遥感原理与应用全套课件

第一章电磁波及遥感物理基础内容提纲

概述

物体的发射辐射

地物的反射辐射

地物波谱特性的测定1.1概述•电磁波、机械波（声波）、重力场、地磁场等都可以用作遥感，但一般而言，RS指的是电磁波遥感。•

遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征。1.1.1

电磁波•麦克斯韦电磁场理论•

电磁波是一种横波几个重要性质•

单色波可以用波函数来描述，是一个时空周期性函数，振幅、相位、波长

一般成像：记录振幅

全息成像：记录振幅和相位•干涉•

衍射•

偏振干涉•凡是单色波都是相干波。•

微波遥感中的雷达也是应用了干涉原理成像的,其影像上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。•

INSAR利用干涉原理成像。衍射•

光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象称为光的衍射。•

研究电磁波的衍射现象对设计遥感传感器和提高遥感图像的几何分辨率具有重要意义。偏振•

横波在垂直于波的传播方向上，其振动矢量偏于某些方向的现象。•

偏振在微波技术中称为“极化”

，一般有四种极化方式。•

遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。1.1.2

电磁波波谱•

遥感信息获取，一般指收集、探测、记录地物的电磁波特征，即地物的发射、辐射或反射电磁波特性。由于电磁波传播的是能量，实际上也是记录辐射能量的过程。•电磁波具有不同的频率和波长，因而具有不同的特性。Gamma可见光

红外线

微

波

无线波频率波长蓝

绿

黄

红X射线

紫外线Y

射线紫名称波长范围紫外线0.001—0.4μm紫

0.38—0.43μm可见光0.4—0.7μm蓝

0.43—0.47μm红外线近红外0.76—3.0μm青

0.47—0.50μm中红外3—6μm绿

0.50—0.56μm远红外6—15μm黄

0.56—0.60μm超远红外15—1000μm橙

0.60—0.63μm微波毫米波1—10mm红

0.63—0.76μm厘米波1—10cm分米波10cm—1m遥感应用的光谱范围遥感应用的光谱范围•

电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的

γ射线到最长的无线电波，波长之比高达10的22次方•遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到微波波段•遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性，选择相应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱的发射或反射能量而成像的。1.2物体的发射辐射

黑体辐射

太阳辐射

大气对辐射的影响

一般物体的发射辐射1.2.1

黑体辐射•

1860年基尔霍夫：好的吸收体也是好的辐射体•绝对黑体——任何波长的电磁辐射全部吸收•一个不透明的物体，对入射到它上面的电磁波只有光谱吸收率

α

(λ,T)和光谱反射率

ρ

(

λ,T)，二者之和恒等于1。•

绝对黑体：

α

(λ,T)=1，

ρ

(

λ,T)=0•

绝对白体：

α

(

λ,T)=0，

ρ

(λ,T)=1普朗克定律•

1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律•黑体辐射通量密度与温度、波长的关系满足普朗克定律：W(λ)——

分谱辐射通量密度，单位W／（cm2·μm）；λ——波长，单位是μm；h——

普朗克常数(6.6256×10-34J·s)；c——

光速(3×1010cm/s)；k——玻耳兹曼常数(1.38×10-23J／K)；T——

绝对温度，单位是K。•

与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加。总辐射通量密度W可在从零到无穷大的波长范围内。•

对普朗克公式进行积分，可得到从1cm2面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密度的表达式为：

σ为斯忒藩——玻耳兹曼常数，T为绝对黑体的绝对温度（

K）。从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩－玻耳兹曼公式。对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度（T）。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。黑体辐射特性（

1）称维恩位移定律。它表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。•

分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。可微分普朗克公式，并求极值。黑体辐射特性（

2）•每根曲线彼此不相交，故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。•在波长大于1mm的微波波段，

hv<<kT,近似得出：•在微波波段，黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。黑体辐射特性（

3）1.2.2

太阳辐射•太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波。•地球系统的能量绝大多数（>99％

）来源于太阳•太阳辐射:–

5%

紫外线–45%可见光–50%

红外线辐射源•

自然辐射源：–太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；–常用5900K的黑体辐射来模拟。–大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。–

地球的电磁辐射：近似300K的黑体辐射。小于3

μm的

波长主要是太阳辐射的能量；大于6

μm的波长主要是

地物本身的热辐射；3-6

μm之间，太阳和地球的热辐

射都要考虑。•

人工辐射源：–

微波辐射源：0.8-30cm–

激光辐射源：激光雷达(测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等)。•太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：

I⊙=135.3

mW/m2•太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致。•被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射，因而太阳的活动对遥感的影响没有太大影响可以忽略。太阳辐射照度分布曲线太阳辐射的特点•

太阳光谱是连续的。•辐射特性与黑体基本一致。•紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。•主要利用可见光、红外波段等稳定辐射。•海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外的曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。1.2.3

大气对辐射的影响(1)大气的垂直分布(2)大气对太阳辐射的吸收•

在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收•

主要成分：氧气、臭氧、水、二氧化碳•

大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。•

大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段中很少使用紫外线波段。(2)大气对太阳辐射的散射•在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起的衰减。•太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光。这二次影响增加了信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。•散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变,

主要有米氏(Mie)散射、均匀散射、瑞利（

Ray

leigh）散射等。气溶胶•

气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径千分之一微米到一百微米的固体、液体位子。•

大气中的气溶胶粒子的自然来源主要是海洋、土壤和生物园以及火山等。•气溶胶大多集中在底层大气0-4km范围内。•

由于地球重力作用，气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对光的散射作用属于米氏散射。气溶胶图散射类型•

