遥感技术与应用4航天遥感及其资料重做.ppt

第四章,航天遥感及其遥感资料Spaceborne Remote Sensing&its Data,一、简 史 1957年10月4日，前苏联成功发射一世界上第颗人造地球卫星“卫星1”，宣告航天新纪元的开始。到2010年末，全球共发射约5700个航天器（包括人造地球卫星、月球无人探测飞船、高空探测火箭、卫星式载人飞船、航天空间站、航天飞机.)，中国占1.2%1959年10月6日,前苏联发射的“月球-3”实现绕月球飞行，第一次拍摄了月球的图像，标志着航天遥感时代的开始，航天遥感又分为对天遥感和对地遥感。目前，美、俄、中、法、德、日、印度、巴西、以色列、朝鲜等少数国家拥有自行研制和发射人造卫星的能力。中国探月工程原总指挥栾恩杰院士认为，中国的水平是“二锅头”（即第二梯队中领头）,第一节航天遥感概述,中国导弹的水平？,航天技术、卫星技术及火箭技术极易移植到导弹上来，那中国的导弹水平如何？制空权靠空战，而其武器就是空空导弹。第四代空空导弹的主要特点是打得远、打得准、打得狠，兼具抗干扰能力。同时，由于采取了超视距攻击，“过去是看见才能打，现在看不见就能打”。空空导弹在国防中的重要地位不言而喻，其使命就是夺取制空权。夺取制空权的概念源自海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争等现代战争中。目前美国等国家的空空导弹属于第四代，中国也是第四代。(全国人大代表、中国空空导弹研究院总设计师樊会涛,2010)重型反坦克导弹，飞航式反舰导弹世界领先，连美国都怕。弹道导弹世界领先，美国人称中国的弹道导弹有点穴之功。地空导弹也不错，出口不少。空空导弹也很先进，国外不了解，不太认可，但的确很先进，主动雷达制导，红外成像制导这些顶尖技术已经掌握。,导弹变轨技术是在弹道导弹上.弹道导弹是指在火箭发动机推力作用下按预定程序飞行，关机后按自由抛物体轨迹飞行的导弹。这种导弹的整个弹道分为主动段和被动段。主动段弹道是导弹在火箭发动机推力和制导系统作用下，从发射点起到火箭发动机关机时的飞行轨迹；被动段弹道是导弹从火箭发动机关机点到弹头爆炸点，按照在主动段终点获得的给定速度和弹道倾角作惯性飞行的轨迹。而导弹变轨也就在被动段弹道实施的在末端的弹头上装了个小型的火箭发动机，使在被动段弹道变轨，使拦截导弹不能够拦截.而拦截导弹就是根据你的导弹的弹道预先算好，再进行拦截的，只要你变个轨，就能躲过啦！这种技术中国早在90年代初就有.(军方称“空中芭蕾”）中国有“一箭多星技术”，只不过所谓的突破是指一箭几星以上？一箭多星就是军事上的分体式洲际导弹，一弹多头的民用形式，这项技术中国已经具备，现在公开的是一弹三星。这会大大增加导弹拦截的困难程度。,二、航天遥感的特点 1、观察范围大 航天器飞行高度远远大于航空飞机，新航天器的视野要开阔得多（站得高、看得远，可以发现大面积的、宏观的、整体特征）。2、效率高 在相同的时间内，探测的地域面积更大。3、成本低 对于取得同样面积的地面资料而言，你只需花钱购买卫星数据即可，而不必组织航空飞行 4、实施动态监测 具有周期性、可重复观察 5、空间分辨力不及航空遥感 总体上看，航天遥感对地物细部的特征表现力较差，但对整体、宏观的轮廓表现力较好，但也有对地物细节表达能力强的传感器。,第二节 美国Landsat,一、概述 美国国家航空航天局NASA（National Aeronautics and Space Administration）在1967年制定了一个“地球资源技术卫星”ERTS计划，并预计发射6颗卫星。在1975年1月22日ERTS-2即将发射时，NASA将此计划更名为“陆地卫星”Landsat计划。目前在轨运行是 Landsat-5，Landsat-6在1993年10月5日发射，2天后与地面失去联系而 成为“太空垃圾”，Landsat-7于1999年4月15日发射，2003年6月因太阳能电池板故障而无信号传回。