摄影测量与遥感-遥感课件

摄影测量与遥感（下）遥感原理与应用总教学目标：掌握遥感原理、方法及应用 了解遥感的现状和发展趋势 掌握有关软件的操作 能应用所学知识解决实际问题 能根据应用目的：设计需要的遥感系统，选择适用的遥感数据，采用适当的处理手段，正确地解译图像，得到想要的结果（包括遥感图像解译和目标识别）。精品遥感课程教学安排v遥感概论v遥感的物理基础v遥感平台v遥感传感器及成像原理v遥感图像几何处理v遥感图像辐射处理v遥感图像目视判读v遥感图像分类v遥感技术与应用精品从外太空看地球表面精品从北极点看地球表面（水体部分为水色图）精品从南极点看地球表面（水体部分为水色图）精品从航空飞机的机舱看地球表面精品航天卫星遥感图像精品精品精品精品高分辨率卫星影像精品思考：v遥感图像与普通的图像有何异同？v能从图像上得到什么？v为什么要从那么高的空间对地成像？v要了解有关的空间信息，通过什么途径？v如何获取信息？v遥感的应用怎样？精品第一章 概论v遥感的概念 1、遥感（Remote Sensing):遥感地感知。2、广义地含义：泛指各种非接触的、远距离的探测技术，根据物体对电磁波的反射和辐射特性，以获取物体信息的一种技术。3、狭义的含义：指从远距离、高空以至外层空间的各种平台上，利用可见光、红外、微波等探测仪器，通过摄影或扫描，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一门现代化技术科学（陈述彭院士）。精品4、指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传感器获取反映地表特征的各种参数，通过传输、变换、处理、提取有用的信息，实现研究地物形状、位置、性质、变化及与环境的相互关系的一门现代应用科学。遥感技术：通常把这一接收、传输、处理、分析判读和应用遥感信息的全过程称为遥感技术。精品v遥感的过程地物传感器接收电磁波辐射实景传感器实体分类器X2(2,t2,d2)X1(1,t1,d1)Xn(n,tn,dn)输出分类结果应用评价分析决策预测按一定规定判决计算机分类图（扫描仪或屏幕）精品遥感的过程1、目标的电磁波特性v遥感的物理基础：任何目标都具有发射、反射、吸收电磁波的性质。目标和电磁波的相互作用构成了目标的电磁波特性。v这种特性是可以量测的，包括：信息获取前的地物波谱特性测定 信息获取同时进行有关的遥感数据采集精品遥感的过程2、信息的获取v传感器：接收纪录目标电磁波特性的仪器。v平台：安装传感器的平台。3、信息的接收与传输v传感器接收的目标地物电磁波信息纪录在数据存储介质或胶片上。4、信息处理v首先在地面接收站进行初步处理；v信息恢复、辐射校准、卫星姿态校正、投影变换，再转换为用户的通用数据格式或胶片。精品三 遥感的类型1、按平台分：地面遥感，航空遥感，航天遥感，宇航遥感；2、按遥感所用的波谱性质：v电磁波，声波，物理波；v电磁波遥感：利用各种目标辐射出不同特性的电磁波进行的遥感。3、按波段分：v可见光，红外，微波遥感；v多波段遥感：探测波段在可见光和红外范围内分成若干窄波段来探测目标。精品4、按工作方式分：v主动式与被动式成像和非成像方式5、按应用领域分：v大范围的有：外层空间，大气层，陆地，海洋，环境。6、具体应用极为广泛v测绘，农业，军事，工程，城市，海洋，林业，地质，考古等。精品精品精品精品精品精品精品精品精品六、遥感的发展 1.遥感物理基础v地物波谱特性形成机制与遥感信息传输理论研究，建立地物波谱与影像特征之间的关系模型，以实现遥感影像分析解译的定量化和精确化。精品2.遥感平台v多样化，系列化，小型化，普遍化，有效载荷增多，接受数据方便。航空遥感业务化，航天平台系列化，出现宇航平台。往返于空间与地面之间的航天飞机。有以空间轨道卫星为主的航天平台，有地球同步，太阳同步，低轨与高轨卫星，有大型卫星，专题目标明确的小卫星群。v不同高度、不同用途的卫星构成了对地球和宇宙的多角度、多周期观测。精品3.传感器的发展v空间分辨力提高：v探测波段增加：从单一波段向多波段发展：波段的范围不断延伸，波段的分割变细。