《遥感地质学》全套教学课件

1、遥感地质学 REMOTE SENSING GEOLOGY1/37RS、GIS、GPS遥感（Remote Sensing）地理信息系统（Geographic Information System）全球定位系统（Global Position System）英文名称中最后一个单词均含有“S”，习惯上将这三种技术合称为“3S”技术。5S技术RS GIS GPS 数字摄影测量系统DPS（DigitalPhotogrammetry System） 专家系统ES（Expert System） 5S管理方法整理（Seiri）整顿（Seiton）清扫（Seiso）清洁（Seiketsu）素养（Shitsuke

2、）Google Earth2/37主要内容遥感概念及遥感技术系统遥感物理基础（电磁辐射与电磁波谱）遥感成像原理与遥感图像特征遥感图像处理技术遥感图像地质解译技术（地貌、构造、岩性和地层的解译）遥感技术应用3/37教学目标掌握遥感的概念、遥感的技术系统、遥感的原理与方法。掌握常用遥感图像的特征和图像处理方法。掌握遥感地质解译技术方法。了解遥感技术的应用。4/37参考书目梅安新等.遥感导论.北京：高等教育出版社，2002彭望琭等.遥感概论.北京：高等教育出版社，2003常庆瑞等. 遥感技术导论. 北京：科学出版社. 2004.胡著智等.遥感技术与地学应用.南京：南京大学出版社，2001遥感学报(2

3、0022009)遥感信息（20022009）国土资源遥感（20022009）5/37教学要求理论课30学时实习课10学时实习成绩40，理论考试60。答疑：每周五下午勘查教研室（四教304室）联系方式-mail：6/37遥感地质学章节内容第一章 绪论第二章 遥感物理基础（电磁波谱与电磁辐射）第三章 遥感成像原理与图像特征第四章 遥感图像处理第五章 遥感图像地质解译标志第六章 遥感图像地貌解译第七章 遥感图像的岩性解译第八章 遥感图像构造解译第九章 遥感应用7/37第一章 绪论本章主要内容一、遥感的概念与技术系统二、遥感技术的特点三、遥感的类型四、遥感的历史和发展趋势五、

4、遥感应用六、遥感地质学的研究内容8/37一、遥感的概念与技术系统（一）遥感（Remote Sensing）的概念1、广义遥感 2、狭义遥感3、遥感数据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。（实际工作中，重力、磁力、声波、地震波等的探测被划为物探(物理探测)的范畴）从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身，从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输及其处理分析，来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。遥感与遥测(Telemetry)、遥控（Remote Control）不同，但遥感需要它们来完成。 太阳辐射经过大气层

5、到达地面，一部分与地面发生作用后反射，再次经过大气层，到达传感器。传感器将这部分能量记录下来，传回地面，即为遥感数据。9/37一、遥感的概念与技术系统遥感数据的获取示意10/37数据示例TM图像；黄河入海口，反映泥沙堆积；拍摄时间为1990年。一、遥感的概念与技术系统11/37（二）遥感技术系统（remotesensing technique system）1.遥感系统(信息流系统)： （1）信息源 （2）信息获取 （3）信息接收 （4）信息的处理 （5）信息的应用一、遥感的概念与技术系统12/372.遥感技术系统：遥感平台和遥（传）感器卫星地面接收站图像处理和解译分析(1) 遥感信息源一、遥

6、感的概念与技术系统13/37（2）空间信息的获取一、遥感的概念与技术系统遥感平台 (Platform for Remote Sensing )：安放遥感仪器的载体，包括气球、飞机、人造卫星、航天飞机以及遥感铁塔等。按遥感平台的高度不同，遥感分为近地遥感、航空遥感和航天遥感等。遥感器/传感器( Remote Sensor)：接收与记录地表物体辐射、反射与散射信息的仪器。目前常用的遥感器包括遥感摄影机、光机扫描仪、推帚式扫描仪、成像光谱仪和成像雷达。按其特点，遥感器分为摄影、扫描、雷达等几种类型。遥感器接收到地物目标的电磁波信息，记录在胶片或存储在数字磁带上。14/37（3）遥感数据的接收一、遥感

7、的概念与技术系统地面卫星接收站15/37（4）遥感图像处理硬件系统 计算机 显示器 大容量存储设备 图像输入输出设备软件系统 数据输入模块 几何校正模块 图像变换模块 图像融合模块 图像分类模块 图像分析模块 图像输出模块一、遥感的概念与技术系统16/37（5）遥感信息应用遥感信息提取：是从遥感图像（包括数字遥感图像）等遥感信息中有针对性地提取感兴趣的专题信息，以便在具体领域应用或辅助用户决策。遥感信息分析：指通过一定的方法或模型对遥感信息进行研究，判定目标物的性质和特征或深入认识目标物的属性和环境之间的内在关系。 17/37卫星传感器信息接收、处理用户制图实况调查分析判断地物一、遥感的概念与

8、技术系统18/37二、遥感技术的特点大面积的同步观测 时效性，动态监测，快速更新监控范围数据数据的综合性和可比性 经济性局限性 如一幅Landsat图像，覆盖面积185km185km，在56min内可完成扫描，实现对地的大面积同步观测，影像包含各种地表景观信息，有可见的，也有潜在的。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。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。一般地球资源卫星89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

