有下划线的红色字设置有链接内容，鼠标移至该位置，变为手形，点击可链接到相关内容，如图表、数据移至该位置，变为手形，点击可链接到相关内容，如图表、数据示例、传感器外形图等，这种超级链接到的幻灯片上，有示例、传感器外形图等

3、，这种超级链接到的幻灯片上，有 back back 按钮，观看结束后，可返回到原幻灯片处，继续讲解。按钮，观看结束后，可返回到原幻灯片处，继续讲解。术语后有（术语后有（）的，为设置有隐藏功能的文本框，点击后出现的）的，为设置有隐藏功能的文本框，点击后出现的文本框中是关于该术语的进一步详细解释或说明内容，观看结束文本框中是关于该术语的进一步详细解释或说明内容，观看结束后，再次点击可隐藏，隐藏后可继续讲解该幻灯片的内容。后，再次点击可隐藏，隐藏后可继续讲解该幻灯片的内容。 本电子教案由尹占娥设计，尹占娥、本电子教案由尹占娥设计，尹占娥、 黄春晖制作。该项目黄春晖制作。该项目得到了上海市教委得到了上

4、海市教委“20022002课程建设课程建设”项目的资助，在制作的过项目的资助，在制作的过程中，梅安新等许多老师和学生提出了宝贵意见，还得到高等程中，梅安新等许多老师和学生提出了宝贵意见，还得到高等教育出版社徐丽萍副编审多方面的支持，在此表示衷心的感谢，教育出版社徐丽萍副编审多方面的支持，在此表示衷心的感谢，正是由于他们的关心和支持，该项目才得以顺利地完成和出版。正是由于他们的关心和支持，该项目才得以顺利地完成和出版。 由于时间仓促，本教案难免存在不妥之处，敬请使用者批由于时间仓促，本教案难免存在不妥之处，敬请使用者批评指正。评指正。 联系信箱：联系信箱： 航空与航天飞行器运行快、周期短，可获得

5、多时相数据。例如Landsat 5每天环绕地球14.5圈，覆盖地球一遍所需时间仅16天，而气象卫星的周期更短（1天或半天）。 由于探测距离远，传感器所获得的地面影像覆盖的空间范围较大。以美国陆地卫星5号（Landsat 5 ）为例，它距离地表的高度是705.3 km，对地球表面的扫描宽度是185 km，一幅TM图像可以全部覆盖我国海南岛大小的面积。 目前用于遥感的电磁波段有紫外线、可见光、红外线和微波。 遥感探测可以在短时间内对同一地区进行重复探测，遥感探测可以在短时间内对同一地区进行重复探测，监测地球上许多事物的动态变化。一般地球资源卫星监测地球上许多事物的动态变化。一般地球资源卫星89天可

6、重复一次，气象卫星每天两次，而传统的地面调查天可重复一次，气象卫星每天两次，而传统的地面调查需要花费大量的人力和物力，且周期很长。因此，遥感需要花费大量的人力和物力，且周期很长。因此，遥感方法具有很好的时效性。遥感在天气预报、火灾和水灾方法具有很好的时效性。遥感在天气预报、火灾和水灾监测以及军事行动等领域的应用，反映了遥感方法的时监测以及军事行动等领域的应用，反映了遥感方法的时效性优势效性优势。 如一幅如一幅Landsat图像，覆盖面积图像，覆盖面积185 km185 km， 在在56 min内可完成扫描，实现对地的大面积同步观测。内可完成扫描，实现对地的大面积同步观测。所取得的数据可进行大面

7、积资源和环境调查，并且不所取得的数据可进行大面积资源和环境调查，并且不受地形阻隔等限制。受地形阻隔等限制。 遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上许多自然、人文信息，客观地记录了地面的实际球上许多自然、人文信息，客观地记录了地面的实际状况，数据综合性很强。状况，数据综合性很强。 同时，不同的卫星传感器获得的同一地区的数据同时，不同的卫星传感器获得的同一地区的数据以及同一传感器在不同时间获得的同一地区的数据，以及同一传感器在不同时间获得的同一地区的数据，均具有可比性。均具有可比性。 从投入的费用与所获取的效益看，遥感与传统的从投入的费用与所获取的

8、效益看，遥感与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。如具有很高的经济效益和社会效益。如Landsat卫星的投卫星的投入与效益比估计为入与效益比估计为1:80 。 n信息的提取方法不能满足遥感快速发展的要求。n数据的挖掘技术不完善，使得大量的遥感数据无法有效利用。接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出本图为本图为TM图像；图像；黄河入海口，反映泥沙堆积；黄河入海口，反映泥沙堆积；拍摄时间为拍摄时间为1990年。年。本图为本图为TM图像；图像；黄河入海口，反映泥沙堆积；黄河入海口，反映泥沙堆积；拍摄时间

