遥感基本知识超强汇总(上）

shiyonghao · 发表于 2021-1-4 14:28

一. 遥感的基本概念1.遥感的基本知识
“遥感”一词来自英语Remote Sensing，从字面上理解就是“遥远的感知”之意。顾名思义，遥感就是不直接接触物体，从远处通过探测仪器接受来自目标物体的电磁波信息，经过对信息的处理，判别出目标物体的属性。
实际工作中，重力、磁力、声波、机械波等的探测被划为物理探测（物探）的范畴，因此，只有电磁波探测属于遥感的范畴。
根据遥感的定义，遥感系统包括：被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用这五大部分。
1.目标物的电磁波特性
任何目标物体都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感探测的依据。
2.信息的获取
接受、记录目标物体电磁波特征的仪器，称为“传感器”或者“遥感器”。如：雷达、扫描仪、摄影机、辐射计等。
3.信息的接收
传感器接受目标地物的电磁波信息，记录在数字磁介质或者胶片上。胶片由人或回收舱送至地面回收，而数字介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线输送到地面的卫星接收站。
4.信息的处理
地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息，记录在高密度的磁介质上，并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变换等，再转换为用户可以使用的通用数据格式，或者转换为模拟信号记录在胶片上，才能被用户使用。
5.信息的应用
遥感技术是一个综合性的系统，它涉及到航空、航天、光电、物理、计算机和信息科学以及诸多应用领域，它的发展与这些科学紧密相关。
2.遥感的分类
1）按遥感平台分
地面遥感：传感器设置在地面上，如：车载、手提、固定或活动高架平台。
航空遥感：传感器设置在航空器上，如：飞机、气球等。
航天遥感：传感器设置在航天器上，如：人造地球卫星、航天飞机等。
2）按传感器的探测波段分
紫外遥感：探测波段在0.05~0.38μm之间。
可见光遥感：探测波段在0.38~0.76μm之间。
红外遥感：探测波段在0.76~1000μm之间。
微波遥感：探测波段在1mm~10m之间。
3）按工作方式分
主动遥感：有探测器主动发射一定电磁波能量并接受目标的后向散射信号。
被动遥感：传感器仅接收目标物体的自身发射和对自然辐射源的反射能量。
4）按遥感的应用领域分
外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等。
3.遥感发展简史
最早使用“遥感”一词的是美国海军研究所的艾弗林*普鲁伊特。1961年，在美国国家科学院和国家研究理事会的支持下，在密歇根大学的威罗*兰实验室召开了“环境遥感国际讨论会”，此后，在世界范围内，遥感作为一门新兴学科飞速发展起来。
1）无记录的地面遥感阶段（1608---1838年）
1608年，汉斯*李波尔赛制造了世界第一架望远镜，1609年伽利略制作了放大倍数3倍的科学望远镜，从而为观测远距离目标开辟了先河。但望远镜观测不能吧观测到的事物用图像记录下来。
2）有记录的地面遥感阶段（1839---1857年）
对探测目标的记录与成像始于摄影技术的发展，并与望远镜相结合发展为远距离摄影。
3）空中摄影遥感阶段（1858---1956年）
1858年，G..F.陶纳乔用系留气球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰”像片。
1860年，J.布莱克乘气球升空至630m，成功的拍摄了美国波士顿的照片。
1903年，J.钮布郎特设计了一种捆绑在飞鸽身上的微型相机。这些试验性的空间摄影，为后来的实用化航空摄影打下了基础。
在第一次世界大战期间，航空摄影成了军事侦探的重要手段，并形成了一定规模。与此同时，像片的判读水平也大大提高。一战以后，航空摄影人员从军事转向商务和科学研究。美国和加拿大成立了航测公司，并分别出版了《摄影测量工程》及类似性质的刊物，专门介绍有关技术方法。
1924年，彩色胶片出现，使得航空摄影记录的地面目标信息更为丰富。
二战中，微波雷达的出现及红外技术应用于军事侦查，使遥感探测的电磁波谱段得到了扩展。
4）航空遥感阶段（1957---）
1957年10月4日，苏联第一颗人造地球卫星的发射成功，标志着人的空间观测进入了新纪元。此后，美国发射了“先驱者2号”探测器拍摄了地球云图。真正从航天器上对地球进行长期探测是从1960年美国发射TIROS-1和NOAA-1太阳同步卫星开始。
此外，多宗探测技术的集成日趋成熟，如雷达、多光谱成像与激光测高、GPS的集成可以同时取得经纬度坐标和地面高程数据，由于实时测图。
