2011年春季-第二讲补充+陈百辉 遥感基础

20世纪60年代
卫星遥感技术的出现，使得遥感技术 从单一的军事用途扩展到民用领域。
21世纪
随着高光谱、超光谱、雷达等新型传 感器的出现和应用，遥感技术进入了 一个新的发展阶段。
遥感技术的应用领域
资源调查
遥感技术用于土地、森林、水域等资源 的调查和监测，为政府决策提供科学依
据。
城市规划
遥感技术用于城市空间布局、交通规 划、城市更新等方面，提高城市规划
信息提取
从处理后的图像中提取有用的信息 ，如目标检测、分类等。
03
02
图像增强
通过对比度拉伸、滤波等手段增强 图像的视觉效果。
可视化表达
将提取的信息以图表、地图等形式 进行可视化表达。
04
遥感数据的解译与信息提取
解译方法
01
遥感图像解译的方法包括监督分类、非监督分类、面向对象分
类等。
信息提取
02
从遥感图像中提取有用的信息，如土地利用类型、植被覆盖度
详细描述
无人机遥感技术在应急救援、土地调查、农 业植保等领域具有广泛的应用前景，能够提
高遥感监测的时效性和精细化程度。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
等。
应用领域
03
遥感技术在环境监测、城市规划、资源调查等领域有广泛应用
。
04
遥感技术的应用实例
土地利用变化监测
总结词
通过遥感技术，可以快速、准确地监测土地利用的变化情况，为土地规划和资源管理提供数据支持。
பைடு நூலகம்详细描述
遥感技术能够获取大范围、多时相的土地覆盖信息，通过对比不同时期的遥感影像，可以发现土地利 用的变化趋势和规律。这些数据对于土地规划、城市发展、环境保护等方面具有重要意义。

2003 ➢ 汤国安等编著《遥感数字图像处理》，科学出版社，2004 ➢ 陈晓玲等中文导读《遥感数字影像处理导论》 ，科学出版
社，2007 ➢ 杨昕、汤国安等编著《ERDAS遥感数字图像处理实验教
程》，科学出版社，2009
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授课提纲及目录
第一章 遥感概述(1) 第二章 遥感电磁辐射基础(2) ������ 第三章 遥感成像及影像特性(2) ������ 第四章 遥感图像处理(2) ������ 第五章 遥感图像目视判读(1) 第六章 遥感信息提取(2) ������ 第七章 遥感技术应用(1)������ 第八章 遥感理论体系及其关键问题（1）
遥感技术基础
测绘工程 专业基础课 授课教师 杨敏华 联系方式 yangmhua@
1
学习目标
➢ 了解遥感的发展概况、应用情况和发展趋势。 ➢ 掌握遥感的原理与方法,了解遥感的技术系统。 ➢ 掌握常用遥感数据的基本特征和信息提取方法。 ➢ 掌握有关遥感软件的基本操作与使用 ➢ 初步具有解决实际问题的能力
遥感的概念
定义：一门综合运用物理原理、数学方法和地学
规律，在远处（高空）以非接触方式探测物体形 状、性质和变化动态的新兴科学技术。
原理：遥感的理论基础是物理学，其核心是电磁
波理论。
7
通过观察一幅图和几组遥感 影像来初步认识与了解，何谓遥 感和遥感影像数据？
遥 感 原 理 示 意 图
8
遥感的宏观特性 9
29
30
遥感信息源
任何可以可以发射，反射，吸收电磁波的 目标都可以被称为遥感信息源。
31
空间信息获取
地物信息主要由搭载在遥感平台上的传感器获取。 传感器接收到目标地物的电磁波信息，记录在数字磁介质

• Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths
• 1 nanometer = 10 Ao
Language of the Energy Cycle: The Electromagnetic Spectrum
Wavelength l
遥感原理
影响地物发射率的因素：
地物的性质、表面状况、温度（比热、 热惯量）：比热大、热惯量大，以及具
有之保发温射作 率用 就的 小地 。物，一般WWW发W黑黑射率大，反
表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。 地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、 热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大， 白天就小。
2. 平流层：较为微弱。 3. 电离层：（中间层、热层散
辐射亮度
L 2(3) Φ / A Ω ( λ)
瓦/米²•球面度 (W/m² • Sr)
遥感原理
四、黑体辐射
地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量 标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参 照标准。 1. 黑体：在任何温度下，对任何波长的电磁 辐射都全部吸收,则 这个物体是绝对黑体 。 2. 黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的 热辐射称为黑体辐射。黑色烟煤 恒星太阳
由振源发出的电磁振荡在空气中传播。
遥感原理
4. 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原
理
5. 电磁辐射:这种电磁能量的传递过程（包括辐射、
吸收、反射和透射）称为电磁辐射。
遥感原理
6.
电磁波的特性
电磁波是横波
在真空中以光速传播
满足：频率与波长的乘积是光速
能量等于普朗克常数h与频率f的 乘积

02
(设计遥感器空间分辨率具有重要意义。)
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。 偏振光，非偏振光，部分偏振
最小分辨角:
物镜的有效孔径
电磁波的衍电磁波谱与电磁辐射
电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的图表称为电磁波谱。（P17，F2.3）依次为： γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。 电磁波谱示图
§2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
大气对太阳辐射的衰减 2、大气的散射作用 大气对太阳辐射吸收的明显特点是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了（P25 T2.11中两条连续曲线的差值，表示大气对太阳辐射散射时所造成的损失）。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其它各方向的辐射。 （1）大气散射改变了部分辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。 （2）大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。 （3）大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。
光谱辐射通量
以上各辐射量都是波长的函数。 右图表示单位波长间隔内的辐射通量，称为光谱辐射通量。 Φ(λ)=dΦ/dλ 单位： 瓦/微米（W• μm-1）
2.1 电磁波谱与电磁辐射
2.1.3 黑体辐射 绝对黑体（简称黑体）：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。 光谱吸收系数（吸收率）： α（λ，T） 光谱反射系数（反射率）： ρ（λ，T） 绝对黑体特性： α（λ，T）= 1 ， ρ（λ，T）= 0， 与温度和波长无关
2.1 电磁波谱与电磁辐射

5.可见光（Visible light） 5.可见光 light）
波长在0.38~0.76µm， 波长在0.38~0.76µm，是人类视觉能感受 到的电磁波范围，用棱镜分为红 到的电磁波范围，用棱镜分为红、橙、黄、 七种色光。 绿、青、蓝、紫七种色光。这个波段可用 摄影、扫描等各种方式成像， 摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常 用的波段。 用的波段。 可见光波段遥感最成熟，仍有很大潜力。 可见光波段遥感最成熟约6000K， 太阳表面温度约6000K，每刻向宇宙辐射出巨大能量 5.5× ）。地球距离太阳约 亿km， 地球距离太阳约1.5 （5.5×1027卡/分）。地球距离太阳约1.5亿km，在单 位时间内，地球只接收太阳总辐射能量的22亿分之一 位时间内，地球只接收太阳总辐射能量的22亿分之一 （2.48 ×1018卡/分）。 太阳辐射到地球上的能量相当稳定，变化小， 太阳辐射到地球上的能量相当稳定，变化小，被称为 太阳常数。太阳常数是指大气层顶部之上 是指大气层顶部之上， 太阳常数。太阳常数是指大气层顶部之上，太阳与地 球的平均距离处，垂直于太阳辐射线线的方向上， 球的平均距离处，垂直于太阳辐射线线的方向上，单 位时间和单位面积上所接收的全部辐射能量。 位时间和单位面积上所接收的全部辐射能量。 太阳常数值是：1.95卡 太阳常数值是：1.95卡/厘米2·分。
波长在0.01~0.38 波长在0.01~0.38µm。波长小于0.28µm的紫 波长小于0.28 外线，在通过大气层时被臭氧层及其它成分 外线， 吸收。 吸收。 波长0.28~0.38 波长0.28~0.38µm的紫外线，部分能穿过大 的紫外线， 气层，但散射严重，只有部分投射到地面， 气层，但散射严重，只有部分投射到地面， 作为遥感的辐射源，称为摄影紫外 摄影紫外。 作为遥感的辐射源，称为摄影紫外。环境监 测使用较少。 测使用较少。

