遥感基础知识

1、第二章遥感基础知识2.1遥感定义遥感是遥远感知事物的意思，即：不直接接触目标物和现象，在距离地物几公里到几百 公里、甚至上千公里的飞机、飞船、卫星上，使用传感器接收地面物体反射或发射的电磁波 信号，并以图像胶片或数据磁带记录下来，传送到地面，经过信息处理、判读、分析和野外 实地验证，最终服务于资源勘探、动态监测或规划决策。将这一接收、传输、处理、分析、 判读和应用遥感信息的全过程称为遥感技术,具有感测面积大、获取资料速度快、受地面条 件限制少，以及可连续进行、反复观察等优点。遥感之所以能够根据提供的电磁波信息来判度地面目标物和现象，是因为一切物体由于 种类、特征和环境条件的不同，具有完全不同的

2、电磁波的反射或发射辐射特征，因此，遥感 技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理基础上的。随着航天技术、传感器技术、计算机技术和其他相关科学的快速开展，在航空摄影的基 础上开展起来的遥感技术得到了极大开展，尤其是高分辨率CCD传感器的出现，使遥感图 像的空间分辨率由Landsat-MSS的80m提高到目前的2-3m,甚至Quick Bird的0.61m；高 光谱分辨率成像光谱仪的出现，是多光谱遥感图像的光谱分辨率可到达5-10nmo遥感技术 的这些成果为遥感从定性化到定量化的研究提供了保障，使遥感图像应用于地图的测绘和 GIS基础信息的获取成为可能，并在国民经济建设和国防建设的许多领域发挥着

3、重要作用， 可应用于测绘、城市规划、水利、电力、通讯、交通、军事、农业、林业、环境监测等领域。遥感技术主要特点为：（1）可获取大范围数据资料。遥感用航摄飞机飞行高度为10km左右，陆地卫星的卫 星轨道高度达910km左右，从而，可及时获取大范围的信息。例如，一张陆地卫星图像， 其覆盖面积可达3万多km2。这种展示宏观景象的图像，对地球资源和环境分析极为重要。（2）获取信息的速度快，周期短。由于卫星围绕地球运转，从而能及时获取所经地区 的各种自然现象的最新资料，以便更新原有资料，或根据新旧资料变化进行动态监测，这是 人工实地测量和航空摄影测量无法比较的。例如，陆地卫星4、5,每16天可覆盖地球一

4、遍, NOAA气象卫星每天能收到两次图像。Meteosat每30分钟获得同一地区的图像。（3）获取信息受条件限制少。在地球上有很多地方，自然条件极为恶劣，人类难以到 达，如沙漠、沼泽、高山峻岭等。采用不受地面条件限制的遥感技术，特别是航天遥感可方 便及时地获取各种珍贵资料。（4）获取信息的手段多，信息量大。根据不同的任务，遥感技术可选用不同波段和遥 感仪器来获取信息。例如可采用可见光探测物体，也可采用紫外线，红外线和微波探测物体。 利用不同波段对物体不同的穿透性，还可获取地物内部信息。例如，地面深层、水的下层, 冰层下的水体，沙漠下面的地物特性等，微波波段还可以全天候的工作。遥感技术所获取信息

5、量极大，其处理手段是人力难以胜任的。例如Landsat卫星的TM 有一个X波段合成孔径雷达和一个C波段梭动成像雷达。其中一个雷达上装有一根碳纤维 复合材料制成的60m长的波段天线，天线伸向机身外，与另一雷达构成一个视角。两个雷 达从不同位置聚焦到地面，即航天飞机雷达地形测绘可获取地球的立体影像。(5) IKONOSIKONOS卫星是美国Spaceimage公司于1999年9月发射的高分辨率商用卫星，卫星飞 行高度680km,每天绕地球14圈，星上装有柯达公司制造的数字相机。相机的扫描宽度为 11km,可采集1m分辨率的黑白影像和4m分辨率的多波段(红、绿、蓝、近红外)影像。由 于其分辨率高、覆