总之，随着遥感应用向广度和深度发展，遥感探测更趋于实用化、商业化和国际化。
4.遥感应用的一个简单例子
大兴安岭森林火灾发生的时候，由于着火的树木温度比没有着火的树木温度高，它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量，这样，当消防指挥官面对着熊熊烈火担心不已的时候，如果这时候正好有一个载着热红外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空，传感器拍摄到大兴安岭周围方圆上万平方公里的影像，因为着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的电磁能量，在影像着火的森林就会显示出比没有着火的森林更亮的浅色调。当影像经过处理，交到消防指挥官手里时，指挥官一看，图像上发亮的范围这么大，而消防队员只是集中在一个很小的地点上，说明火情逼人，必须马上调遣更多的消防员到不同的地点参加灭火战斗。
5.中国遥感技术的发展
我国自1970年4月24日发射“东方红1号”人造卫星后，相继发射了数十颗不同类型的人造地球卫星，使得我国开展宇宙探测、通讯、科学实验、气象观测等研究有了自己的信息源。1999年10月14日中国---巴西地球资源卫星CBERS---1的成功发射，使我国拥有了自己的资源卫星。
在遥感图形处理方面，已开始从普遍采用国际先进的商品化软件向国产化迈进。在科技部、信息产业部的倡导下，国产图像处理软件从研制走向了商品化，并占有一定的市场份额，如photomapper等。
在遥感应用方面，国家将遥感列入重点攻关项目和“863”工程。

二.电磁辐射与地球的光谱特征
1.电磁波谱与电磁辐射
（1）基本概念
1）波：振动的传播。如：水波、声波、地震波等。
2）机械波：振动的是弹性介质中的位移矢量。
3）电磁波：电磁振源产生的电磁振荡在空间中的传播。
4）电磁波的特点
①不需要传播介质
②电磁波是横波，在真空中以光速传播
③满足波粒二象性
④波长与频率成反比，且两者之积为光速：f×λ=c。
⑤传播遇到气体、固体、液体介质时，会发生反射、投射、折射、吸收等现象。
5）电磁波谱：按照电磁波波长的长短，依次排列成的图表称为电磁波谱。
（2）电磁辐射的量度
1）辐射源：任何物体都是辐射源，既能吸收其它物体的辐射，也能向外辐射电磁波。
2）辐射能量：电磁辐射的能量，单位：J（焦耳）。
3）辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量，单位：W。
4）辐射通量密度：单位时间内通过表面单位面积上的辐射通量。
5）辐照度：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。
6）辐射出射度：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。
7）辐射亮度：辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。
8）黑体辐射定律
①普朗克公式：描述黑体辐射出射度与温度、波长等的关系
②斯蒂芬－玻尔兹曼定
③维恩位移定律
9）实际物体的辐射
物体的发射率是温度和波长的函数，且与种类、物理状况（如粗糙度、颜色等）等有关。
按照发射率和波长的关系，辐射源可分为：
①黑体：ελ=ε=1
②灰体：ελ=ε=常数<1
③选择性辐射体：ελ<1,且随波长而变
2.太阳辐射及大气对辐射的影响
1）太阳辐射源：太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。
2）大气成分组成：
①永久气体：氮气、氧气、CO2、惰性气体、氢气、甲烷等。
②浓度可变的气体：水蒸气、臭氧、SO2、氨气等。
③固体和液体微粒。
3）大气垂直分层(大气结构)：电离层：距地面85km直到几百千米的范围均为热电离层，温度范围为500K到2000K
平流层：在平流层最下面直到20km的高度之内，温度几乎为常数
对流层：厚约为10km，温度随高度的增加而降低
4）大气辐射衰弱的原因：反射、吸收、散射。
大气吸收17％，散射22％，反射30％，其余31％太阳辐射到达地面。
5）散射：①瑞利（Rayleigh）散射：当大气中粒子的直径比辐射波长小得多时发生的散射；散射强度与波长的四次方成反比。
②米氏散射：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；散射强度与波长的二次方成反比。
③非选择性散射：当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射；散射强度与波长无关
