CH4_遥感2k30713上课讲义

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。CH4_遥感2k30713-第四章遥感技术在水土保持监测中的应用第一节基本概念与基础知识一、遥感的基本概念（一）遥感的定义遥感是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术，通常有广义和狭义的理解。广义理解，遥感泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。狭义的理解，遥感是应用探测仪器，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，揭示出物体特征性质及其变化的综合性探测技术。遥感不同于遥测和遥控。遥测是指对被测物体某些运动参数和性质进行远距离测量的技

2、术，分接触测量和非接触测量。遥控是指远距离控制目标物运动状态和过程的技术。遥感，特别是空间遥感过程的完成往往需要综合运用遥测和遥控技术，如卫星遥感，必须对卫星运行参数的遥测和卫星工作状态的控制等。（二）遥感的基本特点1大面积的同步观测在地球上，进行资源和环境调查时，大面积同步观测所取得的数据是最宝贵的。依靠传统的地面调查，实施起来非常困难，工作量很大。而遥感观测则可以为此提供最佳的获取信息方式，并且不受地形阻隔等限制。遥感平台越高，视角越宽广，可以同步探测到的地面范围就越大，容易发现地球上一些重要目标物空间分布的宏观规律，而有些宏观规律，依靠地面观测是难以发现或必须经长期大面积调查才能发现的。

3、如一帧美国的陆地卫星Landsat图象，覆盖面积为34225km2（185km185km），在56min内即可扫描完成，实现对地的大面积同步观测；一帧地球同步气象卫星图象可覆盖13的地球表面，实现更宏观的同步观测。2时效性遥感探测，尤其是空间遥感探测，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。这对于研究地球上不同周期的动态变化非常重要。不同高度的遥感平台其重复观测的周期不同，地球同步轨道卫星可以每半个小时对地观测一次（如FY-2气象卫星）；太阳同步轨道卫星（如NOAA气象卫星和FY卫气象卫星）可以每天2次对同一地区进行观测。这两种卫星可以探测地球表面及大气在一天或几小

4、时之内的短周期变化。地球资源卫星（如美国的Landsat、法国的SPOT和中国与巴西合作的CBERS）则分别以16天、26天或45天对同一地区重复观测一次，以获得一个重访周期内的某些事物动态变化的数据。而传统的地面调查则须大量的人力、物力，用几年甚至几十年时间才能获得地球上大范围地区动态变化的数据。因此，遥感调查大大提高了观测的时效性。3数据的综合性和可比性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。红外遥感昼夜均可探测，微波遥感可全天时全天候探测，人们可以从中有选择地提取所需的信息。地球资源卫星Landsat和CBERS等所获得的地物电磁波特性均可以比较综合地反映地质、

5、地貌、土壤、植被、水文等特征，因此具有广阔的应用领域。由于遥感的探测波段、成像方式、成像时间、数据记录等均可按要求设计，使其获得的数据具有同一性或相似性。同时考虑到新的传感器和信息记录都可向下兼容，所以，数据具有可比性。与传统地面调查和考察比较，遥感数据可以较大程度地排除人为干扰。4经济性遥感的费用投入与所获取的效益，与传统的方法相比，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。有人估计，美国陆地卫星的经济投入与取得的效益比为180甚至更大。（三）遥感系统与遥感分类1遥感系统根据遥感的定义，遥感系统包括：被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息

6、的应用五大部分（见图4-1）。任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感的信息源。目标物与电磁波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性，它是遥感探测的依据。接收、记录目标物电磁波特征的仪器，称为传感器或遥感器。如扫描仪、雷达、摄影机、摄像机、辐射计等。装载传感器的平台称遥感平台，主要有地面平台（如遥感车、手提平台、地面观测台等）、空中平台（如飞机、气球、其他航空器等）、空间平台（如火箭、人造卫星、宇宙飞船、空间实验室、航天飞机等）。传感器接收到目标地物的电磁波信息，记录在数字磁介质或胶片上。胶片是由人或回收舱送至地面回收，而数字磁介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面的卫

7、星接收站。地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息，记录在高密度的磁介质上，并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变换等，再转换为用户可使用的通用数据格式，或转换成模拟信号（记录在胶片上），才能被用户使用。地面站或用户还可根据需要进行精校正处理和专题信息处理、分类等。遥感获取信息的目的是应用。这项工作由各专业人员按不同的应用目的进行。在应用过程中，也需要大量的信息处理和分析，如不同遥感信息的融合及遥感与非遥感信息的复合等。总之，遥感技术是一个综合性的系统，它涉及到航空、航天、光电、物理、计算机和信息科学以及诸多的应用领域，它的发展与这些学科紧密相关。图4-1遥感系统的组成2遥

8、感的类型遥感的分类方法很多，按遥感平台、传感器、工作方式和应用领域等进行分类。（1）按遥感平台地面遥感：传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等。航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等。航天遥感：传感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等。航宇遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。（2）按传感器的探测波动紫外遥感：探测波段在0.050.38之间。可见光遥感：探测波段在0.380.76之间。红外遥感：探测波段在0.761000之间。微波遥感：探测波段在lmm10m之间。多波段遥感：指探测波段在可见光波段和红外波段

