遥感导论.ppt
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1、遥感导论,第一章 绪论,遥感(Remote Sensing)技术是20世纪60年代蓬勃发展起来的一门新兴的相对年轻的对地观测综合性探测技术,它是在航空摄影的基础上发展起来的。遥感概论已经被列为了高校地学类专业的大学本科学生的必修主干课程。在教学内容上采用了新老教材综合。教学方式上采用讲课和学生阅读相结合,参考资料中文期刊,遥感学报中国图像图形学报遥感信息国土资源遥感遥感技术与应用,参考资料英文期刊,Photogrammetric Engineering&Remote Sensing(PE&RS),摄影测量工程与遥感杂志,美国摄影测量与遥感学会(ASPRS),http:/www.asprs.or
2、g IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing,IEEE地球科学与遥感会刊,国际电子与电器工程师协会(IEEE),http:/ewh.ieee.org/soc/grss/index.htmlI.J.Remote Sensing,国际遥感杂志,英国遥感与摄影测量学会,http:/www.tandf.co.uk/journals ISPRS Journal of Photogrammetry&Remote Sensing,国际摄影测量与遥感协会会刊,国际摄影测量与遥感学会(ISPRS),http:/www.isprs.org Canadian Jo
3、urnal of Remote Sensing,加拿大遥感杂志,加拿大航空航天研究所,http:/www.ccrs.nrcan.gc.ca/ccrs/comvnts/crss/cjrs/cjrse.html Remote Sensing of Environment,环境遥感,英国遥感与摄影测量学会,参考资料著作教材,陈述彭 童庆禧 郭华东,1998,遥感信息机理研究,北京:科学出版社陈述彭 赵英时,1990,遥感地学分析,北京:测绘出版社马蔼乃,1997,遥感信息模型,北京大学出版社濮静娟,1992,遥感图像目视解译原理与方法,北京:科学技术出版社郑威 陈述彭,1995,资源遥感纲要,北京:
4、中国科学技术出版社周成虎等,1999,遥感影像地学理解与分析,北京:科学出版社王西川 钱新强,1991,环境遥感原理与图像分析,开封:河南大学出版社浦瑞良 宫鹏,2000,高光谱遥感及其应用,北京:高等教育出版社日遥感研究会 编,刘勇卫 贺雪鸿 译,1993,遥感精解,北京:测绘出版社,1.1 遥感的基本概念,广义: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:是指应用探测仪器,不与探测目标相接触,从远处把目标物的电磁波特性记录下来,通过分析,揭示出目标物的特征性质及其变化的综合性探测技术。遥感不同于遥测和遥控,1.2 遥感系统,被测目标物的信息特征(
5、目标物的电磁波特性)信息的获取 信息的传输与记录(信息的接收)信息的处理 信息的应用,1.3 遥感的类型,按遥感平台分按传感器的探测波段分按工作方式分按遥感的应用领域分,1.4 遥感的特点,1.4.1 大面积同步观测1.4.2 获得资料的速度快、周期短,时效性强1.4.3 数据具有综合性和可比性1.4.4 经济性(成本低,经济效益大)1.4.5 局限性,1.5 遥感发展简史,无记录的地面遥感阶段(16081838年)有记录的地面遥感阶段(18391857年)空中摄影遥感阶段(18581956年)航天遥感阶段(1957),这一时期遥感发展的主要表现有:,遥感平台方面:航空遥感业务化,航天平台系列
6、化。传感器方面:探测的波段范围不断延伸,波段的分割愈来愈精细。遥感信息处理方面:从光学处理和光电子学影像处理转向全数字化、可视化、智能化、网络化 处理遥感应用方面:已广泛渗透到国民经济的各个领域。,遥感应用,农、林业方面的应用:地质、矿产方面的应用:水文学和水资源研究方面的应用:海洋学研究中的应用:环境监测方面的应用:地理学研究中的应用:,1.6 中国遥感事业的发展,20世纪30年代个别城市航空摄影;20世纪50年代系统的航空摄影 20世纪70年代遥感事业长足进步,航空摄影测绘业务化;1970年4月24日发射“东方红1号”人造卫星;太阳同步卫星“风云1号”(FY-1A,1B)极轨;地球同步卫星
