遥感科学-可见光-近红外遥感完整版

《

遥感科学

》

可见光近红外遥感《

遥感科学

》内容提纲（一）摄影系统一.

航空像片的几何性质二.

彩红外航空像片的光学性质（二）扫描成像系统一

.

光

—

机

扫

描

系

统

(

Optical—mechanical

Scanning

System

)1．成像原理2．Landsat/TM、ASTER、AVHRR、风云卫星、MODIS

二.

推扫式扫描系统

(

Push—broom

Scanning

System

)

1．

成像原理2．SPOT、QickBird、IKONOS、CBERS-1、BEIJING-1三.

成像光谱(

Imaging

Spectrometry

)光学遥感系统摄影系统

—

照相机—黑白天然彩色红外彩红外其它光学遥感系统可见光

—

反射红外遥感热红外遥感扫描系统电子扫描系统

—

TV

摄象机LANDSAT

/

MSS

LANDSAT

/

TM、ETM+光机扫描系统NOAA

/

AVHRRFY

/

AVHRRSPOT

/

HRG推扫式扫描系统CBERS-1、2

等光机扫描型成像光谱仪

—推扫型（一）摄影系统摄影系统选用光学摄影波段（紫外—近红外，

0.3--0.9μm）

的电磁辐射能量，通过照相机直接成像。因为紫外(0.3--0.38μm)多被大气吸收与散射

，目前较少被遥感利用

。摄影系统是一种分幅成像系统。一幅像片为瞬间成像，多

为中心投影。因地面常有起伏、多数物体具有高度、像片又有

倾斜，所以会产生像点位移、图像变形。变形规律：

以像主点（相片上框标连线的交点，或者相机主光轴

对应相片上的点。

）为中心呈辐射状，越往边缘变形越大；地形起

伏越大变形越大。像点位移量(d)，可表示为：

d

=

h

r

/

Hh--

物体高度，

r--

物体距像主点的距离，

H--飞行高度。正射投影与中心投影·

正射投影，光线平行且顶视垂直投影面，无地形位移,

顶视物体；·

中心投影（透视投影），象主点+光线交于同一点，导致比

例尺变化，图像变形。

地形起伏导致地形位移：

地形越高，航高越低变形越大。侧视地图--正射投影摄影图像--中心投影摄影系统的优势•

空间分辨率高；•

立体像对，利于精确地测量与分析；•

高度的灵活性、实用性、成本低（相对于造卫星而言）；•

……因此，尽管摄影系统与多波段扫描系统相比，胶

片的光谱响应范围要窄得多，但仍有很大的应用领域，

被广泛应用，并派生出一门技术成熟的

航空摄影测

量学。彩色红外航空像片的光学性质

彩红外胶片有3个感光乳胶层：感近红外层、感绿层、感红层。当目标反射0.5～0.9μm波长范围内的电磁波能量入射到胶片上，负片黄•

近红外分量

-

青

•

绿光分量

-正片红蓝黄绿青•

红光分量

-品红绿红品蓝彩红外航空像片呈现红绿蓝的不同组合色；各乳胶层感光度不同，

色反差增大，色彩更鲜艳，层次更丰富；滤去散射蓝光，图像更清

晰

；增加了NIR的信息，信息更丰富，识别地物的能力更强。可见光近红外反射率草

地人造草地与人造草皮

的不同表现图3.6

草地与人造草皮的光谱曲线波长

体育场中央是人[1]草皮造草皮，所以在

彩色红外照片上

不为红色。彩色红外照片在

军事上可用于识

别伪装。美国威斯康辛大学天然彩色全色片校园彩红外红外片彩红外摄影像片的色彩主要取决于地物对红、绿、红外光的反射特性。•

绿色植物

叶子反射绿光(

G

)和近红外光(

NIR

)。在彩红外像片上，

健康绿色植物呈红色系列

(如水稻-暗红色、作物生长旺季呈鲜红色，针

叶林呈紫红色、阔叶林呈红色、幼林呈粉红色等

)

