基于遙感的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1、三、 基于遙感的數(shù)據(jù)采集技術(shù)1.遙感的基本概念與原理2.遙感平臺(tái)與傳感器3.遙感圖像及其特征4.遙感處理的基本流程與技術(shù)5.遙感應(yīng)用6/16/20223 就是從遠(yuǎn)就是從遠(yuǎn)處在不直接接處在不直接接觸地表目標(biāo)物觸地表目標(biāo)物和現(xiàn)象的情況和現(xiàn)象的情況下獲取其信息下獲取其信息的科學(xué)和技術(shù)。的科學(xué)和技術(shù)。 遙控遙控 遙測(cè)遙測(cè)6/16/20224 遙感通過(guò)安裝在飛機(jī)、飛遙感通過(guò)安裝在飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星等平臺(tái)上的可見船、衛(wèi)星等平臺(tái)上的可見光、紅外、微波等光學(xué)或光、紅外、微波等光學(xué)或電子探測(cè)儀器（稱為傳感電子探測(cè)儀器（稱為傳感器），對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行攝影器），對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行攝影或掃描，接受地面物體反或掃描，接受地面物體反

2、射或發(fā)射的電磁波信號(hào)，射或發(fā)射的電磁波信號(hào)，并保存光學(xué)或數(shù)字圖像，并保存光學(xué)或數(shù)字圖像，經(jīng)過(guò)信息的傳輸及其處理、經(jīng)過(guò)信息的傳輸及其處理、判讀解譯及分析、信息提判讀解譯及分析、信息提取和野外實(shí)地驗(yàn)證，最后取和野外實(shí)地驗(yàn)證，最后生成用于輔助決策的信息。生成用于輔助決策的信息。6/16/20225 利用先進(jìn)的對(duì)地觀測(cè)探測(cè)器對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行遙遠(yuǎn)利用先進(jìn)的對(duì)地觀測(cè)探測(cè)器對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行遙遠(yuǎn)感知的整個(gè)過(guò)程，通過(guò)裝在平臺(tái)上的傳感器來(lái)感知的整個(gè)過(guò)程，通過(guò)裝在平臺(tái)上的傳感器來(lái)收集（測(cè)定）由對(duì)象輻射或（和）反射來(lái)的電收集（測(cè)定）由對(duì)象輻射或（和）反射來(lái)的電磁波，并將地面目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成圖像，然后根磁波，并將地面目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換

3、成圖像，然后根據(jù)事先掌握的各類物質(zhì)波譜特性，再通過(guò)對(duì)這據(jù)事先掌握的各類物質(zhì)波譜特性，再通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析和處理，獲得對(duì)象信息的技術(shù)。些數(shù)據(jù)的分析和處理，獲得對(duì)象信息的技術(shù)。6/16/20226探測(cè)范圍廣，能夠提供綜合、宏觀的視角；探測(cè)范圍廣，能夠提供綜合、宏觀的視角；獲取手段多樣，獲取的信息量大；獲取手段多樣，獲取的信息量大；獲取信息快，更新周期短，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；獲取信息快，更新周期短，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；全天候作業(yè)；全天候作業(yè)；遙感技術(shù)可以根據(jù)不同的目的和任務(wù)，選用不同的波段和不同的遙感技術(shù)可以根據(jù)不同的目的和任務(wù)，選用不同的波段和不同的遙感儀器，取得所需的信息；遙感儀器，取得所需的信息；應(yīng)

4、用范圍廣，等等。應(yīng)用范圍廣，等等。遙感的理論基礎(chǔ)就是物體的電磁輻射，電磁輻射是能量傳播的一種形式。被動(dòng)遙感系統(tǒng)中的主要輻射源是太陽(yáng)，太陽(yáng)輻射出的電磁波能量穿過(guò)大氣層達(dá)到地表，被地物吸收、透射，一部分被反射后又經(jīng)大氣吸收、散射到達(dá)傳感器，被記錄成遙感資料和圖象。此外，所有溫度高于絕對(duì)零度的物體也都向外發(fā)射電磁輻射。所以電磁輻射是傳感器與遠(yuǎn)距離物體之間聯(lián)系的環(huán)節(jié)。（1）電磁波與電磁波譜電磁波（electromagnetic wave)：在真空或物質(zhì)中通過(guò)電磁場(chǎng)的振動(dòng)而傳輸電磁能量的波。光波、熱輻射、微波、無(wú)線電波等都是由振源發(fā)出的電磁振蕩在空間的傳播。實(shí)驗(yàn)證明，射線、射線、紫外線、可見光、紅外線、

5、微波、無(wú)線電波等都是電磁波，只是波源不同，波長(zhǎng)（頻率）也各不相同。將各種電磁波在真空中的波長(zhǎng)（頻率）按其長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表叫做電磁波譜。電磁波譜與可見光譜電磁波譜與可見光譜a 電磁波譜b 可見光譜遙感中常用的各光譜段遙感中常用的各光譜段紫外線紫外線：0.010.4m，太陽(yáng)輻射含有紫外線，通過(guò)大氣層時(shí)，波長(zhǎng)小于0.3m的紫外線幾乎都被吸收，只有0.30.4m波長(zhǎng)的紫外線部分能夠穿過(guò)大氣層，且能量很小。 主要用于探測(cè)碳酸鹽巖的分布。碳酸鹽巖在0.4m以下的短波區(qū)域?qū)ψ贤饩€的反射比其它類型的巖石強(qiáng)。也用于油污染的監(jiān)測(cè)。因?yàn)樗嫫〉挠湍け戎車娣瓷涞淖贤饩€要強(qiáng)烈。 由于大氣層中臭氧對(duì)紫外線的