介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长λ

同数量级时，发生米氏散射•

介质中不均匀颗粒的直径a>>入射波长λ

时，发生均匀散射•

介质中不均匀颗粒的直径a小于入射波长λ的十分之一时，发生瑞利散射散射强度与波长的关系I

∞

E

'2

∞

sin

2

θ

s

λ4蓝光散射较强红光散射较弱•由于大气中有云层，当电磁波到达云层时，就象到达其他物体界面一样，不可避免的要产生反射现象，这种反

射同样满足反射定律。•

各波段受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面

的程度。因此应尽量选择无

云的天气接收遥感信号。四川省江油市(2)大气对太阳辐射的反射(3)大气窗口•

太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分。•

不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因•反之，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为“

大气窗口”。•研究和选择有利的大气窗口、最大限度地接收有用信息是遥感技术的重要课题之一。而遥感所能够使用的电磁波是有限的。有些大气中电磁波透过率很小，甚至完全无法透过电磁波。这些区域就难于或不能被遥感所使用，称为“

大气屏障”；•0.30

~

1.15

μm大气窗口：这个窗口包括全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波段，是遥感技术应用最主要的窗口之一。•1.3~2.5

μm大气窗口：属于近红外波段。•3.5~5.0

μm大气窗口：属于中红外波段。•8~14

μm热红外窗口：热红外窗口，透射率为80%左右，属于地物的发射波谱。•1.0mm~1m微波窗口。可以用作遥感的大气窗口•传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括：–

太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量–

地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器–

大气散射和辐射的能量等(4)辐射传输方程(4)辐射传输方程•电磁波辐射与大气相互作用的复杂性，从遥感应用角度需要简化•

假设1：

忽略大气折射、湍流和偏振•

假设2：天空为均匀朗伯体，各向同性辐射；地表为均质朗伯体，各向同性反射。(4)辐射传输方程传感器入瞳辐射亮度地面辐射亮度向上大气光谱辐射亮度Lsλ

=

Lgλ

exp(-δλsecθV

)+

Ldλ

↑=

{(pgλ

p

)[E0(λ)cosθ2

exp(-δλsecθ2)+

Edλ

↓

]}exp(-δλsecθV

)+

Ldλ↑地表反射率

大气层外太阳辐射照度

太阳天顶角大气透过率

大气向地面散射辐射照度光学厚度（介质厚度和折射率的乘积

）=

Lgλt

λ

+

Ldλ

↑传感器观测角1.2.4一般物体的发射辐射•

自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。•不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。•

我们用发射率

ε来表示它们之间的关系：

ε=

W′/

W。发射率

ε就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。发射率•按照发射率与波长的关系，把地物分为：–

黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。–

灰体：发射率小于1，常数。–

选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。–

理想反射体：反射率等于0。•影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（

比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物一般发射率大，反之发射率就小。主要地物发射率•实际测定物体的光谱辐射通量密度曲线并不像描绘的黑体光谱辐射通量密度曲线那么光滑•常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度）W

,=εW

=εσT

4

T等效

T

,等效黑体温度基尔霍夫定律•

在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度。

a

任何材料的发射率等于其吸收率基尔霍夫定律•

根据能量守恒定理，入射在地表面的辐射功率等于吸收功率、透射功率和反射功率三个分量之和。E

=E

+E+Ea

t

Pa

+

t

+

P

=1•

对于不透射电磁波的物体a

=ε

=1

-

Pt

=

01.3地物的反射辐射

地物的反射类别

光谱反射率以及地物的反射光谱特性

影响地物光谱反射率变化的因素1.3.1地物的反射类型•

镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。

当发生镜面反射时，对于不透明物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。

自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。•

漫反射：如果入射电磁波波长λ不变，表面粗糙度h逐渐增加，直到h与

λ

同数量级，这时整个表面均匀反射入射电磁波，入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射。•

方向反射：

实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。是镜面反射和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续增大的情况下，这种反射没有规律可寻。•从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。1.3.2光谱反射率以及地物反射光谱特性•

光谱反射率–反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比，这个反射率是在理想漫反射体的情况下，整个电磁波长的反射率。P

=

EP

/E•

实际上由于物体固有的结构特点，对于不同波长的电磁波有选择的反射，例如绿色植物的叶子由于表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成，入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮，蓝、红光辐射能被叶绿素吸收进行光合作用；绿光也吸收了一大部分，但仍反射一部分，所以叶子呈现绿色；而近红外线可以穿透叶绿素，被多孔薄壁细胞组织所反射。

因此，在近红外波段上形成强反射。P

λ

=

EPλ

/E反射波谱•

反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。•

物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。•

正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特性，物体的反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。反射波谱特性曲线InfraredB&W:can

clearly

seedeciduousbecausehigherreflectanceinthose

wavelengthsPanchromatic

B&W:Can,t

telldeciduous

（落叶林）fromconifer（针叶林）不同植被光谱反射特性反射波谱特性曲线•同一地物的反射波谱特性–

时间效应–

空间效应•

不同地物的反射波谱特性–城市道路、建筑物的反射波谱特性–

水体的反射波谱特性–

土壤的反射波谱特性–植物的反射波谱特性–岩石的反射波谱特性•同一春小麦在花期、灌浆期、乳熟期、黄叶期的光谱测试所得的结果。•

可以看出，花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期。•

黄叶期，由于不具备绿色植物特征，其反射光谱近似于一条斜线。这是因为黄叶的水含量降低，导致在1.45

μm，1.95

μm，2.7

μm附近3个水吸收带的减弱。•

当叶片有病虫害时，也有与黄叶期类似的反射率。同一地物的反射波谱特性不同地物的反射波谱特性•

城市道路、建筑物的反射波谱特性•水体的反射波谱特性•土壤的反射波谱特性•

植物的反射波谱特性•

岩石的反射波谱特性城市道路、建筑物的反射波谱特性•在城市遥感影像中，通常只能看到建筑物的顶部或部分建筑物的侧面，所以掌握建筑材料所构成的屋顶的波谱特性是我们研究的主要内容之一。水体的反射波谱特性•

