gis地理信息系统及rs遥感学习教材(最全)

Remote SensingGeographical Information System

（RS & GIS ）

遥感及地理信息系统

(讲稿)

第一章GIS 概述

§1.1 地理信息系统的产生与发展

一、GIS产生的背景：

地理学——地图绘制（手工、计算机）——世界上第一个地理信息系统：

CGIS（1963年）

二、GIS的发展

1. 计算机技术的发展

2. 空间技术的发展

卫星定位技术

卫星定位的特点 1.全球地面无缝覆盖，全天候定位。2.定位精度高，实时定位速度快。3.观测时间短。4.提供三维坐标。5.使用简便。

GPS系统：美国于1978－1993年发射，共24颗卫星。其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。GPS卫星向用户发送用于导航定位的调制波，它含有：载波（L1和L2）、测距码（C/A码和P码）和数据码（导航电文）。C/A码伪距，精度约为20米左右（民用）P码伪距，精度约为2米左右（军用）

GLONASS系统：苏联于20世纪70年代开始建设，并于1993年启用由24颗卫星组成。目前在轨14颗卫星；预计于2010年左右使卫星数量达到“满员”状态。民用信号定位精度：30米。

“伽利略”系统：30颗卫星组成欧空局和欧盟合作于1999年启动。2005年12月28日，首颗试验卫星Glove-A成功发射；预计2008年底前全部发射入轨。民用信号精度：1米。

“北斗”系统：

“北斗1代”：2000－2003年发射3颗静止轨道试验导航卫星，组成了“北斗”区域导航系统（2颗工作卫星、1颗备用卫星）。

北斗2代：“北斗”全球卫星导航系统。空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。定位精度为10米。

卫星遥感技术

卫星遥感的特点：能够快速、大范围获取地面影像和地表专题数据

?SRTM计划——航天飞机雷达地形测绘任务（2000年）

(Shuttle Radar Topography Mission)

覆盖范围在北纬60度至南纬56度之间。10天内，有99.968%被一次覆盖，94.59%两次，49.25%三次，24.1%四次。

DEM高程数据间隔为1弧秒，约30米，所包含的信息内容相当于1∶5万地形图

SRTM由三部分组成：主雷达天线、桅杆、机外雷达天线（Outboard radar antenna）

现代GIS的相关技术:

地理学、遥感技术、测量学、数学和统计学、制图技术、计算机科学、专家系统、计算机图形学、计算机辅助设计、数据库技术、软件工程

§1.2 GIS的相关概念

1、数据：是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示，如数字、文字、符号、

图形等。

2、信息：是向人们或机器提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。它不随载体的物理形式的变化而改变。

数据与信息的关系：

数据是信息的载体?信息是数据的内涵?数据本身并没有意义，数据只有对实体行为产生影响时才能成为信息?数据只有通过解释、解算才能成为信息－－使用者的知识背景。

信息的特点：

(1)信息的客观性：任何信息都是与客观事物紧密相关的－信息正确性与精确度的保证。

(2)信息的适用性：不同的信息适用于与之相关的领域。

(3)信息的传输性：信息在传输时，其原始意义并不改变。

(4)信息的共享性：信息的使用对其本身无损失。

3、系统：具有特定功能的、相互有机联系的若干要素构成的一个整体。

4、信息系统：具有处理、管理和分析数据功能的系统，它能为人们的决策提供正确、有用的信息。

5、地图：是将地理环境诸要素按照一定的数学法则，运用符号系统并经过制图综合缩绘于平面上的图形。a 由数学决定的结构b 特定的符号系统c 现象表示的取舍和概括

6、地理信息：是指表示地理环境诸要素的数量、质量、分布特征及其相互联系和变化规律的数字、文字、图象和图形等的总称。

地理信息的特征：

(1)定位特征：通过地理坐标实现空间位置的识别

(2)多维结构的特征：除地理位置外，还有多个专题和属性

(3)时序特征：随时间的变化而变化，需及时采集和更新?

地图与地理信息的关系：

地图是地理信息的载体?地图是地理信息的传统数据源?地图是GIS的查询与分析结果的表示方法

§1.3 地理信息系统的概念

地理信息系统是一门学科：是研究采集、管理、分析地理数据和输出地理信息的理论和方法的新兴、交叉学科。

地理信息系统是一种决策支持系统：在计算机软、硬件系统的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策、规划等所需地理信息的技术系统。

Geographical Information System

Geographic Information System

Geo-Information System

地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演绎出来的知识。

?地理信息系统的分类——按功能分类：

1. 专题地理信息系统(Thematic GIS)：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特

定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系

统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信息系统等。

2. 区域地理信息系统(Regional GIS)：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。如国

家级、地区级、市级或县级等。

3. 地理信息系统工具(GIS Tools)：是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、

分析运算和输出等地理信息系统基本功能的软件包。

GIS与其它系统的区别：

GIS与DBMS（数据库管理系统）的区别

1 . DBMS缺乏空间实体定义能力

2 . DBMS缺乏空间关系查询能力

3 . GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必须包含DBMS。

GIS与MIS（管理信息系统）的区别

1. GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；

2. MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。

GIS与其它系统的区别

GIS与地图数据库的区别：

地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。

GIS与CAD系统的区别：

1 . 二者虽然都有参考坐标系统，都能描述图形，但CAD系统主要处理几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。2. CAD的坐标无地理意义，不能进行地理坐标转换。

