3章 遥 感 系 统.ppt

1、第三章 遥 感 系 统,遥感(Remote Sensing) 遥感历史 遥感平台 遥感传感器,第一部分 遥感说明,遥感技术是20世纪60年代发展起来的一门综合性探测技术。 遥感技术与现代物理学、空间技术、计算机技术、数学和地理学密切相关。 遥感技术已广泛应用于各种领域，成为地球环境资源的调查和规划不可缺少的有效手段。,遥感说明,以下文字材料反映了现遥感技术的哪些特点？,一张比例尺为1：35000的23cm23cm的航空图片，可反映出60多平方千米的地理景观实况； 一幅陆地卫星TM（专题制图仪）图像，其覆盖面积可达34255平方千米。,视域广阔，监测范围大,陆地卫星、的运行周期为16天，即每16

2、天可以对全球陆地表面成像一遍； NOAA气象卫星每天能接收两次覆盖全球的图像。,动态监测、实时传输,这种特点有利于及时发现病虫害、洪水及森林火灾等自然灾害，为抗灾、减灾工作提供可靠的科学依据。,遥 感 定 义,遥感(Remote Sensing) 六十年代，由美国人Eretyn Pruitt 提出。,利用现代仪器设备由远处感知、获取被测物体的信息，从而对物体进行探测和识别。,广义遥感：利用仪器设备从远处获得被测物体的电磁波辐射特征（光，热），力场特征（重力、磁力）和机械波特征（声，地震），据此识别物体。,狭义遥感：主要指从远距离、高空以至外层空间的平台上，利用可见光、红外、微波等探测器，通过摄

3、影或扫描、信息感应、传输和处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的现代化技术系统。 (遥感大词典),遥感则是通过安装在飞机或空间运载工具上的仪器设备从地球上空对地球资源进行远距离、大范围的探测的理论和方法。,遥感（Remote sensing） 通过远离目标的传感器获取目标或景观数据的技术（Colwell 1983）。 包括航片、卫星图象和雷达数据等。 遥感图象记录了地物波谱反射、辐射能量的空间分布。,1. 遥感数据获取与信息提取,遥感数据（遥感数据获取示图） 太阳辐射经过大气层到达地面，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

4、（遥感数据示例）。,2 遥感数据,本图为TM图像； 黄河入海口，反映泥沙堆积； 拍摄时间为1990年。,IKONOS卫星图像,To be continued,NOAA-14图像,广州,To be continued,FY-1D 图像,To be continued,FY-1D 图像,To be continued,FY-1D 图像,BACK,2.遥感历史,Space age began during the first Geophysical Year in 1957/ 1957年，前苏联第一颗卫星 In early 1960s, first weather satellite, global

5、 phenomena monitoring, made 3-5 days forecast possible, awareness of environmental concerns was simulated by Apollos views of Earth as a lone planet in the vast blackness space. In the early 1970s, remote sensing for land surface features and vegetation mapping. Landsat is the basic tool for land co

6、ver change studies/ 1972,landsat-1 In 1980s, satellite-based Earth radiation budget experiment, constructed the first model of the Earths energy budget In the 1970s and 80s, Total Ozone Mapping Spectrometer began global monitoring of the annual fluctuations in ozone concentration and distribution, i

7、ncluding the now-famous Antarctic “ozone hole”. Confirmed in 1990s that the ozone destroy was caused by industrial related chemical compound.,20世纪60年代以来，苏美空间技术竟相发展，分别发射了一系列的空间计划卫星，促进了航天遥感技术的发展。 20世纪70年代，空间技术转向为人类服务，地球资源技术卫星诞生。 20世纪80年代，地球资源技术卫星的传感器技术不断提高。 20世纪90年代，除美苏外，其他国家均发射了各种资源卫星。 目前，高分辨率的商业卫星发展

8、迅速。,遥感的历史(二),林业：清查森林资源、监测森林火灾和病虫害。 农业：作物估产、作物长势及病虫害预报。 水文与海洋：水资源调查、水资源动态研究、冰雪监控、海洋渔业。 国土资源：国土资源调查、规划和政府决策。 气象：天气预报、气候预报、全球气候演变研究。- -,遥感数据的应用领域,To be continued,环境监测：水污染、海洋油污染、大气污染、固体垃圾等及其预报。 测绘：航空摄影测量测绘地形图、编制各种类型的专题地图和影像地图。 城市：城市综合调查、规划及发展。 考古：遗址调查、预报。 地理信息系统：基础数据、更新数据。 环境监测 水源污染、赤潮、城市热岛、土地利用与覆盖变化等 军