Landsat已连续对地观测了30多年，积累了大量的档案数据，为人类研究地球作出重要贡献。二、Lansat轨道特征“中等高度，近圆形，近极地，与太阳同步”轨道高度在700-900km，卫星经过极地时轨道高度略低，轨道面与地心-日心连线的夹角保持恒定，因此称为同步轨道。,三、,Landsat 传感器,RBV Return Beam Vidicon（反束光导管摄像机）MSS Multi-Spectral Scanner（多光谱扫描仪）TM Thematic Mapper（主题成图仪）ETM+Enhanced Thematic Mapper Plus（增强型主题成图仪+）,Landsat 携带传感器及其图像,四、Landsat的产品1 陆地卫星图像资料 Landsat的图像南北相接存在航向重叠，东西相邻两幅之间存在旁向重叠 按图像资料的片基不同，分为透明胶片（正片、负片）和相纸片 按波段不同分为 单波段的黑白图像（可以进行伪彩色Pseudo Color 增强，如Slice操作）及多波段的彩色图像（真彩色：Natural Color,假彩色：False Color)。以上图像多指“模拟图像”。2 陆地卫星磁带资料 高密度数字磁带（HDDT):每英寸可以记录1万位以上的2进制数据，但它 不能直接与通用计算机通讯，需要用磁带机进行转换。计算机兼容磁带（CCT):通用计算机可以直接“读写”磁带3 CD-ROM 地面站将经过几何粗校正和辐射粗校正的影像写入光盘分发给用户4 数据收集系统（DCS）的遥测数据资料 某些地面的自动遥测站，用地面传感器自动收集自然环境方面的数据，如 地面温度、土壤湿度、降水量、火山、地震等数据，上传给Landsat，然后 DCS将以上数据编码并实时转发给各地面站。,30mLandsat-TM NIR Image,Acquisition Date:2003年7月10日,30mLandsat-TM False Color Image,Acquisition Date:2003年7月10日,第三节 法国SPOT卫星,一、概述,1978年起，以法国为主，联合比利时、瑞典等欧共体国家，设计、研制了一颗名为“地球观测实验系统”（SPOT）的卫星，1986年2月22日SPOT-1由阿丽亚娜（Ariane）火箭送入太空，至今，共发射了5颗卫星，其中SPOT-5是2001年年底发射成功，其具有实时获取立体像对的能力，目前在中国大力推广其产品。其中SPOT-3于1996年11月14日与地面联系中断。轨道特征 轨道高度：822km 轨道倾角：98.7度 旋转周期：101.46分 回归周期：26天,二、Spot上的传感器,1 HRV:高分辨率可见光扫描仪 High Resolution Visible2 HRVIR:高分辨率可见光中红外扫描仪 High Resolution Visible and Middle Infrared3 Vegetation:植被成像仪4 HRG:高分辨率几何成像仪 High Resolution Geometry 5 HRS:高分辨率立体成像装置 High Resolution Stereo,三、SPOT卫星图像数据特征 The characteristics of SPOTs Data,四、SPOT的产品,1A级产品 包括70mm胶片、HDDT、CCT和CD-ROM上记录的影像数据，这种产品没有进行任何辐射校正和几何纠正，为SPOT的即时产品。1B级产品 包括24mm胶片、HDDT、CCT和CD-ROM为载体的影像数据，这种产品对原始数据进行了辐射和几何纠正。2级产品 包括24mm胶片、HDDT、CCT和CD-ROM记录的影像数据，采用6至9个地面控制点（GCP）进行了几何精纠正，并且把遥感影像变换到某种地图投影上，如UTM（Universal Transverse Mecator Projection）投影。