9、行动等领域的应用，反映了遥感方法的时效性优势。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。从投入的费用与所获取的效益看，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，具有很高的经济效益和社会效益。如Landsat卫星的投入与效益比估计为1:80。 1）分辨率、清晰度；SPOT可达1米；2）电磁波段有限，只能分段使用，传感器灵敏度问题；3）不能缺少实地调查验证。 19/37三、遥感的类型 按遥感平台分类：地面遥感、航

10、空遥感、航天遥感 按传感器的探测波段分类： 按传感器的工作方式分类： 按数据的获取方式分类：成像遥感和非成像遥感 按波段宽度和连续性分类：宽波段遥感/高光谱遥感 按应用领域分类（） 环境遥感、城市遥感、农业遥感、林业遥感、海洋遥感、地质遥感、气象遥感、军事遥感、考古遥感等。 20/37四、遥感的历史和发展趋势（一）遥感发展历史概况（二）遥感发展趋势（三）中国遥感事业发展状况25/37五、遥感的应用（一）遥感在资源调查方面的应用（二）遥感在环境监测评价等方面的应用（三）在区域分析及建设规划方面的应用（四）遥感在全球性宏观研究中的应用（五）遥感在其它方面的应用29/37六、遥感地质学的研究内容1、

11、遥感地质学研究对象2、遥感地质学研究目的3、遥感地质学研究内容4、遥感地质学研究方法5、遥感地质学发展前景遥感地质学是遥感技术与地球科学结合的新学科、边缘学科、地学分支。地质学界对中国遥感的发展起到了很大的作用：70年代中期开始引进卫星遥感资料、筹建中央、省级遥感中心；80年代在煤炭、核能、有色金属、海洋地质、地质灾害部门应用扩大。地质遥感经历了从航空到卫星、目视解译到计算机辅助分类与制图、单项分析到多维综合研究、间接标志统计相关到遥感信息机理探索、定性到定量的发展。地球表面和表层地质体（岩石、断裂构造等）、地质现象（如火山喷发）的电磁辐射的各种特性。有效识别地质体物性、运动状态。为地质构造研

12、究、矿产资源勘察、区调、环境、灾害地质监测（1）各类地质体和电磁辐射（反射、吸收、发射等）特性，及测试、分析与应用；（2）遥感数据资料地学信息提取原理与方法；（3）遥感图像的地质解译与编图；（4）遥感技术在地质各个领域的具体应用和实效评价。地物波谱测试方法、数理统计相关分析方法、模拟试验方法、模式识别与视觉效应的方法、地学（地质、地理、地貌、地图学）的有关研究分析方法。（1）快速、省廉、有效的地学信息处理、提取、分析方法；如GIS、专家系统、新图像处理增强方法的开发。（2）已有地学领域的深化，如矿产资源调查应用、区域构造分析、遥感地质制图；新领域的开拓，如深部构造分析、环境地质（灾害、城市地质

13、）遥感应用。（3）遥感地质机理研究，遥感地学信息传输、巨大环形构造形成机理。结束36/37地面遥感、航空遥感、航天遥感近地面遥感：距地面高度在1000米以下的遥感，以系留气球、航模飞机、飞艇（5001000米）、遥感铁塔(30400米)、遥感长臂车（825米）等为遥感平台，主要用于对大气辐射校正和光谱特性测试，以辅助高空遥感器的波谱选择、辐射校正和为图像判读分析提供参考。遥感铁塔还可用于海面污染和森林火灾监测。另外，还有火箭和高空气球遥感，这些一般只作为辅助手段，以快速获取短暂的局部性的大气或地面信息。航空遥感（air remote sensing）：又称机载遥感。指在飞机的飞行高度上利用飞机

14、携带遥感仪器的遥感，包括距地面高度60010000米的低、中空遥感和1000025000米的高空、超高空遥感。现代的航空遥感技术已经由常规的航空摄影发展到综合运用多种探测手段，如紫外、红外摄影，多光谱扫描，热红外扫描，微波侧视雷达探测等。与航天遥感相比，航空遥感的主要优点是机动性强。可以根据研究主题选用适当的遥感器、选择适当的飞行高度和飞行区域 。航天遥感（space remote sensing)：又称卫星遥感。泛指从人造卫星轨道高度上对地球表面的遥感。目前使用的运载工具有：地球资源、海洋、气象等专题卫星、航天飞机、宇宙飞船、航天空间站等。与航空遥感相比，航天遥感的主要优点包括：覆盖范围大、

15、不受领空限制、可进行定期重复的轨道观测等。卫星图像的分辨率（通常指单个像元所包含的地面矩形区域的单边平均边长）随卫星轨道高度、所载遥感器的类型等不同而异，1999年9月美国发射的IKONOS-2卫星，可以提供空间分辨率为1米的图像。但随着空间分辨率增高，由于轨道高度降低而缩短卫星寿命以及数据量加大等原因，图像数据成本大大提高，所以应当根据研究主题选择适当分辨率的图像数据。三、遥感的分类返回21/37按传感器的探测波段分类紫外遥感（ultraviolet remote sensing）：0.3 0.4 可见光遥感 (visible spectral remote sensing)： 0.38 -