§1.4 GIS的发展历史

一、国外GIS的发展

1.起步阶段（1960s）：注重空间数据的地学处理。相关组织机构纷纷成立。1963年，加拿大测量学家R. T. Tomlinson首先提出GIS这一术语，建立加拿大地理信息系统（CGIS）；1969年，ESRI （环境系统研究所）建立；1969年，Integraph公司建立。

2.发展阶段（1970s）：注重空间地理信息的管理，受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视。

3.推广应用阶段（1980s）：注重空间决策支持分析。应用领域迅速扩大，与RS结合，参与解决全球性问题。1981年，ESRI ARC/INFO GIS发布；1985年，GPS成为可运行系统；1986年，MapInfo 建立；1986年，SPOT卫星首次发射；1987年，地理信息系统的国际杂志出版；1989年，Ingegraph 发布MGE；1989年全球有报价的GIS软件达70多个。

4.用户时代（1990至今）： 注重GIS社会应用与服务－商业决策和政府管理GIS技术迅猛发展－GIS产业化。控件式GIS成为GISTools的发展方向;WebGIS蓬勃发展;三维GIS崭露头角。

5.国外主流GIS软件：ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）－ARCGISGENAMAP（澳大利亚）MGE（Modular GIS Environment）MapInfo（MapinfoProserver、MapX、MapXtreme、SpatialWare）ERDAS

二、我国GIS的发展

1.准备阶段（1970后期）: 舆论准备、提出倡议、组建队伍、组织个别实验研究。1980年中科院遥感所成立第一个GIS研究室

2.试验阶段（1981-1985）: 理论探索和区域性研究;制定国家地理信息系统规范。1:100万国土基础信息系统和全国土地信息系统1 :400万全国资源和环境信息系统

3.初步发展阶段（1986至20世纪末）: 地理信息系统的研究被列入我国“七五”攻关课

题，并且作为一个全国性的研究领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。

4.快速发展阶段( 20世纪末到现在): 理论日趋成熟，应用日益广泛，三维GIS、WEBGIS 走向应用，GIS市场开始形成。

5.国产主流GIS软件: GeoStar（武测）MapGIS（地大）CityStar（北大）

三、地理信息系统的发展趋势

(1)GIS与遥感和全球定位系统进一步结合，构成地理学日趋完善的技术体系－3S技术；

(2)空间数据结构与数据管理的研究更加深入；

(3)GIS应用模型开发日趋加强；

(4)GIS智能化；

(5)GIS网络化－WEBGIS；

(6)三维GIS

第二章遥感的基本原理及其应用

§2.1 遥感概述

一、遥感的概念

20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术。遥感一词的英文为Remote Sensing，意思是遥远的感知。60年代由美国人EvelynPruitt（美国海军研究局）提出。

广义理解：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、地震波等的探测被划为物探(物理探测)的范畴。因而，只有电磁波探测属于遥感的范畴。

狭义理解：遥感是指从不同高度的平台（Platform）上，使用各种传感器（Sensor），接收来自地球表层的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而对不同的地物及其特性进行远距离探测和识别的综合技术。

二、遥感技术系统

根据电磁波理论，不与目标物接触，从远处用探测仪器接收来自目标物的电磁波信息，通过对信息的处理和分析研究，确定目标物的属性及目标物相互间的关系的综合技术系统，称为遥感技术系统。

遥感技术系统包括：

1. 遥感信息源

2. 空间信息获取

3. 遥感数据传输与接收

4. 遥感信息处理、提取与分析

5. 遥感信息应用

6. 遥感技术系统及工作流程

7. 遥感技术系统组成

遥感信息源：任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感的信息源。目标物与电磁波的相互作用．构成了目标物的电磁波特性，它是遥感探测的依据。

空间信息获取：地物空间信息主要由搭载在遥感平台上的遥感器来获取。接收、记录目标物电磁波特征的仪器，称为遥感器。

遥感数据传输与接收：传感器接收到目标地物的电磁波信息，被记录在数字磁介质或胶片上。胶片是由人或回收舱送至地面回收，而数字记录信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面卫星接收站。遥感技术系统组成

遥感信息处理、提取与分析：地面站对接收到的数字信息进行一系列的处理：信息恢复辐射校正卫星姿态校正投影变换通用数据格式转换地面站或用户还可根据需要进行精校正处理和专题信息处理、分类等。遥感技术系统组成

遥感信息应用：遥感获取信息的目的是应用。这项工作由各专业人员按不同的应用目的进行。遥感技术系统组成

三、遥感的类型

1.按遥感平台分

地面遥感:遥感器设置在地面平台上，如车载、船载、固定或活动高架平台等;