水体的反射主要在蓝绿光波段•近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为零•但是当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化水体反射特性Green

ReflectanceNIR

Reflectance土壤的反射波谱特性•自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值。•土壤的光谱特性曲线与土壤质地组成有关•土壤反射波谱特性曲线较平滑，因此在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。植物的反射波谱特性彩红外影像岩石的反射波谱特性•岩石成分、矿物质含量、含水状况、风化程度、颗粒大小、

色泽、表面光滑程度等都影响反射波谱特性曲线的形态。•在遥感探测中可以根据所测岩石的具体情况选择不同的波段。1.3.3影响地物光谱反射率变化的因素太阳高度（日期、时间）

大气条件

地形（阴影）地形（坡度）

气候、

植物的病变

环境状况1.4地物波谱特性的测定

地物波谱特性的概念

地物波谱特性的测定原理

地物波谱特性的测定步骤1.4.1地物波谱特性的概念•

地物波谱也称地物光谱。•地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）。•测量地物的反射波谱特性曲线主要作用：–

它是选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据–

在外业测量中，它是选择合适的飞行时间的基础资料–

它是有效地进行遥感图像数字处理的前提之一，是用户判读、识别、分析遥感影像的基础。1.4.2地物波谱特性的测定原理•对于不透明的物体，其发射率与反射率有下列关系：ε

(λ)=1-

ρ

(λ)•各种地物发射辐射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射辐射电磁波的特性得到。•地物波谱特征（反射波谱）测定的原理是：用光谱测定仪器（置于不同波长或波谱段）分别探测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段的反射率，其反射率的变化规律即为该地物的波谱特性。测定地物反射波谱特性的仪器•

分光光度计，光谱仪，摄谱仪•仪器由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成。–收集器的作用是收集来自物体或标准板的反射辐射能量。它一般由物镜、反射镜、光栏（或狭缝）组成；–

分光器的作用是将收集器传递过来的复色光进行分光（

色散），它可选用棱镜、光栅或滤光片；–

探测器的类型有光电管、硅光电二极管、摄影负片等；–

显示或记录器是将探测器上输出信号显示或记录下

来，或驱动X－Y绘图仪直接绘成曲线。测量的原理•分别测量地物和标准板的反射辐射通量密度

•经光电管转变为电流强度在电表上指示读数Iλ

=

kλ

φλ•

电流强度相比

1.4.3地物波谱特性的测定步骤

架设好光谱仪，接通电源并进行预热；

安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝宽度；

将照准器分别照准地物和标准板，并测量和记录地物、标准板在波长λ1

，

λ2，

……λn处的观测值Iλ和Iλ0；

按照（

1-38）式计算

λ1

，

λ2，

……λn处的

ρλ

;

根据所测结果，以ρλ为纵坐标轴，

λ为横坐标轴画出地物反射波谱特性曲线。本章结束第二章遥感平台及运行特点内容提纲

遥感平台的种类

卫星轨道及运行特点

陆地卫星及轨道特点2.1遥感平台的种类•

遥感平台：遥感中搭载遥感器工具的统称•

按平台距地面的高度大体上可分为三类:地面平台、航空平台、航天平台。加拿大雷达卫星欧洲遥感卫星美日热带降雨测量卫星美国静止气象卫星美国国家海洋和气象卫星印度遥感卫星日本静止气象卫星欧洲气象卫星印度相干雷达卫星中国风云气象卫星美国地球观测系统

美国海洋测高卫星

美国陆地卫星

目前的各国对地观测卫星平台法国地球观测系统2.2卫星轨道及运行特点

轨道参数

卫星坐标的测定和解算

卫星姿态角

其他一些常用参数•

升交点赤经Ω•

近地点角距ω•

轨道倾角i•

卫星过近地点时刻T•

卫星轨道的长半轴a•

卫星轨道的偏心率e相对位置

轨道形状以上六个参数可以根据地面观测来确定。2.2.1轨道参数2.2.2卫星坐标的测定和解算•星历表法解算卫星坐标–卫星在地心直角坐标系中的坐标–卫星在大地地心直角坐标系中的坐标–卫星的地理坐标•

用GPS测定卫星坐标2.2.3卫星姿态角•

遥感影像的几何变形和几何校正•定义卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为x轴，垂直轨道面的方向为y轴，垂直xy平面的为z轴，则卫星的姿态有三种情况：绕x轴旋转的姿态角，称之为滚动；绕y轴旋转的姿态角，称俯仰；绕z轴旋转的姿态角，称航偏。(Z,(Y,(X,卫星姿态角的测定•

姿态测量仪（红处姿态测量仪、星相机、陀螺仪等

）•恒星摄影机•GPS姿态测量仪•利用地球与太空温差达287K这一特点，以一定的角频率，周期地对太空和地球作圆锥扫描，根据热辐射能的相位变化来测定姿态角。相位差就是姿态角。•一台这样的仪器只能测定一个姿态角恒星摄影机•恒星摄影机至少摄取3-5颗五等