16、 0.76 红外遥感 (infrared remote sensing)： 0.76 1000 微波遥感 (microwave remote sensing)： 1mm 1m多波段遥感 (multispectral remote sensing) ：也称多光谱遥感，利用多通道遥感器，同步获取地面同一区域的分波段图像数据的技术。通常用的多光谱扫描仪将可见光和红外波段分割成几个到十几个波段，在需要的时候可以按照特定的合成方案合成为彩色图像。传感器由若干个窄波段传感器组成。三、遥感的分类返回22/37按传感器的工作方式分类主动遥感 (active remote sensing)：又称有源遥感，传感器

17、从遥感平台主动发射出能源，然后接收目标反射或辐射回来的电磁波。如微波遥感中的侧视雷达。其主要优点是不依赖太阳辐射，可以昼夜工作；而且可以根据探测目的不同，选择不同的波段和发射方式。被动遥感（passive remote sensing）：又叫无源遥感。指传感器不向目标发射电磁波，仅从远距离被动的接收和记录目标物自身发射的电磁波（主要是热辐射），继而获取该目标物波谱特征的技术。通常把接收和记录目标物所反射的以太阳辐射为主的电磁波的“它动遥感”也归入被动遥感的范畴。普通航空摄影、多光谱扫描、热红外扫描以及辐射测量等是常用的被动遥感手段 。三、遥感的分类返回23/37按波段宽度和连续性分类宽波段遥感

18、（常规遥感）： 波段宽度一般大于100nm，且波段不连续;高光谱遥感： 利用很多狭窄的电磁波波段（波段宽度通常小于10 nm）产生光谱连续的图像数据。三、遥感的分类返回24/37四、遥感的历史和发展趋势（一）遥感发展历史概况遥感科学是20世纪60年代发展起来的。美国海军研究局Evelyn L. Pruitt提出遥感(Remote Sensing)一词。1961年，美国国家科学院、国家研究理事会在Michigan大学“环境遥感国际讨论会”。遥感发展的四个阶段：- 无记录的地面遥感阶段(1608-1838)- 有记录的地面遥感阶段(18391857)- 空中摄影遥感阶段(18581956)- 航天

19、遥感阶段(1957- )1608年，汉斯李波尔赛制造了世界上第一架望远镜。1609年，伽里略制作了放大倍数3倍的科学望远镜，从而为观测远距离目标奠定了基础，促进了天文学的发展，开创了地面遥感新纪元。但仅仅依靠望远镜观测的缺点是不能把观测到的事物用图像的方式记录下来。1839年，Daguarre （达格雷）发表第一张用胶片拍摄的照片；1849年，法Aime. Laussedat制定了摄影测量计划。1858年，法国人GF陶纳乔（Gaspard Felix Tournachon）用气球携带照相机拍摄了巴黎的空中照片。被认为是遥感的萌芽阶段。G. F. Tournachon (1820-1910)17

20、00ft拍摄的巴黎（1858）1860年，美James Wallace Black人乘气球拍摄到了美国Boston城市1903年，Julius Neubronner用飞鸽摄影。1906年，G.R. Laurence风筝摄影旧金山大地震后情景1903年，莱特兄弟发明飞机，为航空遥感创造了条件。1909年，W莱特首次利用飞机在意大利的森托塞尔上空拍摄地面照片。1913年，利比亚，Bangashi油田测量使用了遥感。维也纳国际摄影测量学会会议，飞机摄影测绘地图。第一次世界大战（19141918）航空照相技术用于军事侦察、获取军事情报。一战后转向商用、科研。美国、加拿大成立航测公司。美国出版了摄影测量

21、工程。1930年，美国农、林、牧业用航空摄影测量制定规划。1924年出现彩色胶片，1935年投入市场， 1937年，出现了彩色航空像片。第二次世界大战（19391945）军事空中侦察航空摄影。美国出现军事地图、苏用于军事决策。微波雷达出现、红外技术应用。1941年，A. J. Eardey 航空像片应用与判读。J. W. Bagley 航空摄影与航空测量。二战后，美国大学开设航空摄影与像片判读课程；1949年国际地理学会设立了航空像片应用专业委员会。 1957年10月4日，苏联发射第一颗人造地球卫星，人类从空间观测地球。1959年9月美国先驱者二号拍摄了卫星“云图”；10月苏月球三号拍摄到月背

22、照片。1960年，TIROS1，NOAA1太阳同步气象卫星，开始对地长期观测。这是20世纪50年代末从阿波罗卫星拍摄的地球全貌图像。返回26/37（二）遥感发展趋势四、遥感的历史和发展趋势（1）遥感平台：多平台共存航空遥感已经业务化。航天平台形成系列（载人空间站、空间实验室、返回式卫星及航天飞机；地球同步卫星、太阳同步卫星，低轨道卫星、高轨道卫星，大型、小型卫星）。（2）传感器：多分辨率、多波段传感器并存单一谱段多谱段发展（扩大、细分）。红外、微波遥感发展。空间分辨率提高，如IKONOS达1m。数字成像技术。多种探测技术集成：雷达、多光谱成像与激光测高，GPS实时测图。（3）遥感信息处理：全数