航空遥感:遥感器设置于航空器上，主要是飞机、气球、飞艇等;

航天遥感:遥感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站等;

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。

3.按工作方式分

主动遥感和被动遥感:主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射值量;被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。

成像遥感与非成像遥感:成像遥感——传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成(数字或模拟)图像。非成像遥感——传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。

4.按遥感的应用领域分

从大的研究领域：可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等;

从具体应用领域：可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种专题应用。

四、遥感的特点

1.大面积同步观测：遥感观测不受地形阻隔等限制，探测到的地面范围大，容易发现地球上一些重要目标物空间分布的宏观规律。

2.时效性强：遥感探测可以在短时间内对向一地区进行重复探测，发现地球上许多事物的动态变化。这对于研究地球上不同周期的动态变化非常重要

3.数据的综合性与可比性好：遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上的自然、人文信息。如地球资源卫星LANDSAT所获得的地物电磁波特性均可以较综合地反映地质、地貌、土壤、植被、水文等特征。

4.较高的经济与社会效益：与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。

5.一定的局限性：所利用的电磁波波段有限、已经被利用的电磁波谱段对许多地物的某些特征还不能难确反映、地面调查和验证尚不可缺少。

五、遥感的发展简史

1. 无纪录的地面遥感阶段(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。

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明，并与望远镜相结合发展为远距离摄影。1839年，达盖尔(Daguame)发表了他和尼普斯(Niepce)拍摄的照，第一次成功地把拍摄到事物形象地记录在胶片上。

3. 航空摄影遥感阶段(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。1903年，W·莱特和O.莱特(WilbourWright & OrvilkeWright)发明了飞机。1909年，W·莱特在意大利的森托塞尔上空用飞机进行了空中摄影。

4. 航天遥感阶段(1957-)：

1957年10月4日，苏联第一颗人造地球卫星的发射成功。

1960年，美国发射了TIROS-1和NOAA-1太阳同步卫星，从航天器上对地球进行长期观测。

1972年ERTS-1发射（后改名为Landsat-1），装有MSS传感器，分辨率79米。

1982年Landsat-4发射，装有TM传感器，分辨率提高到30米。

1986年法国发射SPOT-1，装有PAN和XS遥感器，分辨率提高到10米。

1988年9月7日中国发射的第一颗“风云1号”气象卫星。

1999年4月15日Landsat-7发射，携带了增强型主题成像传感器(ETM+)。

1999年9月24日美国发射IKNOS，空间分辨率提高到1米。

1999年10月14日中国成功发射资源卫星1号。

2001年10月发射的快鸟卫星，可获取0.61米分辨率的黑白影像以及2.44米分辨率的多光谱（4波段）影像。

2002年其5月发射Spot-5，其性能作了重大改进，可获取2.5米分辨率的全色影像。

六、遥感技术的发展趋势

1. 多分辨率传感器并存一方面，高分辨率的图象（如1m分辨率的IKONOS）可以会有较快的发展，这是由于小卫星技术日趋成熟，发射成本越来越低，它在军事侦察与城市测绘方面有独突的作用。另一方面，低空间分辨（如1km 分辨率的NOAA 系列）将会得到较快的发展，因为实践表明这种尺度较适合于全球变化的研究。

2.高光谱遥感遥感器波段宽度窄化，针对性更强，可以突出特定地物反射峰值波长的微小差异；同时，成像光谱仪等的应用，提高了地物光谱分辨力，有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性。

3. 遥感分析技术从“定性”向“定量”转变定量遥感成为遥感应用发展的热点。

4. 建立适用于遥感图像自动解译的专家系统逐步实现遥感图像专题信息提取自动化。

5. RS与GPS、GIS 的有机结合构成集成系统

§2.2 遥感平台及遥感器

一、遥感平台

遥感平台:——遥感中搭载遥感器的工具。

1.遥感平台的种类

地面平台——地面遥感

航空平台——航空遥感

航天平台——航天遥感

按遥感平台的高度和运行方式分为：

（1）地面平台：高度在0～100m范围内，包括三脚架、车、船、遥感塔等。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。对地观测研究中应用较少。主要目的：对地物进行波谱测量，近距离摄影测量，大气辐射纠正等。

（2）航空平台：飞机高度在百米～10几km，包括低、中、高空飞机，以及飞艇、气球等。航空平台历史悠久，主要目的是航空摄影。低空：<2000米，摄影测量、大比例尺航片、地面调查； 中空：2000米－2万米，军事侦察、资源环境调查、摄影测量；高空：2万－3万米，无人飞机军事侦察和资源环境调查；气球：高空气球12－40公里。

（3）航天平台：卫星高度在150km以上。低轨卫星：150～300km，获取大比例尺、高分辨率图象，寿命短，几天到几周（由于地心引力、大气摩擦），用于军事侦察；中轨卫星：700～1000km，资源与环境遥感。NOAA气象卫星：833/870km，Landsat1-3 ：915km，Landsat4-5：705km，SPOT：832km。高轨卫星：35800km，地球静止卫星，用于通信、气象。航天飞机：240~350km。

