第二讲 城市遥感基础
城市遥感
城市遥感1.城市遥感调查概述城市是一个聚集的人类社会与特定地域空间紧密结合的整体.城市功能区划分根据城市规模（人口规模、用地规棋、活动规模、辐射规模），可将城市地域空间划分为四个不同层次的功能区:2.城市遥感调查的任务为城市规划和建设管理提供多方面的地理基础信息和其他与城市发展有关的分析资料，诸如城市土地利用现状、城市空间特征参数、城市演变、城市规划实施、城市的区域自然状况、旅游资源开发、景观布局与视域分析、城市热场、微波通讯受限地理因素等。
这些信息资料可使规划、建设和管理工作者从不同角度、不同层次去观察、剖析、认识、改造和建设城市，建立和运用城市的各种专题数据库和信息管理系统。
3.城市遥感调查的基本模式（右图）4.城市土地利用现状遥感调查（下图）根据城市用地分类标准规范，利用较大比例尺的航空影像和高分辨率影像进行5.城市用地现状调查内容城市用地现状调查主要包括区域性、市域性、建成区和局部城区(如旧城区)四个空间层次。
区域性调查旨在对市域以外一定区域(拟含规划区域)的调查。
市域性调查是指市域行政界线以内10大类用他的分布与数量构成。
建成区调查指城市建设轮廓外缘以内各种用地的分布与数量构成。
局部城区调查是根据规划和管理需要、对城区内部用地现状进行更为详细的调查。
5.遥感调查的主要技术流程（下图）城区各类用地现状识别（左图）借助遥感影像与地物之间的相似性关系建立影像判读标志来实现对城市各类用地现状的判读和识别。
城市地物的大小（尺寸）、形状、影像色调、纹理、图案结构及地物之间的相关特征等是识别城市土地利用类型的主要判读标志城区用地识别说明在城市一类用地判读基础上，就可方便地从影像图上划定建成区的范围。
即将建筑物连片的城市用地勾画出来，然后将那些只有少量建筑物的城市公园、绿地、湖泊划入建成区，并将城市范围内不属于建成区的大片麦田、菜地除去即可得到城市建成区的分布范围。
对于城市规划、建设与管理来说，往往需要更为详尽的城市土地利用信息。
第2章 遥感的物理基础
散射的类型
dp << l dp =l Rayleigh scattering Sr 瑞利散射 Mie scattering Sm 米氏散射
Non-selective scattering Sn dp >> l 非选择性散射
1 瑞利（Rayleigh） 散射
质点的直径 d << λ(电磁波波长)时，一般认为
电磁波的传输满足：
v c
1 ， 1
其中，ε为物质的介电常数，μ为物质的磁导率。
E=h*f
其中h为普朗克常数
2.1.1.2 电磁波的性质
1） 不需要传播介质 2） 横波：质点振动方向与波的传播方向垂直 3） 波动性：电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会 发生反射、折射、吸收、透射等现象 4） 粒子性：传播过程中，若碰到会发生散射现象， 从而引起电磁波的强度、方向等发生改变。 5） 叠加原理（干涉Interference和衍射Diffraction）： 两列以上的波在同一空间传播时，空间质点的振动表 现为各单列波质点振动的矢量合成。 6） 偏振(Polarization)（遥感器的几何图象分辨率，波 长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）
透射率（τλ） ：入射光透过物体的能量与入射总能 量之比。 举例：
1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10-20米。
2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长 决定。
3 地物的反射光谱
反射率：物体反射的辐射能量占总入射能 量的百分比 地物反射光谱曲线：是指地物的反射率随 波长的变化而变化的曲线图。通常用平面 坐标曲线表示，横坐标表示波长λ，纵坐 标表示反射率ρ。
当质点直径大于电磁波波长时（d >λ）, 散射率
遥感的物理基础简
折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气密度越大，折射率越大。
01
反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪声）。
02
大气窗口
太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。
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。
了解地球辐射的分段特性的意义
可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。 中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。 热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。