6、盖周期短，故在军事和民用方面均有重要用途。(6)中国遥感卫星中国和巴西联合研制的中巴地球资源卫星即资源一号卫星，于1999年10月14日发射 成功。经过在轨测试后转入应用运行阶段。由北京、广州和乌鲁木齐三个地面接收站接收该 卫星获取的我国境内的遥感数据。所接收影像的地面分辨率分别有19.5m、78m、256m等 三种。资源二号卫星现已在轨运行，这将会为我国遥感事业的开展以及在国民生活中的应用 提供地面分辨率更高的卫星影像。图像，一幅覆盖185kmx 185km地面面积，象元空间分辨率为30m,象元光谱分辨率为28 位的图，其数据量约为6000 x6000=36Mb。假设将6个波段全部送入计算机

7、，其数据量为：36Mbx6=216Mb为了提高对这样庞大数据的处理速度，遥感数字图像技术随之得以迅速开展。目前，遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领 域。在未来的十年中，预计遥感技术将步入一个能快速，及时提供多种对地观测数据的新阶 段。遥感图像的空间分辨率，光谱分辨率和时间分辨率都会有极大的提高。其应用领域随着 空间技术开展，尤其是地理信息系统和全球定位系统技术的开展及相互渗透，将会越来越广 泛。2.2遥感分类（1）按遥感平台的高度分类大体上可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感。航天遥感又称太空遥感（space remote sensing）泛指利用各种太空飞行

8、器为平台的遥感技 术系统，以地球人造卫星为主体，包括载人飞船、航天飞机和太空站，有时也把各种行星探 测器包括在内。卫星遥感（satellite remote sensing）为航天遥感的组成局部，以人造地球卫星作 为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。航空遥感泛指从飞机、 飞艇、气球等空中平台对地观测的遥感技术系统。地面遥感主要指以高塔、车、船为平台的 遥感技术系统，地物波谱仪或传感器安装在这些地面平台上,可进行各种地物波谱测量.航天遥感泛指利用各种空间飞行器为平台的遥感技术系统。它以地球人造卫星为主体， 包括载人飞船、航天飞机和空间站，有时也把各种行星探测器包括在内。在

9、航天遥感平台上 采集信息的方式有四种：一是宇航员操作，如在“阿波罗”飞船上宇航员利用组合像机拍摄地 球照片：二是卫星舱体回收，如中国的科学实验卫星回收的卫星像片；三是通过扫描将图像 转换成数字编码，传输到地面接收站；四是卫星数据采集系统收集地球或其它行星、卫星上 定位观测站发送的探测信号，中继传输到地面接受站。航空遥感泛指从飞机、气球、飞艇等空中平台对地面感测的遥感技术系统。按飞行高度, 分为低空（6003000米）、中空（300010000米）、高空（10000米以上）三级，此外还 有超高空（U 2侦察机）和超低空的航空遥感。由此可见，航天遥感和航空遥感的区别主要是：一是使用的遥感平台不同，

10、航天遥感使 用的是空间飞行器，航空遥感使用的是空中飞行器，这是最主要的区别；二是遥感的高度不 同，航天遥感使用的极地轨道卫星的高度一般约1000公里,静止气象卫星轨道的高度约3600 公里，而航空遥感使用的飞行器的飞行高度只有几百米、几公里、几十公里。俗话说，登高 才能望远。航天遥感与航空遥感相比，感测的地域显然要大得多，美国“陆地卫星”的一幅多 光谱图像覆盖地面的面积达34000平方公里，相当于台湾岛的面积，而赤道上空的气象卫星 可以覆盖南北纬40。以内、东西经相距70。左右的区域。因此，航天遥感能够以空前广阔的 视野时刻监测着地球。（2）按所利用的电磁波的光谱段分类可分为可见反射红外遥感，

11、热红外遥感、微波遥 感三种类型。可见光/反射红外遥感，主要指利用可见光（040.7微米）和近红外微米）波段 的遥感技术统称，前者是人眼可见的波段，后者即是反射红外波段，人眼虽不能直接看见，但 其信息能被特殊遥感器所接受。它们的共同的特点是，其辐射源是太阳，在这二个波段上只 反映地物对太阳辐射的反射，根据地物反射率的差异，就可以获得有关目标物的信息，它们 都可以用摄影方式和扫描方式成象。热红外遥感，指通过红外敏感元件，探测物体的热辐 射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术的统称。遥感中指8-14微米波段范围。 地物在常温（约300K）下热辐射的绝大局部能量位于此波段，在此波段地物的热辐射