3级产品 借助DEM进行了正射纠正，通过控制点可以对相同地区的两幅影像进行匹配,五、SPOT-5影像的主要应用领域,波段序号 波段名称 主要应用（绿）是叶绿素反射的次高峰，区分植被类型和评估作物 长势，对水体有一定的穿透深度，干净水域能穿透 10至20米，区分人造地物类型（红）是叶绿素反射的低谷区，据此可以识别农作物类 对城市道路、大型建筑工地反映明显，可用于地质 解译，辨识石油带、岩石与矿物等（近红外）是叶绿素反射的高峰，检测作物长势，区分植被 类型，绘制水体边界，探测土壤含水量（短波红外）探测植物含水量及土壤湿度，区别云与雪（全色）2.5m分辨率，城市土地利用现状调查、城市道路 动态更新，识别大型建筑物,2.5m SPOT-PAN Image(Nanjing,2002年11月7日),10m Resolution False Color Composite of SPOT-Multispectral Imagery(Nanjing,2002年11月7日),第四节 中巴资源1号卫星-CBERS(China Brazil Earth Resources Satellite),一、概述 1999年10月14日11时16分，我国在太原卫星发射中心用“长征4号乙”运载火箭成功将中国和巴西联合研制的“资源1号-CBERS-1”地球资源遥感卫星送入预定轨道。2000年3月2日，“资源1号”经过130多天的在轨测试和试运行，在北京正式交付使用，从而结束了我国没有陆地卫星的历史，标志着我国资源卫星研制技术达到国际20世纪90年代的先进水平。它在我国卫星研制史上创造了多项“第一”：我国第一颗高速传输式对地遥感卫星；第一颗与国外联合研制的卫星；我国卫星研制史上携带有效载荷最多的卫星。2004年2月，CBERS-2正式接替1号星，其上携带的传感器全为中方提供。CBERS-1的主要特点：1 可替代性 CBERS-1在可行性论证时，就参照当时法国的SPOT-3和美国的Landsat-5的技术指标，波段选择与Landsat-5相近，空间分辨率与SPOT-3相近，因此能够很好地替代上述两颗卫星。2 自主性 可以不受限制地接收我国任何地方的卫星信息，自主接收、自主使用有知识产权的卫星遥感数据，为我国卫星遥感在国际上争得了平等地位。在北京、广州和乌鲁木齐有3个地面接收站。3 经济性 卫星数据实行低收费，改变了许多用户买不起遥感数据的历史4 高精度、高性能的太阳同步轨道卫星公用平台,二、CBERS-1的轨道特征,卫星轨道平均高度：778Km轨道面倾角：98.50435回归周期：26天日绕圈数：14+9/26覆盖全球总圈数：373圈交点周期：100.38min降交点地方时：10:30 a.m相邻轨道间隔（赤道）：107.4Km重叠率（赤道）:4.9%相邻轨迹时间间隔：3d（东漂）,三、Sensors of CBERS&the characteristics of its imagery,第五节 气象卫星,一、美国的NOAA卫星 NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）是美国第三代气象观测卫星。第一代称为TIROS系列（1965-1969），第二代称为ITOS系列。NOAA卫星的轨道是接近正圆的太阳同步极轨道，高度为870和833Km轨道倾角为98.9及98.7，周期为101.4min。NOAA卫星的应用目的是日常的气象业务，平常有11号和12号两星在运行，每颗卫星每天至少对同一地区进2次重访，所以两颗卫星每天可以4次对同一地区进行重访。NOAA搭载的传感器：A 改进型高分辨率辐射计AVHRR/2（Advanced Very High Resolution Radiometer Model/2），主要作用是：探测云的分布、地表（主要是海域）的温度分布等为目的的遥感器B 泰罗斯垂直分布探测仪TOVS（TIROS Operational Vertical Sounder），主要作用是：测量大气中气温及湿度的垂直分布多通道分光计，是高分辨率红外垂直探测仪HIRS/2（High Resolution Infrared Sounder Model 2）、平流层垂直探测器SSU（Stratospheric Sounding Unit）、微波垂直探测器（Microwave Sounding Unit）的总称。