BACK
地物波谱的特性 地物波谱
01
03
02
STEP3
STEP2
STEP1
可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸收作用。（树叶苍翠欲滴、水下温度）
热红外波段：主要表现地物热辐射作用。（热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带）
微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。
不同电磁波段中地物波谱特性
地物反射
可见光和近红外波段地物波谱特征——地物反射波谱特征
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。 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。 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。
城市遥感复习
城市遥感复习一、城市遥感基础1.电磁波：在真空中或介质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波叫做电磁波，比如光波、热辐射波、微波、无线电波等。
2.电磁波谱：按照真空中的波长或频率依次将电磁波划分成不同的波段，排列成谱即为电磁波谱。
3.大气的影响有：大气吸收、大气散射、大气折射等。
4.太阳辐射穿过大气到达地面时，不仅能量被衰减，而且光谱成分也发生了变化。
5.大气窗口：大气对电磁波的某些波段衰减作用较小，电磁波的透过率较高，这些电磁波段成为大气窗口。
6.地物的波谱特性：同一时间、空间条件下，地物发射、反射、吸收和折射电磁波的特性是波长的函数。
将该函数用曲线表现出来，即为该地物的电磁波波谱，简称地物波谱。
7.遥感传感器是收集、量测和记录地物辐射电磁波特征的仪器，也是获取遥感影像数据的工具。
遥感传感器组成：采集单元、分光单元、探测与信号转化单元、记录或通信单元。
8.图像获取方式基本分为三种模式：摆扫成像、推扫成像和凝视成像。
9.空间分辨率：指遥感影像上能够识别的两个相邻地物的最小距离。
10.动态覆盖范围：指能通过传感器测量到的最小能量和最大能量范围。
11.影像量化：指传感器将收集到的被测目标的电磁波能量以离散的整数形式存储在不同介质上（如感光胶片或磁带）。
12.多波段、多极化方式的雷达卫星，能在阴雨多雾情况下进行全天候和全天时对地观测；13.辐射分辨率：指传感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐射强度的最小变化量；14.时间覆盖率：是指传感器能记录的最小时间间隔；15.重返周期：指同一地区被传感器重复摄像的时间间隔：16.传感器的输出，除了与地物本身的反射和发射波谱特性有关外，还与传感器的光谱响应特性、大气条件、光照情况等因素有关。
17.辐射误差：传感器观测目标的反射或辐射能量时，所得到的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量之间的差值。
18.辐射校正（radiometric calibration)：消除图像数据中依附在辐射量度中的各种失真的过程。
城市遥感及遥感技术概述
航天遥感
遥感（技术）分类
(1) 按平台高度分类
气球 系留气球 （<5km） 飘浮气球 （<50km）
航空遥感
飞机
高空飞机 （>15km） 中空飞机 （9-15km）
低空飞机 （<9km）
高塔 （<300m)
地面遥感 车船 （<30m)
观测架 （几米）
遥感（技术）分类
(2) 按传感器分类
非图像方式 非扫描 微波辐射计 地磁测量仪 重力测量仪 傅立叶光谱仪 其他
第二讲
城市遥感基础
一、遥感器和遥感平台 二、遥感和城市遥感定义 三、遥感与遥测、遥控的关系 四、遥感技术系统组成 五、遥感技术分类 六、遥感的特点
七、本讲内容回顾
第二讲
城市遥感基础
一、遥感器和遥感平台 二、遥感和城市遥感定义 三、遥感与遥测、遥控的关系 四、遥感技术系统组成 五、遥感技术分类 六、遥感的特点
本讲参考： 范闻捷的《遥感物理》课件
秦其明的《遥感概论》 课件
徐景中的《城市遥感》 课件
谢谢！
杰斐逊纪念堂
七、本讲内容回顾
第二讲
城市遥感基础
一、遥感器和遥感平台 二、遥感和城市遥感定义 三、遥感与遥测、遥控的关系 四、遥感技术系统组成 五、遥感技术分类 六、遥感的特点
七、本讲2 遥感平台
遥感平台
遥感平台指放置遥感传感器的运载工具， 是遥感中“遥”字的体现者。遥感平台按高 度及载体的不同可分为地面平台、航空平台、 航天平台三种。
微波(1-1000mm)