7、“风云2号”(FY-2A,2B)静止轨道;1978年发射“尖兵一号”专用于科学考察;1985年10月科学探测和技术试验卫星“国土一号”1986年建成遥感卫星地面站 1999年10月14日中国-巴西地球资源遥感卫星CBERS1北斗1,2定位导航卫星“清华1号”小卫星,第二章 电磁辐射与地物光谱特征(遥感的物理基础),2.1 电磁波谱与电磁辐射2.1.1电磁波谱 1波:波是振动在空间的传播。波动是各质点在平衡位置振动而能量向前传播的现象。机械波:由振源发出的振动在弹性介质中的传播 电磁波:由振源发出的电磁振荡在空间的传播,电磁能量的传递过程(包括辐射、吸收、反射和透射等)称为电磁辐射。本质的区别:
8、电磁波在真空中也能传播;机械波必须在弹性媒质中才能传播 两者在运动形式上都是波动。基本的波动形式有两种:横波:质点的振动方向与波的传播方向垂直。如水波、电磁波。纵波:质点的振动方向与波的传播方向相同。如声波。电磁波一定是横波,机械波却可以是横波也可以是纵波。,3电磁波谱:,根据电磁波在真空中传播的波长或频率的大小,按递增或递减顺序依次排列所构成的图谱叫电磁波谱。该波谱以频率从高到低排列(即按波长从小(短)到大(长)排列),可以划分为射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。,波长(或频率)之所以不同,是由于产生电磁波的波源不同。无线电波是由电磁振荡发射的;红外辐射是由于分子的振动、转动和
9、能级跃迁时产生的;可见光与近紫外辐射是由于原子、分子中的外层电子跃迁时产生的;紫外线、X射线和射线是由于内层电子跃迁和原子核内状态改变时产生的;,目前遥感技术应用的波谱段,其范围主要是从紫外线到微波。习惯上,各波段波长范围的划分如下:教材第15页,表2.1。,4电磁波性质:(共同性),是横波;在真空中以光速传播;满足f=c和=hf;电磁波具有波粒二象性。各种电磁波的本质都是完全相同的,只是由于它们的波长(或频率)不同而具有不同的特性,因而探测记录它们的方法也不同。,(不同性):,遥感常用的各光谱段的主要特性如下:紫外线:波长0.010.38 可见光:波长0.380.76 红外线:波长0.761
10、000 微波:波长1mm1m,(不同性):,2.1.2 电磁辐射的度量,1辐射源(1)自然辐射源:主要包括太阳辐射和地物的热辐射。(2)人工辐射源 2辐射测量辐射能量(W)辐射通量()=W/t辐射通量密度(E)E=/A 辐射出射度(M)M=/A 辐照度(I)I=/A,2.1.2 电磁辐射的度量,辐射亮度(L),L=2/A cos,2.1.3 黑体辐射,1绝对黑体 所谓黑体是绝对黑体的简称,指在任何温度下,对于各种波长的电磁辐射都能全部吸收的物体,即吸收系数恒等于1(100%)的物体。绝对黑体的吸收率恒等于1,与物体的温度和入射电磁波波长无关。显然,绝对黑体的反射率恒等于0,透射率也等于0。,2
11、黑体辐射规律,(1)普朗克公式:,它表示出了黑体辐射通量密度与温度关系以及按波长分布的情况。通过实验求出的各种温度下的黑体辐射光谱曲线与普朗克公式推导出的非常吻合。,2黑体辐射规律,(1)普朗克公式:,不同温度的黑体辐射,黑体辐射有三个特性:辐射出射度(辐射通量密度)随波长连续变化,每条曲线只有一个最大值。温度愈高,辐射出射度(辐射通量密度)也愈大,不同温度的曲线是不相交的。随着温度的升高,辐射最大值所对应的波长移向短波方向。,(2)斯忒藩玻尔兹曼定律:,M=T4,(3)维恩位移定律,max.T=b,3实际物体的辐射规律:,M1=a1 I1 M2=a2 I2 M0=a0 I0,基尔霍夫定律(P
12、21):,M1/a1=M2/a2=M0=I0,该公式表明了实际物体的辐射出射度Mi与同一温度同一波长的绝对黑体的辐射出射度之比等于该物体在该温度该波长的吸收系数i,即i=Mi/M0,实际物体的辐射,发射率是指地物的辐射出射度M于同温度的绝对黑体的辐射出射度的比值。=M/M0,基于基尔霍夫定律和能量守恒定律i=(Mi/M0)=(Mi/M0)=i,表明,在给定的温度下,任何地物的发射率在数值上等于同温度、同波长下的吸收率;该公式还表明,地物的吸收率愈大,发射率也愈大。,地物发射率的差异也是遥感探测的基础和出发点。通常,依发射率与波长的关系,将地物分为三种类型。黑体或绝对黑体:其发射率=1,即黑体的