。•

枫叶、红果实等反射红光（呈绿）、红外光（呈红），在正片上什么颜色？

——黄、橙色•

植物病虫害时，其红光反射增强（呈绿）

，绿光、红外光反射大大

减弱，在正片上什么颜？——偏蓝绿色水体强烈吸收红外光，并吸收红光而反

射蓝绿光，在正片上呈黑+蓝的蓝黑色、

蓝

灰色。当水体含泥沙或被污染时，便较多地反射红光、红外光，则影像色彩从蓝→

青→黄色变化。因此，彩红外像片对清水、清水混水绿浊水、污染水及土壤湿度等易于判别。绿+红=黄红黄品青蓝蓟运河口--

渤海湾黄土丘陵区彩红外航片裸地或土壤

对红外、红、绿、蓝光均有反射。随着水分

和有机质含量的不同，颜色变化较大。若水分含量少，则呈淡

黄、棕色；若湿度大些则呈不同的灰青色。盐碱地、沙地为白色、黄白色。云和雪均呈亮白色。

居民地（城区），因多为水泥材料，青灰屋顶反射兰、绿光且反射率较低，而呈灰蓝色，若为红瓦房反射较强的红光、红

外光而呈淡黄色。土

壤植

物水波

长

（

m）彩色合成―天然”彩色合成：可见光

R、

G

、B

波段----（

RGB

）

，如，TM

3、2、1

（

RGB

）

；假彩色合成

：即

非天然彩色的合成，如，TM

1、2、3

（

RGB

）

，TM

3、5、4（

RGB

）等；标准假彩色合成：

NIR、R、G

波段----（

RGB

）；

植被-红色系列、水体-蓝色系列、裸地-浅色系列等，

（与彩红外航空摄影像片的色彩相似）；如，MSS

7、5、4

（

RGB

），TM

4、3、2（

RGB

），

SPOT

3、2、1

（

RGB

）等；第

6章

可见光—近红外遥感（二）扫描成像系统

一.

光—机扫描系统二.

推扫式扫描系统三.

成象光谱一.光—机扫描系统

----

成像原理棱镜扫描镜电子系统二色镜探测器地面能量透镜5通道扫描仪磁带记录仪飞行线特点：行扫描、多中心投影，离投影中心越远，像点位移量越大。多光谱扫描系统的特点：（与多光谱摄影系统相比）1