23、字化、可视化、智能化、网络化光学处理与光电子学影像处理到数字成像技术和计算机图像处理技术；光存贮器、计算机与专业图像处理软件（PCI、ERDAS、ENVI、ERMAPPER、IDRISI、INTERGRAPH）相结合；信息提取、模式识别引入邻科方法如分形理论、小波变换、人工神经网络；多源数据、遥感与非遥感数据的融合。但目前处理量仍然很小，5%。 RS、GPS、GIS有机结合构成系统集成。 （4）应用方面：应用广泛，从定性到定量发展空间遥感气象、海洋（渔业、交通、生态）、环境（城市化、沙漠化、土地退化、盐渍化、污染）、资源（矿产、土地、森林草场、野生、水、农业估产）、灾害监测（水、火、地震、气象

24、、农业病虫害、地质）、工程建设、军事行动。外层空间探测。“3高”：高波谱分辨率：100nm 20nm10nm6nm；高空间分辨率： 80m30m20m10m5m 1m0.61m0.47m0.27m；高时间分辨率：26天18天16天1天2次/天。 返回27/37（三）中国遥感事业发展状况四、遥感的历史和发展趋势7080年代起步、8090年代试验应用、90年代以后实用化、产业化 1航空摄影：20世纪30年代个别城市，50年代开始系统进行地形图、铁道、地质、林业等的调查、勘测、制图。 70年代以后航空摄影测绘已经形成业务化， 70年代末地形图更新。270年代以后航天遥感与专题遥感试验与应用研究197

25、0.4.24东方红一号，太阳同步“风云一号”FY-1A、1B，地球同步“风云二号”FY-2A、2B，返回式遥感卫星。1999.10.14中巴地球资源遥感卫星CBERS-1。北斗1、2号定位导航（实验卫星）。清华1号小卫星，小卫星成发展趋势。 1986年，遥感卫星地面站可以接收美Landsat、法SPOT、加RADARSAT、中巴CBERS等7颗卫星的遥感数据（昌平接收站）。数十个气象卫星接收站。 同时进行大量的新型传感器试验和系统集成试验，前者有机载地物光谱仪、多光谱扫描仪、红外扫描相机、成像光谱仪、真实孔径合成孔径侧视雷达、微波辐射计、激光高度计。后者如GPS空间定位、高程数据、三维、灾情实

26、时动态监测。3信息处理：软件应用由使用国外软件到国产化photo mapper。专题图像处理软件如SAR（合成孔径雷达）的开发。新方法应用如新算法分形几何学、人工神经元网络、小波变换、专题信息提取。4应用：广泛探索和应用试验：综合、农业、渔业，地物光谱研究各地区、各部门：农业生产条件、作物估产、国土资源调查、土地利用、水土保持、森林资源、矿产资源、草场资源、渔业资源、环境评价、工程勘测与建设。有关机构：科技部国家遥感中心。中科院遥感院所。军事部门科协学会专业委员会、分会。省市、区遥感中心、应用协会。大量出版物。教育140余所高校开设有关遥感课程经济效益：省时1/8、省金1/3、省力（人力）1/

27、16政府支持，重点科技攻关、863攻关计划。返回28/37（一）遥感在资源调查方面的应用五、遥感的应用1. 在农业、林业方面的应用：农、林土地资源调查、病虫害、土壤干旱、盐化沙化的调查及监测。 土地利用类型调查 作物估产 三北”防护林遥感综合调查：在包括西北大部、华北北部和东北西北部总面积为128万平方公里的“三北”造林一期工程的调查中，完成了对现有防护林类型、分布、面积和保存率；草地数量、质量和分布；土地资源类型、分布、数量及利用现状的调查。提供了200余幅各类遥感专题系列图，并建成了全区资源与环境信息系统，为掌握防护林区现状、林区的进一步发展和规划奠定了基础。2. 遥感在地质、矿产方面的应

28、用： 客观真实地反映各种地质现象，形象地反映区域地质构造，在地质找矿、工程地质、地震地质、水文地质和灾害地质调查中得到广泛应用。3.在水文、水资源方面的应用： 水资源调查、流域规划、水土流失调查、海洋调查等。 青藏高原水资源调查返回30/37（二）遥感在环境监测评价等方面的应用1.在环境监测方面的应用 污染物位置、性质、动态变化及对环境的影响； 长江三峡库区环境本底调查、环境演变分析、动态监测等。2.在对抗自然灾害中的应用 灾害性天气的预报 旱情、洪水、滑坡、泥石流和病虫害 森林火灾监测与森林管理返回五、遥感的应用31/37（三）在区域分析及建设规划方面的应用1. 三北防护林等都是遥感区域分析

29、的典范。2. 城市化和城市遥感的兴起：城市土地利用、环境监测、道路交通分析、环境地质、城市规划等。返回五、遥感的应用32/37（四）遥感在全球性宏观研究中的应用五、遥感的应用全球性问题研究：人口问题、资源危机、环境恶化等。全球性气候研究和灾情预报、世界冰川的进退。利用GPS监测和研究板快的运移；深大断裂活动。33/37POPULATION CHANGELas Vegas, 1964Las Vegas, 1972Las Vegas, 1986Las Vegas, 1992返回34/37（五）遥感在其它方面的应用1.在测绘制图方面的应用2.在历史遗迹、考古调查方面的应用3.在军事上的应用（遥感技术