9、范围内，再分成若干窄波段来探测目标。（3）按工作方式主动遥感和被动遥感：主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号；被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。成像遥感与非成像遥感：前者传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成数字或模拟的图象；后者传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图象。（4）按遥感的应用领域从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等。从具体应用领域可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感、灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的

10、研究对象进行各种专题应用。（四）遥感发展的基本状况1957年10月4日，苏联第一颗人造地球卫星的发射成功，标志着人类从空间观测地球和探索宇宙奥秘进入了新的纪元。1959年9月美国发射的“先驱者2号”探测器拍摄了地球云图，同年10月苏联的“月球3号”航天器拍摄了月球背面的照片。真正从航天器上对地球进行长期观测，是从1960年美国发射TIROSl（TelevisionInfraredObservationSatellite）和NOAA1（NationalOceanicandAtmosphericAdministration）太阳同步气象卫星开始的。从此，航天遥感取得了重大进展。同时，航空遥感仍继续

11、发展。这一时期遥感的发展主要表现在以下几个方面：遥感平台方面：除航空遥感已成业务化外，航天平台也已成系列，20世纪已有5000余颗人造卫星升空。有飞出太阳系的“旅行者”1号、2号等宇航平台；也有以空间轨道卫星为主的航天平台，包括载人空间站、空间实验室、返回式卫星，还有往返于空间与地面之间的航天飞机。在空间轨道卫星中，有地球同步卫星、太阳同步卫星，还有一些低轨和高轨卫星；有综合目标的较大型卫星，也有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空间的多度角、多周期观测。传感器方面：探测的波段范围不断延伸，波段的分割愈来愈精细，从单一谱段向多谱段发展。成像光谱技术的出现把感测波

12、段从数百个推向上千个，探测目标的电磁波特性更全面地反映出目标物的性质，它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质被探测出来。成像雷达所获取的信息也向多频率、多角度、多极化、多分辨率的方向发展。激光测距与遥感成像的结合使得三维实时成像成为可能；各种传感器空间分辨率的提高，特别是像IKONOS这样米级高空间分辨率航天图象的出现，使航天遥感与航空遥感的界线变得模糊；数字成像技术的发展，打破了传统摄影与扫描成像的界线。此外，多种探测技术的集成日趋成熟，如雷达、多光谱成像与激光测高、GPS（GlobalPositionSystem，地球定位系统）的集成可以同时取得经纬度坐标和地面高程数据，用于实时测图，并且随

13、着遥感技术的发展，集成度将更高。遥感信息处理方面：在摄影成像、胶片记录的年代，光学处理和光电子学影像处理起着主导的作用。随着数字成像技术和计算机图象处理技术的迅速发展。众多的传感器和日益增长的大量探测数据使得信息处理更为重要。光存贮器的发展，使“信息爆炸”问题有所缓解。大容量、高速度的计算机与功能强大的专业图象处理软件的结合成为主流，PCI、ERDAS、ENVI、ER-MAPPER和IDRISI等商品化软件已为广大用户所熟知。这些软件本身也在不断完善以适应遥感技术的发展，如可以读取多种数据格式，设置专门模块处理雷达图象，具有三维显示、贯穿飞行等功能，并与多种GIS（GeographicInfo

14、rmationSystem地理信息系统）软件和数据库兼容。在信息提取、模式识别等方面也不断引入相邻学科的信息处理方法，丰富了遥感图象处理内容，如分形理论、小波变换、人工神经网络等方法，逐步融入人的知识，使信息处理更趋智能化；为适应高分辨率遥感图象和雷达图象处理的要求，除了用光谱分类方面改善图象处理方法之外，结构信息的处理和多源遥感数据及遥感与非遥感数据的融合也得到重视和发展。总之，遥感信息的处理，在全数字化、可视化、智能化和网络化方面有了很大的发展。但是，目前遥感的信息处理还不能充分满足广大用户的需求，日益丰富的遥感信息（光谱的、空间结构的）还没有被充分发掘和处理。有人估计，空间遥感获取的图象

15、数据，经计算机处理的还不足5%。所以，今后遥感信息的处理将是制约遥感发展的关键之一。遥感应用方面：经过近30多年的发展，遥感技术已广泛渗透到国民经济的各个领域，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。在外层空间探测方面，从轨道卫星和宇宙飞船的传感器上所能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，已被证明具有不可替代性。由遥感观测到的全球气候变化、厄尔尼诺现象及影响、全球沙漠化、绿波（指植被）推移、海洋冰山漂流等的动态变化现象已经引起人们广泛的重视；在海洋渔业、海上交通、海洋生态等方面的研究中，遥感都已成为重要角色。矿产资源、土地资源、森林资源、草

