环境遥感课程复习大纲

环境遥感

第一章 绪论

一 遥感的概念：遥远的感知。是通过遥感器远距离不接触对象地采集目标对象的数据，并通过对数据的分析来获取有关地物目标、地区或想象的信息的一门科学和技术。

遥感数据通常是电磁波的范畴。即利用航天、航空（包括近地面）遥感平台上的遥感仪器，获取地球表层（包括陆圈、水圈、生物圈和大气圈）特征的反射或发射电磁辐射能对数据，通过数据处理和分析，定性、定量地研究地球表层的物理过程、化学过程、生物过程、地学过程，为资源调查及环境监测等服务。

这里环境遥感，我们是把地球作为要遥感对象。是以地磁波与地球表面物质相互作用为基础，探测、分析和研究地球资源与环境，揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律的一门科学技术。

二 遥感过程

遥感过程包括遥感数据获取---数据处理、分析---数据应用等的全过程。 遥感的理论基础是建立在物体电磁波辐射原理基础上的。遥感成像原理就是基于感应和记录地物反射和发射的电磁辐射能量。

遥感数据获取系统大致分为四个部分：辐射源、大气窗口、目标和传感器。

遥感过程图

1能源 遥感分为被动和主动遥感。所有的被动遥感所利用的能源是太阳辐射能。太阳能的波普范围，包括紫外，可见光、红外等。它的强度随时间、地点而变化。被动遥感正是依赖于地表特征反射太阳辐射能获自身发射的能量。

2 在大气中传播。太阳辐射能通过大气层，部分被大气中的微粒（大气分子、气溶胶及尘粒等）散射和吸收，使能量衰减。这种大气衰减效应随波长、时间、地点而变化。多数散射与波长有关，大气中蓝光散射最强。大气吸收作用使连续的太阳辐射光谱变得“残缺不全”，其中有些大气吸收作用较弱，透过率较高的波段称为大气窗口。只有那些波长位于大气窗口的能量才能够通过大气层，并经大气衰减后达到地面。

3 到达地表的能量与地表物质相互作用。地表物质是由生物、地质、水文、地貌、人文等多种因素组成的综合体。这些因素的大小、形状、排列、数量等均随时间和地点而变化。不同波长的能量到达地表后，被选择性地反射、吸收、透射、折射等。以树木为例，主要是通过树叶内部的结构、组分、对不同的波长有不同的波谱响应；对红外波段高反射，对绿光低反射，对红光、蓝光吸收并用于光合作用。

4 再次的大气传播 地表反射或发射的能量，再次通过大气吸收、散射等作用而衰减。此时的能量已不同于进入大气层时的较为均一的能量，而是包含着不同地表特征波谱响应的能量。由于散射产生的天空散射光使遥感影像反差降低并引起遥感数据的辐射、几何畸变、影像模糊，直接影响到影像的质量。

5 遥感系统接收来自地面的光谱信息 遥感通过不同的遥感系统采集数据。其中，被动遥感系统---记录地表反射或发射的电磁辐射，如照相机、多光谱扫描仪等；主动遥感系统---通过人为发出电磁能量，然后通过遥感系统记录其返回的辐射能，如微波雷达等。

6 图像数据产品

7 数据处理、分析与解译 由于在遥感数据获取过程中，要产生误差并丢失部分信息，因而遥感数据仅是应用分析中数据源的一部分。在分析过程中非遥感的数据也是很有价值

的。辅助数据不仅用于对遥感数据的补充与纠正，而且用于对遥感最终结果的分析与精度评价。

辅助数据主要包括：野外站点采集和调查数据、实验室数据，以及各类专题图如土壤、土地利用、水文、地貌、行政区划等。

数据解译分析主要有目视解译或模拟图像处理、计算机数字图像处理，指运用数理统计等多种数学方法，以及计算机领域的知识，来自动识别和提取各类信息。其中主要是基于像元色调/颜色的统计识别技术。