以上的恒星(眼睛看到最暗弱的

恒星做为六等星)，并精确记录卫星运行时刻，再根据恒星

星历表，摄影机标称光轴指向

等数据解算姿态角。GPS测姿•

同时接收四颗以上GPS卫星的信号，反算出每台接收机上的三维坐标，借助载体移动间接解算出摄影机的三个姿态角。•GPS不会随时间的长短而发生测量精度上的变化

，无姿态飘移•

卫星速度•

卫星运行周期•

卫星高度•同一天相邻轨道间在赤道处的距离•

每天卫星绕地圈数•重复周期2.2.4其它一些常用参数2.3陆地卫星及轨道特征

陆地卫星

高分辨率卫星

高光谱卫星

雷达类卫星

小卫星2.3.1

陆地卫星系列•Landsat系列（美国）•SPOT系列（法国）•IRS系列（

印度）•

ALOS（

日本）•CBERS系列（

中国）•FORMOSAT系列（

中国台湾）Landsat系列•

1972年7月23日美国发射了第一颗气象卫星TIROS-

1，后来又发射了Nimbus（

雨云号

），在此基础上设计了第一颗地球资源技术卫星（

ERTS-1），后改名为Landsat-1。•

从1972年至今美国共发射了7颗Landsat系列卫

星，

已连续观测地球达29年。最后一颗卫星Landsat-7于1999年4月15日发射，预计寿命为5

年，后续卫星Landsat-8不再单独发射。•

遥感技术发展的里程碑Landsat系列卫星发射时间表•

轨道特点–

近圆形轨道–

近极地轨道–

与太阳同步轨道–

可重复轨道•

传感器–

反束光导管摄像机（RBV）–

多光谱扫描仪（

MSS

4bands）–

宽带视频记录机（WBVTR）–

数据收集系统（DCS）–

空间分辨率80米Landsat

1—3地球静止轨道

近极地轨道遥感卫星一般有两种绕地球飞行方式：静止轨道和近极地轨道。静止轨道可以定点观测，而极地轨道（圆形）则可定期观测。地球静止轨道•又称“地球同步轨道”

。地球同步轨道中倾角为0°时的一种特殊圆形轨道。人造卫星与地面相对静止，固定在赤道上空，距地面高度为35786千米（在距离地球约36000千米的空间中有一个引力平衡的地带）。可覆盖约40%的地球面积。气象卫星、通信卫星和广播卫星常采用这种轨道。•

由于地球摄动的存在，地球同步卫星会以赤道面为平衡位置做南北向的8字周期运动，星下点也呈

8字，地球同步卫星加上轨道控制，保持星下点不变，就成了地球静止卫星近圆形轨道•

使在不同地区获取的图像比例尺一致。•

使得卫星的速度也近于匀速。•

便于扫描仪用固定扫描频率对地面扫描成像，避免造成扫描行之间不衔接的现象。近极地轨道•

轨道的倾角接近90°•

有利于增大卫星对地面总的观测范围•利用地球自转并结合轨道运行周期和图像刈幅（长而宽的地带）宽度的设计，可以观测到南北纬81°之间的广大地区。•LandSat，SPOT，

IKONOS，QUICKBIRD，风云系列，中巴资源太阳同步轨道•

卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向。•

轨道的倾角接近90度，卫星要在两极附近通过，因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。•

有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测。•

有利于卫星在固定的时间飞临地面接收站上空，并使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度。可重复轨道•

卫星每绕地面一圈，卫星进动修正后，地球赤道由西往东旋转了约

2866km

，第二条运行轨迹相对前一条运行轨迹在地面上西移2866km。•

一天24小时绕地13.944圈，第14圈时已进入第二天，称为第二天第一条轨道，这一条轨道与前一天第一条轨道之间差0.056圈，在地面上赤道处为159km。重复周期=18天每天绕地圈数=13.944偏移系数=-1•1982年美国在Landsat

1-3的基础上，改进设计了Landsat-4卫星，并发射成功。

1984年又发射了Landsat-5卫星，与Landsat-4完全一样。•轨道特点–

近圆形轨道–

近极地轨道–

与太阳同步轨道–

可重复轨道–

轨道高度下降•传感器–

多光谱扫描仪（

MSS

4bands）–

专题制图仪（

TM

7bands）–

空间分辨力30米Landsat

4/5Landsat-3与Landsat-4/5轨道参数表•

1999年4月15日发射LandSat

7•

传感器–多光谱扫描仪（

MSS

4bands）–

增强型专题制图仪（

ETM

7bands）–空间分辨力30米–

全色波段分辨率为15米•存储能力强380Gbit•数据传输速度块

150Mbit/sLandsat

7Landsat-4/5与Landsat-7卫星轨道参数表archived

imagery

during

the

mission's

first

112

daysAugust

14,

1999

(left)