16、场资源、野生动物资源、水资源的调查和农作物的估产都不能缺少遥感手段；遥感在解决各种环境变化，如城市化、沙漠化、土地退化、盐渍化、环境污染等问题有其独特的作用。此外，在灾害监测，如水灾、火灾、震灾、多种气象灾害和农作物病虫害的预测、预报与灾情评估等方面，遥感都发挥了巨大的作用。在各种工程建设中，不同尺度、不同类型的遥感都在不同层次上发挥了作用，如大型水利工程、港口工程、核电站、路网、机场建设、城市规划等都从遥感图象取得重要的数据。必须指出的是，近十多年来国际上几次重大的军事行动，都综合地运用了遥感技术所获取重要的信息。随着遥感应用向广度和深度发展，遥感探测更趋于实用化、商业化和国际化。二、遥感基

17、础知识遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的，不同物体具有各自的电磁辐射特性。遥感的物理基础涉及面广，但是对水土保持工作者来说，主要是应用遥感技术所获取的图象或磁带进行判读和识别。因此，这里只介绍有关遥感资料应用中所涉及到的主要物理基础知识。（一）电磁波与电磁波谱1电磁波及其特性波是振动在空间的传播。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。电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。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，它是以场的形式表现出来的。因此，电磁波即使在真空中也能传播。波动的基本

18、形式有横波和纵波两种。横波是质点振动方向与传播方向相垂直的波，电磁波是横波。纵波是质点振动方向与传播方向相同的波，例如声波。波动的基本特点是时、空周期性。时、空周期性可以由波动方程的波函数来表示，如图4-2所示。图4-2波函数图解以上介绍了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。电磁辐射的粒子性，是指电磁波是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射实质上是光子微粒流的有规律运动，波是光子微粒流的宏观统计平均状态，而粒子是波的微观量子化。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

19、子性，这就是所谓电磁波的波粒二象性。遥感传感器所探测到的是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。2电磁波谱实验证明，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、射线等都是电磁波，只是波源不同，波长（或频率）也各不同。将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的图表（图4-3）叫做电磁波谱。图4-3电磁波谱遥感常

20、用的各光谱波段的主要特性如下；紫外线：波长范围为0.010.4。太阳辐射含有紫外线。通过大气层时，波长小于0.3的紫外线几乎都被吸收，只有0.30.4波长的紫外线部分能穿过大气层到达地面，且能量很少。紫外波段在遥感中应用比其它波段晚，目前主要用于探测碳酸盐岩分布。可见光：可见光在电磁波谱中，只占一个狭窄的区间，波长范围0.40.76，它由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光可直接感觉，不仅对可见光的全色光，而且对不同波段的单色光，也都具有这种能力，所以可见光作为鉴别物质特征的主要波段。在遥感技术中，常用光学摄影方式接收和记录地物对可见光的反射特征；也可将可见光分成若干个波段同一瞬间

21、对同一景物、同步摄影获得不同波段的像片；亦可采用扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征。可见光是遥感中最常用的波段。红外线：红外线波长范围为0.761000。为了实际应用方便，又将其划分为近红外（0.763.0），中红外（3.06.0），远红外（6.015.0）和超远红外（151000）。近红外在性质上与可见光相似。由于它主要是地表面反射太阳的红外辐射，因此又称为反射红外。在遥感技术中，采用摄影方式和扫描方式接收和记录地物对太阳辐射的红外反射。在摄影时，由于受到感光材料灵敏度的限制，目前只能感测0.761.3波长范围。近红外波段在遥感技术中也是常用波段。中红外、远红外和超远红外是产生热感的原

22、因，所以又称为热红外。自然界中任何物体，当温度高于绝对温度零度（-273.15）时，均能向外辐射红外线。物体在常温范围内发射红外线的波长多在340之间，而15以上的超远红外线易被大气和水分子吸收，所以在遥感技术中主要利用315波段，更多的是利用35和814波段。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），所以工作时不仅白天可以进行，夜间也可以进行，能进行全天时遥感。微波：微波的波长范围lmmlm。微波又可分为：毫米波、厘米波和分米波。微波辐射和红外辐射两者都具有热辐射性质。由于微波的波长比可见光、红外线要长，能穿透云雾，不受天气影响，所以能进行全天候全天时的遥感探

23、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，因此微波在遥感技术中是一个很有发展潜力的遥感波段。（二）电磁辐射源自然界中一切物体在发射电磁波的同时，也被其它物体发射电磁波所辐射。遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类，它们之间没有什么原则区别。就象电磁波谱一样，从高频率到低频率是连续的。物质发射的电磁辐射也是连续的。1自然辐射源（1）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。图4-4为地球表面所测的太阳光谱辐射强度曲线，其中

24、上部那条连续曲线是地球大气层以上粗略的太阳辐射光谱曲线，它与温度为5900K的理想黑体所产生的光谱曲线相似（如图4-4中虚线所示）。在遥感理论计算中就利用这种黑体来模拟太阳辐射光谱。太阳辐射主要是由太阳大气辐射所构成，太阳辐射在射出太阳大气后，已有部分的太阳辐射能为太阳大气（主要是氢和氮）所吸收，使太阳辐射能量受到一部分损失。太阳辐射以电磁波的形式，通过宇宙空间到达地球表面（约1.5108km），全程时间约500s。地球挡在太阳辐射的路径上，以半个球面承受太阳辐射。在地球表面上，各部分承受太阳辐射的强度是不相等的。当地球处于日地平均距离时，单位时间内投射到位于地球大气上界，且垂直于太阳光射线的