30、是现代战争的“制高点”）返回五、遥感的应用 卫星遥感可以覆盖全球的每一个角落 重复探测，可以进行动态制图和动态分析 可以缩短成图周期，降低制图成本 数字卫星遥感信息可直接进入计算机进行处理， 省去了图像扫描数字化的过程 改变了传统的从大比例尺逐级缩编小比例尺地图 的逻辑程序35/37 遥感考古：利用遥感技术观察、探测考古遗迹。 2006年国家科技支撑计划项目京杭大运河寻址遥感(包括地球物理勘探技术)可以用紫外线、可见光、红外线、热红外、微波等电磁波来探测地表及地下的物体。 2006年4月至5月，国家博物馆遥感与航空摄影考古中心和内蒙古文物考古研究所首次对内蒙古额济纳旗居延遗址群进行大范围航空摄

31、影考古调查。 科研人员花了28天。内蒙古额济纳旗地处内蒙古西部，境内自然环境恶劣，沙漠戈壁为主要地貌。居延遗址群分散在约1万平方公里的地域内，道路不畅，科考人员很难进入实地做详实探查。本章主要内容1、遥感的基本概念2、遥感探测系统的组成部分3、遥感与常规调查手段相比所具有的特点4、遥感地质学的研究内容从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身，从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输及其处理分析，来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。遥感技术系统：遥感平台和遥（传）感器，地面接收站，图像处理和解译分析大面积的同步观测 时效性好，动态监测，快速更新监控范围

32、数据数据的综合性和可比性 经济性局限性（1）各类地质体的电磁辐射（反射、吸收、发射等）特性，及测试、分析与应用；（2）遥感数据资料地学信息提取原理与方法；（3）遥感图像的地质解译与编图；（4）遥感技术在地质各个领域的具体应用和实效评价。37/37遥感地质学 REMOTE SENSING GEOLOGY遥感物理基础（1）电磁波谱与电磁辐射河北工程大学资源学院遥感地质学章节内容第一章 绪论第二章 遥感物理基础（电磁辐射与电磁波谱）第三章 遥感成像原理与图像特征第四章 遥感图像处理第五章 遥感图像地质解译标志第六章 遥感图像地貌解译第七章 遥感图像的岩性解译第八章 遥感图像构造解译第九章 遥感应用上

33、次内容回顾1、遥感的基本概念2、遥感探测系统的组成部分3、遥感与常规调查手段相比所具有的特点4、遥感地质学的研究内容从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身，从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输及其处理分析，来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。遥感技术系统：遥感平台和遥（传）感器，地面接收站，图像处理和解译分析大面积的同步观测 时效性好，动态监测，快速更新监控范围数据数据的综合性和可比性 经济性局限性（1）各类地质体和电磁辐射（反射、吸收、发射等）特性，及测试、分析与应用；（2）遥感数据资料地学信息提取原理与方法；（3）遥感图像的地质解译与编图；

34、（4）遥感技术在地质各个领域的具体应用和实效评价。第二章 遥感物理基础 本章主要内容电磁波谱与电磁辐射的概念地球大气对电磁辐射传输的影响地球辐射与地物波谱特征彩色原理（色度学）一、电磁波谱与电磁辐射电磁波谱电磁波的概念电磁波的性质电磁波谱的概念电磁辐射电磁辐射的度量电磁辐射规律电磁波的概念电磁波：也叫电磁辐射，是电磁振荡在空间的传播。一、电磁波谱与电磁辐射什么是波？波（波动）：波是振动在空间的传播，各质点在平衡位置振动而能量向前传播的现象。按介质质点传递能量的方式波分为：机械波：声波、水波和地震波电磁波：由振源发出的电磁振荡来传播传递能量。按质点振动方向与波的传播方向的关系，波分为横波和纵波1

35、864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。根据麦克斯韦理论，任何变化的电场周围都会产生变化的磁场，而变化的磁场又会在它周围感应出变化的电场。电场和磁场相互激发并向外传播，这就是电磁波。1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。电磁波的电场强度E、磁感应强度M、传播方向C之间始终保持垂直的关系。是一种横波。电磁波可以用波长（频率）、强度、传播方向、偏振面这四个物理量加以描述。电磁波的性质1.电磁波不需要介质，在真空中以光速传播，并满足以下关系式：一、电磁波谱与电磁辐射2.电磁波在不同介质中

36、传播时会产生一系列现象：反射、折射、吸收、透射、散射。3.电磁波的叠加原理和相干性4.电磁波的衍射5.电磁波的偏振（极化）一、电磁波谱与电磁辐射电磁波的性质叠加：当振动方向和振动频率均不同的多列波在空间相遇时，相遇点的复合振动等于各列波在该点的矢量和，而在其它位置每一列波仍保持原有的特征，因此，波的传播是独立的，这就是叠加原理。相干：两列频率、振动方向、相位都相同或相位差恒定的电磁波叠加时，某些部位处于振动永远加强，而另一些部位则处于振动永远减弱或完全抵消的现象。波长较长的电磁波干涉现象较明显，利用干涉微波技术，可以记载微波的相位信息，这一技术已运用于微波干涉雷达测量三维地形上。相干作用的结果