第二讲
城市遥感基础
一、遥感器和遥感平台 二、遥感和城市遥感定义 三、遥感与遥测、遥控的关系 四、遥感技术系统组成 五、遥感技术分类 六、遥感（应用）的特点
城市遥感是什么？
城市遥感是什么？城市遥感就是遥感在城市中的应用，比如：城市热岛效应分析、城市变化检测、城市绿化分析、城市大气污染检测，城市土地利用分析等。
随着全球城市化的加速，城市发展所引起的系列问题日趋突出，这些问题已成为当今世界所面临的人口、资源与环境三大问题中的重要内容，并且严重地阻碍了城市的进一步可持续发展。
城市，作为是一个日新月异的开放系统，及时掌握其发展进程中的新信息及变化信息是对其实施合理规划、建设和管理的基础。
而传统的陈旧的信息获取手段及过时的信息数据只会使得任何的管理和规划都成为城市健康发展的制约因素。
因此，运用新的信息获取手段和实时的信息数据对城市进行合理的规划和管理已势在必行。
遥感技术作为一种在不直接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知时的一门探测技术，可以快速、准确地获取城市发展、建设的有关信息，既有城市宏观的全貌和综合数据，又有城市的一屋一桥等微观图像和数据，可以全面、高效、实时地了解城市的发展变化。
正是由于这种有别于以往任何常规方法的优势，城市遥感逐渐成为遥感、城市建设、环境专家们共同关注的热点，遥感技术也被越来越广泛地运用到城市建设的各个领域中。
简而言之，城市遥感即以城市为研究对象，利用遥感技术为城市规划和建设管理者提供多方面的地理基础信息和其他与城市发展有关的分析资料。
目前，城市遥感主要是采用航空与航天遥感相结合，配合地面检查的方法。
全球3000多颗卫星的运作(法国的SPOT，美国的快鸟，印度的IRS等)，各种不定期的航空和地面遥感的作业，可见光摄影、彩色红外摄影、热红外扫描、多光谱扫描等各种成像方式的使用，使得多分辨率、多光谱、多质量等级的城市动态信息(图像和数据)的获取成为可能。
如今，城市遥感技术的运用，已成为城市规划、管理和该座城市现代化和科学化管理的水平高低的一个重要标志。
第二章 城市遥感1
1
概述
O 城市遥感的任务就是为城市规划、建
设和管理提供多方面的基础地理信息 和其他与城市发展有关的资料，诸如 城市土地利用现状、城市演变、城市 及区域的自然状况、城市人门及其分 布情况、城市道路与交通状况、城市 热岛、通讯受地理限制的因素等。
2
遥感图像应用城市概况
O 日新月异更趋复杂的城市系统,需要
为“城市管理信息系统” 提供基础资料
O 运用RS(遥感)技术，可以为建立“城市管理信
息系统”提供实时的、动态的、多波段、多分 辨率的海量空间地理信息，从而为建立 “数字 城市”、“虚拟城市”奠定良好的基础。 O 随着全球城市化的加速，人们逐渐意识到遥感 技术在城市现代化和管理科学化中有着不可比 拟的优势。另外随着“数字城市”的推进，需 要海量的城市数字化空间信息，因此，城市遥 感技术必将成为政府部门不可或缺的强有力的 技术。 13
11
4 水污染调查 水污染调查
由于溶解或悬浮于水中的污染物成分、浓度不 同，使水体的颜色、密度、透明度、温度产生差异， 导致水体反射率的变化，因而在遥感图像上表现出色 调、灰阶、纹理特征等方面的差别。例如，工厂中排 出的冷却污水比环境水温高，在多光谱图像和热红外 图像中有明显的反映，密度分割后即可确定热水污染 的范围。如果利用多时相遥感图像，还可求出热水污 染的扩散方向和扩散系数。油膜反射率和水的反射率 不同，且主要差别发生在0.30微米和0.45微米之间， 所以利用一般彩色或紫外航空航天摄影资料可获得最 佳效果，计算出油污染的面积。城市管理者根据这些 遥感信息，可以判断出水体污染的分布、类型及程度， 从而调整城市的不合理布局，整治和关闭污染超标工 12 厂，妥善安置工业和生活垃圾。
制作城市图像
遥感基础知识
遥感基础知识第二章遥感基础知识2.1遥感定义遥感是遥远感知事物的意思，即：不直接接触目标物和现象，在距离地物几公里到几百公里、甚至上千公里的飞机、飞船、卫星上，使用传感器接收地面物体反射或发射的电磁波信号，并以图像胶片或数据磁带记录下来，传送到地面，经过信息处理、判读、分析和野外实地验证，最终服务于资源勘探、动态监测或规划决策。
将这一接收、传输、处理、分析、判读和应用遥感信息的全过程称为遥感技术，具有感测面积大、获取资料速度快、受地面条件限制少，以及可连续进行、反复观察等优点。
遥感之所以能够根据收集的电磁波信息来判度地面目标物和现象，是因为一切物体由于种类、特征和环境条件的不同，具有完全不同的电磁波的反射或发射辐射特征，因此，遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理基础上的。