6）吸收作用：大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧
7）反射作用：云量越多、云层越厚，反射越强
8）折射作用：折射率与大气密度有关，密度越大折射率越大。
3.地球的辐射与地物波谱特征
1）太阳辐射与地表的相互作用
①温度为300K的黑体，其电磁辐射的波长范围是：2.5~50μｍ(0.3-2.5um)。
②地球表面的发射辐射能量集中于近红外波段和热红外波段；在热红外波段，地球的发射辐
射能量远远大于太阳的电磁辐射能量，通常称地球的发射辐射为热辐射
③地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波长、温度有关
2）地物波谱特征
在可见光与近红外波段，地表物体自身的热辐射几乎等于零。所以地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。
到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量
①反射率：物体反射的辐射能量占总入射能量的百分比
②物体的反射：镜面反射、漫反射和实际物体的反射。

三.遥感成像原理与遥感图像特征
遥感平台是搭载传感器的工具。在遥感平台中，航天遥感平台目前发展最快、应用最广。根据航天遥感平台的服务内容，可以将其分为气象卫星系列、陆地卫星系列和海洋卫星系列。
1.气象卫星概述
第一代：20世纪60年代TIROS、ESSA、Nimbus、ATS
第二代：1970-1977年ITOS-1、SMS、GOES、GMS、Meteosat
第三代：1978年以后NOAA系列
我国的气象卫星发展较晚。“风云一号”气象卫星（FY-1）是中国发射的第一颗环境遥感卫星。其主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感实验。
2.气象卫星特点
1）轨道
气象卫星的轨道分为两种：低轨和高轨。
高轨气象卫星：轨道高度：36000公里
信息采集时间周期：约20分钟
分辨率：1.25~5公里
主要应用领域：全球性大气环流；全球性天气过程
低轨气象卫星：轨道高度：36000公里
信息采集时间周期：约20分钟
分辨率：1.25~5公里
主要应用领域：全球性大气环流；全球性天气过程
2）短周期重复观测
3）成像面积大，有利于获得宏观同步信息，减少数据处理容量
4）资料来源连续、实时性强、成本低
3.陆地卫星系列
1）陆地卫星（Landsat）
轨道:太阳同步的近极地圆形轨道
重复覆盖周期:1618天
图象覆盖范围：185*185km（Landsat7185*170km）。
Landsat上携带传感器空间分辨率不断提高，从80m到30m到15m
2）法国SPOT卫星系列
地球观察卫星系统。由瑞典、比利时等国家参加，由法国国家空间研究中心（CNES）设计制造。1986年发射第一颗，到2002年已发射5颗。
特点：太阳同步圆形近极地轨道高度830km
覆盖周期26天扫描宽度:60(×60)公里
主要传感器:2台HRV
空间分辨率:全色10m;多光谱20m
能满足资源调查、环境管理与监测、农作物估产、地质与矿产勘探、土地利用、测制地图及地图更新等多方面需求
SPOT卫星系列优势特征：卫星搭载的传感器具有倾斜（侧视）能力
信息获取的重复周期：一般地区3~5天；部分地区达到1天
3）中巴地球资源卫星CBERS：1999.10.14，我国第一颗地球资源遥感卫星（又称资源一号卫星）在太原卫星发射中心成功发射
CBERS卫星特点：太阳同步近极地轨道，轨道高度778km，卫星重访周期26天携带的传感器的最高空，间分辨率是19.5m
4）高空间分辨率陆地卫星(IKONOS、QUICKBIRD等)
4.摄影成像
数字摄影是通过放置在焦平面的光敏元件，经过光电转换，以数字信号来记录物体的影像。依据探测波长的不同，可分为近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影等。
1）摄影机分类
①分幅式：一次曝光得到目标物一幅像片；镜头:常角、宽角和特宽角
②全景式:分为缝隙式和镜头转动式
对可见光遥感，摄影机外壳只需是不透光材料，对红外摄影，只能用金属材料。镜头则需根据摄取的波段选择材料。
③多光谱摄影机：多相机组合、多镜头组合、光束分离型
可同时直接获取可见光和近红外范围内若干个分波段影像
2）摄影像片的几何特征
根据摄影机主光轴与地面的关系，可分为垂直摄影和倾斜摄影。
①垂直摄影像片的几何特征:
1.像片的投影：中心投影
中心投影与垂直投影的区别
（1）投影距离的影响
（2）投影面倾斜的影响
（3）地形起伏的影响
②摄影胶片的物理特性
感光度：指胶片的感光速度。胶片感光度高，在光线较弱时也能方便摄影。
反差：指胶片的明亮部分与阴暗部分的密度差。