10
《遥感技术基础》
第二章:遥感物理基础
§2-1 电磁波及电磁波谱
Electromagnetic Wave & Electromagnetic Spectrum
1.电磁波的定义与特性：Definition & Characteristics
2）电磁波的特性： （1）波动性
C 偏振（polarization）：电磁波由两个相互垂直的振 动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征。而E和H都 与电磁波的传播方向相垂直，光是电磁波的特例。
2）电磁波的特性：
（2）粒子性
波粒二象性（wave-particle duality）
电磁波是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射实
际上是光子微粒流的有规则运动，波是光子微粒流的
宏观统计平均状态，而粒子是波的微观量子化。电磁
辐射在传播过程中，主要表现为波动性；当电磁辐射
与物质相互作用时，主要表现为粒子性，此时电磁波
电磁波四要素与电磁波具有的信息之间存在着一定的 关系：
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《遥感技术基础》
第二章:遥感物理基础
§2-1 电磁波及电磁波谱
Electromagnetic Wave & Electromagnetic Spectrum
电磁波四要素与电磁波具有的信息之间的关系
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《遥感技术基础》
第二章:遥感物理基础
§2-1电磁波及电磁波谱
2）遥感中常用的各光谱段的主要特征及其应用
可见光：是遥感中最常用的波段。
尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用，它仍是遥感成 像所使用的主要波段之一。在此波段大部分地物都具有良好的 亮度反差特性，不同地物在此波段的图象易于区分。
23

2.

人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷 达探测。分为微波雷达和激光雷达。 微波辐射源：0.8-30cm 激光辐射源：激光雷达—测定卫星的位 置、高度、速度、测量地形等。
2 太阳辐射及大气对辐射的影响
2.1 太阳辐射
1、 太阳常数
太阳常数（ Solar Constant ）即不受大气影响、距离太阳在地 球与太阳的平均距离上，单位面积上的光能量功率。
遥感平台
（2）按传感器的探测波段分



紫外遥感:探测波段在0.05一0.38μm之间; 可见光遥感:探测波段在0.38一0.76μm之间; 红外遥感:探测波段在0.76一1000μm之间; 微波遥感:探测波段在1mm一1m之间; 多波段遥感:指探测波段在可见光波段和红外波段 范围内，再分成若干窄波段来探测目标。 见下图

1986年以来，我国建成了遥感卫星地面站， 逐步形成了接收美国Iandsat、EOS-AM1 （MODIS传感器）、法国SPOT、加拿大 RADARSAT和中国-巴西CBERS等7颗遥感 卫星数据的能力。
数十个分布于全国各地的气象卫星接收站， 可以接收地球同步(静止轨道)和太阳同步 (极轨)气象卫星数据。
Chapter 2 电磁辐射与地物光谱特征

1 电磁波与电磁辐射 2 太阳辐射及大气对辐射的影响 3 地球的辐射与地物波谱
1 电磁波与电磁辐射
卫星 波段数
各波段波长范围 空间分辨率（m） /um 050-0.59 0.61-0.68 0.79-0.89
0.45－0.52 0.52－0.60 0.60－0.69 0.76－0.90 0.45－0.52 0.52－0.59 0.63－0.69 0.77－0.89 0.51－0.73

• 上式中太阳常数是对太阳光谱的积分。太阳对地球 的张角很小(<9)，因此太阳光可以认为是平行光束。 • 太阳总辐射量和表面辐出度分别是多少？
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通量密度很多时候简称通量
•太阳常数与太阳辐射亮度
基本物理量
太阳光是平行光入射，即只在Ω0方向存在 亮度，注意到公式：
Lλ =³ Φ / A λ Ω
波长与穿透性的关系？
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• 地物反射光谱特性
物体反射率随波长而改变的特性称为地物 反射光谱特性。
光谱曲线：
植物？ 水体？ 土壤？ 云？雪？
水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？
地物波谱（特性）
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• 电磁波与介质的相互作用总结：
作用类型
散射
反射 透射
吸收（发射）
率：以比例形式表征的反射、透射和吸收强度 与入射辐射强度无关 ρ + τ + α = 1（无自身发射）
Ω0
Fλ =² Φ / A λ
因此，太阳的辐射亮度与Ω0方向上的辐射通量 （即太阳常数）之间的关系为：
L0=δ(Ω,Ω0)F0
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• 各向同性辐射时亮度与通量的关系 基本物理量
假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度L 在各方向分布均一，则其垂直地表向上的辐射
通量为：
F L cosd 2 θ
由于dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ 因此：
这三种反射形式分别在什么情 况下发生？
根据表面光滑或粗糙？
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二、瑞利判据分析
L.Rayleigh提出表面为光滑或粗糙的标准为：
θi θr
镜面反射
当 h cos 为光滑表面
8
当 h cos 为粗糙表面