）

波

谱

范

围

：

摄

影

系

统

仅

局

限

在

0.3—0.9μm

光

学

摄

影

谱

段

内

；

多波段扫描系统可感应

0.3—15μm谱段的微弱信息

。2）记录方式：摄影系统是回收胶片方式，胶片

/图像的转换由地

面完成；扫描系统是数字记录、快速传输、处理、实时显示。3）摄影系统的图像是由胶片光化学过程获得

（光的辐射能量差，以影象

密度差表示），辐射定标困难；扫描系统的数据是由电子产生

（光

电转换、模数变换），更适于定标，可给出定量的辐射数据。4）扫描系统中探测器的

动态范围大，即电子格式可记录很宽范围的

值，且在探测过程中，探测器并不损耗。5）多光谱摄影系统，用多个分离的光学系统独立采集各波段图像，

各波段图像间存在着空间与辐射方面的可比性问题；多光谱扫描系统用同一光电系统同时采集整个光谱波段的数据

,

再经分光系统分解成不同波长的光。TM

/ETM+数据特点空间分辨率：VIS—IR：TM-

30m；

ETM/Pan-

15m；TIR：TM-

120m；

ETM/TIR-

60m；一幅图像的地面覆盖为

185×185

km。时间分辨率：Landsat

4、5、7为16天。数据量化级：TM为256量级；一景TM图像的总数据量约

230

M。

一景

ETM+

总数据量约398

M。专题制图能力：由于具有较好的姿态控制系统和平台稳定性，TM/ETM+数据几何精度较高，可用于编制

1:10万，

甚至

1:5万的专题图。TM

7个波段数据所包含的

信息：①

亮

度

：

主

要

反

映

地

物

的

反

射

辐

射

水

平

，

不

同

波

段

对

亮

度

有

不

同

程

度

的

贡

献

（

地

物

在

不

同

波

段

上

的

亮

度

值

不

同）。②绿度：主要反映植被信息，对绿度贡献最大的是TM

4、3。

植被指数多为TM

3、4

的各种组合（如

NDVI等）。③

湿度：主要反映水分信息，对湿度贡献最大的是TM

5、7。

湿度指数多为TM

5、7的各种组合。④

透射度：就水体透射可见光而言，对透射度贡献最大的

是TM

1、2，可研究水深、水下地形等。⑤

热度：主要反映物体常温下的热辐射差异，也可反映高

温物体的“热度”，构成热度的主要是TM6。载有5个遥感器：EOS

--Terra卫星

由美国、日本和加拿大合作

研制，1999年12月18日发射升

空，为太阳同步轨道，轨道高

度705km，回归周期16天。

•

ASTER

--

先进的空间热辐射反射辐射计；

•

MODIS

--

中分辨率航天成像光谱仪

；•

MISR

--

多角度成像光谱仪；

•

CERES

--

云和地球辐射能量系统；•

MOPITT

--

对流层污染探测装置。ASTER

数据特点波段通道号光谱范围(μm)空间分辨率扫描宽度数据类型VNIR10.52-0.6015

m60

km8

bits20.63-0.6930.78-0.86SWIR41.60-1.7030

m60

km8

bits52.145-2.18562.185-2.22572.235-2.28582.295-2.36592.360-2.430TIR108.125-8.47590

m60

km12

bits118.475-8.825128.925-9.2751310.25-10.951410.95-11.652、气象卫星系列FY系列气象卫星风云系列卫星是我国的气象卫星。风云一号：A（1988）、B（1990）、C（1999）、D

（2002）星，是太阳同步轨道卫星（极轨卫星），都

已停止工作太阳同步轨道卫星：卫星的轨道平面和太阳始终保持

相对固定的取向，轨道的倾角（轨道平面与赤道平面的夹角）接近90度，卫星要在两极附近通过，因此又

称为极轨卫星。为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向，轨道平面

每天平均向地球公转方向（自西向东）转动

0.986度

（即360度／365，这个角度正好是地球绕太阳公转每

天东移的角度。）FY系列气象卫星（续）太阳同步轨道卫星：太阳同步轨道就是能保证卫星每天以相同方向经过同一纬度的当地上空的轨道，卫星总是在相同的地方时

经过同一位置。由于一个地区在短时间周期

太阳的照

射情况不会有太大变化，所以可以便于对一个地区在相同的太阳照射情况下进行多次观测。每一圈轨道观测地球的不同的地方，以达到观测全球

的目的。FY系列气象卫星（续）风云二号：第一颗卫星（01星,1994）、

A卫星（02

星,1997）、

B卫星（03星,2000）、

C卫星（04

星,2004）、

D卫星（05星,2006）、

E卫星（06

星,2008）、

F卫星（07星,2012），是地球同步轨道

卫星。地球同步轨道：又称24小时轨道，卫星的轨道周期等

于地球在惯性空间中的自转周期（

23小时56分4秒），

且方向也与之一致，卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同，当轨道与赤道平面重合时叫做地球静止轨道，

即卫星与地面的位置相对保持不变，三颗星便可覆盖整个地球。风云三号：

A星（FY-3A，2008）、

B星（FY-3B，

2010），是新一代极地轨道卫星。“风云四号”卫星就是我国第二代静止轨道卫星气象卫星的数据特点空

间

分

辨

率

低

：

如

NOAA

1.1km

（

星

下

点

）

，

远

离

星

下

点

处

约

为

4km

；

扫描角大（±55.4°）、扫描带宽（约

2800

-

3000km），成像面积大。

时

间

分

辨

率

高

：

1

次

-

多

次

/

天

（

与

卫

星

的

轨

道

、

卫

星

个

数

有

关

）

。

如

NOAA为双星系统，同一地面点每天有

4次过境资料，几何变形大：

因扫描角大

、扫描带宽

，则地球曲率、大气和目标的

方向反射，及观测角和太阳高度角的差异等均对数据影响较大

。二.推扫式扫描系统推扫式扫描系统，把探测器按扫描方向阵列式排列来感应

地面响应，即通过仪器中的广角光学系统（平面反射镜）采集地

面辐射能，并聚焦投射到焦平面的阵列探测元件上，光电转换

元件感应地面响应、采集光信号、转换为电信号、成像。飞行器向前飞行时候，一

次可以收集一行的图像。

推扫式接受的信号要强于

摆扫式，因为推扫式在一

个像素内的时间很长。二.推扫式扫描系统（续）一般线性阵列由许多CCD电荷耦合器件组成。

探测器的大小

决定了每个地面分辨单元的大小。当推扫式探测器存在不同

的敏感性，如果没有校准

好会导致图像条纹噪声。线列探测器光学系统地面分辨单元飞行方向地面宽度推扫式扫描系统的优点：（与光机扫描系统相比）1）由于推扫系统可以为每个探测器提供较长的停留时间，因

