遥感基础知识总结(考试必备)
一、遥感概述
狭义的遥感:遥感是应用探测仪器,不与探测目标相接触,从远处把目标的电磁波特性记录下来,通过分析,揭示出物体的特征性质及其变化的科学及综合性探测技术。
广义的遥感: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(实际工作中,重力、磁力、声波、地震波等的探测为物理探测的范畴。因而,只有电磁波探测属于遥感的范畴。
二、遥感技术系统
(一)遥感过程的要素
1、能量来源:电磁能量 2、辐射与大气 3、与目标的作用
4、用传感器记录电磁辐射 5、传输、接收和处理 6、解释和分析
7、应用
(二)遥感技术系统的组成
传感器、平台、地面接收站
(三)传感器及遥感平台
1、传感器概念:接收从目标中反射或发射来的电磁波的装置。(如照相机、扫描仪)
2、遥感中使用的传感器类型:
(1)成像传感器(摄影传感器,扫描成像传感器,雷达成像传感器)
(2)非成像传感器
3、遥感平台:搭载遥感传感器的载体(如地面三角架、遥感车、气球、航天飞机、人造地球卫星等)
4、遥感平台的分类
按高度分:近地平台(地基) 航空平台(空基) 航天平台(天基)
(四)遥感卫星地面站
1、是复杂的高技术系统。
2、其任务是:接收、处理、存档和分发各类遥感卫星数据,并进行卫星接收方式、数据处理方法和相关技术的研究,
3、其生产运行系统包括接收站、数据处理中心和光学处理中心
(五)遥感的分类
1、按工作平台:地面遥感、航空遥感、航天遥感
2、按电磁波工作波段:
紫外遥感:0.05-0.38μm
可见光遥感:0.38-0.76μm 此三者为光学遥感
红外遥感:0.76-1000μm
微波遥感:1mm-10m
3、按传感器工作原理:
主动遥感:传感器从传感平台主动发射出能源,然后接受目标反射或辐射回来的电磁波。
被动遥感:传感器不向目标发射电磁波,仅接受目标地物反射及辐射外部能源的电磁波,如对太阳辐射的反射和地球辐射。
4、按获取方式:
成像遥感:将目标电磁辐射转换成可以显示的图像的遥感数据。
非成像遥感:目标电磁辐射数据输出或记录载磁带上而不产生图像。
5、按波段宽度和连续性
宽波段遥感(常规遥感):波段宽度一般大于100nm,且波段不连续;
高光谱遥感:利用很多狭窄的电磁波波段(波段宽度通常小于10nm)产生光谱连续的图像数据。
(六)遥感的基本特点
1、宏观观测,大范围获取数据资料
2、动态监测,快速更新检测范围数据
3、技术手段多样,可获取海量数据
4、数据具有综合性和可比性
5、应用领域广泛,经济效益高
6、局限性:波段范围有限
二、遥感电磁辐射基础
(一)电磁辐射的相关概念
1、电磁(横波)辐射
电磁波是电磁振动的传播。当电磁振荡进入空间时,变化的磁场激发了变化的电场,使电磁振荡在空间传播,形成电磁波,也称电磁辐射。
2、反射、吸收和散射
反射:分为镜面反射和漫反射。
吸收:部分电磁波被介质吸收
散射:辐射传播中,如遇到小粒子,会向四面八方散去,电磁波的强弱和方向发生各种变化,即散射。强度随波长改变。
(二)电磁波谱和黑体辐射
1、电磁波谱:
按照电磁波在真空中传播的波长或频率排列成一个连续谱带。
<10-6μm γ射线; 10-6—10-3μm X射线; 10-3—0.38μm 紫外线
0.38—0.76μm 可见光 0.38—0.43μm 紫 0.43—0.47μm 蓝
0.47—0.50μm 青 0.50—0.56μm 绿
0.56—0.59μm 黄 0.59—0.62μm 橙
0.62—0.76μm 红
0.76—1000μm 红外波段 0.76—3μm 近红外,短波红外
3—6μm 中红外
6—15μm 远红外,热红外
15—1000μm 超远红外
1mm—1m 微波
1m以上 无线电波 1—10m 超短波
10—3000m 短波和中波
3000m以上 长波
2、黑体:
如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收,则该物体是绝对黑体。
吸收率为1,反射率为0,达到最大的吸收和最大的发射。与温度和波长无关。是理想状态,无法达到。
3、实际物体的辐射
实际物体在相同温度下,辐射出射度(辐射通量密度)比绝对黑体的要低。
4、地物光谱发射率(比辐射率)
地物发射某一波长的辐射出射度与同温下黑体在同一波长上的辐射出射度之比,称地物光谱发射率。发射率介于0和1之间,越接近1,地物越接近黑体。
5、韦恩位移定律
当绝对黑体温度升高时,单色辐射出射度最大值对应的波长λ向短波方向移动。且最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比关系,可据最强辐射的波长推算物体温度。
(二)太阳辐射和地球辐射
1、太阳辐射和地球辐射的分段性
太阳辐射:接近于6000K的黑体辐射,最大辐射对应波长0.47μm。主要集中于0.3-2.5μm等波长较短的紫外、可见光和近红外区域。
地球辐射:接近于300K的黑体辐射,最大辐射对应波长9.66μm。其自身发出的辐射主要集中于波长较长的部分,即6μm以上的热红外区域。在紫外、可见光与近红外波段发出的辐射主要是反射太阳的辐射。
在2.5—6μm的中红外波段,地球对太阳辐射的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。
(三)大气及其对太阳辐射的影响
1、大气对太阳辐射的影响作用
折射、反射、吸收、散射、透射
2、大气吸收
当太阳辐射到达地面时,形成了电磁波的某些吸收带
3、大气散射
由于粒子的散射作用使电磁波在原传播方向上的辐射强度减弱,增加了向其他各方向的辐射。
