遥感复习(打印版)

第一章遥感概述

§1 遥感概念

一、遥感( Remote Sensing )概念

1、广义：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。

2、遥感定义：从不同高度的平台上，使用遥感器收集物体的电磁波信息，再将这些信息传输到地面并进行加工处理，从而达到对物体进行识别和监测的全过程。

二、遥感的分类

1、按遥感平台分类

2、按遥感成像波段分类

3、按波段宽度及波谱的连续性分类

（1）高光谱遥感：用遥感器将电磁波谱（紫外、可见光、近红外和中红外）分解为数十至数百个狭窄的电磁波段（小于10nm），并产生光谱连续的图像数据的遥感。

（2）多光谱遥感：利用遥感器将较宽波段的电磁波分成几个较窄的波段，通过不同波段的同步摄影或扫描，分别取得几张同一地面景物同一时间的不同波段影像。

（3）常规遥感：又称宽波段遥感（大于100nm），且波段在波谱上不连续。

4、按遥感器接受信号的来源和方式分类

5、按不同应用领域分类

§2 遥感技术系统

四个组成部分：遥感平台、遥感器、遥感数据接收与处理系统、遥感数据分析与应用系统

遥感数据分析与应用系统:

分析软件：ERDAS（美国）、ENVI（美国）、PCI（加拿大）、Titan Image （中国）、IRSA （中科院遥感所）

§3 遥感的特点

一、视域范围大，具有宏观特性：航空与航天飞行器运行快、周期短，可获得多时相数据。

二、不受地面条件限制：由于探测距离远，传感器所获得的地面影像覆盖的空间范围较大。

三、光谱特性：探测的波段从可见光向两侧延伸,扩大了地物特性的研究范围（目前用于遥感的电磁波段有紫外线、可见光、红外线和微波）。

四、周期性：周期成像，有利于进行动态研究和环境监测（多光谱影像、高光谱影像、雷达影像、摄影影像、扫描影像等）。

五、多源性：多平台、多时相、多波段(多尺度)遥感影像种类多样。

六、数据的综合性和可比性：遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上许多自然、人文信息，客观地记录了地面的实际状况，数据综合性很强。信息量大。同时，不同的卫星传感器获得的同一地区的数据以及同一传感器在不同时间获得的同一地区的数据，均具有可比性。

七、经济性：信息提取方法不能满足遥感快速发展的要求。

八、局限性：数据的挖掘技术不完善，使得大量的遥感数据无法有效利用。(5%的利用率）

§4 遥感的应用—人类及其生存的地球正面临严峻的挑战

一、林火与生态

二、遥感信息技术成为支撑军事信息化作战，夺取战场信息优势，解决制约我军联合作战和精确打击瓶颈问题的重要技术手段

三、遥感信息技术广泛用于国土资源规划与管理、城市发展、智能化交通等领域，将形成新的信息产业链，成为国民经济的重要增长点，保障经济和社会的可持续发展

四、Dynamic Monitoring of Land Use by RS Data 土地利用与动态监测

五、农业应用（精准农业）：农作物的识别和品种划分

§5 遥感的发展简况

1962年在美国密歇根大学召开的第一次国际环境遥感讨论会上，美国海军研究局的

Eretyn Pruitt（伊·普鲁伊特）首次提出“Remote Sensing”一词，会后被普遍采用至今。

1972年美国陆地卫星Landsat（遥感专用卫星）多光谱、数字影像；遥感技术第一个里程碑

1982年美国发射陆地卫星4号（Landsat-4）4个波段» 7个波段；80m » 30m

1986年法国发射SPOT卫星（第二代遥感卫星）空间分辨率提高到10m直至2.5m

1999年以后第三代遥感卫星（高光谱、高分辨率）Ikonos 1m；quick bird 0.61m（0.11m）。

我国遥感技术发展状况：

1975年发射遥感卫星。

1999年“中-巴资源遥感卫星（CBERS-1）”

2002年“风云1号（FY-1）”

2006年“风云2号（FY-2）”

遥感技术发展状况趋势：

1、遥感影像的空间分辨率、时间分辨率愈来愈高。

2、获取遥感立体影像

3、微波遥感SAR：合成孔径雷达INSAR：干涉合成孔径雷达

4、高光谱遥感

5、定量遥感

6、商业遥感

一、遥感发展中存在的问题

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：

二、原因

1、遥感技术本身的局限性。

（1）遥感传感器的定标（输出值与实际地物辐射亮度的定量关系）

（2）遥感数据的定位

（3）遥感传感器的分辨力

（4）遥感数据处理的局限性

2、认识上的局限性。

（1）人们对遥感成像以及传输机理、影象特征、地学规律的认识随着遥感及各学科的发展而逐步深化的。（2）在分析遥感数据时，在很多时候需要做出假设，这个假设和实际之间有一定的差距。