and

October

17,

1999

(right)images

of

the

Salt

Lake

City

areaSPOT卫星•

“SPOT”——法文Systeme

Probatoired’Observation

dela

Tarre缩写，是法国空间研究中心（CNES）研制的一种地球观测卫星系统。•1986年2月法国发射第一颗陆地卫星（

SPOT-1）•

2002年5月4日法国发射陆地卫星（

SPOT-5）SPOT卫星轨道参数•HRV

高分辨率成像仪•

VI植被测量仪•Poam3极地臭氧和气溶胶测量仪SPOT卫星发射时间SPOT卫星传感器•

SPOT-1，2，3•2台探测器:HRV（

high

resolution

visible）•

SPOT-4•HRVLR(high

resolution

visib

le

and

infrared

)和植被检测仪器（VI,Vegetation

Instrument）•

SPOT-5•

高分辨率几何仪器（

HRG,

high

resolutionGeometry

），高分辨率立体成像仪（

HRS,

high

resolution

stereoscop

ic

）HRVSPOT卫星HRV和VI探测器技术指标•

HRG–通过侧摆可在不同轨道上形成异轨立体–

两条线阵CCD在同一焦平面上–

多光谱（

G、R、NIR）10m–短波红外（SWIR）20m–

全色5m–超级模式（Supermode）2.5m•

HRS–

由前视后视相机组成，形成同轨立体–飞行方向10m

线阵方向5m–

全色•

VISPOT-5传感器SPOT-5A探测器地面分辨率•重复观测能力–单星：2－3天/次–

多星：1天/次SPOT的倾斜观测功能HRS20

。

20。20

Km

600

Km

maxi立体成像装置HRSSpot

5HRS立体像对生成的10米高程精度DEMSpot

5

同轨立体像对超级模式（

Supermode）•SPOT-5特有的影像重采样技术，利用两幅同时获取的5m全色图像重采样得到2.5m的全色图像，是法国空间局CNES专利。•

重采样步骤：–内插。两幅5m分辨率的影像是隔行扫描，通过内插得到中间行的像素值–

去卷积。利用HRG装置的反传递函数构造的滤波器进行滤波，消除影像模糊–

消除去卷积过程引入的噪声。超级模式（

Supermode）•

0级：没有作任何改正的影像•

1A（一级辐射校正）：在0级基础上进行传感器非线性响应和CCD辐射响应均化系统噪声改正•

1B（一级几何校正）：在1A基础上由星上测定的几何参数进行系统改正•2A（

二级辐射校正）：在1B基础上进行调制传递函数改正和绝对校正•

2B（

二级几何校正）：在2A基础上用控制点作平面改正•

3A（三级辐射校正）：在2B基础上进行辐射校正，但无大气改正。•3B（三级几何校正）：在3A基础上用控制点作平面改正，顾及了地面起伏产生的投影差SPOT

1-4影像产品中国遥感卫星地面站接收的数据法国Spotimage接收的数据SPOT

5影像产品•

SPOT

Scene：经过基本处理的标准影像数据–1A：只经过辐射校正，

未考虑地形起伏，定位精度50m–1B：经过辐射校正和简单几何纠正，考虑地形起伏，定位精度50m–2A：利用全球1km*1km

DEM纠正，与标准地图投影（

UTM

WGS84）匹配，纠正中未用到地面控制点，定位精度50m•

SPOT

View：经过高精度纠正，提供现势的地理信息，并可直接应用于GIS或其他制图软件–2B：精确的地理参考产品，按照指定方式进行了地图投影，利用地面控制点提高纠正精度，定位精度30m–3级：利用DEM纠正，具有地理参考的DOM，定位精度15mSPOT

Scene10米多光谱2.5米全色5米全色SPOT

5

DEM•在不使用地面控制点，仅利用星相机、GPS和MORIS系统提供的高精度轨道与姿态参数的情况下，平坦地区的DEM精度可达15

米；•

利用地面控制点可获得4.5米的高程精度。•目前为止，法国不对外出售高分辨率SPOT-5

HRS立体影像，仅供军方与授权用户使用。死海地区鸟巢

SPOT2004鸟巢

SPOT2008IRS卫星•印度遥感卫星（

IRS）系列共有了4个系列:

IRS-1、

IRS-P、

IRS-2和IRS-3•

IRS-1系列共发射了5颗（

IRS-1

A-E）•

IRS-2是海洋和气象卫星系列，•

IRS-3是SAR卫星系列•

IRS-P系列共有6颗（

IRS

P2-P7）IRS卫星发射时间表IRS卫星传感器•LISS（

Linear

Imag

ing

Self-Scanner）•PAN（

Panchromatic

Camera）•

WIFS（Wide

Field

Scanner）•

Cartosat-1号卫星，印度政府于2005年5月5日发射的遥感制图卫星。•它搭载有两个LISS-IV全色传感器，分辨率2.5米。IRS-P5工作模式•单片模式：卫星平台可以被调整为让两个相机获取的数据沿相邻轨道分布，此种模式下，同时获取的数据幅宽可达到55公里。•立体模式：卫星搭载的两个全色传感器可以按照前后的模式推扫成像从而产生立体像对。IRS－P5监测到的汶川县城红军桥附近崩塌/滑坡点情况Overlay