25、单位面积上的太阳辐射能为1385士7Wm2，此数值称为太阳常数。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，所以投射到地表面上的太阳辐射强度有很大衰减（图4-4）。图4-4太阳光经过洁净大气前后的光谱辐照度（2）地球的电磁辐射地球辐射可分为两个部分：短波（0.32.5）和长波（6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9.66。在910之间，地球辐射属于远红外波段。图4-4为太阳与地球辐射的电

26、磁波谱。图中可见，右边上方平滑曲线代表黑体辐射300K时的能量分布曲线，下方不规则曲线代表地球表面的实测辐射能量分布曲线，上方黑体辐射曲线包罗了地球表面辐射能量分布曲线。图4-5左边为太阳辐射波谱曲线该曲线与地球辐射的波谱曲线在波长5上方处相交。2人工辐射源（1）微波辐射源在微波遥感中常用的波段为0.830cm。由于微波波长比可见光、红外线波长要长。在应用上微波遥感具有以下一系列特点：具有全天候全天时探测能力：雷达是主动式传感器，它不依靠太阳辐射，因此能昼夜获得同等质量的影像。由于微波波长长，受大气干扰小，一般厚云层（除特别恶劣气候条件外）微波都可以透过，故可全天候进行探测，这是可见光与红外遥

27、感所不能相比的。微波对某些物质具有一定的穿透能力。微波能直接透过植被覆盖，对于冰、雪和土壤等表层覆盖物也有一定的穿透能力。某些物质的光谱在微波波段有较大的差异。在可见光与红外遥感中不易区分的一些物体，在微波遥感中则容易区别。图4-5太阳与地表辐射的电磁波谱（2）激光辐射源目前研究成功的激光器种类很多。按照工作物质的类型可分为：气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器和化学激光器等；按激光输出方式可分为：连续输出激光器和脉冲输出激光器。激光器发射光谱的波长范围较宽，短波波长可至0.24以下，长波波长可至1000，输出功率低的仅几微瓦，高的可达几兆兆瓦以上。激光在遥感技术中逐渐得到应用，其

28、中应用较广的为激光雷达。激光雷达使用脉冲激光器，它可精确测定卫星的位置、高度、速度等，也可测量地形、绘制地图、记录海面波浪情况，还可利用物体的散射性及荧光、吸收等性能监测污染和勘查资源。在遥感图象处理中，采用激光输出器和激光存储器，可大大提高图象处理的速度和精度。（三）地物的光谱特性地物的光谱特性是遥感技术的重要理论依据，因为它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是遥感数据正确分析和判读的理论基础，同时也作为利用计算机进行数字图象处理和分类时的参考标准。自然界任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，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特性；它们又都具有发射某些红外线、微波的特性

29、，少数地物还具有透射电磁波的特性。电磁波辐射到任何一个物体上均会产生三个分量，即反射、吸收和透射。三分量之和等于入射电磁波的总能量，但三分量各占多少则取决于物体的性质。衡量物体的反射、吸收和透射能力通常采用反射率、吸收率及透射率。反射率：它反映物体对外来电磁波的反射能力，定义指物体反射电磁波的能量与入射电磁波的总能量之比。=反射能量入射总能量=2*GB3透射率：它反映物体对外来电磁波的透射能力，定义为物体透射电磁波的能量与入射总能量之比。透射能量入射总能量吸收率：它反映物体对外来电磁波的吸收能力，定义为物体吸收电磁波的能量与入射总能量之比。吸收能量入射总能量物体反射、透射和吸收电磁波辐射的能量

30、之和等于电磁波的总能量，反射率、吸收率及透射率之和为1。1地物反射电磁波的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，而物体对电磁波的反射又可分为“镜面反射”和“漫反射”两种形式（图4-6）。图4-6反射类型（1）反射率和亮度系数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，在相片上呈现的色调就浅；反之则深。这些色调的差异是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。（2）镜面反射与漫反射物体表面是光滑

31、的还是粗糙的，取决于入射电磁波的波长与物体表面粗糙度之比，即物体表面的粗糙度（h）是入射电磁波波长的函数，并且遵循“瑞利准则”：式中是入射角。因此，对于物体而言，当入射波长满足此方程时，物体表面为镜面，否则为漫反射面。（3）物体的微波散射与其它电磁波的散射作用一样，对于微波来说物体表面的性质，常用表面的垂直起伏高度或者表面粗糙度表示，这时，光滑表面和中等粗糙表面之间的理论边界为：中等粗糙表面与粗糙表面之间的理论边界为：式中：h为表面粗糙度；为雷达波长；为天线俯角。根据这些关系，就可对雷达成像和雷达图象进行具体分析了。（4）地物的反射光谱曲线地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做反射光谱。按地物