三、解决方法

1、改善数据质量，提高获取数据的分辨力

2、获取多角度多类型数据

3、高精度定位

4、完善数据处理分析方法和手段，提高数据的时效性和精度

5、遥感定量反演

第二章遥感物理基础

§1 电磁波及电磁波谱

遥感图像是电磁辐射与地表相互作用的一种记录。

电磁波

在真空或介质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。

描述电磁波特性的指标

波长、频率、振幅、相位等。

电磁波的特性

电磁波是横波，传播速度为3×108 m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、

散射等，并遵循同一规律。 电磁波谱

按电磁波在真空中的波长（频率）依次划分成波段，排列成谱即为电磁波谱。 依次为：γ射线—X 射线—紫外线—可见光—红外线—无线电波 遥感所用的波段

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。

可见光：波长范围：0.38～0.76μm ，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。 红外线：波长范围为0.76～1000μm ，根据性质分为近红外、中红外、远红外。 近红外：0.76～3.0 µm ，与可见光相似。

中红外：3.0～6.0 µm ，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。 远红外：6.0～15.0 µm ，地面常温下的辐射波长，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。

微波：波长范围为1 mm ～1 m ，穿透性好，不受云雾的影响。

§2 地物的发射辐射

不同辐射源可以向外辐射不同强度和不同波长的辐射能量，利用遥感手段探测物体，实际上是对物体辐射能量的测定与分析。 常用电磁辐射度量: 1、辐射能量（Q ）：以电磁波形式向外传送能量，单位为焦。 2、辐射通量(φ )：单位时间内，通过某一表面的辐射能量。 3、辐射通量密度（W ）:单位时间，单位面积辐射处的能量。 4、辐射照度（E ）:单位时间，单位面积接收的辐射能量。 一、黑体辐射

1、黑体：能全部吸收外来电磁波辐射而毫无反射和透射能力的理想物体。它也是完全的辐

射体。吸收率α=1。 白体：反射率ρ=1。 2、普朗克辐射定律：1

)(125

2

)(-•

=kt hc

e hc W T λλπλ

3、黑体的波谱辐射曲线特性

特性1：总辐射通量密度与温度T 的4次方成正比：斯特潘—波耳兹曼定律4)(T W T σ= 特性2：峰值波长随温度的增加向短波方向移动：维恩位移定律8.2897max =T λ

特性3：每根曲线彼此不相交，故温度越高所有波长上的辐射通量密度也越大 4、地物波谱特征

（1）在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即：

到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量

（2）一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对0. 45 ~ 0. 56μm 的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达10~20 m ，清澈水体可达100 m 的深度。

（3）对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5 cm 的电磁波却有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土壤。 二、太阳辐射

1、太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线。

2、从太阳光谱曲线可以看出：

（1）太阳光谱是连续的，和绝对黑体的辐射特性基本一致。大气层外相当于5800 K 的黑体辐射；

（2）太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 ～ 0.76 µm 的可见光能量占太阳辐射总能量的38%，最大辐射强度位于波长0.47 µm 左右； （3）到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 ～ 3.0 µm 波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外（稳定）；其他波段能量小，变化大。

（4）经过大气层的太阳辐射有很大的衰减（64.5%）； （5）各波段的衰减是不均衡的。 三 地物的波谱发射辐射 1、地物波谱发射率

单位面积上地物发射的某一波长的辐射通量密度与同温下黑体在同一波长上的辐射通量

密度之比。 λ

λ

λεM M '= 1≤λε

2、地物的波谱发射特性曲线

§3 地物的反射辐射

一、太阳辐射与地表的相互作用

1、太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即： 到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量

2、地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。（远红外主要靠地物辐射）

3、地表吸收太阳辐射后具有约300 K 的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66 μm ，主要集中在长波，即6μm 以上的远红外区段。 二、反射类别

1、漫反射：不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。

2、镜面反射：物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。

3、方向反射：从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射。对于地形起伏和地面结构复杂地区，为方向反射。 三、地物的反射率

1、反射率（ρ）：地物的反射通量与入射通量之比，即ρ=(Eρ/0E )×100%。

2、（1）地物在不同波段的反射率是不同的。

（2）由于物体固有的结构特点，对于不同波长的电磁波有选择的反射。 （3）地物有反射光谱曲线。 （4）反射率是可以测定的。

四、地物的反射光谱特性曲线

1、定义

反射光谱特性曲线是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线。

2、特点

各种物体由于其结构和组成成分不同，反射光谱特性是不同的。

即：各种物体的反射特性曲线的形状是不一样的，即便是在某波段相似，甚至一样，但在另外的波段还是有很大的区别的。

这个特点的告诉我们用多波段进行地物遥感。

3、作用

（1）不同地物在不同波段有不同的反射率，使其成为判读或分类的影像的物理基础。

（2）研究遥感成像机理

（3）选择遥感仪器最佳探测波段

（4）专题信息提取

4、典型地物的光谱曲线

(1)植被光谱曲线

1）可见光波段：在0.45μm附近区间（蓝色波段）有一个吸收谷，在0.55μm附近区间

（绿色波段）有一个反射峰，在0.67μm附近区间（红色波段）有一个

吸收谷。

2）近红外波段：从0.76μm处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”，至1.1μm附

近有一峰值，反射率最大可达50%，形成植被的独有特征。

3）中红外波段：1.5—1.9μm光谱区反射率增大，在1.45μm、1.95μm和2.7μm为中心的附近区间受到植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。