灰雾度：未经感光的胶片，显影后仍产生轻微的密度，呈浅灰色，故称灰雾。
宽容度：指胶片表达被摄物体亮度间距的能力。
解像力：通常称为感光胶片的分辨力。
③常用的遥感摄影胶片：
1.黑白摄影胶片：—色盲片，—正色片，—分色片，—全色片，—红外黑白片
2.天然彩色胶片
3.红外彩色片
5.扫描成像
扫描成像是依靠探测元件和扫描镜对目标物体以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特征信息，形成一定谱段的图像。其探测波段可包括紫外、红外、可见光和微波波段。
1）光/机扫描成像
光机扫描的几何特征:取决于瞬时视场角、总视场角
进行扫描成像时，总视场角不宜过大，否则图像边缘的畸变太大。通常在航空遥感中，总视场角取70～120
光机扫描仪可分为单波段和多波段两种。多波段扫描仪的工作波段范围很宽，从近紫外、可见光至远红外都有。
多波段扫描仪：地面物体的辐射波束----扫描---反射-----聚焦---分光---再聚焦到感受不同波长的探测元件上。
2）固体自扫描成像
固体扫描是用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标进行扫描的一种成像方式。
——用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的成像方式。
——目前常用的探测元件是电荷耦合器件CCD
3）高光谱成像扫描
对遥感而言，在一定波长范围内，被分割的波段数愈多，即波谱取样点愈多，愈接近于连续波谱曲线，因此可以使得扫描仪在取得目标地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”的技术称为成像光谱技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。
高光谱成像光谱仪：
——图像由多达数百个波段的非常窄的连续的光谱波段组成
——光谱波段覆盖了可见光，近红外，中红外和热红外区域全部光谱带
——多采用扫描式或推帚式，可以收集200或200以上波段的数据。图像中的每一像元均
得到连续的反射率曲线
6.微波遥感与成像
在电磁波谱中，波长在1mm～1m的波段范围称微波。
微波遥感是指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。
1）微波遥感的特点
①全天候、全天时的信息获取能力
②对某些地物的特殊识别能力,如水和冰(微波波段发射率的差异)
③对冰、雪、森林、土壤（尤其对干燥、松散物质）有一定的穿透能力
④适宜对海面动态情况(海面风、海浪）进行监测
2）微波遥感方式和传感器
①主动微波遥感
是指通过向目标地物发射微波并接受其后向散射信号来实现对地观测遥感方式。主要传感器是雷达。
雷达意为无线电测距和定位。其工作波段大都唉微波范围。雷达是有发射机通过天线在很短时间内，向目标地物发射一簇很窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一天线接受目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。不同物体，回波信号的振幅、相位不同，故接收处理后，可测出目标地物的方向、距离等数据。
②被动微波遥感
是指通过传感器，接收来自目标地物发射的微波，而达到探测目地的遥感方式。
3）遥感图像的特征
目标地物——传感器——遥感图像——遥感图像处理
空间分辨率——几何特征——目标地物的大小、形状及空间分布
光谱分辨率（辐射分辨率）——物理特征——目标地物的属性特点
时间分辨率——时间特征——目标地物的变化动态特点
①空间分辨率/地面分辨率
—图像的空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小
—扫描成像----像元：扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小
—摄影成像----线对/米。(线对:能分辨的地物的最小距离)
②波谱分辨率
—指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。
—传感器的波段选择须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果。
③辐射分辨率
—指传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。
④时间分辨率
卫星的覆盖周期、重访周期。
重复获得同一地区的最短时间间隔。（注意和卫星运行周期的区别）

来源：CSDN 作者：ArcGIS林业制图技术

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