13、发射率对所有波长都是一个常数,并且等于1。灰体:其发射率=常数1(因吸收率1)。即灰体的发射率始终小于1,且也不随波长而变化。不同灰度的灰体,其发射率也是不同的。选择性辐射体,其发射率随波长而变化,而且1(因吸收率也随波长而变化并且1)。自然界中的绝大多数地物都是选择性辐射体。,2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响,2.2.1 太阳辐射 太阳的结构(从内到外):可反映区、辐射区、对流区、地区、大气层。太阳大气可分为三个部分:光球层、色球层、日冕层。太阳辐射主要是由太阳大气辐射所构成的。可见光和红外波段的太阳辐射几乎全部来自光球层,1500以下的波主要来自色球层和日冕层的高温辐射,无线电厘米波由太
14、阳色球层辐射产生,米波则由日冕层辐射产生。太阳辐射以电磁波的形式,通过宇宙空间到达地球表面(1.5亿公里)全程大约500秒 1 太阳常数 在不受大气影响的情况下,距太阳一个天文单位(通常指日地平均距离,约1.496108公里)内,垂直于太阳辐射方向上,单位面积单位时间内黑体接受到的太阳辐射能量。其数量为:1.360 103 瓦/平方米。,2 太阳光谱,图2.11中(P25)上面一条连续曲线是地球大气层以上的太阳辐射光谱曲线,与温度为5800K的理想黑体所产生的光谱曲线非常相似(图中虚线)。太阳辐射覆盖了很宽的波长范围,由1直至10m以上,包括射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波及无线电波
15、。但是用高分辨率光谱仪在地球大气层上方观测太阳辐射时,会发现连续光谱的明亮背景上有许多离散的暗谱线,这些吸收谱线叫做夫琅和费(吸收)线,这是因为太阳光球以及太阳大气中存在的氢、氦以及其他元素的吸收作用。太阳辐射能主要集中在0.33m波长范围内,最大辐射强度位于波长0.47m左右。由于太阳辐射的大部分能量(43.5%)集中在0.380.76m的可见光波段,所以太阳辐射一般称为短波辐射。80.3%集中在可见光和近红外波段。,2.2.2 大气对太阳辐射的影响,太阳辐射通过地球大气层,其中,约有30%的能量被云层和其它大气成分反射回宇宙空间;约有17%被大气吸收;约有22%被大气散射;而仅有31%的太
16、阳辐射能到地表。目前在大多数遥感方式中,都只考虑无云天气情况下的大气吸收、大气散射的作用。图2.11中最下面的曲线就表示地球表面海平面上太阳光直射时的辐射曲线。可以看出海平面处的太阳辐射曲线与地球大气层外的曲线有很大不同,这种差异主要是地球大气引起的。图中那些衰减最大的区间便是地球大气分子吸收的最强波段。太阳辐射通过大气层愈厚,能量衰减得愈多。而路程又和太阳高度角有关。太阳高度角愈大,路程愈短,等量的太阳辐射散布的面积就小,衰减愈少,光热集中,地表单位面积上获得的太阳辐射能量就愈多,辐照度随太阳高度角的变化:,I.S=I.Sin hI=I.Sin hI=I.Sin h/D2 I=I.cos/D
17、2,(一)大气吸收,大气对通过的电磁波产生吸收、散射和透射的特性,称为大气传输特性。这种特性除了取决于电磁波的波长(随波长不同而不同),还决定于大气成分,以及环境的变化。,1.大气结构与成分,一般认为地球大气层厚度约1000km,在垂直地表方向上,自下而上分为对流层、平流层、电离层(中气层、热层),大气外层。真正对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层。大气主要成分为分子和其他微粒。其中N2和O2,约占99%。,2.大气吸收,太阳辐射通过地球大气层时,地球大气中的某些成分对太阳辐射的某些波段产生选择性吸收。大气中各种成分对太阳辐射吸收的明显的特点,是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区,而对可见光
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