9、为拍摄时间为1990年。年。 本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。n太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即分透射，即： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量射能量n地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。n一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些

10、物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是特别是0. 450. 56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深度的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达可达1020 m，清澈水体可达清澈水体可达100 m的深度。的深度。n地表吸收太阳辐射后具有约地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为的热辐射，其峰值波长为9.66 m，主要集中在长波，主要集中在长波，即即6 6mm以上的热红外区段。以上的热红外区段。地物在不同波段的反射率是不同的。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率是可以

11、测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。 不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。能量大小不同。 微波传感器的波长分辨率比较低，是由于其波长较长，衍射现象显著的缘故。同时，观察精度和取样速度往往不能协调。 这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事这一特性可以用来探测隐藏在林

12、下的地形、地质构造、军事目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。 电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波振幅减少振幅减少1/1/e e倍（倍（37%37%）的穿透深度定义为趋肤深度）的穿透深度定义为趋肤深度H H: : H H=(5.3=(5.31010-3-31/21/2)/)/式中：式中：为地物的介电常数；为地物的介电常数；为地物的导电率。为地物的导电率。 微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。面动态情况（海

13、面风、海浪等）的观测。continued波长(nm)大气上界太阳辐照度海平面太阳辐照度太阳光谱辐照度概念：概念： 本章主要介绍获得遥感数据的传感器的类型与获取数据的工作原理，介绍常用的遥感数据，如航空数据、陆地卫星数据、海洋卫星数据、气象卫星数据的特点。 是指通过向目标地物发射微波并是指通过向目标地物发射微波并接受其后向辐射信号来实现对地观测接受其后向辐射信号来实现对地观测的遥感方式。主要传感器为雷达，此的遥感方式。主要传感器为雷达，此外还有微波高度计和微波散射计。外还有微波高度计和微波散射计。 是指通过传感器，接受来自目标地物发射是指通过传感器，接受来自目标地物发射的微波，而达到探测目的的遥

14、感方式。被动接的微波，而达到探测目的的遥感方式。被动接受目标地物微波辐射的传感器为微波辐射计，受目标地物微波辐射的传感器为微波辐射计，被动探测目标地物微波散射特性的传感器为微被动探测目标地物微波散射特性的传感器为微波散射计。波散射计。 continued普通黑白摄影普通黑白摄影黑白红外摄影黑白红外摄影天然彩色摄影天然彩色摄影彩色红外摄影彩色红外摄影 感光材料的乳剂层上使影像表达出所摄物体感光材料的乳剂层上使影像表达出所摄物体各部分在光量方面差别的能力，称为乳剂的反差，各部分在光量方面差别的能力，称为乳剂的反差，即黑白差。感光材料特性曲线的直线段斜率为反即黑白差。感光材料特性曲线的直线段斜率为反

15、差系数。差系数。 遥感中常用的胶片是全色片、天然彩色片、遥感中常用的胶片是全色片、天然彩色片、彩色红外片等。它们的感光范围各不相同。彩色红外片等。它们的感光范围各不相同。 曝光量（H）的对数底片的密度（D）卫星编号 项目 1,2,3 4,5,7 轨道高度 轨道倾角 运行周期 扫描宽度 重复周期 918 km 99.125 103 min/圈 185 km 18 d 705 km 98.2 98.9 min/圈 185 km 16 d continued通道号 光谱段颜色 波长范围/m MSS4 绿 0.50.6 MSS5 红 0.60.7 MSS6 红近红外 0.70.8 MSS7 近红外 0

16、.81.1 MSS8 远红外 10.412.6 TM TM数据是第二代多光谱段光学数据是第二代多光谱段光学机械机械扫描仪，是在扫描仪，是在MSSMSS基础上改进和发展而成的一基础上改进和发展而成的一种遥感器。种遥感器。TMTM采取双向扫描，提高了扫描效采取双向扫描，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，并提高了检测器的接收率，缩短了停顿时间，并提高了检测器的接收灵敏度。灵敏度。continued MSS数据是一种多光谱段光学机械扫描仪所获得的遥感数据。SPOT1SPOT1 3 3号卫星上携带两台号卫星上携带两台HRVHRV传感器。传感器。 SPOT5 SPOT5卫星上卫星上HRGHRG（高分辨率几何