9、事侦察,遥感数据的应用领域,Remote Sensing Applications,Crop Estimation,Resources Investigation,Water Disaster,Forest Fire,神五拍下的地球,卫星成象的视角广，因而能使地理学家相当方便地绘制具有细腻区域地理特点（例如断层、地貌轮廓线、地貌或岩性接触）的地图，几乎终年有云层在妨碍获得常规的光学卫星图象。在这些地区正在使用雷达图象以可以接受的定位精确度制作比例为1：200,000的最新地图。 卫星图象常常与有限的地面抽样结合使用，在欧洲联盟各国根据共同的农业政策方案确定和测量作物面积和可耕地面积。 使用干涉

10、测量或雷达测量方法可以从卫星雷达图象中制得数字正视模型。,制 图,可持续发展中的一个关键因素是要了解某一现有资源的消耗速度，遥感卫星的反复覆盖通过提供关于植被（森林、牧场）、土壤和皮表水源等各种重要资源按时间排序的信息来促进实现这项目标。 经常地获得卫星图象有助于侦查污染水流和分析它们的轨迹。这种数据还有助于评价污染对海洋和近海环境的影响。印度尼西亚，经常使用卫星遥感数据监测珊瑚礁的生长情况和评估海洋渔类资源。 使用高分辨率图象监测各个农场的作物有助于在作物开始显示出可见的症状之前许久就查明缺水、缺肥或受到疾病影响的地区。 与周边国家或有争议领土中重大环境趋势有关的资料就属于这种信息。遥感信息

11、是讨论潜在有争议问题的公正的媒介。,监 测,汶川地震航遥图-1,成都地区图像,汶川地震航遥图-2,汶川地震航遥图-3,灾难前的平静,卫星照片见证东南亚海啸,自然灾害防御与监测,海浪开始冲击堤岸,卫星照片见证东南亚海啸,海啸吞没了沿岸地带,卫星照片见证东南亚海啸,阳光沙滩成了死亡地狱,卫星照片见证东南亚海啸,9.11事件前后的纽约,卫星遥感图中的厦门岛,与气象学和土壤数据等其他资料结合并用，以在收割前若干星期制作产量预测模型。 被用来预测厄尔尼诺现象何时在太平洋来临。 显示积雪覆盖范围的卫星图象可用作水文学模型的投入， 雷达卫星还可改善为近海活动和南北极地区航船路线而进行的海冰和冰山监测。含有海

12、冰状况历史观测资料的数据库有助于确定航船和近海平台的设计参数并选择最佳航行路线。 过去和当前的旱情资料非常有助于旱灾预报。,制作模型（预测）,各种地表特点在电磁频谱的不同区段（通常从可见光到近红外、短波红外、中红外、热红外和微波区段）有截然不同的反应，所以大多数卫星图象的多谱特性能使人们识别和区分各种地表特点。 超光谱传感器，能够摄取几十上百个谱带的图象。超光谱图象不仅能够发现农作物的生长困难，而且还能发现其规模和原因。生长困难可以是各种因素造成的，包括施肥不足或过多或缺水。,测量（发现）,2020/8/1,36,地质调查中的应用 （1） 遥感图像上的地质构造解译 地质构造是指岩层和岩体在地壳

13、运动所引起的构造作用力的作用下，所发生的各种永久性的变形和变位。地质构造是岩浆活动、沉积作用、变质作用、风化作用及地球内部放射物质迁移、集中和裂变等地质作用的综合结果。 地质构造与地貌类型密切相关，所以研究地质构造往往从地貌类型的调查开始。卫星遥感图像上对各种地貌类型显示得十分清楚，有时可将整个盆地或山脉容纳在一张像片中。由于卫片具有宏观观察的特点，使地面上许多构造特征历历在目，如山地和平原的交界、支流河谷的线性排列、洪积扇、断裂、褶皱等等。 （2）遥感图像的岩性分类 在地面无植被覆盖的岩石探露地区，利用不同岩石间光谱特性差异，可对岩性进行识别分类。,2020/8/1,37,地质灾害的产生主要