TIROS-Television and Infrared Observation Satellite“泰罗斯”气象卫星,AVHRR的主要性能,地面分辨率 1.1Km（星下点）动态范围（量化等级）10bit扫描带宽度 2700 KmBand 1 0.580.68umBand 2 0.721.1umBand 3 3.553.93umBand 4 10.311.3umBand 5 11.512.5um,二、中国的风云系列气象卫星,1988年9月7日和1990年9月3日，我国用自己研制的“长征四号”运载火箭从太原卫星发射中心发射了中国第一颗气象卫星“风云一号A”（FY-1-A）和第二颗气象卫星“风云一号B”（FY-1-B）,其中第二颗采用的是“一箭3星”技术。FY-1-A的轨道特征：轨道高度901Km，倾角99.1,旋转周期102.8min,每天绕地球14圈FY-1-A的传感器：两台AVHRR 地面分辨率：1.1Km（星下点）扫描带宽度：3200Km Band1:0.58-0.68um 获取白天的云图及地表图像 Band4:0.53-0.68um 获取海洋水色和陆表图像 Band5:10.5-12.5um 获取昼夜云图、海温和地表温度,FY-2气象卫星：,1997年6月10日我国在西昌用“长征3号”发射了第二代气象卫星“风云2号”（FY-2），该卫星定位在东经105赤道上空35800Km,成为一颗地球静止轨道气象卫星。FY-2载有3通道可见光、红外和水汽自旋扫描辐射计、云图广播和数据收集转发器等。可见光通道（）：白天的云和地表反射的阳光信息热红外通道（）：昼夜的云和地表发射的热红外信息水汽通道（）：可获得对流层（troposphere）中上部水汽 分布信息,第六节 高分辨率商业卫星,EOS,MTPE,行星地球计划,对地观测系统,ESE,地球科学计划,平台地神(Terra),第七节 对地观测系统,Mission to Planet Earth,NASA已经制定一个循序渐进的观测和数据管理战略，以向科学家提供与地球系统科学有关的观测数据。行星地球计划（MTPE）是对美国全球变化研究计划（USGCRP）的一大贡献，而EOS是雄心勃勃的MTPE计划的核心。EOS的基本要求是提供足够长时间的数据记录序列（即一个完整的太阳周期），以帮助科学家区分人类活动和自然力对地球系统的各种影响。1 地球观测系统的上午经过系列（EOS-AM系列）平台为“地神”-TERRA，主要目标是取得：有关云、气溶胶和辐射平衡及陆地生态系统特性，土地利用、土壤、陆地能量/水分，对流层化学成分，火山喷发对气候的影响等观测值2 地球观测系统的彩色卫星（EOS-COLOR系列）是继续海星（SeaStar）计划海洋宽视场传感器，主要是收集有关海洋初级生产力的数据。3 地球观测系统的气溶胶计划（EOS-AEROSOL系列）4 地球观测系统的下午经过系列（EOS-PM系列1:30）收集气象数据5 地球观测系统的测高计划（EOS-ALTITUDE卫星系列）主要目标是获取海洋循环、冰盖质量平衡及相对海平面变化的高精度测量数据6 地球观测系统的化学计划（EOS-CHEM系列）研究大气化学和动力学、化学-气候交互作用，测量大气化学成分及大气海洋间化学变换与能量交换等变量7 美国国家海洋与大气局（NOAA）的气象卫星系列,目前，最感兴趣的是ASTER和MODIS，有人把它们归入高光谱遥感领域,MODIS Parameters,第八节 遥感影像的质量评价与选择,一、空间分辨率（Spatial Resolution）是指遥感影像上一个像元所对应的地面实际面积的大小，通常有3种表示方法：像元（Pixel）：指单个像元所对应的地面面积的大小，以m或Km为单位。如Quickbird的0.61米，Landsat-TM的30米，NOAA-AVHRR的1.1Km等，像元 是扫描影像的基本单位，由行、列号及对应的亮度值描述。