17、装置）高分辨率几何装置）与与HRVHRV基本相同。基本相同。 HRS HRS是是SPOT5SPOT5特有的一个高分辨率立体特有的一个高分辨率立体成像装置，工作波段成像装置，工作波段。 IKONOS IKONOS传感器是三线阵传感器是三线阵CCDCCD推帚式成像，因此推帚式成像，因此在正常模式下，它可取得正视、后视和前视推扫在正常模式下，它可取得正视、后视和前视推扫成像。成像。 IKONOS IKONOS图像可以实现模量传递函数图像可以实现模量传递函数( (MTF)MTF)的的补偿，为此卫星的传感器设计了进行补偿，为此卫星的传感器设计了进行MTFMTF的测量。的测量。有了这些测量值，可以对因光学

18、和检测器等引起有了这些测量值，可以对因光学和检测器等引起的像质模糊进行补偿。的像质模糊进行补偿。 IKONOS IKONOS卫星内设有卫星内设有GPSGPS天线，接收的信号被记录天线，接收的信号被记录下来，经过处理可以提供每个图像的星历参数；传感下来，经过处理可以提供每个图像的星历参数；传感器系统设计有三轴稳定装置和量测装置，以获得相应器系统设计有三轴稳定装置和量测装置，以获得相应姿态数据姿态数据。 Quickbird传感器为推扫式成像扫描仪传感器为推扫式成像扫描仪多光谱影像多光谱影像分辨率分辨率2.8 m华盛顿纪念碑华盛顿纪念碑 CBERS CBERS具有三台成像传感器：高分辨率具有三台成像

19、传感器：高分辨率CCDCCD像机像机( (CCD)CCD)、红外多谱段扫描仪红外多谱段扫描仪( (IR-MSS)IR-MSS)、广广角成像仪角成像仪( (WFI)WFI)。数据权限平台（DCP）监控站CBERS卫星数据接收站测控中心图像处理中心任务中心地点：美国内华达州JERS 图像 PAN PAN数据运用数据运用CCDCCD推扫描方式成像，地面分推扫描方式成像，地面分辨率高达辨率高达5.85.8m m，带宽带宽7070kmkm，光谱范围光谱范围0.50.50.750.75mm，具有立体成像能力和可在具有立体成像能力和可在5 5天内重复天内重复拍摄同一地区。运用其资料可以建立详细的数拍摄同一地

20、区。运用其资料可以建立详细的数字化制图数据和数字高程模型（字化制图数据和数字高程模型（DEMDEM）。）。 LISS LISS数据在可见光和近红外谱段的地面分数据在可见光和近红外谱段的地面分辨率为辨率为23.523.5m m，在短波红外谱段的分辨率为在短波红外谱段的分辨率为7070m m，带宽带宽141141kmkm，有利于研究农作物含水成分和估有利于研究农作物含水成分和估算叶冠指数，并能在更小的面积上更精确地区算叶冠指数，并能在更小的面积上更精确地区分植被，也能提高专题数据的测绘精度。分植被，也能提高专题数据的测绘精度。 WiFS WiFS数据是双谱段像机，用于动态监测与数据是双谱段像机，用

21、于动态监测与自然资源管理。两个波谱段是可见光与近红外，自然资源管理。两个波谱段是可见光与近红外，地面分辨率为地面分辨率为188.3188.3m m，带宽带宽810810kmkm。它特别有它特别有利于自然资源监测和动态现象（洪水、干旱、利于自然资源监测和动态现象（洪水、干旱、森林火灾等）监测，也可用于农作物长势、种森林火灾等）监测，也可用于农作物长势、种植分类、轮种、收割等方面的观察。植分类、轮种、收割等方面的观察。 海洋卫星主要用于海洋温度场，海流的位置、界海洋卫星主要用于海洋温度场，海流的位置、界线、流向、流速，海浪的周期、速度、波高，水团的线、流向、流速，海浪的周期、速度、波高，水团的温度

22、、盐度、颜色、叶绿素含量，海冰的类型、密集温度、盐度、颜色、叶绿素含量，海冰的类型、密集度、数量、范围以及水下信息、海洋环境、海洋净化度、数量、范围以及水下信息、海洋环境、海洋净化等方面的动态监测。等方面的动态监测。 气象卫星是广泛应用于国民经济领域和军事领域气象卫星是广泛应用于国民经济领域和军事领域的一种卫星，是太空中的自动化高级气象站。它能连的一种卫星，是太空中的自动化高级气象站。它能连续、快速、大面积地探测全球大气变化情况。续、快速、大面积地探测全球大气变化情况。1. 主框架2. 太阳阴影孔隙3. 扫描镜4. 初扫描镜5. 次扫描镜6. 主焦平面7. 混合预放大器8. 校正梭9. 黑体1