A.太阳辐射—它是被动式遥感的主要辐射源，表面温度 6000K左右。它涵盖了很宽的波长范围，但主要集中在 0.3—3.0微米，最大辐射度在0.47微米左右，大部分集中 在0.40—0.76微米的可见光，所以又称短波辐射。
太 阳 辐 射 能 量 图
B.地球热辐射—地球表面 平均温度27度，绝对温 度 300K ， 最 大 峰 值 在 9.66 微 米 ， 9—10 微 米 为地球的热辐射。主要 以火山喷发、温泉、大 地热流等形式向宇宙空 间辐射能量。
也就是说，要研究地物的电磁波是如何发 射的，又是如何传输的，以及在传播过程中与 物体作用的种种现象。因而可以说电磁波理论 是遥感的物理基础，遥感技术得以实现的基础 就是依据不同地物所具有的不同电磁波辐射能 力（大小）。
由于遥感物理基础涉及的面很广，本讲只 介绍遥感应用中主要的物理基础，如电磁波与 电磁波谱、电磁辐射的特征以及太阳辐射与大 气效应以及地物光谱特性等。
中红外（3.0—6.0微米），记录反射和发射的混合信息， 只能扫描，多用于岩性的识别。
热红外（6.0—15微米、15—1000微米），遥感常用8—14 微米的波长，通过扫描方式接收地面的热辐射信息，白天 黑夜都可以工作（全天时），主要用于监测热污染、城市 热岛效应、火山喷发、火灾地热等信息。
（5）微波，1毫米—1米；遥感常用0.8厘米— 30厘米波长，通过扫描方式主动接收地表发 射或回波（后向散射）信息。
主要用于测定碳酸盐岩石的分布、水面的油 膜污染、环境监测作用等，是以摄影为主。
（3）可见光，0.40—0.76微米；全部通过大气层，称为可 见光遥感工作波段。是以摄影和扫描方式记录地物的反射 信息。
（4）红外线，0.76—1000微米；其中又可分为：

黑体的热辐射称为黑体辐射。
黑体模型
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2024年7月18日
二、普朗克(Planck)辐射定律
普朗克定义了一个常数(h)，给出了黑体辐射的能量 （Q）与频率（υ）之间的关系：
Q=h·υ＝ h·c/λ
c=υ·λ=频率×波长
h ——普朗克常数，6.626×10-34 焦·秒（J·S） c ——电磁波速率，3×108 m/s
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五、维恩(Wien)位移定律
黑体辐射光谱中最强辐射的波长λmax与绝对温度T的 乘积是常量：
max T b
分 0.8 光 谱 0.6 辐 射 0.4 通 量 0.2 密 度
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2024年7月18日
b : 常数，2.8978×10-3 m·K
900k
随着温度的升高，辐射
红外线的划分：
近红外：0.76～3.0µm，与可见光相似。 中红外：3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，
又叫热红外。 远红外：6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，
又叫热红外。 超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器一
般无法探测。
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散射降低了传感器接收遥感数据的质量，造成遥感图 像模糊不清，影响遥感判读。
散射主要发生在可见光区,是太阳辐射衰减主要原因。
大气散射的主要形式(三种)：
1、选择性散射——散射强度与波长有关
（1）瑞利散射：d <<λ(d 是粒子直径,λ是被散射光波长)
•瑞利散射是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。它降低了图 像的“清晰度/对比度”，使彩色图像带有蓝灰色。 •高空摄影机多采用滤光片阻止蓝紫光透过，来提高影像的清晰度。