随着航天技术、传感器技术、计算机技术和其他相关科学的快速发展，在航空摄影的基础上发展起来的遥感技术得到了极大发展，尤其是高分辨率CCD传感器的出现，使遥感图像的空间分辨率由Landsat-MSS的80m提高到目前的2-3m，甚至QuickBird的0.61m；高光谱分辨率成像光谱仪的出现，是多光谱遥感图像的光谱分辨率可达到5-10nm。
遥感技术的这些成果为遥感从定性化到定量化的研究提供了保障，使遥感图像应用于地图的测绘和GIS基础信息的获取成为可能，并在国民经济建设和国防建设的许多领域发挥着重要作用，可应用于测绘、城市规划、水利、电力、通讯、交通、军事、农业、林业、环境监测等领域。
遥感技术主要特点为：可获取大范围数据资料。
遥感用航摄飞机飞行高度为10km左右，陆地卫星的卫星轨道高度达910km左右，从而，可及时获取大范围的信息。
例如，一张陆地卫星图像，其覆盖面积可达3万多km2。
这种展示宏观景象的图像，对地球资源和环境分析极为重要。
获取信息的速度快，周期短。
由于卫星围绕地球运转，从而能及时获取所经地区的各种自然现象的最新资料，以便更新原有资料，或根据新旧资料变化进行动态监测，这是人工实地测量和航空摄影测量无法比拟的。
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Radiometric correction
Frequency SPOT Average
Multitemporal image
Spபைடு நூலகம்ed of light HRV Smoothing
光 谱 曲 线
光谱曲线
同一作物（春小麦）在不同生长阶段的波谱特性曲线
遥感平台
– 机载遥感 – 星载遥感
航天卫星平台
航空飞机平台
机载遥感
• 机载遥感系统包括：
– 高空平台：高空气球，U-2侦察机等 – 中空平台：普通飞机 – 低空平台：轻型飞机，无人机等
• 正视和侧视 • 基于任务的数据获取
高空平台
通用构像方程为：
1、中心投影构像方程
x a1 a 2 y λ b1 b2 f c1 c2
a3 b3 c3
X Xs Y Ys Z Z s
2、推扫式传感器的构像方程
• 大部分都是数字传感器
– 多光谱、高光谱扫描仪 – 合成孔径雷达（SAR）
• 大部分都是正视观测 • 大部分都是周期性获取数据
遥感传感器的成像原理
• 扫描成像类传感器
• 微波成像类传感器（侧视雷达)
遥感图像通用的构像方程
其中主要的坐标系有： 1．传感器坐标系S－UVW 2．地面坐标系O－XYZ 3. 图像(像点)坐标系o－xyf
How much do you know about remote sensing?（answer）
Microwave Multispectral Green RADAR Thematic mapper 550 nm Cloud cover penetration 30 m Magenta
Atmosphere
↑ U-2军用间谍飞机，可飞行至约30,000m高度 ← 高空热气球，可到达地球大气层的边缘
中空平台
中等高度的飞机
低空平台
← 遥感飞机，可以很慢的速度飞行， 可在30m高度飞行
↑ 双人座飞机，可在100m高处飞行
星载遥感
• 星载遥感系统包括：
– 卫星：太阳同步或静止卫星 – 返回式卫星，载人航天站
第二讲
城市遥感基础
主要内容
• 电磁波谱
• 光谱曲线
• 遥感平台
• 传感器的成像原理
电磁波谱
遥感为什么能够根据 记录的电磁波判断地 物目标和自然现象？
一切物体，由于其种类、特 征和环境条件不同，而具有 完全不同的电磁波的反射或 发射辐射特征。
电磁波谱
电磁波谱图：按电磁波在真空中传播的波长或频率递 增或递减顺序排列。
4、侧视雷达图像的构像方程
f：等效焦距
������������
p f ������ p’ y’ y
r S
像点坐标： (0, rsin������, -rcos������)
H
P
Y
How much do you know about remote sensing?
Microwave Multispectral Green Atmosphere Wavelength Sun-synchronize orbit Low-pass filter Frequency Average SPOT Thematic mapper Radiometric correction RADAR 550 nm Cloud cover penetration Speed of light Multitemporal image Magenta 30 m HRV Smoothing
Z1
CCD acquiring column p
CCD array
X1
01
Y1
Y<0
look direction of pixel (l,p)
X>0
error observed when attitude variations have not been integrated
3、扫描式传感器的构像方程