32、反射率与波长之间关系绘制曲线图（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物反射光谱曲线，主要地物的反射光谱曲线如图4-7所示。图4-7主要地物的反射光谱曲线从所给的地物反射光谱曲线可以看出：=1*GB3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象上识别该地区内的地物。=2*GB3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

33、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。（5）影响地物反射率变化的因素地物的光谱反射率与入射电磁波在各波段处的辐射通量及相应的发射通量有关，也就是与入射通量和地物本身性质有关。而很多因素会引起入射通量及地物性质的变化，如太阳位置、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。2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、分子等微粒都在不停地做热运动，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。物体不断辐

34、射具有能量和光谱分布的电磁波，而这种能量又依物体的反射率和温度而变化。由于这种辐射依赖于温度，因而叫做热辐射。由于热辐射根据构成物体的物质及条件不同而变化。所以确定了以黑体（blackbody）为基准的热辐射的定量法则（见图4-8）。图4-8不同温度的黑体辐射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。根据基尔霍夫的辐射定律（Kirchhoffslawofradiation），处于热力学平衡状态的物体所发射的能量与吸收的能量之比与物体本身无关，仅与波长和温度有关，所以，黑体是在一定温度下，比其他任何物体的辐射能量都要大的物体，也叫完全辐射体。黑体辐射（blackbodyrad

35、iation）是指黑体的热辐射，它是在一切方向上都均等的辐射。其辐射亮度是温度和波长的函数，用普朗克的辐射定律（Plankslawofradiation）表示。以窄波段为对象的辐射温度计就是利用了这一定律。3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。地物的透射率随着电磁波的波长和地物的性质的不同而变化。例如水体对0.450.56的蓝绿光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lmm的微波对冰体具有透射

36、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。第二节目前常用卫星遥感数据（一）美国LandsatTM数据LANDSAT系列卫星是由美国国家航空和航天局（NASA）发射的，它是目前世界范围内应用最广泛的载有光学传感器的民用对地观测卫星。目前，该系列的5号和7号卫星正在运行，6号卫星因发射失败而丢失。LANDSAT-5卫星于1984年4月发射上天，最初的设计寿命为5年。目前虽然有部分星上

37、仪器由于时间的原因已出现性能下降的现象，但卫星的总体情况尚属良好，所获取的数据仍被广泛地应用。LANDSAT-5卫星轨道的基本情况如下：太阳同步轨道运行周期：98.9分钟轨道的高度：705km轨道倾角：98.224小时绕地球:15圈下行经过赤道的时间：当地时间上午10：0015分钟扫描带宽度:185Km重访周期：16天卫星绕行:233圈LANDSAT-5卫星的主要传感器名为TM（ThematicMapper，专题制图仪），是具有7个波段的左右扫描式光学成像仪器（见表4-1）。TM的成像宽度为185km，标准景为185km185km。除第6波段以外，其余6个波段分辩率均为30m。TM数据的特点是

38、覆盖面大、信息量丰富，成图比例尺为110万到115万，能够满足国家级和省级宏观监测的要求。表4-1TM传感器技术指标波段号波段频谱范围m分辨率mB1蓝、绿0.450.5230B2绿0.52-0.6030B3红0.63-0.6930B4近红外0.76-0.9030B5短波红外1.551.7530B6热红外10.4012.5120B7短波红外2.08-2.3530（二）美国LandsatETM数据LANDSAT-7卫星于1999年4月发射上天。为保证LANDSAT系列卫星特性的一致性，LADSAT-7卫星轨道和重访周期与5号星完全相同。LANDSAT-7卫星的主要传感器名为ETM+（Enhance

39、dThematicMapperPlus），是具8个波段的左右扫描式光学成像仪器（见表4-2）。ETM+的成像宽度为185km。由表4-1、表4-2可见，LANDSAT-7与5号星相比最大的变化在于以下两点：增加了分辨率为15m的全色波段；波段6的分辨率提高到60m，其成图比例尺为15万到110万，能够满足国家级和省级监测的要求。表4-2ETM+传感器技术指标波段号类型波谱范围m地面分辨率mB1蓝、绿0.450-0.51530B2绿0.525-0.60530B3红0.630-0.6930B4近红外0.775-0.9030B5短波红外1.550-1.7530B6热红外10.40-12.560B7短

40、波红外2.090-2.3530B8全色0.520-0.9015（三）法国SPOT数据通过对SPOT1、2和4号卫星的编程控制，比较容易接收到需要的数据。该数据有单波段全色和3个波段的多光谱两类（见表4-3），其分辨率分别为10m和20m；对建设用地反映比较敏感；成图比例尺为13万到15万。每景数据覆盖范围为60km60km。SPOT与TM数据是目前遥感监测常用的数据，两者的融合是遥感监测技术过程中常用的组合方式，有助于非遥感专业人员的识图。法国SPOT-4卫星轨道参数：轨道高度：832Km轨道倾角：98.721轨道周期：101.469分/圈重复周期：369圈/26天降交点时间：上午10：30分