影响植被光谱曲线的因素：植物类型、植被生长季节、植被生长状态（病虫害）

（2）城市道路和建筑物的光谱特性

（3）土壤光谱曲线

1）自然状态下土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。

2)在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和次生矿物）和土壤有机

质有关。

3)土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4、1.9和2.7μm处

附近区间），反射率的下降尤为明显。

（4）水体光谱曲线

水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收率很强，特别在近红外、中红外波段

有很强的吸收带，反射率几乎为零，因此在遥感中常用近红外波段确定水体的位置 和轮廓。

叶绿素浓度的变化，对反射率都有影响。 （5）岩石光谱曲线

岩石的反射波谱特性受岩石成分、矿物质含量、含水状况、风化程度、颗粒大小、色 泽、表面光滑程度等的影响。 五、 地物反射波谱特性的测定 1、地物波谱测定意义

(1)为选择遥感器的最佳波段（通道）提供依据 (2)为遥感数据大气校正提供参考标准

(3)为计算机图像自动分类和识别提供光谱数据，为遥感影像的解译提供依据。 2、测定地物反射波谱特性的仪器分为分光光度计、光谱仪、摄谱仪等。 仪器由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成。 3、地物波谱测定原理

用光谱测定仪（置于不同波长）分别探测地物和标准板，测量地物对每个波段的反射 率。以波长为横轴，反射率为纵轴绘制曲线即为该地物的波谱特性曲线。 4、地物波谱测定过程

(1)先测量地物的反射辐射通量密度，在分光光度计视场中收集到的地物反射辐射通量密度为：

λβτρπ

φλλλλ∆=

G E 1

(2)经光电管转变为电流强度在电表上指示读数λλλφk I = (3)测量标准板的反射辐射通量密度λβτρπ

φλλλλ∆=

G E 0

1

(4)电表读数为0

0λ

λλφk I = (5)地物的电流强度与标准板的电流强度相比

00

0λ

λ

λλλλλλφφφφ==k k I I (6)地物的光谱反射率为0

0λλ

λλρρI I = (7)绘制波谱特性曲线

§4 大气对电磁波传输的影响

一、大气结构

从地面到大气上界，大气的结构分层为：

对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。 平流层：高度在12～30 km ，又称臭氧层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。 电离层（中间层、热层）：高度在30～500 km ，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 外大气层（逃逸层）：500～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。 二、大气成分

大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。

气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，O3

悬浮微粒：尘埃

三、大气吸收作用

大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带，造成影像黯淡。

O2吸收带：0.253cm，0.5cm 微波处有吸收

O3吸收带：0.3μm以下的紫外区域，0.96 μm

H2O吸收带：0.7～1.95μm, 2.5～3μm,4.9～8.7 μm,15μm～1mm，主要在红外区域

CO2吸收带：2.6～2.8μm, 4.1～4.45μm，9.1～10.9μm,12.9 ～17.1μm全部在红外区域

尘埃：吸收量很小

四、大气散射作用

1、不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。

2、大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。

3、对遥感图像来说，增加了噪声，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。

4、散射主要发生在可见光区。

5、大气发生的散射主要有三种：

（1）瑞利散射：d <<λ

1)瑞利散射强度与波长的四次方成反比。

解释晴朗的天空为什么是蓝色？

大气分子远小于可见光波长，发生瑞利散射，而蓝光波长短，散射能力强

2)大气中的瑞利散射对可见光影响较大，而对红外的影响很小，对微波基本没有影响，

微波具有穿透云雾的能力

3)米氏散射强度与波长的二次方成反比

4)天空有云层或雨层时呈现白色，属于均匀散射。阴天不利于可见光遥感

（2）米氏散射：d ≈λ

（3）均匀散射（无选择性散射）：d >>λ

五、大气窗口

1、概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得一部分波段的太阳辐射在大气中的透过率很小或根本无法通过。我们就把电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段叫大气窗口。

2、常用窗口：

(1)0.30-1.15μm。主要是反映地物对太阳光的反射。通常采用摄影或扫描的方式在白天感测、

收集目标信息成像。

(2)1.4-2.5μm近红外大气窗口白天夜间都可应用，是以扫描的成像方式感测、收集目标信

息，主要应用于地质遥感。

(3)3.5~5.0μm中红外大气窗口，包含地物反射及发射光谱，用来探测高温目标。

(4)8-14μm热（远）红外窗口，属于地物的发射波谱，是常温下地物热辐射能量最集中的

波段，所探测的信息主要反映地物的发射率及温度。

(5)1.0mm-1m 微波窗口，分为毫米波、厘米波、分米波。其中1-1.8mm 透过率35-40%，2-5mm 为50-70%，8-1000mm 为100%。能透过云层、植被、一定厚度的冰和土壤。 六、辐射传输方程

1、传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括：

(1)太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量； (2)地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器； (3)大气散射和辐射的能量等。 2、辐射传输方程

[]b '''+⨯+⨯⨯=E E K E ερλ

K---传感器光谱响应系数 ρ---地物的波谱反射系数 ε---地物的波谱发射系数

E ’---太阳辐射到达地面的辐射照度 E ’’---黑体的辐射照度

b ---大气散射和辐射的照度

第三章 遥感平台

§1 遥感平台的种类

遥感平台：遥感中搭载遥感器的工具。

地面遥感平台：用于安置遥感器的三角架、遥感塔、遥感车等，高度在100米以下。在平台上放置地物波谱仪、辐射计、分光光度计等，可以测定各类地物的波谱特性。

航空平台：高度在100米以上，100km 以下，用于各种资源调查、空中侦察、摄影测量的平台。 航天平台：高度在240km 以上的航天飞机和卫星等，其中高度最高的是气象卫星GMS 所代表的静止卫星，它位于赤道上空36000km 的高度上，Landsat 、SPOT 、MOS 等地球卫星高度在700km —900km 之间。