12、能量， 大于太阳的反射能量。热红外遥感具有昼夜工作的能力。微波遥感，指利用波长1-1000毫 米电磁波遥感的统称。通过接收地面物体发射的微波辐射能量，或接收遥感仪器本身发出的 电磁波束的回波信号，对物体进行探测、识别和分析。微波遥感的特点是对云层、地表植被、 松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天侯工作。（3）按研究对象分类 可分为资源遥感与环境遥感两大类。资源遥感：以地球资源作为调查研究的对象的遥感方法和实践，调查自然资源状况和监 测再生资源的动态变化，是遥感技术应用的主要领域之一。利用遥感信息勘测地球资源，成 本低，速度快，有利于克服自然界恶劣环境的限制，减少勘测投资的盲

13、目性。环境遥感：利 用各种遥感技术，对自然与社会环境的动态变化进行监测或作出评价与预报的统称。由于人 口的增长与资源的开发、利用，自然与社会环境随时都在发生变化，利用遥感多时相、周期 短的特点，可以迅速为环境监测。评价和预报提供可靠依据。（4）按应用空间尺度分类 可分为全球遥感、区域遥感和城市遥感。全球遥感：全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感的统称区域遥感：以区域资 源开发和环境保护为目的的遥感信息工程，它通常按行政区划（国家、省区等）和自然区划 （如流域）或经济区进行。城市遥感：以城市环境、生态做为主要调查研究对象的遥感工程。（5）通过接收的电磁辐射的性质分为主动式，被动式。所谓主动式

14、，通过主动发射电 磁波形并接收被研究物体反射或者散射的电磁波进而推断 被动式,直接接收被观测物体自 己发射或者反射电磁辐射，自然中，太阳是一个重要的辐射源（6）遥感技术依其遥感仪器所选用的波谱性质可分为：电磁波遥感技术，声纳遥感技 术，物理场（如重力和磁力场）遥感技术。电磁波遥感技术是利用各种物体/物质反射或发射出不同特性的电磁波进行遥感的。其 可分为可见光、红外、微波等遥感技术。按照感测目标的能源作用可分为：主动式遥感技术 和被动式遥感技术。按照记录信息的表现形式可分为：图像方式和非图像方式。按照遥感器 使用的平台可分为：航天遥感技术，航空遥感技术、地面遥感技术。按照遥感的应用领域可 分为：

15、地球资源遥感技术，环境遥感技术，气象遥感技术，海洋遥感技术等。遥感技术系统现代遥感技术系统主要由空间信息采集系统、地面接收和预处理系统、地面实况调查系 统和信息分析应用系统四局部组成。空间信息采集系统空间信息采集系统主要包括遥感平台和遥感器两局部。遥感平台是装载传感器的运载工 具。遥感平台的种类很多，按平台距地面的高度的不同可分为地面平台、航空平台和航天平 台。遥感器是收集、记录被测目标的特征信息(反射或发射电磁波)并发送至地面接收站的 设备。在空间信息采集中，通常有多个平台信息获取、多时相信息获取、多波段或多光谱信息 获取几种形式。多平台信息是指同一地区采用不同的运载工具获取的信息；多时相信

16、息是指 同一地区不同时间(年、月、周、日)获取信息。多波段信息是指遥感器使用不同的电磁波 段获取的信息，如可见光波段、红外波段、微波波段等。多光谱信息就是指遥感器使用某一 电磁波段中不同光谱范围的信息，如可见光波段中的0.40.5um, 0.50.6um, 0.60.7 um,等。多波段和多光谱有时互为通用。遥感作业中常用的传感器包括：航空摄影机(航摄仪)、全景摄影机、多光谱摄影机、 多光谱扫描仪(Multi Spectral Scanner, MSS) 专题制图仪(Thematic Mapper,TM) 反束光 导摄像管(RBV)、HRV (High Resolution Visible r