4、大气窗口
电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的透过率较高的波段。(折射不改变太阳辐射的强度,主要是反射、吸收和散射共同影响衰减了辐射强度,剩余部分为透过部分)
只能选择透过率较高的波段才有意义。
(四)地面物体反射光谱
1、研究意义
被动遥感占重要地位,主要为反射太阳辐射。
可准确识别地面目标
2、反射波谱
研究地物反射率随波长的变化规律。
三、遥感光学基础
(一)光和颜色
1、可见辐射
能够被眼睛感觉到,并产生视觉现象的辐射是可见辐射或可见光。
2、光学辐射
可见辐射加上紫外与红外部分原子和分子的发光辐射,称为光学辐射。
(二)颜色的性质
颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述。
(三)加色法和减色法
1、三原色
若三种颜色,其中任意一种都不能由其余两种颜色混合相加产生,三种颜色按一定比例混合,可以形成各种色调的颜色,则称之为三原色。
红、绿、蓝是最优加色法三原色。
2、互补色
若两种颜色混合产生白色或灰色,这两种颜色就称为互补色。
3、减色法
减色法是从自然光(白光)中,减去一种或两种基色光而生成色彩的方法。颜料本身的色彩是由于选择性的吸收了入射自然光中一定波长的广,反射出未被吸收的色光而呈现出本身的色彩
4、减法三原色
是加法三原色的补色,即黄、品红、青。
黄色是红绿组合,品红色是红蓝组合,青色是蓝绿组合。
四、传感器与成像原理
(一)传感器的组成
收集器、探测器、处理器、输出器
(二)传感器的性能
最具实用意义的是分辨率。
1、光谱分辨率
传感器在接受目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔,间隔越小,分辨率越高。
MSS(100—200nm) AVIRIS(10nm)
2、空间分辨率
遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸,是用来表示图像分辨地面目标细节能力的指标。
通常用像元大小、像解率或视场角来表示
(1)像元:将地面信息单元离散化而形成的格网单元,单位为米,是组成图像的基本单元。像元越小,图像分辨率越高。
(2)像解率:用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细线的条数来表示,如线/毫米或线对/毫米
(3)瞬时视场角:指传感器的张角及瞬时视线,又称角分辨率。
3、辐射分辨率
传感器接收光谱信号时,能分辨的最小辐射差。在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。
6-比特 64种亮度值;8-比特 256种亮度值;12-比特 4096种亮度值
4、时间分辨率
对同一目标重复探测时,相邻两次探测的时间间隔。
LANDSAT: 16天;CBERS: 26天;太阳同步气象卫星:0.5天
(三)摄影成像的传感器
摄影是通过成像设备获取物体影像的技术。
工作波段:主要为可见光(部分近红外)
(四)扫描方式的传感器
1、光机扫描仪
它是把搭载扫描仪的飞行平台的移动和利用旋转镜或摆动镜对平台移动的直角方向进行扫描结合起来,从而得到二维信息的传感器。
2、推帚式扫描仪
通过光学系统一次获得一条线的图像,然后由多个固体光电转换元件进行电扫描。将探测器搭载于飞行平台上,通过和探测器成正交方向的移动而得到目标物的二维信息。
五、遥感平台
(一)航空遥感系统
1、航空遥感平台
指80公里以下的遥感平台,主要包括飞机和气球。
气球的分类:
低空气球:发送到对流层
系留气球:用绳子系在地面
高空气球:发送到平流层
飞机的分类:
低空飞机:2公里以下;中空飞机:2—6公里;高空飞机:12—30公里;
特点:
- 航空遥感空间分辨率高、信息容量大;
- 灵活,适用于专题遥感研究
- 实星载遥感仪器的先行检验者
- 信息获取方便
(二)航天遥感
是利用搭载在人造地球卫星、探测火箭、宇宙飞船和航天飞机等航天平台的传感器对地面的遥感。
特点:
- 观察范围大,发现宏观、整体的特征;
- 效率高于航空遥感
- 获取同样数据费用较低
- 适用动态监测
- 分辨率低于航空遥感
设备:美国LANDSAT系列;法国SPOT系列
(三)微波遥感
1、特点
大部分是主动方式的;
- 具有穿云透雾能力;
- 可以全天候工作;
- 对地表穿透力较强
- 具有某些独特探测能力(海洋参数、土壤水分、地下测量)
2、分类
非成像传感器:属于主动遥感系统。通过发射雷达信号,再接受回波信号测定参数,不以成像为目的。(微波散射计、雷达高度计)
成像传感器:获取在地面扫描所得到的带有地物信息的电磁波信号并形成图像(微波辐射计、侧视雷达、合成孔径雷达)
3、雷达图像的地形畸变
(1)透视收缩
山坡面向雷达的一面在图像上被压缩,表现较高的亮度。坡度越大,收缩量越大。
(2)叠掩
当面向雷达的山坡很陡时,,出现山顶比山底更接近雷达的情况。因此,在图像的距离方向,山顶、山底的相对位置颠倒。
(3)阴影
当后坡坡度较大,雷达波束不能到达后坡坡面时,没有回波信号产生,图像上出现暗区。
(4)斑点
雷达接收的电磁波在最强和最弱信号之间周期性变化,在图像上表现为亮点和暗点相间的图斑,而且几何分辨率越高,这种效应越强。
4、雷达卫星
海洋卫星(SEASAT)
航天飞机成像雷达(SIR-A,B,C)
加拿大RADARSAT
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