E =

λ

§2 卫星轨道

一、卫星轨道在空间的具体形状位置，可由六个轨道参数来确定： 1、升交点赤经Ω 2、近地点角距ω 3、轨道倾角i

4、卫星轨道的长半轴a

5、卫星轨道的偏心率（或称扁率）e

6、卫星过近地点时刻T

以上六个参数可以根据地面观测来确定。

1、Ω、ω、i 、T 决定了卫星轨道面与赤道面的相对位置，而a 和e 则决定了卫星轨道的形状。

2、倾角i 决定了轨道面和赤道面，或与地轴之间的关系。

3、i=0时轨道面与赤道面重合。i=90º时轨道面与地轴重合。i ≈90º时轨道面接近地轴，这时的轨道称近极地轨道。轨道近极地有利于增大卫星对地球的观测范围。 二、其他一些常用参数 1、卫星速度

当轨道为圆形时，其平均速度为H

R GM

V +=

2、卫星运行周期

指卫星绕地一圈所需时间，即从升交点开始运行到下次过升交点时的时间间隔3

)(H R C T +•=

§3 陆地卫星

一、Landsat 数据

1、陆地卫星Landsat ，1972年发射第一颗，共发射了7颗，产品主要有MSS,TM,ETM ，属于中高度、长寿命的卫星。

2、陆地卫星的运行特点： （1）近极地、近圆形的轨道； （2）轨道高度为700～900 km ； （3）运行周期为99～103 min/圈； （4Landsat 轨道参数

项目

卫星编号

1、2、3

4、5、7 轨道高度 918km 705km 轨道倾角 99.125º 98.2º 运行周期 103min/圈 98.9min/圈 扫描宽度 185km 185km 重复周期

18d

16d

3、Landsat 卫星的传感器

(1) MSS ：多光谱扫描仪，5个波段。

MSS 的波谱段

(2)TM ：主题绘图仪，7个波段。

TM数据是第二代多光谱段光学——机械扫描仪，是在MSS基础上改进和发展而成的一种遥感器。TM采取双向扫描，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，并提高了检测器的接收灵敏度。

(3) ETM+：增强主题绘图仪，8个波段。

ETM

二、SPOT数据

1、1978年起，以法国为主，联合比利时、瑞典等欧共体某些国家，设计、研制了一颗

名为“地球观测实验系统”(SPOT)的卫星，也叫做“地球观测实验卫星”。

SPOT1，1986年2月发射，至今还在运行。

SPOT2，1990年1月发射，至今还在运行。

SPOT3，1993年9月发射，1997年11月14日停止运行。

SPOT4，1998年3月发射，至今还在运行。

SPOT5, 2002年5月4日凌晨当地时间1时31分，在法属圭亚那卫星发射中心由阿里亚娜4号火箭运载成功发射。

2、中等高度（832 km)圆形近极地太阳同步轨道。

3

SPOT5卫星上HRG （高分辨率几何装置）与HRV 基本相同。

HRS 是SPOT5特有的一个高分辨率立体成像装置，工作波段0.48～0.71 μm 。 三、IKONOS 数据 1、自从l994年3月lO 日美国克林顿政府颁布关于商业遥感数据销售新政策以来，解禁了过去不准10~1 m 级分辨率图像商业销售，使得高分辨率卫星遥感成像系统迅速发展起来。

2、美国空间成像公司(Space-Imaging)的IKONOS 卫星是最早获得许可之一。经过5年的努力，于1999年9月24日空间成像公司率先将IKONOS-2高分辨率(全色1 m ，多光谱4 m)卫星，由加州瓦登伯格空军基地发射升空。

3、IKONOS 数据

(1)具有太阳同步轨道，倾角为98.1°。设计高度681km(赤道上)，轨道周期为

98.3 min ，重 复周期3 d 。

(2)携带一个全色1 m 分辨率传感器和一个四波段4 m 分辨率的多光谱传感器。 (3)传感器由三个CCD 阵列构成三线阵推扫成像系统。 4、IKONOS 光谱段

(1)全色光谱响应范围：0.15～0.90μm 四、QUICKBIRD 数据

1、美国DigitalGlobe 公司的高分辨率商业卫星，于2001年10月18日在美国发射成功。

2、卫星轨道高度450 km,倾角97.2°,

卫星重访周期1～3.5 d （与纬度有关）。

3、QuickBird 图像，目前是世界上分辨率最高的遥感数据，为0.61 m ，幅宽16.5 km 。 4Quickbird 传感器为推扫式成像扫描仪 五、CBERS （中巴地球资源卫星）数据