41、扫描带宽度：60Km两侧侧视：+/-27o扫描带宽：950Km表4-3法国SPOT卫星传感器技术指标波段号类型波谱范围m地面分辨率mB1绿0.500.5920B2红0.610.6820B3近红外0.780.8920全色0.780.8915（四）印度IRS数据IRS系列卫星是印度“国家自然资源管理系统”（NationalNaturalResourceManagementSystem）的组成部分。自1988年3月以来，共有7颗IRS系列的卫星（1A、1B、1E、P2、1C、P3、1D）相继升空。其中，IRS系列中应用最广的是IRS-1C卫星。IRS-IC卫星轨道的基本情况如下：太阳同步轨道轨道的高

42、度817km下行经过赤道时间：当地时间上10305分钟轨道周期：24天IRS-1C具有三个光学传感器：PAN、LISS-3和WiFS。IRS数据每景覆盖范围是70km70km。该数据只有1个波段，分辨率为5.8m，成图比例尺是12.5万。（五）美国IKONOS数据1999年9月，IKONS卫星发射成功。IKONOS在希腊语中是“图象”的意思。IKONOS卫星带给对地观测最大的意义在于它高分辨率的图象，这种最高可达1m分辨率的图象为民用航天遥感事业的发展开创了一个新的领域。IKONOS卫星轨道的基本情况如下：太阳同步轨道轨道高度：680km轨道倾角：98.2下行经过赤道的时间：当地时间上午103

43、01400IKONOS数据每景覆盖范围是11km11km，有3个多光谱和1个全色波段（见表4-4），分辨率分别是4m和1m。数据分辨率高，成图比例尺可达15000，能够满足微观监测要求。表4-4IKONOS卫星传感器技术指标波段号类型波谱范围m地面分辨率mB1蓝0.45-0534B2绿0.52-0.614B3红0.64-0.724B4近红外0.77-0.884全色0.45-0.901（六）加拿大RadarSat数据RADARSAT-1卫星是由加拿大航天局（CSA）于1995年发射的。它是目前世界范围内性能最先进、应用最广泛的载有SAR传感器的民用对地观测卫星。由于采用了商业化运行的模式和数据政

44、策，RADARSATSAR数据是目前最为可靠的星载SAR数据的来源。RADARSAT-1卫星轨道的基本情况如下：太阳同步轨道轨道高度：796km轨道倾角：98.6采用独特的晨昏（Dawn-Dusk）轨道，避免和其它地球资源卫星过境时间的冲突。轨道周期24天RADARSAT-1卫星的主要传感器是具有多模式、多波束特点的SAR，它的一般特性如下：频率为5.3GHz（波长为C波段）极化方式HH右侧视成像宽度50500km。图象分辨率约8m100m（七）QuickBird(快鸟)数据QuickBird卫星是2001年10月18日在美国发射成功的目前世界上商业卫星中分辨率最高、性能较优的一颗卫星。它在空

45、间分辨率（0.61米），多光谱成像（1个全色通道、4个多光谱通道）成像摆角等方面具有显著的优势，能够满足更专业、更广泛应用领域的遥感用户。快鸟卫星轨道的基本情况如下：星下点成像：沿轨/横轨迹方向（+/-25度）立体成像：沿轨/横轨迹方向辐照宽度：以星下点轨迹为中心，左右各272Km成像模式：单景16.5Km16.5Km,条带16.5Km165Km轨道高度：450Km倾角：98重访周期：16天表4-5快鸟卫星传感器技术指标波段号类型波谱范围m地面分辨率mB1蓝0.450-5202.44B2绿0.520-0.602.44B3红0.630-0.6902.44B4近红外0.760-0.9002.44全

46、色0.40-0.900.61（八）CBERS-1中巴资源卫星CBERS-1中巴资源卫星由中国与巴西于1999年10月14日合作发射，是我国的第一颗数字传输型资源卫星。星上搭载了CCD传感器、IRMSS红外扫描仪、广角成像仪，由于提供了从20米256米分辨率的11个波段不同幅宽的遥感数据（见表4-6），成为资源卫星系列中有特色的一员。CBERS-1中巴资源卫星轨道的基本情况如下：轨道高度：778Km倾角:98.5重复周期：26天平均降交点地方时为上午10：30相邻轨道间隔时间为4天扫描带宽度:185Km表4-6CBERS-1中巴资源卫星传感器技术指标红外多光谱扫描仪：CCD相机：广角成像仪：波段

47、数：4波谱范围：B6：0.501.10(um)B7：1.551.75(um)B8：2.082.35(um)B9：10.412.5(um)覆盖宽度：119.50Km空间分辨率：B6B8：77.8米B9：156米波段数：5波谱范围：B1：0.450.52(um)B2：0.520.59(um)B3：0.630.69(um)B4：0.770.89(um)B5：0.510.73(um)覆盖宽度：113Km空间分辨率：19.5米(天底点)侧视能力：-32士32波段数：2波谱范围：B10：0.630.69(um)B11：0.770.89(um)覆盖宽度：890Km空间分辨率：256米（九）航空遥感数据航空遥