23、0. 后置光学装置11. 辐射冷却器12. 电路板装置13. 对地遮蔽14. 电子调制解调器15. 电源供应16. 热控制窗17. 全孔径校正装置辐射冷却器Y方向速度反射镜和探测器太阳阴影设备孔来自地面辐射全孔径校正门 电子设备像底点热辐射门冷却门全孔径校正器对地传感器装配像底点换向X波段天线S波段天线Y方向速度太阳板阵列粗太阳敏感器设备孔ETM传传感感器器结结构构图图成像光谱仪原理入口光学镜校正灯平行光管光学镜产生成像焦平面校正灯入口孔调制光电扫描仪调制光电扫描仪MOS-IRSMOS-IRS光谱仪行摄像机光谱仪固定安置构件步进马达太阳校正反射板校正元件nAVHRR数据的波段及主要应用数据的波

24、段及主要应用NOAA-16 NOAA-16 日期日期: 2003: 2003年年0505月月1111日日时间时间: 04:59:14 (: 04:59:14 (UTC)UTC) （UTCUTC指国际标准时间指国际标准时间或格林尼治时间）或格林尼治时间） 地物（目标物）的辐射（反射）经过大气层时，地物（目标物）的辐射（反射）经过大气层时，与大气层发生散射作用和吸收作用。吸收作用直接与大气层发生散射作用和吸收作用。吸收作用直接降低地物的辐射能量，引起辐射畸变。散射作用除降低地物的辐射能量，引起辐射畸变。散射作用除降低地物的辐射能量外，大气散射的部分辐射还会降低地物的辐射能量外，大气散射的部分辐射还

25、会进入传感器，直接叠加在目标地物的辐射能量之中，进入传感器，直接叠加在目标地物的辐射能量之中，成为目标地物的噪声，降低了图像的质量。成为目标地物的噪声，降低了图像的质量。 光照条件的不同也会引起辐射畸变，如太阳高光照条件的不同也会引起辐射畸变，如太阳高度角、地面坡度等，都会引起辐射的畸变。度角、地面坡度等，都会引起辐射的畸变。 Ep=E0 cos4 continued)()(nsrnscaVbKVniiiniiiVDbVCa11)(nsbminminmaxmax)(RRRRDVCCT回归计算滤波处理校准处理CCT 回归分析校正法回归分析校正法调整前直方图调整后直方图像元数百分比像元数百分比/%

26、/%像元数百分比像元数百分比/%/%cosyxgyxf，continued位移变化位移变化高度变化高度变化速度变化速度变化偏航变化偏航变化俯仰变化俯仰变化侧翻变化侧翻变化(d) (d ) (d ) 侧视雷达是按斜距投影原理成像的。侧视雷达是按斜距投影原理成像的。雷达电磁波在大气中传播时，一方面会因雷达电磁波在大气中传播时，一方面会因大气折射率的变化而产生路径弯曲，使传大气折射率的变化而产生路径弯曲，使传播路径变长；另一方面使电磁波传播速度播路径变长；另一方面使电磁波传播速度减慢，传播时间增加。减慢，传播时间增加。 准准备备工工作作输入原输入原始数字始数字图像图像建立纠正建立纠正变换函数变换函数

27、影像范围影像范围确定输出确定输出逐个像素逐个像素的几何位的几何位置变换置变换像素亮度像素亮度值重采样值重采样输出纠正输出纠正后的图像后的图像 原始数据为二维数据，两个分量原始数据为二维数据，两个分量x1、x2之间存在相关性，具有之间存在相关性，具有如图所示的分布。通过投影，各数据可以表示为如图所示的分布。通过投影，各数据可以表示为y1轴上的一维点数轴上的一维点数据。从二维空间中的数据变成一维空间中的数据会产生信息损失，据。从二维空间中的数据变成一维空间中的数据会产生信息损失，为了使信息损失最小，必须按照使一维数据的信息量为了使信息损失最小，必须按照使一维数据的信息量(方差方差)最大的最大的原则确定原则确定y1轴的取向，新轴轴的取向，新轴y1称作第一主成分。为了进一步汇集剩称作第一主成分。为了进一步汇集剩余的信息，可求出与第一轴余的信息，可求出与第一轴y1正交、且尽可