37、使得影像产生颗粒状或斑点，影响人们对图像的解译。电磁波在传播过程中绕过障碍物而传播到其背后的现象称为衍射。在设计遥感器物镜的孔径时要考虑衍射问题。电磁波是交变电磁场在空间的传播，在传播过程中，电场强度、磁感应强度和传播方向三者之间始终保持垂直。在遥感技术中，人们更重视电场强度在传播中发生的变化，因为只有电场强度才对感光材料产生感光作用和对人的视觉产生生理作用。通常电场强度在垂直于传播方向的平面上，各向振幅是相等的，若其总是固定在某个方向振动，则称为电磁波在该方向被极化（偏振）。电场矢量与入射面（地面）法平面关系有：水平极化H方式：二者互相垂直垂直极化V方式，二者互相平行极化现象是影响微波图像灰

38、度的一个重要因素，主要应用于偏振摄影、雷达成像和激光技术中。6.电磁波的色散7.电磁波的多普勒效应8.电磁波的波粒二象性一、电磁波谱与电磁辐射电磁波的性质电磁波在真空中传播时，波速与波长、频率无关。但当进入介质时，不同波长的光波在同一介质中的波速就有差异。例如，太阳光在通过棱镜后分解为七色光，这就是色散现象。电磁辐射源与观察者相对运动引起电磁辐射频率改变的现象。电子测速原理。 波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播，主要表现在它的时空周期性，可以用波长、速度、周期和频率来表示，主要表现在干涉、衍射、偏振、折射等现象。粒子性：它是由密集的光子微粒流组成的，电磁辐射的实质是光子微粒流的有规律的运动

39、。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性。光电效应、康普顿效应（X射线被轻物质散射出现了波长大于原波长的现象，光子与电子碰撞理论）波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。短波主要表现为粒子性，长波则表现为波动性。电磁波谱定义：各种电磁波按其波长（或频率）的大小依次排列形成的图表，就叫电磁波谱。一、电磁波谱与电磁辐射各类电磁辐射的产生机理以及它们与物质的相互作用特点一、电磁波谱与电磁辐射电磁波谱遥感常用的电磁波波段紫外波段可见光波段红外波段微波紫外波段：0.01-0.38m，波长小于0.28m的紫外线，在通过大气层时被臭氧层及其它成

40、分吸收。只有波长0.28-0.38m的紫外线，部分能穿过大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，可以作为遥感的辐射源，称为摄影紫外。碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光波段：0.38-0.76 m，人的视觉能见到的电磁波段，可以用棱镜分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。可用摄影、扫描等各种方式成像。鉴别地物特征的主要波段。是遥感最常用的波段。红外波段 ：0.76-1000 m。 近红外：0.76-3.0 m，近红外又称光红外或反射 红外：0.76-1.3 m可使胶片感光，摄影红外。 中红外：3.0-6.0 m； 远红外：6.0-15.0 m；中红外和远红外又称热红外，可以探测地物的温度及与温度有

41、关的性质。 超远红外：15-1000 m。微波：1mm-1m。毫米波1mm-10cm，厘米波1cm-10cm，分米波10cm-1m。微波遥感的最大优点是它的全天时和全天候能力。由于微波的穿透能力较可见光和红外波为强，所以它不怕云、植被及其他人为遮蔽物的阻挡。但由于微波的波长较长，因而所获的图像空间分辨率较低，针对微波遥感这方面的弱点，许多相应的改进技术一直在发展中，比如各种相干信号处理技术（合成孔径技术、相控技术等）等。 微波遥感有主动与被动之分，具有穿透能力强，发展潜力大。在农林、地质、水文、考古和全球环境探测中都有重要应用。一、电磁波谱与电磁辐射电磁波谱电磁辐射的度量电磁辐射源电磁辐射的度

42、量一、电磁波谱与电磁辐射任何物体都可以向外辐射电磁波。自然辐射源：太阳、地球。人工辐射源：雷达、激光、燃烧的炉子、X射线发生器。辐射是能量，电磁波传播的是电磁能量。遥感探测就是测定辐射能量（光度）。辐射能量（W）辐射通量（）辐射通量密度（E）辐照度（I）辐射出射度（M）辐射亮度（L）电磁辐射的能量，单位J单位时间内通过某一面积的电磁辐射的能量，单位W。光通量单位为流明lm。单位时间通过单位面积的辐射能量。辐照度（I）： 被辐射物体表面单位面积上的辐射通量；辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。辐射亮度（L）：面状辐射源在某一方向上单位投影面积、单位立体角内的辐射能量。单位是W/

43、(sr.m2)朗伯源：辐射亮度L与观察角度无关的辐射源。如粗糙的表面（近似），涂MgO的表面（近似）用作光谱测量的标准板，太阳（近似），绝对黑体。电磁辐射的规律热辐射黑体辐射实际物体辐射太阳辐射和地球辐射一、电磁波谱与电磁辐射绝对黑体黑体辐射规律普朗克公式 斯忒藩-玻尔兹曼定律 维恩位移定律热辐射：由物体内部粒子热运动产生的电磁辐射，（红外辐射：任何温度高于绝对零度的物体都存在着分子热运动，并能产生中、远红外的电磁辐射）。热辐射能量的度量：温度。理想的标准热辐射体参照源绝对黑体。在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（即全部吸收100% ）的物体称为“绝对黑体”，简称“黑体”，也