48、感数据有多种类型，根据任务的不同选用不同类型的数据。共同的特点是成像比例尺大，影像信息丰富，对地物的判断比较容易，比卫片的判读更直观。常用的航空影像数据分为胶片式和数字（数码）式两类。处理过程也有光学和数字两种，前者是用光学镜头放大印象、药水冲洗等，胶影瞬间在每张胶片四周留下标记，以利于成像几何关系解算。后者主要是在计算机中处理。常见的几种航空遥感数据类型如下：（1）黑白胶片主要在可见光范围内成像，反映地物反射可见太阳光的明暗关系。主要特点是清晰度高，几何分辨能力强，成本相对较低。（2）真彩色胶片主要在可见光范围成像，反映地物的颜色同人眼观察效果一致。主要特点是视觉效果良好，直观逼真，容易理解

49、，适于城市规划等用途。（3）彩色红外胶片成像光谱范围除部分可见光（绿光和红光）以外，还包含人眼无法感知的近红外光，摄影时需要在镜头前加黄色滤光镜，滤掉蓝光。植被在近红外光部分有强反射，是其显著特征，像片上多以红色表示红外光，因而植物表现为红色。主要特点是假彩色效果，色彩艳丽，反差大，对地表覆盖类型敏感，适合于土壤侵蚀、地质矿产、水污染监测、军事侦察等多种专业用途。为了方便不具备专业判读知识的人员使用，可通过交换红外、红、绿波段的办法生产模拟真彩色像片。（4）真彩色数码近年来新兴的数码相机已经在航空摄影中取得长足的进步，通过线阵或面阵CCD（ChargeCoupledDevice，电磁耦合器）对

50、地扫描成像，直接形成数字图象，可以方便计算机后处理，保证信息量不衰减。主要特点是没有复杂、笨重、高耗的胶片传动机构，相机可以做到非常轻便，能够装到小型飞机上使用，适合与小范围机动灵活的航空摄影任务，在城市规划、资源调查等领域有广泛的应用，是今后发展的方向。第三节常见遥感处理软件一、PCI（一）PCI基本概况PCI是加拿大PCI公司的产品，可进行遥感图象的处理，也可应用于地球物理数据图象、医学图象、雷达数据图象、光学图象的处理，并能够进行分析、制图等工作。它的应用领域包括石油天然气勘探、矿产资源勘探、林业、农业、土地资源调查评估与管理、自然灾害动态监测、测绘、环保、城市规划、铁路交通、大规模管道

51、工程设计、沙漠治理、工程建设、气象预报、医学等。PCI（V6.0）拥有最齐全的功能模块，包括：常规处理模块、几何校正、大气校正、多光谱分析、高光谱分析、摄影测量、雷达成像系统、雷达分析、极化雷达分析、干涉雷达分析、地形地貌分析、矢量应用、神经网络分析、区域分析、GIS联接、正射影像图生成及DEM（DigitalEvolutionModel，数字高程模型）提取、三维图象生成、丰富的可供二次开发调用的函数库、制图、数据输人输出等四百多个软件包，组成了图象处理软件中非常全面和完美的系统。（二）PCI主要特点1编程性强，扩展灵活PCI开发较早，它给用户的开发工具是一个函数库，用户需要用C、Fortra

52、n等第三代语言来开发应用程序，同时利用函数库中提供的接口函数来与软件系统进行集成，用户必须对软件的底层结构有比较深人的了解。2输入输出功能及文件管理PCI以PCIDSK数据库的格式存储所有相关的信息。PCIDSK源自加拿大遥感中心数据的UNIDSK数据库格式，在这种格式下所有的图象数据和所有的统计数据都存储在同一个文件中。并且PCI在某种程度上对遥感处理软件中的各种信息进行了一定程度的集成，即文件管理由面向数据转变为面向空间信息。PCI支持的文件格式较多。3图象的显示与控制PCI的显示结构是传统的显示方式即面向像元，图象的放大以像元为单位。多幅图象的镶嵌必须要求像元大小一致，否则需手工重采样到

53、同一大小。4图象校正处理PCI提供了完整的校正处理，包括辐射校正、几何精校正和正射校正。PCI提供了一个单独的软件包GCPWORKS，来实现包括镶嵌改变在内的几何校正。PCI提供了相应的流程帮助用户一步一步完成所需的功能。5图象增强处理PCI提供的对比度增强是在图象显示及控制部分实现的，提供了快速自动拉伸和交互式功能。PCI实现了与对比度增强类似的滤波处理，处理后的结果直接显示，而且滤波的效果可以预览。但PCI对于空间域增强处理的弱点是：若想永久保存滤波后的处理结果，必须重新存储一个文件，而且滤波的方法必须自己记录。PCI也可以实现任意多波段处理功能的组合，但是必须保存很多中间结果。6分类分类