17、ange instruments)扫描仪、合成孔径侧视 雷达(Side-Looking Airborne Radar, SLAR)。地面接收和预处理系统遥感信息是指航空遥感和航天遥感所获取的感光胶卷或磁带等。在胶卷和磁带上记录 的信息数据，包括被测目标物体的信息数据和运载工具上设备环境的数据。(1)遥感信息的接收遥感信息向地面传输有直接回收和视频传输两种方式。直接回收是指传感器将目标物 体反射或发射的电磁波信息记录在胶卷或磁带上，待运载工具返回地面后回收；视频传输是 指传感器将接收到的目标物体反射或发射的电磁波信息，经过光、电转换，通过无线电将据 送到地面接收站。(2)遥感信息的预处理由于受传

18、感器的性能、遥感平台的姿态不稳定、地球曲率、大气的不均匀及地形的差 别等多种因素的影响，地面接收站接收到的遥感信息总有不同程度的失真，必须将接收到的 信息经过一系列校正后，才能使用。遥感数据处理系统主要包括以下内容：首先，收集传感 器所接收到的遥感数据和运载工具上设备环境的数据、目标物体的光谱特性以及地面实况调 查的资料与数据等，并将传感器接收和记录的原始数据变换为容易使用的数据；然后，将遥 感数据进行辐射校正和几何校正以消除图像方面的失真和干扰及图像的几何变形；最后，将 全部数据进行压缩、存储，以使用户能快速检索所需要的数据及对图像的判读和应用。地面实况调查系统地面实况调查系统主要包括在空间

19、遥感信息获取前所进行的地物波谱特征（地面反射 电磁涉及发射电磁波的特性）测量，在空间遥感信息获取的同时所进行的与遥感目的有关的 各种遥测数据的采集（如区域的环境和气象等数据）。前者是为设计遥感器和分析应用遥感 信息提供依据，后者那么主要用于遥感信息的校正处理。234信息分析应用系统信息分析应用系统是用户为一定目的而应用遥感信息时所采取的各种技术，主要包括 遥感信息的选择技术，应用处理技术，专题信息提取技术，制图技术，参数量算和数据统计 技术等内容。其中遥感信息的选择技术是指根据用户需求的目的、任务、内容、时间和条件 （经济、技术、设备等），在已有各种遥感信息的情况下，选购其中一种或多种信息时必

20、须 考虑的技术。当没有但需要最新遥感信息时（如航空遥感），应按照遥感图像的特点（如多 波段或多光谱），因地制宜，讲求实效地提出航空遥感的技术指标。在上述遥感技术系统中，遥感器是整个遥感技术系统的核心，表达着遥感技术的水平。 近几年来，商用高分辨率卫星得到快速开展，如：1999年美国发射了 Ikonos卫星，空间分 辨率为1米；2001年发射了 QuickBird卫星，空间分辨率为0.61米。高分辨率卫星数据的 出现不仅为遥感应用提供了新的数据源，而且也使遥感数据可以进入工程应用，以往只有航 空遥感才可能获得的高分辨率影像，现在通过卫星也可以取得，并可应用于大比例尺测图； 传统遥感应用Lands

21、at的TM数据（分辨率仅为30米）只能监测大面积作物的生长趋势， 却很难细分小块作物的种类和长势，而QuickBird等高分辨率卫星数据那么很容易做到这点， 并将使遥感影像的解译工作变得简单、直接；同时，高分辨率卫星数据的获取不受地形条件 的限制，对航空飞机难以到达的偏远山区、条件恶劣地区以及诸如南极等遥远地区均能获得 数据。遥感图像处理各种遥感图像都是由先进的技术系统获取的，信息十分丰富。为了挖掘遥感图像的信息 潜力，提高判释效果，必须用先进技术方法对原始图像进行一系列处理。遥感图像处理主要 包括图像的光学增强和数字图像处理。遥感图像的光学增强是指借助光学技术对图像进行光学增强处理，使图像更