v高光谱：成像光谱技术：v数字成像技术：v成像RADAR：vLASER与遥感的结合：v多探测技术集成：实时测图精品4.遥感硬件软件处理系统v处理手段：光学处理变为计算机处理，可以处理海量数据。v数字成像技术：以计算机处理为主，打破了摄影与扫描的界限。v光存储器的出现：海量数据的存储和传输得到缓解。v大容量高速计算机与功能强大的软件在不段的完善，能读取多种格式图象，有专门的功能模块。软件从人机对话到视窗方式，向智能化、软件组件化、网络化方向发展，实现软件和资源的共享和实时传输。精品5、遥感的应用v经过四十年的发展，遥感技术已经广泛的渗透到国民经济和社会发展的各个领域，对于推动经济建设，社会进步，环境改善和国防建设起到重大作用。v外层空间探测：从卫星上获取的信息是地面观测所不能取得的，空间遥感对地观测得到的全球变化信息是不可替代的。v全球的气候变化，温室效应，沙漠化，自然灾害等的动态变化已经引起人们的重视v海洋渔业，交通，海洋生态和环境v土地资源，矿山资源，森林资源，水资源，农作物估产。精品v遥感在解决环境变化，如城市化，沙漠化，土地退化，盐渍话，环境污染有独特的作用v灾害问题：冰，火，地震等多种气象灾害，农作物病虫害预测预报评估。v精细农业v军事v旅游v考古v地质v其他精品6、空间信息系统集成与数字地球v遥感技术与其他相关技术的集成v指对真实地球以及相关现象数字化描述的一个虚拟地球v遥感技术将为数字地球提供动态的高分辨率高光谱多尺度影象，生成三维数字地面模型，以及相关的地物和环境的各种属性数据等，数字地球中最基础的数据是空间信息系统集成的重要部分。精品八、遥感发展中存在的问题 1.问题：遥感应用还不能满足实用的要求1）遥感的时效性：实时检测与处理能力不足，尚未充分体现。2）遥感定量反演：图象的自动识别，专题信息提取，遥感定量反演地学参数的能力和精度，不能达到实用要求。3）适用性限制：精品第二章 遥感的物理基础2.1 电磁波及电磁波谱 v电电磁波磁波(Electromagnetic Wave)是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。电磁波的传输可以从麦克斯韦(Maxwell)方程式中推导出来。电磁波具有波动性和粒子性两种性质。精品v在电磁波里，振荡的是空间电场矢量E和磁场矢量B。电场矢量和磁场矢量互相垂直，并且都垂直于电磁波传播方向。v所有电磁波在真空或空气（近似地）中的传播都遵守公式C=v，这里v代表频率，代表波长，C=3108m/s是电磁波在真空或空气中的传播速度。精品电磁波谱v电磁波的波段从波长短的一端开始，依次叫做伽玛射线、X-射线、紫外光、可见光、红外光、微波和无线电波。v伽玛射线指波长小于0.03埃的电磁波谱段；vX-射线指波长约为0.0320埃的电磁辐射；v紫外光指波长为4.00380纳米范围的电磁波；v可见光包括蓝光（0.400.50微米）、绿光（0.500.60微米）和红光（0.600.76微米）；v红外光涵盖了近红外、中红外、热红外和远红外波段，其中，近红外波段指电磁波波谱中0.763.00微米波长范围，遥感技术中又称该谱段为“反射红外”，中红外波段指电磁波波谱中3.006.00微米波长范围，远红外指电磁波波谱中6.0015.00微米波长范围;v而8.0014.00微米波段是大气窗口之一，亦是遥感技术中，用于探测地球表面物质自身辐射的主要谱段，v遥感中热红外是指3.0014.00微米谱段的电磁波，热红外常用于温度调查；v微波多用于雷达及微波辐射计.精品精品遥感所使用的电磁波的波长是:紫外线的一部分(0.30.4m)，可见光线(0.40.7m)，红外线的一部分(0.714m)，微波(约1mm1m)。所以，根据所利用的电磁波的光谱段，遥感可以分为可见光反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感3种类型。精品2.2 基本概念v1.天天顶顶角、高度角和方角、高度角和方位角位角 地球表面上方任意一点的方位可以用两个角度即天顶角（zenith angle）或高度角h（altitude或elevation）和方位角（azimuth angle）进行描述。