而有更强的记录信号和更大的感应范围（动态范围）,增加

了相对信噪比，可以使空间和辐射分辨率更高。2）由于记录每行数据的探测器元件间有固定的关系，线性阵

列系统的几何完整性更好、几何精度更高。3）CCD体积小、重量轻、能耗低。4）由于没有光机扫描仪的机械运动部件，系统稳定性更好,且结构的可靠性高，使用寿命更长。因此，CCD被广泛用于遥感系统，特别是星载遥感系统中。不足之处：因探测器间灵敏度的差异往往会产生带状噪声；

且总视场（大小）一般小于光机扫描仪。SPOT5-826km高空看立交桥10m5m2.5mQuickBird

---

推扫式成像全色波段数据：0.45～0.90

μ

m；

空间分辨率

--

0.61

m(星下点)

多光谱波段数据：

空间分辨率

--

2.44

m

(星下点);B：0.45～0.52

μ

m

、G：0.52～0.60

μ

m

、R：0.63～0.69

μ

m

NIR:

0.76～0.89

μ

m（QuickBird

2）量化值：

11

位；单景：16.5

km×

16.5

km；轨道高度：450

km；倾角：98度（太阳同步）

；重访周期：1～6天IKONOS卫星数据全色波段数据：0.45～0.90

μm

；

空间分辨率

–

1

m

(星下点)

多光谱波段数据：

空间分辨率

–

4

m

(星下点);B：0.45～0.52μm

、

G：

0.52～

0.60μm

、

R：

0.63～

0.69μm

、

NIR:

0.76～

0.90μm

轨道高度：680

km；重访周期：3天（1

m

）全

色

：2.36

mCCD全

色

：20

m（IRMSS）中巴地球资源卫星

（CBERS）中巴地球资源卫星是中国

与巴西合作研制的数据传输

型遥感卫星，

包括01星

（1999.10.14）、02星

（2003.10.21）、02B星

（2007.9.19)、02C

（

2011.12.22

），04星

（

2014.12.7）等系列卫星。02C：高分辨率HR相机高分辨率CCD相机多

光

谱:

20

m红外多光谱扫描仪

短

波

红

外

：

78

m热红外

：158

mCCD有侧视功能，同一地区

最短观测周期为

3天，广角相

机由于覆盖面积大，

5天可覆

盖我国国土一遍。宽视成像仪WFI

258

m高性能对地观测小卫星—―北京-1‖号

基本性能轨道高度：

卫星质量：

载荷

-1：幅宽:光谱:载荷

-2：幅宽:680

km166

kg32m

多光谱

600km520-620

nm630-690

nm760-900

nm4m

全色24kmBEIJING-1

600

x

600

km

imageLANDSAT

185

x

185

km

image“北京-1”与Landsat

4/5

影

像覆盖能力的比较LANDSAT

mosaics

taken

atdifferent

times

and

seasonsBEIJING-1

wide

areacoverage

reduces

theseproblems幅宽是Landsat的3.2倍，幅宽是陆地卫星的

3.2倍，面积的10.5倍面积是10.5倍Landsat

images

from

LANDMAPhttp://landmap.ac.uk/download/landsat45_selector.htm

第

6章

可见光—近红外遥感••••三.