44、称“普朗克辐射体”。热辐射自然界不存在绝对黑体，黑色的烟煤、恒星、太阳是接近绝对黑体的辐射源。黑体辐射规律1、普朗克公式 2、斯忒藩-玻尔兹曼定律 3、维恩位移定律一、电磁波谱与电磁辐射1、普朗克公式：描述黑体辐射出射度与温度、波长分布的关系。 一、电磁波谱与电磁辐射黑体辐射规律不同温度下的黑体辐射2、斯忒藩-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律: 绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。 M(T)T4 式中为斯忒藩波尔兹曼常数， 5.67108 W/(m2K4） 一、电磁波谱与电磁辐射黑体辐射规律3、维恩位移定律(Wiens displacement law) 黑体的光谱

45、出射度极值对应的波长max与温度T成反比。 式中b为常数，b2.898103（mK） 该定律反映出，随着黑体温度的升高（或降低）， max向短波（或长波）方向变化。一、电磁波谱与电磁辐射黑体辐射规律黑体辐射的三个特性辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长越往左移即向短波方向移动。一、电磁波谱与电磁辐射黑体辐射规律实际物体辐射基尔霍夫定律实际物体辐射公式物体的热惯量按发射辐射特征，物体分为：黑体灰体选择性辐射体一、电磁波谱与电磁辐射实际物体的比辐射率（发射率、吸收系数）：实际物体辐射出射度与黑体辐

46、射出射度之比。黑体：它的发射辐射最大（发射率为1）发射率与波长无关，反射率、透射率均为0；灰体(grey body)：对于各种波长的电磁波，吸收系数为常数（即吸收系数与波长无关）的物体称为“灰体”。其吸收系数介于0与1之间。选择性辐射体（selective body），发射本领随波长的变化而变化的物体（具有选择性吸收）。这类辐射体的辐射频谱曲线有明显的最大值和最小值。 基尔霍夫定律： 在给定温度下，任何物体的辐射出射度与吸收系数之比是一个常数。一、电磁波谱与电磁辐射实际物体辐射由基尔霍夫定律可知： 温度相同的甲乙两物体，对于某波长的辐射，如果甲比乙吸收的多，则甲比乙发射的也多； 物体不吸收某波

47、长的辐射，也就不发射该波长的辐射； 一般物体的热辐射出射度小于同温度的绝对黑体的辐射出射度。实际物体辐射公式：M(,T)=M0黑体=1，与波长无关。黑体不一定是黑色。灰体实际物体辐射太阳辐射： 是可见光和近红外的主要辐射源；是可见光及近红外遥感的主要辐射源；常用5900k的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大，从0.2m到3.0m。地球大气层对太阳辐射有吸收、反射和散射作用。地球的电磁辐射： 大于6m的波长，主要是地物本身的热辐射；是远红外遥感的辐射源。 3-6m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。一、电磁波谱与电磁辐射实际物体辐射本节主要内容电磁辐射是遥感技术的物理基础。电磁波谱的概念遥感中常用

48、的电磁波波段黑体的概念实际物体电磁辐射规律M= M0(，T)电磁波谱是各种电磁波按其波长（或频率）的大小依次排列形成的图表。紫外波段：0.280.38m可见光波段：0.380.76m紫蓝青绿黄橙红红外波段：0.761000m近中远超微波：11000mm在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（即全部吸收100% ）的物体称为“绝对黑体”，简称“黑体”。遥感地质学 REMOTE SENSING GEOLOGY遥感物理基础（2）地球大气对太阳辐射传输的影响河北工程大学资源学院1/22遥感地质学章节内容第一章 绪论第二章 遥感物理基础（电磁波谱与电磁辐射）第三章 遥感成像原理与图像特征第

49、四章 遥感图像处理第五章 遥感图像地质解译标志第六章 遥感图像地貌解译第七章 遥感图像的岩性解译第八章 遥感图像构造解译第九章 遥感应用2/22第二章 遥感物理基础 本章主要内容电磁波谱与电磁辐射的概念地球大气对太阳辐射传输的影响地球辐射与地物波谱特征彩色原理（色度学）3/22上节主要内容电磁辐射是遥感技术的物理基础。电磁波谱的概念遥感中常用的电磁波波段黑体的概念实际物体电磁辐射规律M= M0(，T)电磁波谱是各种电磁波按其波长（或频率）的大小依次排列形成的图表。紫外波段：0.280.38m可见光波段：0.380.76m紫蓝青绿黄橙红红外波段：0.761000m近中远超微波：11000mm在任

50、何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（即全部吸收100% ）的物体称为“绝对黑体”，简称“黑体”。二、地球大气对太阳辐射传输的影响太阳辐射地球大气对太阳辐射传输的影响大气层的结构大气的成分大气对太阳辐射传输的影响大气窗口5/22本节主要内容太阳辐射是被动遥感主要的辐射源。地球大气对太阳辐射的传输影响有吸收作用、散射作用、反射作用和折射作用。大气窗口的概念主要大气窗口大气对太阳辐射的影响特征如何在遥感中应用？结束21/22电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透过率较高的波段，称为大气窗口。（1）可摄影波段0.31.3m，紫外、可见光、近红外；（2）近红外波段1.52.5m，