h=(/2)-精品v2.立体角立体角 立体角d在遥感中是一个极为重要的概念，其定义为：一个半径为r的球面，从球心向球面作任意形状的锥面，锥面与球面相交的面积为A,则A/r2就是此锥体的立体角（Solid Angle）。一般用符号表示，单位为球面度sr。一个球面的面积为4r2，因此球体的立体角是4.精品v辐辐射通量射通量(Flux)在单位时间内通过某一表面的辐射能量（单位为焦耳或J）称为辐射通量（Radiant Flux，单位:瓦、W或 J s-1）。若是某个波长的辐射通量，则记为().辐辐射射强强度度(Intensity)点辐射源在某一方向上的立体角内所发出的辐射通量。符号I，单位为W/sr。I=d/d 精品v辐辐射出射度射出射度M 对于面辐射元，其单位面积向半球空间（2立体角空间）内发射的辐射通量，称为辐射出射度。简称辐出度，符号M，单位W/m2。M=d/dA 辐射出射度是描述面元特性的，因此又称为辐射通量密度。v辐辐照度照度E（Irradiance）在单位时间内，单位面积上接收的辐射能量称为辐照度E（单位为Wm-2）。如果是单位光谱波长上的，单位为W/m2 m.E()=精品v点点辐辐射源的射源的辐辐射射强强度度I 点辐射源在某一给定方向上单位立体角内的辐射通量，称为辐射强度I（）（Radiant Intensity，单位为瓦球面度-1，即Wsr-1），I（）表示点辐射源在单位时间中在方向的每单位立体角内所发射的能量,其表达式为：精品v面面辐辐射源的射源的辐辐射度射度L 辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量，称为辐射度L（）（Radiance，单位为Wm-2sr-1），辐射度L（）具有方向性，是面元的法线与辐射方向之间的夹角。L（）表示辐射源在任一方向，垂直于该方向的单位投影面积上，在单位时间、单位立体角内所发射的能量。精品v辐辐亮度亮度B（Brightness）和辐辐射度射度L（Radiance）辐亮度和辐射度可定义为沿辐射方向的、单位投影面积、单位立体角上的辐射通量。单位为W/m2 sr，如果是单位光谱波长上的，单位为 W/m2 m sr。精品v如果辐射源的面元非常小，可以看作一个点，则在单位立体角d内的辐射通量为辐射强度I(Intensity)，其与辐亮度的关系为：I=L dA cos 辐亮度随波长变化，且具有方向性，L=L(,)，其中方位角，观测角。辐亮度是遥感中的最重要的基本物理量。辐亮度的特点之一是与距离无关性。精品v发发射度射度M 发射度M(Emittance，Exitance)特指辐射源的自发辐射。如果与立体角有关，它可以用辐射度L(,)代替，这时M=L(,)。如果与立体角无关，发射度M可以用辐照度E()代替，这时M=E()。精品v反射率反射率r、吸收率和透射率、吸收率和透射率t 根据能量守恒定律，对于入射的谱辐照度我们有：式中：i 表示入射,r表示反射,a表示吸收,t表示透射。吸收率(半球吸收率)定义为 ;反射率(半球反射率)定义为 ;透射率(半球透射率)定义为 .精品基本定律及公式 v1.普朗克普朗克辐辐射定律射定律 物体不断辐射具有能量和光谱分布的电磁波，而这种能量又依物体的发射率和温度而变化。由于这种辐射依赖于温度，因而叫做热辐射。由于热辐射根据构成物体的物质及条件不同而变化，所以确定了以黑体(black body)为基准的热辐射的定量法则。黑体黑体：是指入射的全部电磁波被完全吸收，既无反射也没有透射，在一定温度下，比其它任何物质的辐射能量都要大的物体，也叫完全辐射体。精品v黑体黑体辐辐射射(black body radiation)是指黑体的热辐射，它是在一切方向上都均等的辐射。