成像光谱

(

Imaging

Spectrometry

)高光谱遥感概念高光谱遥感的特点高光谱遥感应用高光谱遥感数据处理与分析高光谱遥感概念成像光谱高光谱遥感—用很窄的（波段带宽

约5—10

nm）、大量的（可有几十至上百个波段

）、近连续的光谱波段，对高光谱(n

m级)地面物体进行遥感成像。多光谱

(μm

级)全色及彩红外高光谱遥感的特点

----

高光谱分辨率

、图谱合一IRSA

CAS相对辐射煤矸石煤水泥球场

植被（树）

砂岩21.510.50450

950

1450波长(

nm)贺兰山地区某煤矿的

OMIS高光谱图像立方体（

128

波段、分辨率

约

3米）2001年7月此图显示了高光谱遥感图像具有

空间－光谱

三维信息合一的特点

，

可以反映对象的精细光谱差异。明矾石高岭石FIMSTMLABGER地物波谱研究表明，地表物质在

0.4—2.45μm光谱区间内有

可以作为识别标志的光谱吸收带，其带宽约

10—40

nm

。2.10

2.15

2.20

2.25

2.28

2.03

2.10

2.15

2.20

2.25

2.28

波长（

m）

波长（

m）（a）实验室测得的光谱曲线（b）AIS

反射率曲线AIS

高光谱遥感图象光

谱曲线与实验室光谱

曲线的比较波长（um）明矾石的FIMS、GER、TM

图象光谱曲线与实验光谱比较63波段GER传感器的图像光谱形

状最接近实验室获得的光谱曲线成像光谱的特点

波

段

多

，

光

谱

分

辨

率

高

，

光

谱

分

辨

率

为

纳

米

级

。

如AVIRIS

在0.4-2.5um范围有224个波段，

Hyperion

有

242

个波段，“

图

谱合一

”

（和地物的实际光谱更

为

接

近

，

有

更

多

的

“

诊

断

”

波

段

，

可

进

行

地

物

的

精

细分类，获取更多的地物信息

，提高分类精度）；

高

光

谱

数

据

的

空

间

分

辨

率

也

在

不

断

提

高

：

MODIS

的空间

分辨率

250m-1000m），Hyperion

的空间分辨率30m；

波

段

间

相

关

性

强

，

数

据

“

冗

余

”

明

显

（

特

征

参

数

选择问题更为重要）；

数

据

量

大

，

计

算

量

大

、

复

杂

（

对

算

法

、

计

算

机

软

硬件提出新的要求）我国部分航空成像光谱仪遥感器光谱范围（nm）波段数光谱带宽（nm）瞬时视场(mrad)运行时段MAIS（

模

块

式

航

空

成像光谱仪）460-11001440-24008200-122003232720.020.0400-8001.5,3.0,4.51991年开始OMIS(

实

用

型

模

块

化

成

像

光

谱

仪

)400-11001100-20002000-25003000-50008000-120006416328810-201.5,

3.01996年开始PHI(

推

扫

式

高

光

谱成像仪)400-800224<

5.01.51996年开始象元格式BIL（波段行交叉格式）波长356-2577（nm）波段数242象元大小30（m）图像大小256×6460VNIR波段1-70（356-1058）SWIR波段71-242（852-2577）数据类型16bit有符号整型EO-1

Hyperion高光谱数据Hyperion

数据说明EO-1卫星轨道与landsat-7卫星轨迹图SWIR144、VNIR46、VNIR29，RGB合成

（相当于ETM543合成）三.

成像光谱高光谱遥感的应用简介

•

地质填图、找矿•

精准农业•

城市遥感•

水色遥感……高光谱遥感应用地质填图、找矿透闪石不同矿物的反射光谱曲线

绿泥石石膏绿帘石蒙脱石伊利石云母白云母高岭石明矾石白云石叶蜡石方解石蚀变矿物的反射光谱曲线（实验室）不同含量

高岭土

光谱曲线IRSA

CAS地质应用：地层分类与信息提取不同地质

时代的碳酸盐岩很相似

（

图中两条蓝色沉积岩层：寒武－奥

陶纪石灰岩与石炭纪白云质灰岩

）根据光谱特征吸收带的微弱差别区分

寒武－奥陶纪石灰岩与石炭纪白云质灰岩MAIS

图像上光

谱曲线寒武－奥陶纪石

灰岩的吸收谷位

于2.347um，而石

炭纪白云岩质灰

岩的吸收谷位于

2.331um，2者有

16nm的差异，高

光谱遥感通过这

种微小的差异区

分两者。显然宽

波段遥感图像是

无法识别的。Hyperion矿物填图低铝绢云母化高铝绢云母化高岭石化绿泥石化通过图像上反演的光谱与

数据库里的标准谱系进行

对比提取信息地质遥感中心高光谱遥感应用

----精准农业•

植被生化组分估算（叶绿素、养分、

水分等）•

植被精准分类；•

作物估产；•

……植被生化组分反演：植被生化组分：植物体内所含的叶绿素、水分、蛋白

质、糖分、木质素，以及碳、氮、氢等微量元素。

这些组分的含量能直接或间接影响并制约着植物的生理过程，从而影响生态系统与环境。与常规遥感数据相比，高光谱遥感数据具有纳米级光谱分辨率，其精细光谱特征在提取植被生化组分的研究中表现出明显优势和潜力。植被生化组分反演（续）：

