《现代遥感导论》PPT课件.ppt
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1、现代遥感导论,上海师范大学地理系尹占娥 殷杰,电子教案,使用说明,本电子教案,是为方便教师和学生使用科学出版社出版的“国家十一五规划”教材现代遥感导论(尹占娥编著)而制作的。,内容说明,电子教案的内容与教材配套,内容丰富全面,各高校在使用时可自行调整选讲的内容和章节,也可根据所掌握的材料,自组教学内容,对重点和难点内容自行调整。同时考虑到本课程目的是使地学、测绘及相关专业的学生掌握遥感理论和应用遥感数据的方法,教案在讲解遥感原理的基础上,侧重于对各种遥感数据和信息提取方法方面的教学,并安排相应的实习内容(参见实习指导光盘),以提高教学效果。,说明,由于时间仓促,本教案难免存在不妥之处,敬请使用
2、者批评指正。联系信箱:,目录,第一章 绪论 第八章 高光谱遥感数据第二章 遥感电磁辐射基础 第九章 遥感数字图像处理基础第三章 传感器 第十章 遥感数据预处理第四章 航空遥感数据 第十一章 遥感图像的增强处理第五章 地球资源卫星数据 第十二章 遥感图像的分类第六章 微波遥感数据 第十三章 分类精度评价第七章 热红外遥感数据,第一章 绪论,本章提要()1 遥感概念2 遥感的特性3 遥感的分类4 遥感技术系统5 遥感的几个基本术语6 遥感的发展历程7 遥感的现状与趋势8 遥感的应用,本章主要介绍遥感概念、遥感的特点、遥感数据、遥感数据类型、遥感数据的应用以及遥感技术的发展。,1 遥感概念,广义遥感
3、: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。狭义遥感:是从远处探测感知物体,也就是不直接接触物体,从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息,经过对信息的处理,判别出目标地物的属性。,2 遥感的特性,空间特性:宏观性,大尺度观测时相特性:周期成像,动态监测波谱特性:波谱段广,观测范围大,3 遥感的分类,主要按6个方面分类按遥感探测对象按遥感平台按遥感获取的数据形式按传感器工作方式按遥感探测的电磁波按遥感应用,宇宙遥感,地球遥感,航天遥感(150km)航空遥感(12km)地面遥感(地面或近地面),成像方式遥感(摄影方式/扫描方式)非成像方式遥感(光谱辐射
4、计等),主动遥感(雷达)被动遥感,可见光遥感/红外遥感微波遥感/紫外遥感等,遥感的分类,4 遥感技术系统,遥感平台传感器遥感信息的接收和处理遥感图像判读和应用,back,遥感平台,地面平台:主要指用于安置传感器的三脚架、遥感塔、遥感车等,高度在100米以下。航空平台:指高度在12千米以内的飞机和气球。航天平台:指高度在150千米以上的人造地球卫星、宇宙飞船、空间轨道站和航天飞机等。,人造地球卫星:1、低高度/短寿命(150-350km,几天到几十天)2、中高度/长寿命(350-1800km,3-5年)3、高高度/长寿命(36000km,10年以上),back,传感器,传感器也称遥感器或者探测器
5、,是远距离感测和记录地物环境辐射或反射电磁能量的遥感仪器。根据记录方式不同,主要分为成像方式和非成像方式两类。传感器一般由信息收集、探测系统、信息处理和信息输出4部分组成。,back,5 遥感的几个基本术语,地物光谱差异辐射记录差异空间分辨差异几何误差像片格式与数字格式的可转换性遥感成像系统大气作用,6 遥感的发展历程,摄影术阶段空中气球摄影阶段飞机摄影阶段航空遥感阶段卫星遥感阶段中国的遥感发展简况,7 遥感的现状与趋势,多分辨率多遥感平台并存,空间分辨率、时间分辨率及光谱分辨率普遍提高;微波遥感、高光谱遥感迅速发展遥感的综合应用不断深化商业遥感时代到来,8 遥感的应用,农林方面的应用地质、矿
6、产方面的应用水文、海洋方面的应用环境保护方面的应用测绘方面的应用地理学方面的应用,第二章 遥感电磁辐射基础,本章提要()1 电磁波谱2 辐射基本定律3 太阳辐射4 太阳辐射与大气的相互作用5 太阳辐射与地面的相互作用6 三种遥感模式,本章主要介绍遥感的物理基础,包括地物的电磁波特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、三种遥感模型等。,1 电磁波谱,电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等电磁波的特性 电磁波是横波,传播速度为3108 m/s,不需要媒质也能传播,与物质发生作用时 会有反射、吸