of

IRS-P5

DEM

and

P6

Image

of

Fuzhou,

China•

日本地球观测卫星计划：–

大气和海洋观测系列–

陆地观测系列•

2006年1月24日发射•

分辨率可达2.5米日本ALOS卫星ALOS卫星传感器•

全色立体测绘仪(PRISM,

panchromatic

remote-sensing

instrument

for

stereo

mapping

)–三个独立观测相机，分别用于星下点、前视和后视观测，沿轨道方向获取立体影像，星下点空间分辨率为2.5米。•高性能可见光与近红外辐射计-2(AVN

IR-2,

advaced

visible

and

near

infrared

radiometer

type-2

)•

相控阵型L波段合成孔径雷达(PALSAR，phased

arrey

type

L-band

synthetic

aperture

radar

)ALOS的标准产品5月14日ALOS卫星监测到茂县地区倒房情况山体滑坡5月18日ALOS卫星观测北川县曲山镇中巴资源卫星系列•

CBERS-1星1999年10月14日发射升空•

CBERS-02星2003年10月21日发射升空•

CBERS-02B星2007年9月19日发射升空•我国第一代传输型地球资源卫星•

由中、巴两国共同投资，联合研制中巴地球资源卫星（代号CBERS）。并规定CBERS投入运行后，由两国共同使用。•

主要用途–

监测国土资源的变化，更新全国利用图；–

测量耕地面积，估计森林蓄积量，农作物长势、产量和变化；–

监测自然和人为灾害；–

勘探地下资源、圈定黄金、石油、煤炭和建材等资源区，监督资源的合理开发。CBERS-1星CBERS-1卫星参数CBERS-1传感器参数5月14

CBERS-02B北川县郊影像中国台湾福尔摩沙卫星系列•福卫一号（

FORMOSAT-1）1999年1月27日在美国佛罗里达州卡拉维尔角发射升空。•福卫二号（

FORMOSAT-2）2004年5月21日在美国西南边的范登堡空军基地发射升空。•福卫三号（

FORMOSAT-3）2006年4月14日在加州西南边的范登堡空军基地发射升空。•独特的轨道，在相同日照条件下的地球同步轨道以及太阳同步轨道•

空间分辨率–

全色:2米–

多光谱:8米•波段：–

蓝、绿、红–

近红外•第一个也是唯一的重访能力为一天的高分辨率卫星FORMOSAT-2BeichuanCountyon

May

14,2006.BeichuanCountyon

May

14,2008.目前唯一可以天天提供灾区影像给全球相关单位的商用卫星福卫2号北川影像2.3.2

高分辨率卫星系列•

IKONOS（

美国）•

QuickBird（

美国）•

Orbview（美国）IKONOS•IKONOS是空间成像公司（Space

Imaging）设计制造的全球首颗高分辨率商业遥感卫星•1999年4月27

日

IKONOS-1发射失败•

1999年9月24日

IKONOS-2在范登堡空军基地发射成功，商业遥感卫星进入“

1m分辨率的时代”。•2006年底发射IKONOS

BLOCK

-2双星双分辨力卫星系统，分辨率为0.47m，0.27m。•2007年发射IKONOS

BLOCK-3能够全天候采集的合成孔径雷达，分辨率为1m。IKONOS卫星轨道•太阳同步轨道•

轨道倾角98.1°•

轨道高度681km•

轨道周期98.3min•重复周期14dIKONOS传感器•

传感器系统由Eastman

Kodak研制•三线阵CCD•

1m分辨率的全色传感器•4m分辨率的多光谱传感器–

0.45—0.52um（蓝）–0.52—0.60um（绿）–

0.60—0.69um（红）–

0.76—0.90um（近红外）IKONOS卫星影像成像原理•

侧摆成像以获取异轨立体缩短重访周期•

通过沿轨道方向的前后摆动同轨立体成像•

具有推扫、横扫成像的能力•

提供有理多项式系数模型（RFM）IKONOS卫星影像产品•按照精度级别，IKONOS图像产品有6级–

Geo

25m–

Standard

Ortho

11.8m–

Reference

4.8m–

Pro

Precision

1.9m–

Precision

Plus

0.9m•按照类别

IKONOS图像产品有3类–

简单几何纠正–

正射纠正–

立体影像IKONOS产品•在中国订购IKONOS产品，要通过经销商，再由韩国或日本的地面接收站进行接收，西部地区还需要美国的本部获取IKONOS产品。•IKONOS立体图像产品在中国的东部地区为875元/平方km，在中国的西部地区为460元/平方km

，

东西部价格差距近一倍。这主要是东部地区是在韩国的汉城站接收，而西部在美国北美站接收，两抵定价策略不一样所致。 IKONOS卫星多光谱影像（4米）

（排队参观毛主席纪念堂的队伍隐约可见，花坛信息没有，背景草坪不清晰）IKONOS卫星融合影像（1米）

（排队参观毛主席纪念堂的队伍清晰可见，花坛和背景草坪显示出来，色调

自然逼真，连纪念堂柱子的阴影都很清楚）QUICKBIRD•

Quickbird卫星（快鸟

）由Ball航天技术公司、柯达公司和Fokker空间公司联合研制，造价10亿美元，由数字地球公司（

Digital

Global）运营•1997年12月24日EarlyBird入轨4天后失踪•2000年11月20

日Quickbird-1未入轨•

2001年10月18

日Quickbird-2范登堡空军基地发射成功发射日期2001年10月18日空间分辨率（底点）全色：0.61m，多光谱2.44m轨道高度450km

，98°极地轨道，

太阳同步定位精度三轴稳定装置，星相仪，GPS

等辅助下，无地面控制点的定

位精度：17-23米绕行一周收集的数据量57幅单景影像（128GB）扫描宽度和面积单景16.5×

16.5km

，一个飞行

条带：16.5km×165km量化级别11bitsQuickbird主要性能参数Quickbird传感器波段Quickbird卫星影像成像原理•

与IKONOS一样具有推扫、横扫成像能力•

可获取同轨立体和异轨立体•提供严密传感器模型和有理多项式系数模型Quickbird影像产品•Basic级影像产品•Standard级影像产品•正射纠正产品•影像支持数据（元数据）•Basic立体影像产品产品级别处理形式定位精度/m覆盖范围Basic级原始影像23全球Standard几何纠正23全球Ortho