1、CBERS计划是中国和巴西为研制遥感卫星合作进行的一项计划。

2、CBERS采用太阳同步极轨道。

3、轨道高度778 km轨道，倾角是98.5°。

4、每天绕地球飞行14圈。

5、卫星穿越赤道时当地时间总是上午10:30，这样可以在不同的天数里为卫星提供相同的

成像光照条件。

6、卫星重访地球上相同地点的周期为26天。

7、于1997年10月发射CBERS-l；1999年10月发射CBERS-2。

8、卫星设计寿命为2年。

9、三台成像传感器为：广角成像仪(WFI)、高分辨率CCD像机(CCD)、红外多谱段扫描仪

(IR-MSS)。

10、以不同的地面分辨率覆盖观测区域：WFI的分辨率可达256m，IR-MSS可达78m和

156m，CCD为19.5m。

11、CBERS的CCD光谱段：

高分辨率CCD像机具有与陆地卫星的TM类似的几个谱段(5个谱段)，覆盖宽度为113 km。

B1:0.45～0.52μm，蓝。B2:0.52～0.59μm，绿。B3:0.63～0.69μm，红。

B4:0.77～0.89μm，近红外。B5:0.51～0.73μm，全波段。

12、CBERS的IRMSS光谱段：

红外多光谱扫描仪IRMSS(4个谱段)，覆盖宽度为119.5 km。

B6:0.50～1.10μm，蓝绿～近红外, 分辨率77.8 m。

B7:1.55～1.75μm，近红外相当于TM5,分辨率为77.8 m。

B8:2.08～2.35μm，近红外相当于TM7,分辨率为77.8 m。

B9:10.4～12.5μm，热红外相当于TM6,分辨率为156 m。

13、CBERS的WFI光谱段：

广角成像仪WFI(2个谱段)，覆盖宽度890 km。

B10:0.63～0.69μm，红,分辨率为256 m。

B11:0.77～0.89μm，近红外,分辨率为256 m。

六、JERS数据

1、数据来源：日本地球资源卫星。

2、近圆形、近极地、太阳同步、中等高度轨道。

3、是一颗将光学传感器和合成孔径雷达系统置于同一平台上的卫星，主要用途是观测地球

陆域，进行地学研究等。

4、共有3台遥感器：可见光近红外辐射计（VNR）、短波红外辐射（SWIR）、合成孔径雷

达（SAR）。

5、JERS-1 SAR传感器—合成孔径雷达(SAR)

SAR是一套多波束合成孔径雷达，工作频率为5.3 GHz，属C频段，HH极化。SAR扫描左侧地面。它有5种工作模式，5种模式的照射带分别为：500km, 300 km, 200 km,300 km与500km，800km。地面分辨率分别为28m×25 m，28m×25 m，9 m×l0 m，30 m×35 m与55 m×32 m，28m×31m。

七、IRS数据及特点

1、数据来源：印度遥感卫星1号。

2、太阳同步极地轨道。

3、该卫星载有三种传感器：

(1)全色像机（PAN）:PAN数据运用CCD推扫描方式成像，地面分辨率高达5.8m，带宽70km，

光谱范围0.5～0.75μm，具有立体成像能力和可在5天内重复拍摄同一地区。运用其资

料可以建立详细的数字化制图数据和数字高程模型（DEM）。

(2)线性成像自扫描仪（LISS）:WiFS数据是双谱段像机，用于动态监测与自然资源管理。

两个波谱段是可见光与近红外，地面分辨率为188.3m，带宽810km。它特别有利于自然

资源监测和动态现象（洪水、干旱、森林火灾等）监测，也可用于农作物长势、种植分

类、轮种、收割等方面的观察。

(3)广域传感器（WiFS）:LISS数据在可见光和近红外谱段的地面分辨率为23.5m，在短波

红外谱段的分辨率为70m，带宽141km，有利于研究农作物含水成分和估算叶冠指数，

并能在更小的面积上更精确地区分植被，也能提高专题数据的测绘精度。

第四章遥感器及成像

§4.1 遥感器

一、遥感器的定义:也称传感器或探测器，是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。

二、传感器的组成

1.收集器：收集地物辐射来的能量。具体的元件如透镜组、反射镜组、天线等。

2.探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。具体的元器件如感光胶片、光电管、光敏

和热敏探测元件等。

3.处理器：对收集的信号进行处理，即数字信号的放大、增强或调制。如显影、定影、信号

放大、变换、校正和编码等。

4.输出器：将获取的信息输出。输出器类型有扫描晒像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带

记录仪、彩色喷墨仪等等。

三、遥感器的分类

1、按遥感器的成像原理分类

摄影机（框幅式、缝隙式、全景式）

扫描仪（光机扫描仪、推帚式扫描仪）

雷达（真实孔径雷达和合成孔径雷达）。

2、按电磁波辐射来源分类：主动式遥感器和被动式遥感器

3、按遥感器是否获取图像分类：图像方式遥感器和非图像方式遥感器

四、遥感器的性能

1、空间分辨率：也称地面分辨率，是指遥感影像上能够详细区分的地面最小单元的尺寸或大小，是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标。