7、收、透射、散射等,并遵循 同一规律。,电磁波传播示意图,电磁波谱,电磁波谱 按电磁波波长的长短,依次排列制成的图表叫电磁波谱。依次为:r射线x射线紫外线可见光红外线微波无线电波。电磁波谱示图,各电磁波段主要特性,紫外线:波长范围为0.010.38m,太阳光谱中,只有0.30.38m波长的光到达地面,对油污染敏感,但探测高度在2000 m以下。可见光:波长范围:0.380.76m,人眼对可见光有敏锐的感觉,是遥感技术应用中的重要波段。红外线:波长范围为0.761000m,根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波:波长范围为1 mm1 m,穿透性好,不受云雾的影响。无线电波:波长范围10
8、-3 104m之间,主要用于广播、通信等方面。,红外线的划分,近红外:0.763.0m,与可见光相似。中红外:3.06.0m,地面常温下的辐射波长,有热感,又叫热红外。远红外:6.015.0m,地面常温下的辐射波长,有热感,又叫热红外。超远红外:15.01000m,多被大气吸收,遥感探测器一般无法探测。,2 辐射基本定律,黑体辐射普朗克辐射(Planck)定律斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 基尔霍夫(Kirchho)辐射定律维恩(Wien)位移定律,黑体辐射,黑体是绝对黑体的简称,指在任何温度下,对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1(100%)的物体。黑体的热辐射称
9、为黑体辐射。,黑体模型,普朗克辐射(Planck)定律,普朗克定义了一个常数(h),给出了黑体辐射的能量(Q)与频率()之间的关系:Q=h h普朗克常数,6.62610-34 焦秒(JS),斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律,对普朗克定律在全波段内积分,得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加,与温度的4次方成正比。,:斯蒂芬玻尔兹曼常数,5.66970.00297)1012 Wcm-2K-4,红外装置测试温度的理论根据。,基尔霍夫(Kirchho)辐射定律,给定温度下,任何地物的辐射通量密度W与吸收率之比是常数,即等于同温度下黑体的辐射通量密度。,发射率
10、等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体,如果不吸收某些波长的电磁波,也不发射该波长的电磁波。,维恩(Wien)位移定律,黑体辐射的峰值波长max与绝对温度T的乘积是常量,即:,b:常数,2897.80.4 m K,黑体温度增加时,其辐射曲线的峰值波长向短波方向移动。,3 太阳辐射,在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的光谱曲线,它近似于6000K的黑体辐射曲线。,太阳辐射光谱及大气的作用,太阳辐射能量分布,太阳光谱曲线,太阳光谱相当于6000 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
11、;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。,4 太阳辐射与大气的相互作用,大气概况大气的吸收作用大气的散射作用大气窗口大气校正,大气结构,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
12、:80035 000 km,空气极稀薄,对卫星基本上没有影响。,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,大气的吸收作用,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。,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,大气窗口,概念:由于大气层的反射、散射和吸收作用,使得太阳辐射的各波段受到衰减
13、的作用轻重不同,因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。,主要大气窗口与遥感应用,大气校正,概念:为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正,称作大气校正。大气对遥感图像的影响与波长、时间、地点、大气条件、大气厚度、太阳高度角等因素有关。按照校正的过程,可以分为间接大气校正方法和直接大气校正方法。,直接大气校正是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整,以消除大气影响。,间接大气校正指对一些遥感常用函数,如NDVI 进行重新定义,形成新的函数形式,以减少对大气的依赖。,5 太阳辐射与地面的相互作用,反射作用反射率的概念反射光谱曲线常见地物的光谱曲