1：25000级正射纠正12.7全球Ortho

1：12000级正射纠正10.2美国Ortho

1：4800级正射纠正4.1美国Ortho

自定义级正射纠正可变全球QuickBird影像价格人民币元/平方公里QuickBird三峡坝区•美国轨道成像公司（

Orbital

Imaging）•

2003年6月26日发射升空Orbview-3Orbview卫星参数Orbview影像产品•OrbView

BASIC

Enhanced:

辐射校正后的数据，包括卫星几何数据

（轨道和姿态参数）和有理函数，后处理GPS数据和足够的元数据，可以进行精细的摄影三角测量。•OrbView

GEO

Enhanced：影像重采样到一种地图投影，校正中只使用到了卫星的测量数据；提供给用户的参数中包括了来源于精确的GPS星历表和后处理的姿态数据的定位数据。Orbview1米全色Orbview

4米多光谱美国三系列高分辨率卫星参数表卫星传感器波段空间分辨率（米）光谱范围覆盖范围SPOT-5HRG全色B

1

:

greenB2

:

redB3

:near

infrared

B4

:short-wave

infrared

(SWIR)2.5

or

5101010200.48

-

0.710.50

-

0.590.61

-

0.680.78

-

0.891.58

-

1.7560

kmSPOT-4HRVI

R全色B

1

:

greenB2

:

redB3

:near

infrared

B4

:short-wave

infrared

(SWIR)10202020200.61

-

0.680.50

-

0.590.61

-

0.680.78

-

0.891.58

-

1.7560

kmSPOT-1SPOT-2SPOT-3HRV全色B

1

:

greenB2

:

redB3

:near

infrared102020200.50

-

0.730.50

-

0.590.61

-

0.680.78

-

0.8960kmLandsat

7ETM+全色B

1

:

blueB2

:

greenB3

:

redB4

:near

infraredB5

:

mid

infraredB7

:

mid

infraredB6

:thermalinfrared153030303030301200.50-

0.900.45-

0.520.52-

0.600.63-

0.690.76-

0.901.55-

1.752.08-

2.3510.4

-

12.5185

kmIKONOS全色B

1

:

blueB2

:

greenB3:redB4

:near

infrared1.04.04.04.04.00.45-

0.900.45-

0.520.51-

0.600.63-

0.700.76-

0.8511

kmQuick

Bird全色B

1

:

blueB2

:

greenB3

:

redB4

:near

infrared0.612.442.442.442.440.45

-

0.900.45-

0.520.52

-

0.600.63-

0.690.76-

0.9016.5

km几种主要地球资源卫星技术指标GOOGLE

EARTH•GOOGLE

EARTH的卫星影像，并非单一数据来源，而是卫星影像与航拍的数据整合。其卫星影像部分来自于美国DigitalGlobe公司的QuickBird、EarthSat公司的LANDSAT-7卫星居多。•在卫星图像方面，美国五角大楼每年都给予会给予其三大主要合作夥伴DigitalGlobe、

IKONOS和ORB

IMAGE数十亿美元的资助，作为回报自然是这些公司的卫星数据将在第一时间交给五角大楼作为军事应用，而且针对某些敏感区域在规定的时限内不允许商业化。2.3.3

高光谱类卫星•这类卫星的主要特点是采用高分辨率成像光谱仪，波段数为36—256个，光谱分辨率为5—10nm，地面分辨率为30—1000m。•

目前这类卫星只有军方发射的，民用高光谱类卫星还没有，这类卫星主要用于大气、海洋和陆地探测。高光谱类卫星传感器•

MOD

IS（美国）•

ASTER（

美日）MOD

IS•MOD

IS的全称为中分辨率成像光谱仪（moderate-

resolution

imaging

spectroradiometer）,是搭载在terra和aqua卫星上的一个重要的传感器，是卫星上唯一将实时观测数据通过x波段向全世界直接广播，并可以免费接收数据并无偿使用的星载仪器，全球许多国家和地区都在接收和使用MOD

IS数据。EOS-TerraSatellitefullydeployed•

Terra

-

Launchedin

18

Dec

1999EOS

-

Terra•

Aqua

-launched

in

May

4,

2002EOS

-

AquaTerra?

Aqua?

What’s

the

difference?•

Same

mission•

Different

sensors

–Aqua

has

more

direct

broadcast

sensors•

Different

orbit

times:–Terra

@

10:30,

descending

orbit–Aqua

@

13:30,

ascending

orbitMOD

IS主要技术指标MOD

IS仪器特性和主要用途MOD

IS地面接收站•

MOD

IS

daytime

passacquired

atWuhan

Un

iv.,

Wuhan,

P.R.C.

on2002/03/07.•

RGB

color

composite

of

bands:

1

(Red),

4(Green)

,

and

3

(Blue).•Data

earth-located

andregistered

toOrthographic

mapprojection

using

TeraScan

software.