卫星轨道参数

1）轨道形状和高度

①轨道形状固定的椭圆轨道，绕地球周期性的运行。

焦距c 长半轴a 短半轴b 偏心率e= c/a

②轨道高度：——卫星离地面的平均距离。

低轨卫星：150—300KM，寿命1～3周，举例:多数是军事卫星卫星。

中轨卫星：700～1000KM，寿命1年以上，举例: 陆地卫星、气象卫星、海洋卫星。 高轨卫星：35800KM, 寿命很长，举例：通信卫星， GPS 卫星（22000km）。

2）轨道倾角

定义：卫星轨道平面与赤道面之间的夹角。

度量算法：卫星经过升交点方向的轨道面，顺时针转到赤道面的夹角。

升交点：北上 ；降交点：南下 ； 升交点时：通过升交点的时刻 ； 降交点时：通过降交点的时刻。

极轨卫星和近极轨卫星：

极轨卫星：轨道倾角＝90度；

近极轨卫星：轨道倾角接近90度。

轨道倾角越大，覆盖地球表面的面积越大。一般的，资源卫星都是近极轨卫星。 3）与太阳同步轨道

指卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角，不随地球绕太阳公转而改变。 光照角β: 卫星轨道面至太阳与地心连线间的夹角。 太阳同步：光照角不随地球绕太阳公转而改变。

光照角变化对遥感其观测地面时的太阳光照角度有关。

太阳同步的特点：卫星与太阳同步，光照角保持不变化，卫星轨道上每一点的平均太阳时保持不变（卫星通过不同的纬度时具有相同的地方太阳时），有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测，为遥感资料处理带来方便。

LANDSAT-4/5：经过赤道9:45AM 左右, 经北京：10:00AM 左右

4）卫星运行周期和覆盖周期 （1）卫星运行周期卫星绕地球运

行一周所需要的时间，称为卫星周期（T）。 195 170

在赤道上的轨道距离(km)185

185 扫描宽度（km） 18天（约251圈）16天（233圈） 覆盖周期 9:30 am 降交点时间 103.267 98.9 周期（分/圈）

99.125

98.22 倾角（度） 远地点918 近地点905 705(平均) 高度（km） L andsat123 Landsat 4(5） 卫星编号 （2）卫星覆盖周期卫星覆盖全球一次的天数。对遥感动态监测更重

要。

LANDSAT 覆盖周期：16 天，SPOT 覆盖周期：26 天，NOVA 覆盖周期：12天 运行特征: (1)近极地、近圆形轨

道(2)运行周期：4-5号99分钟/

圈，14.5圈/天(3)轨道与太阳同步扫描与覆盖：扫幅——185km。

二、遥感器

1） 光学成像类型－遥感摄影机 2） 扫描成像类型(光学－机械式,推帚式) 3） 成像光谱仪 4） 微波成像类型

几种典型扫描类型传感器：

1） RBV —Return Beam Vidicon 反束光道摄像机

2） MSS —MultispectralScanner System 多光谱扫描系统 3） TM —Thmetic Mapper 专题制图仪器

4） ETM —Ehance Thmetic MapperPlus 增强型专题制图仪器 5） HRV—高分辨率可见光成像装置

6） HRVIR —高分辨率可见光及短波红外成像装置 7） HRG—高分辨率几何装置

ETM（未能成功入轨）LANDSAT －6 传感器 卫星 SPOT －5 SPOT －4 SPOT －1、2、3 LANDSAT －7 LANDSAT －4、5 LANDSAT －1、2、

3 HRG HRVIR

HRV

SPOT 系列

ETM+

MSS、TM RBV 、MSS

LANDSAT 系列

遥感器的特性：光谱分辨率、空间分辨率、时

间分辨率

1） 遥感器的光谱分辨率：指传感器接收

目标辐射的波谱时能够分辨的最小波长间隔。间隔越小，分辨率越大。

2） 遥感器的空间分辨率：指象素所代表

的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能够分辨的最小单元。 3） 遥感器的时间分辨率：指对同一地点

进行遥感采样的时间间隔，即采样时间频率。

又称重访周期。

三、遥感器成像机理

任何地物均有发射、吸收和反射电磁波的特性。把地物与电磁波相互作用形成的波谱用一定的传感设备记录下来，经数模转换就形成了遥感影像。

可见光与近红外成像机理：记录地物在可见光与近红外波段的反射特性 热红外成像机理：记录地物的热辐射特性

微波成像机理：记录地物对微波的后向散射特性

§2.3 遥感的物理基础

一、遥感的电磁波

电磁波：交互变化的电磁场在空间的传播。

描述电磁波特性的指标：波长、频率、振幅、位相等。

电磁波的特性：电磁波是横波，传播速度为3×108m/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：按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。

电磁波各波谱段的特性：

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。人眼能区别出0.001－0.002 μm的波长变化－彩色图像能表现更丰富的信息量。红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾的影响。 二、太阳辐射

太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源。太阳辐射的光谱是连续光谱。 太阳辐射特性：

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43.5%，最大辐射强度位于波长0.47 μm 左右（兰－青）；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；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。