14、线吸收作用透射作用,反射作用,镜面反射,漫反射,实际地面反射,反射率的概念,反射率():地物的反射能量与入射总能量的比,即=(P/P 0)100%地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线:反射率随波长变化的曲线。,反射光谱曲线,地物反射率随波长是变化的,我们以波长作为横坐标,反射率作为纵坐标,将地物反射率随波长的变化绘制成曲线,即地物的反射率随波长变化的曲线,叫地物的反射光谱曲线。不同地物的该曲线是不同的。,不同地物反射波谱曲线分析,常见地物的光谱曲线,植物光谱曲线水体光谱曲线土壤光谱曲线岩石光谱曲线,吸收作用,太阳辐
15、射到达地面,一部分能量被地物吸收并且转换成热能,使地表具有一定温度再发射,被称为“热辐射”。发射率是地物的辐射能量与相同温度下黑体辐射能量之比,又叫比辐射率。温度一定时,地物的发射率随波长变化的曲线,叫地物的发射光谱曲线。地表的辐射温度,也叫亮度温度或表征温度,是指能辐射出与观测地物相等辐射能量的黑体温度。,back,常见地物的发射率(赵英时,2003),back,各类岩浆岩的发射率(梅安新等,2001),back,透射作用,太阳辐射到达地面时,能穿透地面一定深度,这种现象叫透射。自然界绝大多数地物对可见光没有透射能力。红外线只对具有半导体特性的地物,才有一定的透射能力。微波对地物具有明显的透
16、射能力,其透射深度由入射微波的波长决定。水体对可见光波段的电磁波透射能力较强。,6 三种遥感模式,依据传感器探测能量的波长和研究需要,一般有三种基本的遥感模式:可见光/近红外遥感 热红外遥感主动遥感,传感器记录地球表面反射太阳辐射的能量,此类遥感主要集中在可见光和近红外波段,传感器记录地表自身所发射的辐射能量,此类遥感主要集中在热红外波段,传感器自身发射出能量,然后探测并记录地表对该能量的反射,第三章 传感器,本章提要()1 传感器的组成2 传感器的分类3 摄影型传感器4 扫描方式的传感器5 传感器的发展趋势,本章主要介绍传感器的组成、分类、各种传感器及其数据获取的成像原理和方式以及传感器未来
17、的发展趋势。,1 传感器的组成,传感器基本上都由收集器、探测器、处理器、输出器等4部分组成收集器:收集来自目标地物的电磁波能量。探测器:将收集的辐射能转变成化学能或电能。处理器:将探测后的化学能或电能等信号进行处理 输出器:输出获得的图像、数据。,2 传感器的分类,按传感器工作方式 按传感器记录方式 按成像原理和所获取图像性质,主动式传感器和被动式传感器,成像方式的传感器和非成像方式的传感器,摄影方式传感器、扫描方式传感器和雷达,3 摄影型传感器,遥感中常见的摄影机有单镜头框幅式摄影机、缝隙式摄影机、全景式摄影机、多光谱摄影机。,航空摄影机结构示意图,航空摄影机,测图用的航空摄影机须满足很好的
18、光学条件及几何条件:镜头畸变要小;解象力要高,包括在图像的边缘部分都能得到清晰的图像;光轴与胶片平面必须正交;可以精密测量出光轴与象面的位置关系,即摄影机的内方位元素胶片应具备严格的平面性,要用真空装置将胶片压紧;为使相机在高速运动中取得清晰的、消除象移的图像,要配有使胶片平面移动的象移补偿装置。,常用的航空摄影机,常用航空相机的性能(庄逢甘等,1997),航天摄影机,航天摄影机,在满足上述6条基本要求外,还会遇到以下一些特殊问题需要解决,即:必须选择表面质量、光学均匀性和抗弯强度极好的玻璃做为窗口,并有清除窗口污染的装置 为了随时得到合适的曝光量,必须装备自动暴光控制装置 控制窗口内合适的温
19、度、压力和湿度,尽量减少这些因素对空间摄影机光学系统的影响 由于星体的快速移动、平台高度大,须采用高感光度的胶片为了补偿胶片变形,一般带有格网摄影,目前常用的航天摄影机:RMK-A3023摄影机,美国的大像幅摄影机(LFC),4 扫描方式的传感器,光机扫描仪 推帚式扫描仪(CCD固体扫描仪)高光谱传感器侧视雷达传感器,光机扫描仪,光机扫描仪是借助于遥感平台沿飞行方向运动和传感器本身光学机械横向扫描达到地面覆盖、得到地面条带图像的成像装置。主要有多光谱扫描仪(MSS)和红外扫描仪两种,它们主要由收集器、分光器、探测器、处理器和输出器等几部分组成。,光机扫描仪数据采集原理,推帚式扫描仪(CCD固体