(1)像元大小：对应的地面尺寸大小（不变的）

(2)影像分辨率：图上尺寸（随比例尺的变化而变化）

(3)视场：瞬时视场

(4)空间分辨率的大小并不等于判读像片时能绝对地观察到像元尺寸的地物，这与传感器瞬时视场跟地物的相对位置有关。

(5)假定像元的宽度为a，则地物宽度在3a或至少在2时，能被分辨出来，这个大小称为图像的几何分辨率。

2、光谱分辨率：是指遥感器所能记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值。

(1)波长范围值越宽，光谱分辨率越低

(2)高光谱遥感光谱分辨率高

(3)光谱分辨率是否越高越好:分辨率太高，接收的信息量太大，反而会掩盖地物辐射特性，不利于快速探测和识别地物，同时加大处理工作量。

3、辐射分辨率：是表征遥感器所能探测到的最小辐射功率的指标。或指影像记录灰度值的

最小差值。

(1)对摄影成像来说辐射分辨率无意义。

(2)对热红外遥感器来说辐射分辨率也称温度分辨率。

(3)影像灰度是分级的，一般分2n级，灰度级别越多，其辐射分辨率越高，目前有256级、

128级、64级。

(4)辐射分辨率和空间分辨率是一对矛盾体。

4、时间分辨率：对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔。

(1)它主要提供地物动态变化的信息。用于动态监测和预报

(2)分类:1)超短（短）周期时间分辨率，以小时为单位。

2)中周期时间分辨率，以天为单位。

3)长周期时间分辨率，以年为单位。

§4.2 扫描方式的遥感器

扫描成像类型的传感器是逐点逐行以时序方式获取二维图像，有两种主要的形式:

一是对物面扫描的成像仪，特点是对地面直接扫描成像，这类仪器有光机扫描仪、成像光谱仪、多频段频谱仪。

二是瞬间在像面上先形成一条线图像，甚至是一幅二维影像，然后对影像进行扫描成像，这类仪器有线阵列CCD推帚式扫描仪，电视摄像机。

一、光机扫描仪

1、光机扫描仪的结构：收集器、分光器、探测器、处理器、输出器

2、扫描成像过程：

当旋转棱镜旋转时，第一个镜面对地面横越航线方向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射能，经反射、聚焦到分光器上，分光后照射到相应的探测器上。

经探测器转变为视频信号，再经电子放大器放大和调整，在阴极射线管上显示瞬时视场内的地面影像，经曝光后在底片上记录下来。或者视频信号经模/数转换器转换，变成数字的电信号记录下来或实时发送地面。接着第二个扫描镜面扫视地面，依次下去。

3、MSS多光谱扫描仪

(1)MSS（Multispectral Scanner）多光谱扫描仪。由扫描反射镜、校正器、聚光系统、旋转快门、成像板、光学纤维、滤光器和检波器等组成。

(2)扫描仪的结构：

1)扫描反射镜：获取垂直飞行方向两边共185km范围内的来自景物的辐射能量，配合飞行器的往前运行获得地表的二维图像。

2)反射镜组：将扫描镜反射进入的地面景物聚集在成像面上。

3)成像板：将成像面上接收的能量传递到探测器上去。

4)探测器：将辐射能量转变成电信号输出。

(3)成像过程：扫描仪每个探测器的瞬时视场为86μrad，卫星高为915km ，因此扫描瞬间每个像元的地面分辨力为79m×79m，每个波段由六个相同大小的探测元与飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面大小为474m×79m。又由于扫描总视场为11.56°,地面宽度为185km，因此扫描一次每个波段获取六条扫描线图像，其地面范围为474m×185km 。又因扫描周期为73.42ms，卫星速度（地速）为6.5km/s，在扫描一次的时间里卫星往前正好移动474m，因此扫描线恰好衔。

4、TM专题制图仪

(1)Landsat-4/5上的TM（Thematic Mapper）是一个高级的多波段扫描型的地球资源敏感仪器，与多波段扫描仪MSS性能相比，它具有更高的空间分辨力，更好的频谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度和分辨力。

(2)特点：

1)TM中增加一个扫描改正器。2个作用：一是使扫描行垂直于飞行轨道，二是使往返双向扫描。

2)TM的探测器共有100个，分七个波段。

3)探测器每组16个，呈错开排列。（TM6是4个）

(3)成像过程瞬间（30m*16）一个周期（480m*185km）

二、推帚式扫描仪

1、推帚式扫描仪组成：收集器、分光器、探测器、处理器、输出器。

(1)CCD（电荷耦合器件）(Charge Coupled Device) ，是一种由硅等半导体材料制成的固体器件，受光或电激发产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，达到一路时序输出信号。