8 信息产品 各种图形、专题图以及地学参数等。

9 多目标用户。如资源调查、环境监测、国土整治、区域规划、全球研究等。 只有了解遥感数据的产生过程与特点、及解译分析的方法，才可能将遥感系统产生的数据转换成有价值的信息，应用于辅助决策过程。

遥感的多学科交叉性。

3遥感的特点

一是大面积的同步观测，且不受地形阻隔等限制。如Landsat一帧覆盖面积为34225km2。 二是实效性，可以在短时间内对同一地区进行重复探测，发现地球上许多事物的动态变化。地球同步轨道卫星可以每半小时对地球观测一次（FY-2气象卫星）地区资源卫星（如美国的Landsat、法国的SPOT和中巴合作的CBERS）分别以16天、26天和4～5天对同一地区重复观测一次，以获得一个重访周期内的某些事物的动态变化的数据。

三 数据的综合性和可比性 遥感的探测波段、成像方式、成像时间、数据记录等均可按要求设计，使获得的数据具有同一性或相似性。可以较大程度的排除人为干扰。

四 经济性 可以大大的节省人力、物力和财力以及时间，具有很高的经济效益和社会效益。

4 遥感的发展

随着遥感的发展，其应用领域越来越广泛，地质矿产生物等资源调查、环境监测、土地利用变化、测绘与地图更新、天气变化及气候变迁预测预报等等。

从定性----定量、低分辨率----高分辨率、定期---实时动态连续监测发展 遥感领域已经取得了巨大的成功，但目前遥感的实用化还存在很多不足。 一是遥感技术本身的局限性。如遥感数据的定标，遥感仪器所输出的遥感数据---辐射值是经过严格定标的，但由于仪器的老化，灵敏度将减弱，性能将发生变化。如NOAA/AVHRR其可见光和近红外波段仪器的增益平均每年衰减5%。

任何遥感系统的空间分辨率是有限的，他所获取的遥感数据，多数是以混合像元的方式表达，这限制了腰杆定量化精度；遥感数据处理方法的局限。

二是认识上的局限性。即人们对遥感成像及传输机理、影像特征、地学规律的认识是随着遥感及各学科的发展而逐步深化的。

将来遥感实用化的发展方向：1 遥感数据元的改善，及高光谱、高几何分辨率、高灵敏度、多角度、多类型遥感器的研制和运行。2 遥感处理分析方法和手段的发展，以提高遥感的实效性和精度。海量遥感信息的获取使得常规的计算机数字图像处理中那种以像元为最小处理单元，以光谱亮度值为基本处理对象，以二维空间的数学模型为理论基础的方法，已不能满足实用化需求。3 遥感定量反演方法的研究：一是从遥感原始测量值中模拟和反演各类有价值的地表参数。而是建立有价值的遥感应用分析模型。如水文模型、植物生物量模型、作物估产模型等。

第二章 遥感的物理基础

遥感的物理基础是建立在物体电磁波辐射原理基础上。遥感成像原理就是基于感应和记录地物反射和发射的电磁辐射能量。

这里介绍的物理基础，即传感器获取地物信息的电磁波及图像处理中常涉及的有关光学范围部分。

第一节 电磁波、电磁波谱

遥感成像原理就是基于感应和记录地物反射和发射的电磁辐射能量。不同目标物体的构成成分不同，或物理化学性质不同，形成了电磁波辐射数量和性质的变化，这些不同的变化就构成了目标物的基本特征信息。

一 电磁波

1.1 电磁波在传播过程中，电场（E）与磁场（H）的场线互相船套成连环状。由于电磁波的振动方向与传播方向的垂直，所以电磁波是一种横波。传播过程遵守波动规律，当辐射与其他物体相互作用时，主要表现为粒子性。