线对数（Line Pairs）：对于摄影系统而言，影像最小单元通过1mm间隔内包含 的线对数确定，单位为线对/mm。瞬时视场（IFOV,Instantaneous Field of View）：指遥感器内单个探测元件的 受光角度或观测视野，单位为毫弧度（mrad），IFOV越小，空间分辨率越高。IFOV取决于遥感器光学系统和探测器的大小，一个IFOV内往往包含不止一种 地物覆盖类型，这就是“混合像元”（Mixed Pixel），其中包含的每一种类型称为“纯”的“终端单元”-（Endmember）。通常情况下，空间分辨率越高，识别地物的能力越强。但实际上每一目标在图像上的可分辨程度，不完全由空间分辨率决定，还与目标的形状、大小以及它周围的亮度、结构的差异有关。利用空间分辨率来选择遥感数据时，主要考虑：需要识别的地物的最小尺寸考虑大数据量对计算机存储、计算的压力考虑成本经费,二、光谱分辨率（Spectral Resolution）是指遥感器所选用的波段数量的多少、各波段的波段位置及波长间隔的大小。即选用通道数、每个通道的中心波长、带宽，三者共同决定光谱分辨率。光谱分辨率越高，专题研究的针对性越强，对物体的识别精度越高，遥感应用分析的效果就越好。光谱分辨率越高，越容易捕捉到各种物质特征波长的微小差异，便于找到那些识别不同地物类型的”诊断波谱“。所以高光谱遥感就有利于探测目标物之间波谱特征的细微差异，光谱分辨率越高，描述每个像元的特征向量维度就越高，高光谱遥感数据的维度就越高。光谱分辨率的选取要以研究地物的波谱特征为基础。三、时间分辨率（Temporal Resolution）是指遥感器重复覆盖同一地区的频率或时间间隔的长短，时间间隔越短，则说明时间分辨率越高。主要由遥感平台的回归周期来决定。遥感图像的时间分辨率有助于对地物进行动态监测。根据遥感探测系统周期的长短可以将时间分辨率划分为3种类型：超短周期和短周期时间分辨率：主要指气象卫星系列，以“小时”为单位，可以用来反映一天之内的变化，如探测大气海洋物理现象、突发性灾害监测（地震、火山爆发、森林火灾、水灾等）、污染源监测，利于对变化比较剧烈的现象的动态跟踪。中周期时间分辨率：主要指资源卫星系列（Landsat、SPOT、CBERS等），以“天”为单位，可以用来反映月、旬、年内的变化。如植物的季相节律（物候历-Phenology）植物在其生长周期中，从发芽生长、开花结果到衰老死亡，它的生理、外形、结构上均会发生变化，这使它的化学、物理、生物性质出现季节性变化，其光谱特征也会随之发生相应的变化。,对于农作区，物候期表现为地方农事历（Local Crop Calendar），即耕作、播种、发芽、生长、成熟、收获、休闲等季相循环周期。每个地区、每种作物都有自身的农事历，这是由作物的生长特点、地方气候、地方农业耕作方式与习惯等决定的。对此的研究，主要考虑用遥感方法进行植被研究 时“植被指数”的构建与此密切相关，如小麦遥感估产时可能选择小麦拔节到乳熟期的植被指数为最佳；Idso等提出可用植被指数继开花期后减小的速率即衰老率来估产。3 长周期时间分辨率：以”年“为单位，如湖泊的消长、河道迁徙、海岸进退、城市扩张等变化缓慢的现象。对遥感数据的时间分辨率的选取影响不大。四、辐射分辨率（Radiant Resolution）遥感要识别不同的目标和现象，最终依赖于探测器获取的目标间亮度的差异，有两个前提条件：一是地面景物间本身必须有充足的对比度，二是遥感器必须有能力记录下这个对比度。辐射分辨率是指遥感器所能识别的地物间最小辐射度差，辐射度差越小则说明该传感器越灵敏，这主要取决于传感器生产厂家的技术水平。遥感影像上辐射分辨率表现为：量化等级（Bit数），如TM或ETM+是28，Quickbird是211，NOAA的AVHRR是210,ASTER可以到212 辐射分辨率越高，则遥感图像中每个像元存储时所需要的字节数就越多，目标间能被区分开来的可能性就越大，图像质量就越高。考虑：图像的质量、数据量、成本等。,