太阳辐射各波段的百分比：

三、太阳辐射与大气的作用 1.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0～12 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12～80 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在80～1000 km，大气中的O 2、N 2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。大气外层：800～35000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。 2.大气成分

大气主要组成：

气体分子（N 2，O 2，H 2O，CO 2，CO，CH 4，O 3）——电离层（80km）以下不改变：不变成分。 水蒸气液态和固态水（雨、雾、雪、冰）悬浮微粒（尘埃、盐粒）——可变成分。 3.大气的吸收作用

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。吸收作用使辐射能量转变为分子的内能，引起太阳辐射强

度的衰减。

4.大气的散射

作用

不

同

于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。 吸收量很小

尘埃 1.35～2.85 μm, 2.7 μm,4.3 μm,14.5 μm CO2吸收带 0.5～0.9 μm , 0.95～2.85 μm，6.25 μm H2O吸收带 0.2～0.36 μm，0.6 μm O3吸收带 <0.2μm，0.155 μm最强 O 2吸收带 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。

对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。

散射主要发生在可见光区。

Radarsat

100

0.8～2.5cm

微波

TM660～708～14μm 远红外NOAA的AVHRR

3.5～5.5μm 中红外TM780

2.0～

3.5μm 近-中红外TM5801.5～1.8μm 近红外TM1-4、SPOT的HRV

＞90

0.3～1.3 μm

紫外可见光近红外应用举例透射率/%波段大气窗口5.大气窗口

由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。

Landsat －7 ETM+ 传感器的波段设置和光谱效应

提高影像分辨率

岩石类型、地质探矿与制图 地表温差、水温变化、城市热岛 土壤湿度与类型、植物含水量、岩性 植被、生物量、作物长势监测 植被种类、覆盖度；岩性、土壤、水中泥沙水体、植被（林型、树种）

水体透视、叶绿素、干燥土壤、茂密植被 光谱效应

15

全色波段

0.52-0.90

8

30 近红外光波段 2.09-2.35 7 60 热红外光波段 10.4-12.6 6 30 近红外光波段 1.55-1.75 5 30 近红外光波段 0.78-0.90 4 30红光波段 0.63-0.69 3 30 绿光波段 0.52-0.60 2 30 蓝绿光波段 0.45-0.52 1 分辨率（米）

光谱段

波长 （μm）波段

四、太阳辐射与地物的作用

太阳辐射到达地表后，被：反射、吸收、透射

? 到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量 ? 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。

? 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则透射能力较强，特别是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。

五、地球表面的热辐射

其电磁辐射的波长范围是：2.5—50μｍ。

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。

地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波长、温度有关。 六、各典型地物的光谱曲线绿色植物的光谱曲线

土壤的光谱曲线 水体的光谱曲线 岩石的光谱曲线

常见地物的光谱曲线比较

常见地物的光谱曲线比较

§2.4 遥感图像的处理

遥感图像校正、图像变换、图象增强、遥感图象融合、彩色合成

1、遥感图像校正

（1）辐射校正

引起辐射误差主要有三个因素：

传感器的光电变换、大气的影响、光照条件

传感器的光电变换：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。

大气的影响：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。

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。

（2）几何校正

遥感图像的几何变形有两层含义：a.指卫星在运行过程中，由于姿态、地球曲率、地形起伏、地球旋转、大气折射、以及传感器自身性能所引起的几何位置偏差。b.指图像上像元的坐标与地图坐标系统中相应坐标之间的差异。

几何粗校正：这种校正是针对引起几何畸变的原因进行的，地面接收站在提供给用户资料前，已按常规处理方案与图像同时接收到的有关运行姿态、传感器性能指标、大气状态、太阳高度角对该幅图像几何畸变进行了校正。几何粗校正是针对卫星运行和成像过程中引起的几何畸变进行的校正，即卫星姿态不稳、地球自转、地球曲率、地形起伏、大气折射等因素引起的变形。

几何精校正：利用地面控制点进行的几何校正称为几何精校正。

2、图像变换

在遥感图像处理中，常常将图像从空间域转换到另一种域，利用这种域的特性来快速、方便地处理或分析图像。这种转换过程称为图像变换。

遥感图像处理中的图像变换主要有：傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换、小波变换、K-L变换、KT变换等。

3、图象增强

图像增强是为了突出图像中的某些信息（如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰、细节明显），同时抑制或去除某些不需要的信息来提高遥感图像质量的处理方法。

图像增强可以改善图像质量，使之更适于人的视觉或机器识别系统。

遥感图像增强主要包括空域增强、频域增强、色彩增强等方法。

4、遥感图象融合

指利用多种对地观测技术所获取的关于同一地物的不同遥感数据，通过一定的数据处理技术提取各遥感数据源的有用信息，最后将其汇集到统一的空间坐标系(图像或特征空间)中进行综合判读或进一步的解析处理，通过多种信息的互补性表现，提高多源空间数据综合利用质量及稳定性，提高地物识别、解译与决策的可靠性及系统的自动化程度的技术。