14、是不良地质引起的，不良地质是指地球的外营力和内营力所产生的对人类活动造成危害的地质作用和现象。这些现象主要包括滑坡、崩塌、岩堆、错落、泥石流、沙丘、河岸冲刷、水库坍岸、冲沟、岩溶、黄土陷穴、地面塌陷、溜坍、人工采空区突然下陷、地裂缝、潜蚀、风化、冻胀、融陷、坑道涌水、断层破碎带、岩爆、高烈度地震等。利用遥感图像判释调查可以直接按影像勾绘出发生灾难的范围，并确定其类别和性质，同时还可查明其产生原因、分布规律和危害程度。某些不良地质的发生较快，利用不同时期的遥感图像进行对比研究，往往能对其发展趋势和危害程度做出准确的判断。,2020/8/1,38,在农林牧等方面的应用 （1）遥感信息应用于农作物估

15、产 研究作物冠层反向光谱特征与冠层状态参数之间的关系，是用MSS、TM和NOAA等卫星遥感信息进行作物估产的基础。已有研究表明，可见光和近红外波段反射率组成的植被指数随作物冠层状态参数变化呈有规律变化。 （2）遥感影像用于土壤解译 （3）卫星影像用于土壤侵蚀调查 （4）遥感技术在森林立地类型调查 森林立地是指一定的空间位置及与之相关的环境因子的总和，凡具有相同或相似的林木生长环境或生长效果的地段谓之一种立地类型。它决定一个地段的植被适生条件及林木生产能力，在营林、造林和规划设计中具有重要的意义。近年来迅速发展的遥感技术，为我们对森林生态环境的研究，提供了新的手段。,玉米种植地,水稻种植地,遥感

16、在农业方面的应用,1、土地资源调查,2、土地利用现状调查,华北平原1997年4月冬小麦长势遥感监测结果,华北平原1997年5月冬小麦长势遥感监测结果,好,较好,一般,较差,差,好,较好,一般,较差,差,遥感在农业方面的应用,农作物长势监测和估产,病虫害和生态环境调查与监测,3 遥感平台,国际空间站,可见，遥感技术是随着工作平台、传感器和探测器的发展而发展的。,我国神舟号飞船,3.1 遥感过程,地面反射或辐射,大气传输,光电转换,A/D转换,光学摄影,卫星返回,信息编码,数字传输,地面解码,几何纠正,辐射纠正,大气订正,遥感模型反演,信息提取,3.2 遥感分类,(1) 按平台高度分类,人造地球卫

17、星的类型： 低高度、短寿命卫星：150350 km，用于军事。 中高度、长寿命卫星：3501800 km，地球资源。 高高度、长寿命卫星：约3600 km，通信和气象。,3.2 遥感分类,?,航空器与航天器有何区别？,航空器在大气层中飞行的飞行器。包括气球、 气艇、飞机、滑翔机、直升机等。,航天器用于航天飞行的飞行器。包括人造卫 星、宇宙飞船、空间站、航天飞机、 行星探测器等,?,航天遥感、航空遥感、近地遥感比较,位于大气层外的卫星、宇宙飞船等,高度80千米,大气层内飞行的各类飞机、飞艇,高度20千米,三角架、遥感塔、遥感车(船)建筑物的顶部等,比例尺最小,覆盖 率最大,概括性强,具 有宏观特

18、点;多为多 波段成像,比例尺中等,画面清晰,分辨率高,可以对垂直点地物清晰成像;多为单一波段成像,比例尺最大,覆盖率最小,画面最清晰,多为单一波段成像,动态性好,适合对某地 区连续观察,周期性好,动态性差,适合做长周期(几个月及更长)观察,灵活机动,费用较低, 适合小范围探测,(2) 按传感器分类,被动方式,扫描 (图像方式),非扫描,非图像方式,微波辐射计,地磁测量仪,重力测量仪,傅立叶光谱仪,其他,图像方式(照相机),黑白,天然彩色,红外,彩色红外,其他,像面扫描,电视摄像机,固体扫描仪(CCD),物面扫描,光机扫描仪,固体扫描仪,(3) 按波段范围分类,紫外(0.3-0.4mm),可见光

19、(0.4-0.7mm),红外(0.7-14mm),反射红外(0.7-3mm),近红外(0.7-1.3mm),短波红外(1.3-3mm),中红外(3-6mm),远红外(6-15mm) 热红外(8-14mm),微波(0.1-100cm),卫星空间轨道,具体的形状和位置：六个轨道参数 1）升交点赤经 2）近地点角距 3）轨道倾角 4）过近地点时刻 5）轨道长半轴 6）轨道偏心率,开普勒定律,1）所有行星轨道均为一椭圆，太阳位于椭圆的二焦点之一；2）行星的向径，在相等的时间内扫过的面积相等； 3）行星公转周期的平方与它的轨道平均半径的立方成正比。,卫星轨道面与赤道面的相对位置,卫星轨道面形状,卫星轨道