线阵列扫描仪和面阵列扫描仪

(2)CCD的优点:环境适应性强；集成度高、体积小、抗电磁干扰能力强，寿命长；灵敏度高；具有较高的影像分辨率，影像畸变小；容易实现数字化输出。

(3)CCD的缺点:光谱灵敏度有限，只能在可见光和近红外（1.2μm以内）区能直接响应地物辐射来的电磁波。对于热（远）红外区没有反应。

(4)与光机扫描仪相比，没有机械装置，探测器原理不同。

2、推帚式扫描仪成像过程：

地面上扫描线对应的辐射信息经光学系统收集，聚焦在CCD线阵列元件上，CCD输出端以时序视频信号输出，在瞬间得到垂直于航线的一条影像线

3、推帚式扫描仪可获取立体影像：同轨立体观测方式异轨立体观测方式

4、HRV传感器（High Resolution Visible）

SPOT-4卫星上的HRV分成两种形式：

(1)多光谱型的HRV，共分三个谱段：绿波段0.50－0.59μm；红波段0.61－0.68μm；近红外0.79－0.89μm；

特点：每个像元的大小相对地面上为20m×20m。

每个波段有3000个探测元件。

一行图像，相对地面上为20m×60km。

(2)全色的HRV

波段范围0.51—0.73μm。

特点：一个像元大小为10m×10m；

6000个CCD元件组成一行；

一行图像，相对地面上为10m×60km。

(3)为了在26天内达到全球覆盖一遍，SPOT卫星上平排安装二台HPV仪器。每台仪器视场宽都为60km，两者之间有3km重叠，因此总的视场宽度为117km。

三、雷达及其成像

1、微波遥感发展历程

上世纪50年代，美军方侧视机载雷达（SLAR）

1978年，美国Seaset海洋卫星

1981年，美国航天飞机成像雷达（SIR）

1991年，欧洲空间局欧洲遥感卫星（ERS1）

1995年，ERS2发射。

1995年，加拿大Radarset

2000年2月11日，美国干涉雷达地形测图计划（SRTM:Shuttle Radar Topography Mission）

2006年，日本ALOS-SAR

2、微波：1mm-1m的电磁波

(1)微波波段的划分

(2)微波遥感的优缺点：

1)优点：全天时工作；有一定的穿透能力；可以探测地物的微波特性；可以采用多种频率、多个视角；记录目标的距离信息，同时还记录了目标的相位信息。

2)缺点：不能记录与颜色有关的信息，影像解译困难；遥感器系统设备复杂，价格昂贵，影像获取困难；影像变形情况复杂，几何校正复杂，技术难度高。 3、雷达的基本知识

(1)雷达是由发射机通过天线在很短的时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用(同一)天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。

(2)按照雷达的工作方式可分为：成像雷达和非成像雷达。成像雷达中又可分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达。 4、雷达结构

(1)组成：发射机、接收机、转换开关、天线、记录器

(2)原理：发射机产生脉冲信号，由转换开关控制，经天线向观测地区发射。地物反射脉冲信号，也由转换开关控制进入接收机。接收的信号在显示器上显示或记录在磁带上。（雷达系统又是测距系统）t C R •=2

1

5、真实孔径雷达 (1)成像过程

(2)距离分辨率：在距离方向上，能分辨的最小目标的尺寸。它与脉冲宽度有关。

要分辨同一方向上距离不同的两个目标，理论上回波的时间间隔要等于或大于脉冲宽度。 ϑ

τsin 2c

R •=

∆

1)距离分辨率是变化的

2)距离分辨力与距离无关。若要提高距离分辨力，从式中看来，需减小脉冲宽度，但这样将使作用距离减小。为了保持一定的作用距离，这时需加大发射功率，造成设备庞大，费用昂贵。目前一般是采用脉冲压缩技术来提高距离分辨力。 (3)方位分辨率

1)方位分辨率是指在方位方向上能分辨的最小目标的尺寸。 它与波瓣角β有关：R D

r R λ

ββ=

=

β－波瓣角；R －斜距；D －天线孔径；λ－波长

2)要提高方位分辨率，需采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和缩短观测距离。这几项措施无论在飞机上或卫星上使用时都受到限制。目前是利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方位分辨率。 6、合成孔径雷达 (1)基本原理：通过合成孔径原理改善方位分辨率，即通过对在位置不断变化的同时所接收的信号进行记录、处理，获得比实际天线更长的天线长度进行观察的同样效果。

(2)方位分辨率

D

R

R X L b S •=

•==λβ S

L R

L •=

∆λ D L =∆ 2

D S L =∆

结论：合成孔径雷达的方位分辨率为雷达天线实际孔径长度的一半，孔径越小，分辨能力越强，这与真实孔径雷达情况正好相反，而且与距离无关。

7、INSAR

(1)原理：利用具有一定视角差的两部天线来接收地面目标回波信号，经成像处理后得到同一观测区域两幅具有相关性的SAR 单视复数图像，经干涉处理后检测出相位差，按照一定的几何关系进行计算，得到观测区域的地面三维信息。

(2)干涉合成孔径雷达、合成孔径雷达干涉测量。 (3)分类：

横迹干涉（双天线、基线与飞行方向垂直） 顺迹干涉（双天线、基线与飞行方向平行）

(4)INSAR 测高原理:假设飞行平台上同时架设了两部天线A1、A2，若由A1发射电磁波，A1、A2同时接收从目标返回的信号，天线相对位置如图所示。B 为基线长度，θ为入射角，α为水平角, H 为平台高度。

θcos 1•-=R H h

)sin(2)90cos(21221122122αθθα-•••++=-︒+•••-+=B R B R B R B R R

令12R R R -=∆ 则1

221212)()sin(R B B R R R ••--∆+=-αθ 即R B B R R ∆--••-∆=2)sin(2221βθ

设相位差为ϕ∆，则ϕπ

λ

∆=

∆4R 综上θπ

ϕ

λαθπϕλcos 2)sin(2)4(

2

2

•∆•-

-•-∆•-=B B H h

8、SRTM 作用：美国国家测绘局（NIMA ）联合美国国家宇航局（NASA ）利用“奋进”号航天飞机历时222小时23分钟，获得了北纬60度到南纬56度之间的全部地球表面高精度三维地形地图，其精度是现有地图的30倍。SRTM 仅用9天多的时间完成了人类在20世纪用100年时间才完成的全球70％地区的地形图测绘，这在科学技术史上是一大飞跃。