v普朗克普朗克辐辐射定律射定律（P1anks law of radiation）：光谱辐射通量密度，（Wm-2m-1）；c光速（2.99792458108 ms-1）；h普朗克常数（6.62607610-34 Js）；k波尔兹曼常数（1.38065810-23 JK-1）；波长（m）；T绝对温度（K）；精品v发发射率射率定义为观测物体的辐射能量与同观测物体具有相同热力学温度的黑体的辐射能量之比，也即：v发射率与波长无关的物体叫灰体灰体(grey body)，依波长而变化的物体叫选择选择性性辐辐射体射体。在选择性辐射体的情况下，使用单位波长宽度的发射率的术语光光谱发谱发射率射率(spectral emissivity)。精品精品v基基尔尔霍夫定律霍夫定律 基尔霍夫发现，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（E）。即有：基尔霍夫定律(Kirchhoff Law)是描述物质吸收辐射的速率与再辐射（发射）的速率之间的关系，在局部热动态平衡下，物质吸收能量的速率与辐射能量的速率相等。也就是方向性光谱发射率e等于方向性光谱吸收比a。精品v斯蒂芬斯蒂芬-玻玻尔尔兹兹曼定律曼定律 1879年斯蒂芬由实验发现，绝对黑体的积分辐射能力ET与其温度的4次方成正比:ET=T4 式中：，称为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。精品v维维恩位移定律恩位移定律 1893年维恩推导出黑体辐射光谱的极大值对应的波长与其温度成反比：这个公式给出了黑体的光谱出射率的极大值所对应的波长。黑体在不同温度时的光谱出射率分布 精品太阳和地球的电磁辐射及其特性 v1、太阳表面温度约为6000 K(太阳等效黑体温度等于5762K)，内部温度更高。太阳辐射按波长的分布，称为太阳辐射光谱。精品地表上太阳光的光谱辐照度和黑体的比较 精品物体的反射辐射v物体的反射1、镜面反射 入射角等于反射角2、漫反射 整个表面均匀地反射入射光称为漫反射。朗伯面。3、方向反射 介于漫反射和镜面反射之间。精品v光谱反射率和地物的反射光谱特性1、光谱反射率 物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比。2、地物反射光谱特性 物体反射率随波长变化而改变的特性称地物反射光谱特性。将地物的光谱反射率与波长的关系在直角坐标系中绘出的曲线称地物反射光谱特性曲线。精品波波长长(m)1.10.70.4102040水泥地水泥地水泥地水泥地长长长长 江江江江裸露地裸露地裸露地裸露地植植植植 被被被被反射率反射率(%)地物光地物光地物光地物光谱谱谱谱特性曲特性曲特性曲特性曲线线线线精品大气及其大气及其传输传输特性特性v地球大气地球大气 地球大气对遥感信息的接收和传输影响很大，根据温度分布可从垂直方向将大气划分成四层，对流层、平流层、中间层和热成层（热电离层）。大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢、臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪冰等）、盐粒和气溶胶（烟尘）等。精品v大气吸收和散射大气吸收和散射 大气对电磁波传播的主要影响是散射和吸收。大气的散射和吸收作用对电磁波传播的影响可以大致分为乘法性因子的影响和加法性因子的影响。乘法性的影响是由消光(extinction)引起的，所以经过吸收及散射，使目标物(地球表面)传到遥感器的能量逐渐减少。加法性的影响是由发射(emmission)引起的，所以经过大气的热福射及散射，使来自目标物以外的能量也被遥感器接收。精品大气吸收大气散射精品起消光作用的吸收 发射作用的热辐射 起消光作用的散射 起发射作用的散射 精品v一般来说，因为消光和发射是同时产生的，所以在考虑辐射传递时必须把两者同时考虑进去。表达这一机理的正是辐射传递方程(radiative transfer equation)。v由于大气对电磁波散射和吸收等因素的影响，致使电磁波谱上许多波区透射率变小，甚至完全无法透过电磁波，这些波区就难于甚至不能供遥感使用，反之，那些透过率较高的波区，即对电磁辐射在大气中的传输损耗较小的波区，则对遥感十分有利，这些波区称为“大气窗口”。精品