22、为清晰、 目标物体的标志更明显、更易于识别，从而改善图像判读的条件，提高图像的可辨性。目前 常用的光学增强技术有：多波段图像的彩色合成技术、等密度分割加色技术及图像的相关掩 膜增强技术等。数字图像处理是指将数字化的图像输入计算机，由计算机进行各种处理。遥感数字图 像处理的主要设备有：在通用计算机中运用的遥感图像处理系统、以中小型计算机为基础的专用数字图像处理系统和微处理机图像处理系统等。图12-2-3示意了高分辨率遥感卫星数据处理的流程。处理国土,电力.应用规划.测绘.遥感.军事.水利、 通讯.交通,环保.农林对象生成高分辨率遛感数据程卷皆处理国土,电力.应用规划.测绘.遥感.军事.水利、 通

23、讯.交通,环保.农林对象生成高分辨率遛感数据程卷皆 : 一 1 结果输出图12-2-3:高分辨率遥感卫星数据处理的流程图遥感成图遥感成图，是指采用综合制图的原理和方法，根据成图的目的，以遥感资料为基础信息 源，按要求的分类原那么和比例尺来反映与主体紧密相关的一种或几种要素的内容。其主要功 能是：用图形符号客观、系统而完整地反映一定区域内环境与资源的空间分布及时间变化规 律。由于遥感影像与常规测量图件图形有很大的区别，所以，遥感成图一般是指利用遥感像 片来制作专题地图。遥感成图的步骤（1）遥感资料的收集与分析编制专题地图所需的资料范围较广，一般需要收集如下资料：a.遥感资料包括航空像片、卫星像片

24、及它们的底片和磁带，同时还要有拍摄时间、航 高、主距、比例尺、传感器类型和光谱特征等参数。b.编图地区的普通地图 编图地区的普通地图的比例尺应尽量与欲成图的比例尺一致 或稍大于成图比例尺，同时还要注意所提供的图件的现实性和投影性质。c.其他资料 编制一种专题图，还需收集大量有关编制图地区的自然要素和人文要素 的资料，如当地的统计资料、研究报告、政府文件、地方志等。然后对所提供的资料进行整 理、分析，做出质量鉴定后确定其适用性。（2）室内解译a. 了解成图区域的基本情况 查阅有关成图区域的文字资料及图件，以对成图区域有 一个基本了解，如地理位置、气候特征、社会形态、经济状况、文化传统、风土人情、

25、建筑 风格等。b.遥感图像解译遥感图像解译主要包括以下几个方面：.制作影像索引图；.图像的立体观察与量测；.图斑编码；.室内、室外检查及图幅接边。图像信息转绘解译后的分类信息先记录在遥感像片上，然后将所得信息转绘到底图上。转绘的方法有 如下几种:.转绘仪转绘法：此法是将标有专题信息的遥感像片贴于像片架上，同时将底图平置于 桌面上。通过调节放大镜组使图像的比例尺与底图一致，再利用同名地图进行定向配准，然 后即可用转绘仪进行转绘。此种方法虽然简单，但转绘人员需要不断调焦，因而眼睛容易疲 劳。另外，成图精度主要由定向、配准的精确程度和绘图员的细心程度决定。.投影仪法：此法是先将标有专题信息的遥感像片

26、做成缩小像片，然后将缩小像片安 装在单个投影器上，对投影像片和桌面上的底图进行定向、配准，即可进行转绘。此法制作 缩小像片的工作程序较多,缩小像片的信息较原始遥感像片有所损失，转绘时眼睛不需凋焦, 眼睛不易疲劳，但需要暗室作业，时间不宜过长。.量算勾绘法：此法是根据像片和底图上同名地物的位置及相关关系，将像片专题信 息的边界勾画到底图上。此法简单，较易进行，缺点是精度较差。.数字化法：此法是将像片贴在数字化仪上，用手扶跟踪数字化仪将专题信息的边界 点坐标采集到计算机中。先将像片和底图的同名控制点或地物点的坐标输入计算机，同时用 多项式方程建立像片和地图的坐标转换关系，再用手法跟踪数字化仪将专题