1.2 表征波动的主要物理量是波长、周期和频率。

波长：波动传播时，同一波线上完成一个波动周期的距离为波长。 周期: 传播一个波长距离所需的时间叫做波的周期（T）。频率为单位时间内波的振动次数，为周期的倒数。

波函数由振幅和位相组成。一般传感器只记录电磁波的振幅信息，而丢失位相信息。 辐射被一种物体作为它的结构和温度的一个函数而被发射。

由于物质不同，电磁辐射与其相互作用引起的变化主要表现在数量、方向、波长、偏振和位相的变化。这些参数的记录可被用来作为识别该物体的特征。

二、电磁波谱

按连续的波长或频率的顺序，将电磁波排列成谱，即称为电磁波谱。 由于大气介质传输的影响和探测器本身的局限性，当前遥感上所能利用的只是整个电磁波谱中的一小部分。

电磁波谱中各种类型的电磁波的波长或频率大小不同，他们的性质有很大差别。

第二节 大气窗口及遥感常用的波谱范围

一 太阳的电磁辐射及其特征

1 太阳辐射能的特征：（1）辐射能峰值在0.5μm附近，相当于可见光的绿色波长附近；（2）太阳在0.3～3μm波长范围内辐射能量最强，其中可见光波长0.4～0.76μm是太阳辐射最强的区域，占总能量的一半。 2大气对太阳辐射的影响：

1吸收 大气分子吸收带（水气、臭氧、CO2等），0.3μm以下全部被臭氧吸收。

2散射 当空气介质中有与太阳辐射波长相当，或小于太阳辐射波长的颗粒时，方能产生散射现象。

（1）选择性散射：瑞利散射：由于与小于光的波长的气体分子所引起的散射；米氏散射：是当微粒的直径与辐射波长相当时引起的散射，是由大气溶胶所引起的散射。

（2）非选择性散射：当微粒的直径比波长大得多时，所发生的散射称为非选择性散射。

太阳辐射的衰减主要是由于散射造成的。所以在选择遥感工作波段时，必须考虑到大气的散射和吸收的影响。

3 大气窗口

通常将太阳辐射通过大气层未能被反射、吸收和散射的那些透射率高，即高能量透射比对区间称为大气窗口。

紫外—可见光—近红外波区（0.3～3μm）；主要的遥感探测区 中红外区（3～6μm）； 远红外区（8～14μm），这个窗口只能通过物体的发射光谱，是地物在常温下热辐射能量最集中的波段，故称为发射窗口。

微波区（>1mm）；

4 常用的遥感波段范围：可见光、红外（近红和中红）及微波区。

第三节 地物波谱特征及其影响因素

一 地物波谱反射 镜面反射、 方向反射、

漫反射：整个表面都均匀地反射入射光，单位面积、单位立体角内的反射功率和测量方向与表面法线的夹角的余弦成正比。

二 森林植物，土壤、水等的光谱特征

1植物的反射特征主要体现在绿色叶片上，在可见光波段，主要是叶绿素起作用，在0.5μm左右有一个小的反射高峰；在红光波段，由于叶绿素的光合作用，吸收大量红光，形成一个吸收带；近红外高反射，在1.3～2.6μm为水分吸收区。

2 影响植物光谱反射特征的因子：直接和间接影响植被层叶片状况的所有因素都会影响植物光谱反射特征

三 测定地物光谱的意义和问题

光谱测定是遥感的基础工作。影响判读、计算机图像分类、相关分析。

由于地形要素、背景条件、天气、传感器等环境的影响，常会造成同谱异物和异物同谱现象，因此造成分类的困难。特别对植被来讲更为明显。

反演是根据地面实测某些地物，根据地面测定的实际值建立某种地物的反射模型，进而模拟该类型的遥感值。

混合像元和比值变换消除噪音。

第三章 遥感传感器及图像分辨率

第三节 多光谱遥感技术

一 多光谱遥感技术是将连续的电磁波谱分割成若干个较窄的光谱段（波段），以多光谱摄影或多通道扫描的方式，在同一时间获取同一目标不同波段信息的遥感技术。

可在可见光遥感的基础上，把探测到范围向红外和紫外两个方面扩展。 多光谱遥感原理是基于同一种物体具有相同的光谱特性，不同的物体由于其内部组成和表面特征的不同一般不会有相同的光谱特征，这些差异在不同波长范围内表现更为明显。

二 多光谱摄影方式