◇地物的反射类别 方向反射 (directional reflection)
• 由于地形起伏和地面结构的复杂性，往往在某
些方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。
对于地形起伏和地面 结构复杂地区，为方向反 射。
.
29
遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
§ 2-3 物体的反射辐射
◇地物的光谱反射特性
反射率（reflectivity）ρ：
• 物体反射的辐射能量Pρ占总射能量P0的百
分比，称为反射率ρ ：
P 100%
P0
• 不同物体的反射率不同，这主要取决于物体本
身的性质（表面状况），以及入射电磁波的波 长和入射角。利用反射率可以判断物体的性质。
.
30
遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
.
20
遥感物理基础>物体的发射辐射（ Emission ）
§ 2-2 物体的发射辐射
◇一般物体的发射辐射
发射率（emissivity）ε： – 物体的光谱发射能量与同一条件下黑体发射能
量之比，称为发射率ε。 – 发射率随物质的介电常数、表面的粗糙度、温
度、波长、观测方向等条件变化，取0到1之 间的值。
§ 2-3 物体的反射辐射
◇地物的光谱反射特性
• 不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、 沙
漠、湿地、小麦的光谱曲线
• 任何同类地物的反射光谱具有相似性，但也有
差异性。并且地物的光谱特性具有时间特性和 空间特性。。
.
32
遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
§ 2-3 物体的反射辐射
◇遥感应用的电磁波波谱段

波长，有热感，又叫热红外。 超远红外：15.0～1 000 µm，多被大气吸收，
遥感探测器一般无法探测。
（2）电 磁辐射的度量
1、辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波的整个波 段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。
2、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光 度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。
BACK
大气对辐射的吸收
❖ 大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外 的范围内（ <0.2um 的电磁波几乎被氮气或 氧气吸收）。
❖ 大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um 的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地 面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。
❖ 真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些 非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭 氧，二氧化碳，甲烷和水汽（28页图）。
臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节 变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地 区60 °～70°区域内达到极大值。
70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但 随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前 在南极上空已形成臭氧空洞。
第二章遥感的物理基础简
大气成分
大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合 物。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4， O3 气溶胶 大气的成分可分为常定成分（ N2，O2 ， CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶 胶）。
γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微 波—无线电波。
电磁波谱
第二章遥感的物理基础简
遥感应用的电磁波波谱段
❖ 紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中， 只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏 感，但探测高度在2000 m以下。

对的，它们之间并没有严格的界限， 实际上从宇宙射线到工业电波，整个电磁波谱都是连续的。一般采用各波谱 段的波长范围划分如下：
可见光波段0.38～0.76μm
紫外波段0.0l～0.38μm
紫光0.38—0.43μm 蓝光0.43～0.47μm 青光0.47～0.50μm 绿光0.50—0.56μm 黄光0.56—0.59μm 橙光0.59—0.62μm 红光0.62～0.76μm
向单位面积(法向面积)上辐射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体 角内的辐射通量(图2—5)，常用L表示，单位为瓦／(米2· 球面度)(W· -2.Sr-1)。 m
(二)黑体及其辐射特性 1.黑体的辐射特性 黑体是一个理想的辐射体，是“绝对黑体”的简称，它是指在任何温度下，对 于各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1(100％)的物体。显然，黑体的反射率 P=0，透射率r=0。自然界并不存在绝对黑体，实验室内的理想黑体是开有一个小口 的空腔，对于射入其中的光，经过n次反射可以完全吸收，因此该空腔的开口可以 作为绝对黑体(图2—6)。 实验证明，在同一温度下，任何物体发射某一波长电磁波的能力，与它对该波 长的电磁波的吸收能力成正比。黑体吸收电磁波的能力最强，因而它发射电磁波的
中红外、远红外和超远红外是产生热感的原因，所以又称为热红外。自然 界中任何物体，当温度高于绝对温度(一273.15℃时，均能向外辐射红外线。物 体在常温范围内发射红外线的波长多在3.0～40.0μm之间，而15.0μm以上的红外
线易被大气和水分子吸收，所以在遥感技术中主要利用3.0～15.0μm波段，更多 的是利用3.0～5.0μm和8.0～14.0μm波段。中红外、热红外和远红外都能产生热 感，红外遥感就是采用热感应方式探测地物本身的辐射(如热污染、火山、森林 火灾等)，所以工作时不仅白天可以进行，夜间也可以进行，能进行全天时遥感。