27、信息的边界点采 集到计算机，通过编辑处理后由绘图仪转绘出专题图。检核.将所成的图与遥感像片的专题信息进行比较、核对。.将所成的图拿到成图区域进行实地调查，将发生变化的地方加以纠正。清绘、整饰将所成的图按常规成图方法进行清绘、整饰，得到需要的图件数字摄影测量及遥感技术应用数字摄影测量与遥感技术已蓬勃开展成为一个新兴的科学技术领域，属于图 像信息科学和技术范畴，是当代高新技术的重要组成局部，并广泛应用于国民经 济建设与社会开展的多个领域。(1)在国家基础测绘中的应用为了在信息高速公路上表达地理参考，使之与地理和地球有关的空间信息得以在因特网 上准确表达、描述和查询，需要建立国家空间数据基础设施，它

28、也是连接信息高速公路和数 字地球的桥梁，而数字地球空间数据框架又是国家空间数据基础设施的核心和投资最大的项 目。数字地球空间数据框架包括三种类型的数据：数字高程模型、数字正射影像图、数值线 划图(如：道路、水系、境界、大地控制点和地名数据库等)。数字摄影测量与遥感技术为数 字地球空间数据框架的数据采集、更新提供了必要的数据源，并且正在成为数字地球空间数 据框架的数据采集、更新和生产最直接有效的手段。(2)在线路设计中的应用航空摄影测量获得的地形图、断面图和数字高程模型是线路设计的主要资料，高分辨率 的航空或遥感图像可直接或间接地提供大量的各种地物属性信息，提高地质现象和水文要素 的解译精度和可

29、靠性，使道路选线工作更趋自动化。(3)在农林业中的应用利用遥感技术可以进行土地资源的调查与监测；可以识别各类农作物，计算其种植面积, 估计产量；在作物生长过程中，可利用遥感技术分析其生长趋势，以进行及时灌溉、施肥和 收割；当农作物受害时，可以及时预报和防治；可以估算森林面积，调查森林资源；利用红 外遥感可以预报森林火灾面积和隐伏火情情况；还可以监测森林病虫害的灾情。(4)在地质矿产勘察中的应用利用遥感图像的色调、形状、阴影等标志，可解译地质提的类型、地层、岩性、地质构 造等信息，为区域填图提供必要的数据；利用遥感技术可以为矿产资源调查提供重要线索和 依据；在工程地质勘察中，可用于大型堤坝、厂矿

30、和建筑工程选址、道路选线及由地震和暴 雨造成的灾害性地质过程的预测预报；为高寒、荒漠、热带雨林地区的地质工作提供资料; 此外，利用航空和航天遥感还可以用于煤田地区的地质调查，地质填图，寻找煤炭资源，探 测煤矿火灾，及煤矿地面的地质灾害情况和煤矿区域的环境污染情况等。(5)在水文学及海洋研究中的应用遥感技术可以观测水体本身的特征和变化，同时又能对其周围环境的自然地理条件及人 文活动的影响提供全面丰富的信息，为深入研究自然环境和水文现象之间的关系，进而为揭 露水在自然界的运动变化规律提供条件。应用遥感技术可以确定地表江河、湖沼、冰雪、海 洋的分布、面积、水量和水质情况，还可勘测地下水资源的情况；可

31、进行长期的水文情报的 动态监测和预报，如：旱情预报、融雪径流预报、暴雨洪水灾情预报等；卫星遥感获取的海 洋信息量非常的大，可以提供大面积的海面图像，有利于海洋资源普查、大面积测绘制图和 污染监测，能周期性地监视大洋环流、海面温度场的变化、鱼群迁移、潮汐等，可对厄尔尼 诺现象的出现和开展进行预报。卫星与遥感技术1957年，第一颗人造卫星升空，标志着人类进入了太空时代。1968年，美国阿波罗一8 宇宙飞行器发送回了第一个地球影像，从此，人类开始以全新的视角来重新认识自己赖以生 存的地球。基于军事方面的考虑，各主要航天大国相继研制出各种以对地观测为目的的遥感 卫星，并逐步向商用化转移。随着计算机技术、光电技术和航天技术的不断开展，卫星遥感 技术正在进入个能快速、及时提供多种对地观测海量数据的新阶段及应用研究的新领域。 国外主要遥感卫星(1)美