51、1.51.75m和2.12.4m；（3）中红外波段3.05.0m，3.54.2m和4.65.0m；（4）远红外波段8.014.0m；（5）微波波段0.8100cm。1、选择大气窗口。2、认识大气传输对遥感图像判读的影响：大气散射使短波波段（如0.5-0.6m）的地物影像增加亮度，使景物反差减小；大气的吸收使长波波段（如0.8-1.1m）减低亮度。3、为图像恢复或辐射校正提供依据。太阳辐射太阳辐射：即太阳光，是遥感主要的辐射源。太阳常数：不受大气影响，在地球大气上界垂直于太阳辐射方向上，单位面积和单位时间所接收到的太阳辐射能量。I1360W/m2在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线太阳光相当于6

52、000 K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47 m左右；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 3.0 m波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。二、地球大气对太阳辐射传输的影响返回6/22大气层结构从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在712 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在1250 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高

53、度在501 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：80035 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。二、地球大气对太阳辐射传输的影响返回7/22大气成分 大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 悬浮微粒：尘埃返回8/22地球大气对太阳辐射传输的影响大气的吸收作用大气的散射作用大气的反射作用大气的折射作用返回9/22大气的吸收作用： 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。大气的吸收作用O2吸收带0.2m，0.155

54、m最强O3吸收带0.20.36 m，0.6 mH2O吸收带0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO2吸收带1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m尘埃吸收量很小返回10/22大气的散射作用不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：d 11/22瑞利散射（RAYLEIGH SCATTERING）当大气中粒子的直径比波长小的多时发生的散射。这种散射主要由大气中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧

55、分子等引起。特点是散射强度与波长的四次方成反比I-4。12/22米氏散射（MIE SCATTERING） 当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射，由烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比，即I-2，且散射在光线向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性较明显。云、雾的粒子大小与红外线（0.7615m）的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。因此，潮湿天气米氏散射影响较大。13/22无选择性散射（NON-SELECTIVE SCATTERING）当大气中粒子的直径比波长大的多时发生的散射。这种散射的特点是散射强度与波长无关，因此，在符合无选择性散射

56、条件的波段中，任何波长的散射强度相同，因此称为无选择性散射。14/22散射与波长的关系对大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近紫外。对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外都有影响，当波长进入红外波段后，米氏散射的影响超过瑞利散射。大气云层中小水滴的直径相对较大，对可见光只有无选择性散射发生，大气层越厚，散射越强，对于微波，它的波长比大气中微粒大，主要出现瑞利散射。返回15/22大气的反射作用电磁波传播过程中通过两种介质的交界面上时，还会出现反射现象。而通过大气时，气体、尘埃反射作用很小，反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，而且各个波段均受到不同程度的影响，严重地削弱了电磁

57、波强度。 当云层厚度达50m时，反射量达50以上，厚度为500m时，反射量超过80。另外，大气中直径大于10-6m的微粒也会产生反射作用。返回16/22大气的折射作用折射现象：传播方向改变，电磁波在大气中传播轨迹实际上是一条曲线。朝日大还是中日大？返回孔子东游，见两小儿辩斗，问其故。一儿曰：“我以日始出时去人近，而日中时远也。”一儿曰：“我以日初出远，而日中时近也。”一儿曰：“日初出大如车盖。及日中，则如盘盂，此不为远者小而近者大乎？”一儿曰：“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎？”孔子不能决也。两小儿笑曰：“孰为汝多知乎？”17/22折射角度大。大气窗口大气窗口主要大气窗

58、口和遥感波谱通道(波段)：P13表2-4（1）0.3-1.3m：紫外波段、可见光波段、近红外波段（2）1.5-2.5m：近红外波段（3）3.0-5.0m：中红外波段（4） 8-14m：远红外波段（5）0.8-100cm：微波波段电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透过率较高的波段，称为大气窗口。包括部分紫外（0.30.38m）、全部可见光（0.380.76m）及近红外波段（0.761.3m），是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，比如，Landsat 卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。电磁波信息来自地面目标物的反射光谱；可以用摄影方式来获得和记

59、录地物的电磁波信息 ；电磁波的透射率在90以上。近红外窗口，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。 电磁波信息仍来自地面目标物的反射光谱，但不能用胶片摄影，只能用扫描仪和光谱仪以及射线测试仪来测量和记录；由于水汽、二氧化碳等的作用，1.8m附近有一个吸收带，因此使此窗口又分为两个小窗口1.51.75m和2.12.4m。中红外波段，物体的热辐射较强。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93m探测海面温度，获得昼夜云图。中红外波段电磁波信息由地面物体反射太阳辐射和地面物体自身的发射辐射混合而成，用扫描仪和光谱仪探

60、测和记录；也分为两个小窗口：3.54.2m透过率为95，4.65m透过率约为6070。远红外波段：主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。远红外波段：探测或记录目标物的发射光谱，利用扫描仪和热辐射计、光谱计；是地表物体在常温下辐射能量最强的波段；在9.6m附近处，分为两个小窗口，透射率约在6080。微波波段：其常用的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm等等, 有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm波段。其特点是：微波穿云透雾的能力强，这一区间可以全天候工作；主要用于主动遥感，如侧视雷达。18/2219/22地球大气对太阳辐射传输特性的遥感应用：1.选择大气