主要研究方法：1.多元统计分析方法2.物理模型法3.光谱特征法植被生化组分反演（续）：多元统计方法：•利用多元逐步回归分析的方法，研究基于某些波段的反射率、导数光谱、对数光谱等与生化参量的关系，并建立建立回归方程，对植被的生化组分进行估算。植被生化组分反演（续）：多元统计方法的优点：简单易行，在实验条件可控的情况下，可能获得较满意的结果。

缺点：反射光谱受冠层结构、土壤背景、风速、太阳高度角等影响。光谱与生化组分含量之间的经验关系受时间、地点和植被类型

影响。在测定新鲜叶片生化组分含量时，水的吸收光谱对其他组分的

吸收光谱影响较大。所选用的波段没有明确的物理意义。植被生化组分反演：物理模型方法：由于经验和半经验方法常缺少稳定性及可移植性，并且难以给

出物理解释。因此，需要寻找一些更加解析的方法来描述植被

光谱和生化组分的关系。从机理角度出发的物理模型方法考虑光与冠层及叶片相互作用

的物理机制，详细描述了光线在冠层和叶片内部的传输过程。

优点：物理含义明确、可一致性好缺点：参数复杂，难以全部准确获得PROSPECT模型PROSAIL模型植被生化组分反演（续）：光谱特征法：是基于光谱位置变量的一种分析方法。用具有特殊意义的波长（如红边）与生化组分等建立

关系。红边波长是植被反射光谱一阶微分最大值所对应的波长，可以用于进行植被生产力，诊断胁迫和衰老等的监测。一般常用光谱指数法：将两个或多个特征波段经线性

或非线性组合，构成对某个生化参量敏感的光谱指数，

用于估算植被的生化组分含量。植被生化组分反演：光谱特征法的特点：利用具有明确物理意义的波段进行植被生化组份含量的反演，且计算简单。已被应用于生态系统参数的估算。对于不同植被类型，光谱指数与植被生化参数的回归关系不同。变量施肥处方图

kgN/ha(

左为

4

月

11

日，右为

26

日

)作物长势、养分遥感监测利

用

航

空

高

光

谱

OMIS

影

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农

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大

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农

田

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变

量

施肥管理。北京小汤山农业示范区北京农林科学院27种盐沼植被的

反射率曲线在可见光谱段，

尽管不同盐沼植被

类型的光谱曲线形

状大体相似，但由

于具有不同的光谱

吸收深度，曲线表

现出明显的不同，

以此区分它们。ReflectanceReflectance(%)Reflectance(%)Normal0418Disease0418Normal0517Disease0517Normal0531Disease053145403530252015105冬小麦病害的遥感监测（PHI）70605040302010正常（4.18）0400

500

600

700

800Wavelength(nm)发病中（5.17）0400

500

600

700

800Wavelength(nm)454035302520151050发病中正常发病后发病后（5.31）400

500

600

700

800Wavelength(nm)北京农林科学院冬小麦条锈病高光谱遥感应用城市遥感••••土地利用分类；

地物、建材识别；

城市污染；

绿化调查；•

……IRSA

CAS城市地物的分类识别左：典型城市地物光谱中：机载PHI图像右：根据光谱特征初步实现对城

市

地物的识别和材料属性的探测

----

城市地物分类图北京沙河地区

PHI

图像水色遥感水色

主要决定于水体中浮游生物含量（叶绿素浓度）、

悬浮泥沙含

量（混浊度大小）、营养盐含量（黄色物质、溶解有机物质、盐度指标），

以及其它污染物、底部形态（水下地形）、

水深等因素。三.

成像光谱高光谱遥感数据处理与分析方法多光谱数据处理主要运用灰度，采用多元统计