54、是遥感图象处理中非常重要的一部分，它是指将遥感数字图象中的像元归类到几种地物类型中，从而提取出有用的专题信息为最终用户所使用。非监督分类中最常用的是迭代自组织的数据分析算法，即ISODATA算法。除此之外，PCI还提供了K均值聚类、NarendraGoldberg聚类算法以及神经网络分类器、模糊逻辑分类器和句法分类器。7矢量，GIS及制图PCI支持两种类型的矢量元素，点和线段，实现了矢量层的编辑功能。PCI在实现辅助信息与原图象的覆盖叠加方面是以像元为基本单位。在制图方面，PCI支持的打印机种类较少，但是考虑打印机的特性较好，将打印机分为位图和连续色调打印机。8DEM处理PCI提供了丰富的DE

55、M数据获取手段，地形参数分析，三维透视图的参数控制，三维漫游观察能力。9高光谱分析PCI提供了比较多的光谱库以及丰富的定量分析工具。10SAR处理对于单波段，单极化SAR图象的处理有三个步骤：信号处理，图象处理和应用信息提取。PCI在机载、星载雷达数据的几何校正、天线方向图校正、滤波、纹理分析等处理方面的质量非常好。二、ERDAS（一）ERDAS基本概况ERDAS是美国亚特兰大ERDAS（EarthResourceDataAnalysisSystem）公司集遥感和GIS于一身的软件包。ERDAS软件分为三层，最里面的是DOS操作系统，中间的为ERDAS自身管理程序，最外层为ERDAS人机界面，

56、ERDAS的设计体现了高度的模块化，主要模块有核心模块、图象处理模块、地形分析模块、数字化模块、扫描仪模块、栅格模块、硬拷贝模块、磁带机模块，其中图象处理模块又包括增强模块、预分类模块、分类模块、分类后处理模块、辐射度纠正模块、几何纠正模块。（二）ERDAS主要特点1显示双屏幕操作，菜单清晰易读，用户界面良好除了一些特殊情况外，人机对话几乎都含有缺省值，这样便于操作，操作的过程也就成了学习提高的过程。2包含多种数据接口如与世界著名的GIS软件ARC/INFO、计算机辅助设计软件AutoCAD、大众数据库Dbase及Minitab、SAS各种统计软件等有着良好的接口。这样，ERDAS的数据文件就

57、能与其它软件进行交流与共享，扩大了ERDAS的应用面。3别具特色的栅格地理信息系统具有GIS专题的迭加、复合、搜索、分析等诸多功能，方便易用。4包含图象处理领域内诸多最新的算法软件版本不断更新，更适应于各种各样的新应用。5图象文件分两种LAN文件和GIS文件，便于管理、分析。三、ENVI（一）ENVI基本概况ENVI（TheENvionmentForVisualizingImages）是由美国BetterSolutionsConsultingLimitedLiabilityCompany开发的一套功能齐全的遥感图象处理系统，是处理分析并显示多光谱数据、高光谱数据和雷达数据的高级工具。ENVI是

58、完全由IDL（InteractiveDataLanguage）写成。ENVI的许多特性与IDL语言的特性紧密相关。IDL是一个用于交互式数据分析和数据可视化的完整计算环境，将大量数学设计分析和图形显示技术与功能强大的面向数组的结构化语言结合在一起。各种处理功能均通过菜单调用，参数的选择一般通过对话框实现。由于IDL的开放性，用户可以很容易的进行二次开发，方便灵活，可扩展性强。图象处理是基于波段的，当多个文件被同时打开时，用户可以选择不同文件中的多个波段同时进行处理，直观且功能强大。ENVI将图象处理功能分为交互式功能（显示控制与分析）和通用功能（其它图象处理）。ENVI的主菜单和交互式菜单已经

59、标准化，直观方便，符合用户习惯。ENVI包含所有基本的遥感影像处理功能，如：校正、定标、波段运算、分类、对比增强、滤波、变换、边缘检测及制图输出功能，从3.2版本起还可以加注汉字。ENVI具有对遥感影像进行配准和正射校正的功能，可以给影像添加地图投影，并与各种GIS数据套合。对于要处理的图象波段数没有限制，可以处理最先进的卫星格式，如Landsat7、SPOT、RADARSA、NOAA、EROS和TERRA，并准备接受未来所有传感器的信息。ENVI的矢量工具可以进行屏幕数字化，栅格和矢量叠合，建立新的矢量层，编辑点、线、多边形数据，进行缓冲区分析，创建并编辑属性进行相关矢量层的属性查询，能够进

60、行地物目标识别。ENVI拥有世界上最先进的高光谱和多光谱分析工具，用户可以识别出图象中纯度最高的像元，通过与已知波谱库的比较确定未知波谱的组分。用户不但可以使用ENVI自带的波谱库，也可以自定义波谱库，甚至可以组合使用线性波谱分离和匹配滤波技术进行亚像元分解，以消除匹配误差，获得更精确的结果。用ENVI完整的集成式雷达分析工具可以快速处理雷达数据。（二）ENVI主要特点1丰富的数据输入输出格式ENVI数据的输入输出格式包括通用数据格式、矢量格式、遥感数据格式、其他遥感软件格式和其他数据格式。2交互式分析（1）感兴趣区（ROI，RegionofIntersting）ENVI可以交互定义ROI，允