20、参数,1）升交点赤经(Longitude of ascending node) 升交点赤经：卫星轨道升交点与离春分点的之间角距。 升交点：卫星由南向北运行时，与地球赤道平面的交点；反之与赤道平面的另一个交点为“降交点”。 春分点：为黄道面与赤道面在天球上的交点。可理解为太阳从南向北半球运动时，跟地球赤道平面的交点。 黄道面：地球公转轨道面延伸与天球相交的大圆，即太阳在天球上的视运动。,卫星轨道参数,2）近地点角距(Argument of perigee) 近地点角距：卫星轨道的近地点与升交点之间的角距，即地心与升交点连线和地心与近地点连线之间的夹角。 由于入轨后其升交点和近地点是相对稳定的，所

21、以近地点角距通常是不变的，它可以决定轨道在轨道平面内的方位。,3）轨道倾角（Orbital inclination） 轨道倾角：卫星轨道面与地球赤道面之间的两面角，即从升交点一侧的轨道量至赤道面。 当0i90时，卫星运动方向与地球自转方向一致，因此叫“正方向卫星”； 当90i180时，卫星运动与地转方向相反，叫“反方向卫星”； 当i=90时，卫星绕过两极运行，叫极轨卫星； 当i=0或180时，卫星绕赤道上空运行，叫“赤道卫星”。,4）卫星过近地点时刻(Time of passage of the perigee ) 5）轨道半长轴(Orbital semimajor axis) 卫星轨道远地点

22、到椭圆轨道中心的距离，标志卫星轨道的大小。 6）轨道偏心率(Orbital eccentricity) 卫星椭圆轨道焦点与半长轴的比值，用以表示轨道的形状。轨道偏心率越小轨道接近圆形，有利于在全球范围内获取影像比例尺趋于一致。,4）卫星过近地点时刻(Time of passage of the perigee ) 5）轨道半长轴(Orbital semimajor axis) 卫星轨道远地点到椭圆轨道中心的距离，标志卫星轨道的大小。 6）轨道偏心率(Orbital eccentricity) 卫星椭圆轨道焦点与半长轴的比值，用以表示轨道的形状。轨道偏心率越小轨道接近圆形，有利于在全球范围内获取

23、影像比例尺趋于一致。,eosview.mov,Domestic Foundation,Small Satellite Platform High Resolution Camera Ground Receiving 自动卷片；时间控制器 像移改正装置（飞行器运动引起像移） 如RMKA30/23摄影机 f:305.18mm; 像幅：2323mm；H:250km; 1/m:1:820000; 4-6s暴光一次。,2）缝隙摄影机 又称航带摄影机。在摄影瞬间获取影像，与航向垂直，且与缝隙等宽的一条地面影像。连续暴光，不需要快门。,Wp:航摄软片卷绕速度 Wi:影像在航摄机焦平面内移动速度。 W:飞机地

24、速。,瞬间获取的一条缝隙宽度的影像，为中心投影。 航迹线影像为正射投影，而其它部分影像为多中心投影。,41 摄影类型传感器,3）全景摄影机 在物镜焦平面上平行于飞行方向设置一狭缝，随物镜作垂直航线方向扫描。由于物镜摆动的幅面很大，可将航线两边地平线内的影像摄入底片，故称全景摄影机。,扫描方向,飞行方向,航线,摆动物镜筒,缝隙,41 摄影类型传感器,4）多光谱摄影机 多镜头型多光谱摄影机： 由多个物镜构成的摄影机。 单镜头分光束多光谱摄影机： 在物镜后加分光装置，将光分解成多个光束；或利用响应不同波段的多感光层胶片进行多光谱摄影。,摄影遥感技术,摄影机是一种遥感装置，将其安装在飞机、卫星上对目标