5、彩色合成

彩色合成增强是将多波段黑白图像变换为彩色图像的增强处理技术。

真彩色合成: 指合成后的彩色图像上地物色彩与实际地物色彩接近或一致。

假彩色合成: 指合成后的彩色图像上地物色彩与实际地物色彩不一致，通过彩色合成增强，可以从图像背景中突出目标地物，便于遥感图像判读。

§2.5 遥感图象目视解译与制图

一、遥感图像目视解译原理

目标地物特征：

色：目标地物的颜色、色调、阴影。

形：形状、大小、图形、纹理（局部地域范围内的图形结构）。

位：目标地物分布的空间位置与相关布局。

目标地物的识别特征：

色调：视觉可识别的灰度（亮度）差异。

颜色（色彩）：地物表面颜色，各种颜色在可见光波段（或传感器各个波段）的亮度特征。

形状：地物顶部（或投影）的几何形态，如水系形态。

大小：目标地物投影面积的相互比较。

阴影：可以形成视觉上的立体感。在中心投影的影像上，受方位和距离的影响。

纹理：局部地域的内部结构。如：菜地的畦垅结构、不同树种的顶冠结构、居民小区的建筑分布结构等。

空间位置：地物分布的位置特征，如：梯田在较缓的山坡上。

相关布局：不同地物空间分布的内在联系。如：水库必定有一个拦水的坝体；体育场通常有400米跑道；学校应该有运动场；大型商业中心一般在城市主干交通线两侧或城市中心区；新开发区一般位于城市边缘地带等。

二、遥感图像目视解译基础

☆摄影像片的种类

黑白全色像片：0.4 ~ 0.76 μｍ

彩色像片：0.4 ~ 0.76 μｍ；

三层彩色感光乳剂。

黑白红外像片：0.4 ~ 1.1μｍ。

彩（色）红外像片：0.4 ~ 1.1μｍ；

红外波段在红层感光，

红橙波段绿层感光，篮绿波段在蓝层感光。

彩红外像片典型特征：植被色调以红为主；水体为篮青色。

热红外像片：8 ~ 14μｍ。热红外像片典型特征：热阴影；高速运动热物体的“拖迹”；受风的影响较大。

☆摄影像片的基本特征：

(1) 投影方式：中心投影

(2) 视觉感受：地物顶（冠）的形态

(3) 阴影：受地物在相片上的方位影响。

☆摄影像片的解译（判读）标志

(1) 直接判读标志：色调与色彩（颜色）；形状；大小；阴影；纹理；相对位置。

(2) 间接判读标志：相关布局；内在联系。

三、遥感像片目视解译方法与步骤

解译方法：

(1) 直接判读法：依据解译标志做出的直接判断，如：赛马场。

(2) 对比分析法：依据解译标志的相近程度，从已知到未知的推断过程，如：树种的解译。

(3) 综合推理法：依据已有知识，经过分析、比较、综合而做出的推断，如：教学楼（办公楼）与居民楼；铁路与公路的解译。

(4) 信息复合法：依据辅助资料，结合解译标志做出推断，如：依据植被类型图结合像片的色调、纹理特征做出解译。

(5) 地理相关分析法：依据地学知识和地学基本规律做出的推断解译，如：利用植被的垂直分带性和水平分带性，对植被类型的解译。

解译主要步骤：

(1) 准备阶段：对解译任务的深刻理解----精度、分类体系（标准）、比例尺。收集相关资料----与任务内容有关的各种资料、相关的国家（部颁）标准、各种最新（历史）图件。选择能够满足任务要求的遥感图像（如果可能）----像片片种、比例尺（分辨率）、时相选择。

(2) 建立解译标志，进行初步解译阶段：建立解译标志----根据分类体系，在任务工作区内选择典型的有代表性的地物影像做为解译的像片标志，按照色调（色彩）、形状、大小、阴影、纹理写出文字描述。初步解译----按照各类地物的编码，勾绘图斑，并标注编码。

(3) 实地校核阶段：无把握地物的实地调绘----类型归属、边界确定。无法解译地物的实地调绘----分析总结原因、完善解译标志。

(4) 修订解译标志，详细解译阶段：根据实地校核，修改解译标志体系，解译工作全面展开。直至整个工作区完全被各类图斑所覆盖，不允许有“天窗”存在。

(5) 解译成果转绘与制图阶段：成果转绘----画在像片（或硫酸纸）上的解译图需要转绘到相应比例尺的地形图上，以去除像片的几何误差，并完成工作区内各张像片的接边工作。制图----转绘成图、图件整饰（图名、图例、比例尺等）；撰写文字报告----技术路线、成果特点、数据统计与分析。