SRTM 目的：建造全球性的、高精度的、统一基准的数字地面高程数据库（DEM ）。

第五章 遥感图像处理

§5.1 数字图像

一、图像的表示

图像: 对客观对象一种相似性的描述或写真； 遥感图像：地物对电磁波反射强度被传感器以胶片或数字形式记录。

二、数字图像

(1)以数字形式表示的图像，便于计算机的存储、运算、显示和输出。 (2)数字图像的分类：二值数字图像（1表示白色，0表示黑色），单波段数字图像(全色），多波段数字图像，彩色数字图像（红、绿、蓝）。 三、图像数字化

(1)数字化概念：连续图像转变为数字图像的过程。分为两个过程：采样、量化： 1)采样：图像平面坐标的离散取值过程（Δx, Δy ） 奈奎斯特间隔：c u x 21=

∆ c

v y 21=∆ u 、v 代表x 、y 方向上的最高空间频率 2)量化：图像像元灰度值的离散取值过程 f （x ，y ）

四、灰度直方图

1、反映图象中每种灰度出现的频率M

m P i

i =

mi —某一灰度级的像元个数 M —整幅图的像元数 2、不同的直方图代表不同特点的图像

§5.2遥感图像的辐射校正

一、辐射校正：消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程。 二、遥感图像的辐射误差主要有三个因素：

(1)传感器自身产生：传感器在光电变换的过程中，对各波段的灵敏度是有差异的，也就是 说，传感器对各波段的光谱响应是不同的，由此造成辐射畸变。另外，传感器的光学镜 头的非均匀性，会引起边缘减光，也会造成图像辐射的畸变。

(2)大气的影响：地物（目标物）的辐射（反射）经过大气层时，与大气层发生散射作用和 吸收作用。吸收作用直接降低地物的辐射能量，引起辐射畸变。散射作用除降低地物的 辐射能量外，大气散射的部分辐射还会进入传感器，直接叠加在目标地物的辐射能量之 中，成为目标地物的噪声，降低了图像的质量。

(3)光照条件：光照条件的不同也会引起辐射畸变，如太阳高度角、地面坡度等，都会引起 辐射的畸变。

三、镜头辐射畸变的校正

在使用透镜的光学系统中，由于透镜光学特性，其镜头中心和边缘的透射光强度不一致，使同类地物在图

像上不同位置有不同的灰度值，一般是边缘部分比中间部分暗E p =E 0 cos4θ 四、光电变换的辐射误差校正

min min

max max

R R R R D V -⨯-=

式中：V ——已校正过的数据；

Dmax ——校正系数，对于MSS 为127，对TM 为255； Rmax ——探测器能够输出的最大辐射亮度；

Rmin ——探测器能够输出的最小辐射亮度； R ——传感器输出的未校正辐射亮度。 五、太阳高度角的辐射误差校正

1、太阳高度角引起的畸变校正是将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正为太阳光线垂直照射时获取的图像。

2、太阳的高度角θ可根据成像时刻的时间、季节和地理位置来确定。 f(x,y)=g(x,y)/sin θ

3、太阳高度角的影响是在图像上会产生阴影而压盖地物。

4、多光谱图像上的阴影可以通过图像之间的比值予以消除。比值图像是用同步获取的相同地区的任意两个波段图像相除而得到的新图像。 六、大气散射校正

1、大气校正就是指消除由大气散射引起的辐射误差的处理过程 。

2、大气校正的方法:利用辐射传递方程进行大气校正；利用地面实况数据进行大气校正；利用辅助数据进行大气校正；野外现场波谱测试（回归分析法）；波段对比分析（直方图法）。 (1)回归分析法:大气散射主要影响短波部分，波长较长的波段几乎不受影响。 具体做法：

在不受大气影响的波段和待校正的某一波段图像中，选择由最亮至最暗的一系列目标，将每一目标的两个待比较的波段灰度值取出来进行回归分析。

(2)直方图法：如果在某一像场中存在亮度值为零的目标地物（深水体或地形阴影区），则任一波段亮度值都应为零。所以只要对选择区域内波段的图像进行灰度统计给出其直方图，则直方图上频率最小的灰度值就是大气改正值。大气校正就是移动直方图的最小值至零值位置。

§5.3遥感图像的几何校正

一、图像的几何形变

1、几何形变：是指图像上像元在图像坐标系中的坐标与其在地图坐标系统中的坐标之间的 差异。

2、几何校正：消除这种差异的过程叫几何校正。

3、几何变形分类

(1)内部误差：传感器自身性能指标有偏移

(2)外部误差：由传感器以外的各种因素，比如外方位元素变化、地球曲率、地形起伏、地 球旋转、大气折射等因素。

4、成像投影方式产生的变形（公式见书） (1)全景投影变形

(2)斜距投影变形（侧视雷达类） 5、卫星姿态变化引起的形变

卫星姿态变化通过传感器的外方位元素描述 传感器外方位元素（公式见书） 单个外方位元素引起的图像变形 单个外方位元素引起的图像变形 6、地球曲率的变形

(1)光机扫描仪图像变形0=x d H f

R d y •••-=2sin tan 2θ

θ

(2)侧视雷达图像变形 0=x d θθλcos tan 222

••=R

H d y