25、物进行拍照摄影，可以对土地利用、植被、水体、大气污染状况等进行监测。其原理基于上述目标物或现象对电磁波的反射特性有差异，用感光胶片感光记录就会得到不同颜色或色调的照片。,土壤、植物和水体对电磁波的反射能力示意图,42 扫描成像类型传感器,1）物面扫描成像仪 对地面直接扫描成像。 2）像面扫描成像仪 瞬间在像面上成图像，然后对图像进行扫描成像。,逐点逐行以时序方式获取二维图像。,光机扫描仪 用光学系统接收来自目标地物的辐射，并分成几个不同的光谱段，使用探测仪器把光信号转变为电信号，同时发射信号回地面，如MSS、TM等。 分为红外扫描仪和多光谱扫描仪。 推帚式扫描仪 用平行排列的CCD探测杆收集地

26、面辐射信息，每根探测杆由3 000/6 000个CCD元件呈一字排列，负责收集某一波段的地面辐射信息，是推帚式扫描成像。（工作原理图）,To be continued,扫描方式的传感器,CCD图像传感器,1969年CCD图像传感器在贝尔试验室研制成功，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素，是数码相机、DV机等图像获取设备的关键零部件，其应用市场正以惊人的速度增长。CCD图像传感器是一种金属氧化物半导体结构的新型器件，基本结构是一种密排的MOS电容器，能够存储由入射光在CCD像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实

27、现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。可在电视屏幕上复原成物体的可见光像，也可以将电信号存储在磁带机内，或输入计算机，进行图像增强、识别、存储等处理。,1）红外扫描仪 2）Landsat MSS(Multispectral Scanner)多光谱扫描仪 3）Landsat TM(Thematic Mapper) 4）NOAA,FY -AVHRR扫描仪,物面扫描成像仪,82,红外温度传感器,任何物体只要它的温度高于绝对零度（-273 ），就有热辐射向外部发射，物体温度不同，其辐射出的能量也不同，且辐射波的波长也不同，但总是包含着红外辐射在内，千摄氏度以下的物体，其热辐射中最强的电磁波是红外波，所

28、以对物体自身红外辐射的测量，便能准确测定它的表面温度，这就是红外测温仪测温依据的客观基础。 红外温度传感器由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统是将目标物体辐射出的红外能量汇聚起来，聚焦在光电探测器上，并转变为相应的电信号，再经过电路运算处理电路后，换算转变为被测目标的线性的温度信号值，以便实现进一步的信号处理及控制。 红外温度传感器具有的如下优点：非接触测温,对被测物体无影响；反应速度快；可检测运动中的物体的瞬态温度；测温范围宽，红外温度传感器的测温范围为50 1600 ；测温精度高，分辨率为0.01 或更小，可同时对点、线、面测温；可测量绝对温度，也可测

29、量相对温度。,1）线阵列推扫式扫描仪Spot HRV(High ResolutionVisible range instrument ) 平面反射镜将地面辐射信号反射到反射镜组，聚焦在CCD线阵列元件，不需要摆动扫描镜，可以推扫方式获取沿轨道的连续图像带。,像面扫描成像仪,2)电视录像机 面阵列探测器式传感器。 Landsat-1,2搭载反束光导摄影机（RBV）。,像面扫描成像仪,利用物镜构像，聚焦在光导靶面，利用电子枪对靶面扫描。,成像光谱仪类似于多光谱扫描仪(构造于像面扫描仪或物面扫描仪类似)，但具有更多通道（256，288）波段分辨率在10nm以下，接近于连续光谱。 高光谱数据对应于海量

30、数据。存储考虑压缩；有效波段的选择，波段宽度和空间分辨率的灵活改变。,成像光谱仪（Imaging Spectrometer）,红外扫描遥测技术,红外扫描技术系指采用一定的方式将接受到的监测对象的红外辐射能转换成电信号或其他形式的能量，然后加以测量，获知红外辐射能的波长和强度，借以判断污染物种类及其含量。,热红外扫描系统工作过程示意图,相关光谱遥测技术,相关光谱技术是基于物质分子对光吸收的原理并辅以相关技术的遥测方法。在吸收光谱技术基础上配合相关技术是为了排除测定中非受检组分的干扰。这种技术采用的吸收光为紫外光和可见光，故可利用自然光做光源。在一些特殊场合，也可采用人工光源。,相关光谱法原理示意图,相关光谱遥测仪组件示意图,1）侧视雷达 真实孔径雷达：侧视雷达向侧面发射一束脉冲，地物的反射回波，由天线收集，记录。 合成孔径雷达：利用一个小天线作为单个辐射单元，沿一直线方向不断移动，在移动中选择若干位置发射信号，接收相应的发射位置的回波信号，存贮接收信号的振幅和相位。,43 微波成像类