§2.6 遥感数字图像计算机解译

一、遥感数字图像与像片数字化

数字图像特征

(1) 数字图像是将传感器接受到的电磁辐射强度转化为以数字（亮度级）表示的图像。

(2) 数字图像每个像元代表的地面范围取决于传感器的空间分辨率。

(3) 每景数字图像的行数、每行的像元个数与传感器（及其空间分辨率）有关。

(4) 数字图像多个波段的几何位置经过精确配准。

遥感像片数字化

(1) 空间采样：一般情况下，采样后数字图像的比例尺应大于或等于原图像的比例尺。采样间隔以每英寸采多少点计算。

(2) 黑白像片的量化等级为8位,即0 ~ 255。

(3) 试采样时,注意反差调节。

(4) 多波段数字化时,注意波段配准。

(5) 彩色像片数字化：分别加红、绿、篮三色滤色镜，量化成24位，每个波段8位。

二、数字图像的计算机分类

分类原理：

依据被分类地物的光谱特征，找出能够反映被识别各类地物光谱（亮度）差异的特征波段，建立分类识别模式，进行分类。

统计可分性的量度：

(1) 离散度–用各类的平均值（类中心的空间位置）和方差（类中元素的分散程度）来描述。

(2) 空间距离–表示类与类之间的差异,通常用欧氏距离或马氏距离来描述。当两类别间的空间距离比两者均方差的和要大时，类与类可分；当两类别间的空间距离比两者均方差的和要小时，类与类不可分。

(3) 相似系数-表示类与类之间的相似程度。

(4) 判别函数-区分各个类别的曲线或曲面。

当识别目标为多类时，往往是一组判别函数（需注意：各个判别函数空间范围之间的逻辑关系）。

☆数字图像计算机分类的一般过程与步骤

(1) 按照识别目标,选择相应传感器图像,确定特征波段。

(2) 收集并分析相关地面参考信息（相关图件）。

(3) 按照识别目标和相关标准，建立分类体系（类别数）。

(4) 特征波段预处理----信息增强处理。

(5) 分析各个类别在特征波段中的统计特征。

(6) 确定判别函数，逐像元进行分类识别。

(7) 分类精度验证----实地验证、间接验证。

(8) 修改判别函数，最后分类，结果统计，完成报告。

三、非监督分类和监督分类

非监督分类

(1) 概念：仅依据影像上各类地物光谱信息，按照贝叶斯准则（错分损失最小），无人为干预的统计分类方法。

(2) 原理：以多个特征波段所建立的多维空间中的极大值为类中心，以贝叶斯准则建立判别函数，自动进行识别分类。

(3) 方法要点与步骤：Ａ、建立特征空间；Ｂ、预分类别数>特征波段数+1（注意：初始类别数可远大于期望类别数，进行试分）；Ｃ、搜索特征空间中多维直方图的极大值；Ｄ、按预分类别数系统自动归并极大值，并确定方差范围。Ｅ、分类，得到初步结果。

监督分类

(1) 概念: 监督是指人为干预下的训练样本选取过程。依据训练样本的亮度特征建立“判别函数”，进行预分类；再依据预分类结果，调整训练样本，取得好的分类结果的过程，称为监督分类。

(2) 训练区的实际意义: 获得建立判别函数所必须的统计量。这些统计参数包括----均值、方差、协方差。

(3) 监督分类的关键----训练样本的选取 Ａ、类别数:如果特征空间( 波段数)的维数是n，则预分类的类别数一定要>n+1 ,甚至可以达到3n 。B、代表性:训练样本应该反映该类地物的亮度特征；且需注意同类地物空间分布的不连续性（如；可以分别在２块草地中选取训练样本）。Ｃ、亮度分布：从亮度特征角度而言，对于同一类地物具有不同亮度特征情况，通常都要选取（同物异谱）。Ｄ、纯度的把握：一般来说，在已知类别的中间部位较高；如果过纯，则方差过小，导致许多此类地物的像元被拒分；如果不纯，则方差过大，导致不是此类地物的像元被分到该类别中，导致出现“错分”的情况；把握纯度的方法：读像元的亮度值，确定该类地物的亮度分布区间；同时，注意其它地物亮度值与其近似部分的像元亮度分布区间，依“错分损失最小”的原

则，确定“分类界限”。

非监督分类与监督分类的结合：

通常非监督分类做为监督分类的前导；如果监督分类的最终结果要８类，那么做非监督分类时致少要12类。以此保证分类的纯度，因为方差小，错分的可能性也小。

§2.7 遥感图像地学分析与应用

地学分析基础：

遥感影像反映的是某一区域特定地理环境中的综合信息，它综合地反映了地球系统各要素的相关性。

遥感地学相关分析，指的是充分认识地物间的相关性，在遥感图像上寻找目标识别的相关因子，建立直接解译标志和间接解译标志，推断和识别目标本身。

地学分析前的准备:

地学（地理、地质等）背景知识

遥感影像的尺度特征

混合像元

光谱分辨率

时间分辨率（获取时间）

一、水体信息提取

通过对遥感影像的分析,获得水体的分布、泥沙、有机质等状况和水深、水温等要素的信息，从而对一个地区的水资源和水环境等作出评价。

水体界限的确定（水体的分布）

水体悬浮物质的确定

水温的探测

水体污染的探测

水深的探测

1.水体的光谱特征

遥感器所接收到的辐射包括水面反射光、悬浮物反

射光、水底反射光和天空散射光。由于不同水体的水面性

质、水体中悬浮物的性质和含量、水深和水底特性等不同，

从而形成传感器上接收到的反射光谱特征存在差异，为遥

感探测水体提供了基础。

2.水体界线的确定

在可见光范围内，水体的反射率总体上比较低，不

超过10％，一般为4％～5％，并随着波长的增大逐渐降

低，到0.6μm处约2％～3％，过了0.75μm，水体几乎

成为全吸收体。因此在近红外影像上，清澈的水体呈黑色，

即对近红外光全吸收。为区分水陆界线，确定地面上有无水体覆盖，应选择近红外波段的影像。

3.水体悬浮物质的确定

遥感能够探测的水中悬浮物质主要有两种：一种是无机的泥沙；一种是有机的叶绿素。

1） 泥沙的确定

2） 叶绿素的确定

? 混浊水体的反射波谱曲线整体高于清水，随着悬浮泥沙浓度的增加，差别加大；

? 波长较短的可见光，如蓝光和绿光对水体的穿透能力较强，能反映出水面下一定深度的泥

沙分布状况；

? 随着悬浮泥沙浓度的加大，可见光对水体的透射能力减弱，反射能力加强。因此，在近岸的浅水区，其波浪和水流对水底泥沙的扰动作用比较强烈，使水体混浊，故遥感影像上色调较浅。而深水处扰动作用较弱，水体较清，遥感影像上水体色调较深。

相对水深的探测

二、地质地貌信息提取

地质遥感实际上就是从遥感影像上提取地质专题信息的技术过程，地质遥感的应用目的就是为地质制图、矿产资源的探查、工程地质和水文地质调查服务。主要包括：

◆岩性的识别

◆地质构造的识别

1. 岩性的识别:

所谓岩性就是根据岩石的矿物成分、结构构造来判断岩石的种类。不同的岩石，由于其矿物成分、结构构造的不同，具有不同的电磁波辐射特性，在遥感影像上表现为不同的影像特征，岩性的识别就是根据各种岩石在遥感影像上特有的影像特征来判断岩石种类的过程。TM5，TM7为区分岩石性质最好的波段，各种岩石的光谱差异最明显。

三大岩类的影像特征：

沉积岩的条带状影像特征——沉积岩最大的特点是具有成层性，具有明显的层理构造。胶结良好的沉积岩，出露充分时，可在较大范围内呈条带状延伸。在高分辨率影像上可以显示出岩层的走向和倾向。

岩浆岩影像——岩浆岩因其生成的条件与沉积岩差别很大，因此，在岩浆岩发育的地区则常常见到节理（即岩石的破裂面），而基本上看不到层理；

变质岩——特征构造是具有叶理（岩石中片状结构或组织的通称），和沉积岩的层理不同，它是变质作用的形成的。其中的矿物都呈定向排列。

2. 地质构造的识别

构造解译是遥感图像地质解译的重点，也是遥感图像用于地质上效果最好的领域。由于遥感图像视域辽阔，概括性强，用它研究规模较大的构造以及一些隐伏构造和深部构造，效果常常优于地面观察，能将工作区内各种构造形态解译出来。包括岩层产状的判读、褶皱、断层、断裂构造的判断。

地形起伏区水平岩层—封闭曲线、云朵状环带。

岩层三角面：某一岩层同一层面地表露头线上山脊点与相邻两沟谷点用直线连接所成的假想三角形平面（随地形不同的变态：梯形、熨斗形、半圆形、半月形）。

岩层三角面——遥感图像上判断和量测岩层产状的最佳标志。

断层的突出影像特征就是线性，在线形构造的两侧是岩性不同的岩石，通常岩石突然消失的地带就是断层。

第三章GIS的组成

§3.1 GIS 的计算机硬件系统

计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约．GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持．GIS硬件配置一般包括四个部分：

1、计算机主机；

2、数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等；

3、数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等；

4、数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪（打印机）、激光打印机等。

§3.2 GIS的计算机软件系统及模块划分

一、软件的种类：

计算机系统软件：操作系统、汇编程序、编译程序库、程序使用手册、程序说明。

GIS软件和其他支持软件：通用的GIS软件包、数据库管理系统（DBMS）、图形图像处理系统 应用分析软件：系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。

二、GIS软件系统的模块划分

GIS的软件系统根据其功能的特点，可以分为以下几种软件模块：

1. 数据输入与编辑模块

2. 数据存储与管理模块

3. 数据变换与分析模块

4. 数据输出与显示模块

5. 用户接口模块

各功能模块之间的关系

§3.3 GIS的地理数学基础

一、地球的形状及相关概念

1.大地水准面：不考虑潮汐、风浪及大气压的影响，与平均海水面相重合，并延伸到大陆下面处处与铅垂线（重力方向）相垂直的水准面，称为大地水准面。

特点：由于地壳质量分布的不均匀，引起重力方向的变化，导致处处和重力方向成正交的大地水准面成为一个不规则的、高低起伏的曲面。该曲面无法用数学公式表达。