It

showed

that

Norhtwestern•

China

had

a

good

weather

and

the

mountains

iscovered

by

snow.MOD

IS

Image

#1

from

Wuhan•MOD

IS

data

acquired

at

Wuhan

Un

iv.,

Wuhan,P.R.C.

on

2002/03/07

and

2002/03/08.•Data

earth-located

and

registered

toOrthographic

mapprojection

usingTeraScan

software.•RGB

color

Mosaiccomposite

map

of

three

passes

by

ENVI.MOD

IS

Image

#1

from

Wuhan主要应用ASTER•

ASTER（Advanced

SpaceborneTherma

l

Emission

and

Reflection

Radiometer

）搭载在Terra(EOS-AM1)卫星上的星载热量散发和反辐射仪•1999年12月18日发射升空波段序号波长范围/um地面分辨率/m10.52~0.601520.63~0.691530.76~0.861541.60~1.703052.145~2.1853062.185~2.2253072.235~2.2853082.295~2.3653092.36~2.4330108.125~8.47590118.475~8.82590128.925~9.275901310.25~10.95901410.95~11.6590•

ASTER传感器分成三个独立的子系统，分别处于可见光/近红外、短波红外、热红外波段。•

ASTER的时间分辨率为1次/15天。与TM相比，ASTER数据的价格亦低（ASTER影像大约为800元/景，TM影像4000元/景）。ASTER传感器ASTER立体观测能力•第三波段有两个通道3N和3B，其中3B具有后视(27.

6°)的能力，可以同轨立体观测•

ASTER传感器发射的目的在测图领域就是获取南纬82度和北纬82度之间全球80%区域的云层覆盖率小于20%的影像，生产DEM。生成的DEM和DOMASTER

15米分辨率

2.3.4

雷达类卫星•

Radarsat（加拿大）•ERS（

欧盟）•

SRTM（美国）•LIDAR雷达成像的特点•能穿透云雾、雨雪，全天候工作能力•弥补可见光和红外遥感的不足•电磁波振幅信号和相位信号•

缺少纹理信息合成孔径雷达•合成孔径雷达是(synthetic

Aperture

Radar,SAR)是一种高分辨率、二维成像雷达，特别适于大面积的地表成像。•

1978年6月美国发射了第一颗载有SAR的卫星

Seasat。•

民用星载SAR卫星地面分辨率为10—30m。Radarsat系列卫星•

加拿大的Radarsat-1是世界上第一个商业化的SAR运行系统•由加拿大太空署、美国政府、加拿大私有企业于1995年11月4日合作发射。Radarsat卫星参数•与太阳同步•

倾角98.5°•

卫星高度790—800km•重复周期24天•

地面分辨率8.5m•

SAR在C波段（

波长5.6cm），•

采用HH极化，波长入射角在0—60°范围可调Radarsat卫星工作模式•具有50km、75km、100km、150km、300km和500km多种扫描宽度和从10—100m的不同分辨率。•带宽分别为11.6MHz、17.3MHz和30MHz，使分辨率可调。•每天可覆盖73°N至北极全部地区，三天可覆盖加拿大及北欧地区，24天覆盖全球一次；Radarsat卫星工作模式ERS系列•ERS-1与ERS-2是欧洲空间局分别于1991的1994年发射的，ERS-2与ERS-1基本一致，但增加了ATSR的可视通道，以及GOME，高度增加到824km可获得臭氧层变化的资料ERS参数•轨道倾角98.52°•

轨道高785km•

宽度80km•

传感器–

有源微波仪（AMI）–雷达高度计（RA）–沿轨扫描辐射计/微波探测器（ATSR/M）–

激光测距设备（LRR）–

精确测距测速设备（

PRARE）SRTM•SRTM(Shutt

le

Radar

Topography

Mission)•

美国宇航局（NASA），美国影像制图局（NIMA），喷气动力实验室（

JPL）联合实施的全球测图计划。奋进号航天飞机SRTM•2000年2月22日，装载于“奋进号”航天飞机上的干涉成像雷达经过10天的全球性作业，获得地球北纬60°到南纬56°

间陆地地表80%面积的三维雷达数据，空间分辨率达到90m，数据量12TB。SRTM

陆

地

表

面

覆

盖

图

http://srtm.csi.cgiar.orgSRTM雷达地表影像SRTM

DEM

实例

（

中国，西藏）PerspectivewithLandsatOverlay,MountKilimanjaro,TanzaniaGTOPO30,USGSSRTM

DEMLIDAR机载地面星载2.3.5

小卫星•

小卫星指目前设计质量小于500kg的小型近地轨道卫星•

空间分辨为1-3m（全色）和4-15m（

多光谱）•

采用在轨道GPS定位系统，水平精度为12（2m），高程精度为8m（3m）•

满足1:24000甚至1:10000比例尺的制图精度要求•任意方向多角度成像，能进行立体测图主要特点•重量轻、体积小•

研制同期短，成本低

（一箭多星

）•

发射灵活，启用速度快，抗毁性强•系统本身和有效载荷性能高对地观测小卫星我国小卫星•“实践5号”(SJ-5)•“航天清华一号”•“试验卫星一号”--立体测绘小卫星中国遥感卫星地面站•

根据邓小平同志1979年访美期间签订的中美《科学技术合作协定》精神组建起来•1986年12月建成并正式运行•

“三站一体”接收站网-

北京密云接收站-

新建新疆喀什接收站-

海南三亚接收站•

覆盖范围80%提升到100%•实现全天候、全天时的高分辨率对地观测能力陆地观测卫星数据全国接收站网本章结束第三章遥感传感器及其成像原理内容提纲

扫描成像类传感器

雷达成像仪传感器分类•

摄影类型的传感器•

扫描成像类型的传感器•雷达成像类型的传感器•非图像类型的传感器3.1扫描成像类传感器•

对物面扫描的成像仪–对地面直接扫描成像（红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪

）•

对像面扫描的成像仪–瞬间在像面上先形成一幅影像，然后对影像进行扫描成像（线阵列CCD推