20、扫描仪),推帚式扫描仪是把多CCD探测元件按线性排列方式,装置成与卫星前进方向垂直,而且探测元件的数目等于扫描线上的像元数,沿卫星前进方向推帚式扫描成像。CCD扫描仪按其探测器的排列形式不同,分为线阵列扫描仪和面阵扫描仪两种。,推帚式扫描仪的数据采集(Campbell,2003),高光谱传感器,成像光谱 多光谱扫描仪将可见光和红外波段分割成若干波段,在一定波长范围内,被分割成的波段数愈多(即波谱取样点愈多),愈接近于连续波谱曲线,因而使得扫描仪在取得目标物图像的同时,也能获取该地物的光谱组成。这种既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”技术才称为成像光谱技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱
21、仪。,高光谱传感器,高光谱成像技术 遥感进展中的新技术,其图像由多达数百个波段的非常窄的连续光谱段组成(常用的多光谱扫描仪只有几个十几个波段),光谱覆盖了可见光、近红外、中红外、远红外区域全部光谱段,其光谱仪成像多采用扫描式或推扫式,可以收集200以上波段的数据,所的图像中每一个像元均能得到连续的反射率曲线(而传统的光谱仪在波段之间存在间隔)。高光谱成像光谱仪工作方式掸扫式(光/机):主要用于航空遥感中,较慢的飞行速度是空间分辨率的提高成为可能。推扫式:有多少个波段就有多少个探测元件。由于像元的摄影时间长,系统的灵敏度和空间分辨率的提高完全可以实现。,侧视雷达传感器,侧视雷达(side loo
22、king radar)属于主动式遥感传感器。成像时雷达本身发射一定波长的电磁波波束,然后接收该波束被目标地物发射回的信号,从而探测目标地物的特性。侧视雷达发射的波长主要在微波范围内,因此雷达图像又叫微波图像。侧视雷达分为真实孔径侧视雷达(SLAR)和合成孔径侧视雷达(SAR)两种。,5 传感器的发展趋势,传感器的重要发展趋势主要有:更高分辨率传感器更精细的光谱分辨率传感器 多波段、多极化、多模式合成孔径卫星雷达传感器 可进行立体观测和测量的传感器,立体观测和测量的传感器,同轨立体观测方式,异轨立体观测方式,第四章 航空遥感数据,本章提要()1 航空遥感平台2 航空摄影3 航空像片4 航空像片的
23、立体观测与立体测量5 航空像片的目视判读6 常见地物的像片判读,本章主要介绍航空遥感的发展、航空遥感平台的类型、航空摄影原理和方法、航空像片的立体观测与立体测量以及各种类型的航空遥感数据的判读方法和步骤等。,1 航空遥感平台,航空遥感平台一般在海拔12km以下的大气(平流层、对流层),主要包括气球和飞机两种。气球 飞机,低空气球:发送到对流层中的气球。大多数可人工控制在空中固定位置上进 行遥感。用绳子拴着的气球叫系留气球,可升至地面上空5km处。高空气球:发送到平流层中的气球。大多是自由漂移的,可升至1240km。,低空飞机:高度在2000m以下。利用它能获得大比例尺、中比例尺航空遥感 图像。
24、直升飞机可以低至10m,遥感实验时,飞机一般在1000 1500m高度范围内飞行。中空飞机:高度在20006000m,通常遥感实验时的飞行高度在3000m以上。一般用它获得中小比例尺的航空遥感图像。高空飞机:高度在1200030000m,有人驾驶机飞行高度一般在12000m左 右,无人机可达2000030000m高度。,2 航空摄影,航空摄影机 航空摄影机是航空遥感的传感器,一般安装在飞机平台上,从空中对地面进行像片拍摄。航空摄影机的种类主要有四种,即单镜头框幅航空摄影机、多镜头框幅航空摄影机、条带航空摄影机和全景航空摄影机。其中以单镜头航空摄影机最为常用。,航空摄影的类型,按航摄倾角分类 按
25、摄影实施方式分类 按感光片和波段分类按比例尺分类,垂直航空摄影 倾斜航空摄影,单片摄影单航线摄影面积摄影(多航线摄影),普通黑白摄影黑白红外摄影天然彩色摄影彩色红外摄影,大比例尺航空摄影:所获像片比例尺大于1l0 000 中比例尺航空摄影:像片比例尺为110 000130 000 小比例尺航空摄影:像片比例尺为130 0001l00 000 超小比例尺航空摄影:比例尺为1100 0001250 000,航空摄影测量,航空摄影测量是应用光学原理,利用光学仪器通过有一定重叠率的像对来获得地物和地形的光学立体模型,并在此基础上进行立体测图。航空摄影测量的作业分外业和内业航空摄影测量所用的测图方法主要
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