6、強(qiáng)烈吸收和散射作用，通常探測(cè)高度在2000米以下?？梢姽饪梢姽猓?0.40.7m，是遙感中最常用的波段。盡管大氣對(duì)它也有一定的吸收和散射作用，它仍是遙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圖象易于區(qū)分。紅外紅外：0.71000m。 劃分為：近紅外（0.763.0m）、中紅外（3.06.0m）、遠(yuǎn)紅外（6.015.0m）和超遠(yuǎn)紅外（151000m）。近紅外與可見光相似，又稱光紅外。中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外是產(chǎn)生熱感的原因，所以稱為熱紅外。物體在常溫范圍內(nèi)發(fā)射紅外線的波長(zhǎng)多在340m之間，而15m以上的超遠(yuǎn)紅外易被大氣和水分子吸收。 在遙感中主要

7、利用315m波段，更多的是利用35m和814m。紅外遙感是采用熱感應(yīng)方式探測(cè)地物本身的輻射（如熱污染、火山、森林火災(zāi)等），所以不僅白天可以進(jìn)行，夜間也可進(jìn)行，能進(jìn)行全天時(shí)遙感。微波：微波： 1mm1m。分為：毫米波、厘米波和分米波。微波輻射和紅外輻射都具有熱輻射性質(zhì)。由于微波的波長(zhǎng)比可見光、紅外線要長(zhǎng)，能穿透云、霧而不受天氣影響，所以能進(jìn)行全天時(shí)全天候的遙感探測(cè)。微波遙感可以采用主動(dòng)或被動(dòng)方式成像，另外，微波對(duì)某些物質(zhì)具有一定的穿透能力，能直接透過(guò)植被、冰雪、土壤等表層覆蓋物6/16/202214 有些波段的電磁輻射能夠透過(guò)大氣層時(shí)衰減較小有些波段的電磁輻射能夠透過(guò)大氣層時(shí)衰減較?。òl(fā)射和吸收

8、較?。?，即透射率較高，這個(gè)波譜（發(fā)射和吸收較?。赐干渎瘦^高，這個(gè)波譜范圍，叫做范圍，叫做“大氣窗口大氣窗口”。電磁波譜中的遙感波段應(yīng)當(dāng)選擇在相應(yīng)的大氣窗口范圍內(nèi)，這電磁波譜中的遙感波段應(yīng)當(dāng)選擇在相應(yīng)的大氣窗口范圍內(nèi)，這樣才能保證收集到足夠的地物輻射或反射的電磁輻射信息。樣才能保證收集到足夠的地物輻射或反射的電磁輻射信息。0.3-1.3m 這個(gè)窗口包括紫外（0.3-0.38m）、可見光全部（0.40-0.76m）和部分近紅外波段（0.76-1.3m），屬于地物的反射光譜。這個(gè)窗口對(duì)電磁波的透射率達(dá)90%以上。在日照條件好的情況下，可以采用攝影方式成像，也可以用掃描方式成像。目前膠卷感光條件最

9、好的是在0.32-1.3m范圍，超出這個(gè)范圍則不能采用攝影方式的傳感器。1.3-2.5m 這個(gè)窗口位于近紅外波段的中段，屬于地物反射光譜，但不能用膠片攝影，僅能用光譜儀和掃描儀來(lái)記錄地物的電磁波信息。該窗口又可分為1.5-1.7m和2.0-2.5m等兩個(gè)窗口，它們的透射率都近80%。目前近紅外窗口應(yīng)用不多，但在某些波段對(duì)區(qū)分蝕變巖石有較好的效果。因此在遙感地質(zhì)應(yīng)用方面很有潛力。例如，陸地衛(wèi)星4、5號(hào)的專題制圖儀就設(shè)置有1.55-1.75m和2.08-2.35m兩個(gè)波段。3-4m、 4.5-5m ：這個(gè)波段屬于中紅外波段。通過(guò)這個(gè)窗口的可以是地物反射光譜，也可以是地物發(fā)射光譜，屬于混合光譜范圍。

10、中紅外窗口應(yīng)用很少，目前只能用掃描方式。8-14m ：這個(gè)窗口屬于遠(yuǎn)紅外波段，是熱輻射光譜。在這個(gè)波段范圍內(nèi)由于臭氧、水汽及二氧化碳的影響，使窗口的透射率約為6070%。由于這個(gè)窗口是地物在常溫下熱輻射能量最集中的波段，所以對(duì)遙感地質(zhì)有用。目前主要是利用掃描儀和熱輻射計(jì)來(lái)獲得地物發(fā)射的電磁波信息。 0.05-300cm 這個(gè)窗口是微波窗口，屬于發(fā)射光譜范圍。這個(gè)窗口不受大氣干擾，是完全透明的，透射率可達(dá)100%，是全天候的遙感波段。 6/16/202219 自然輻射源：包括太陽(yáng)輻射和地球的電磁輻射。自然輻射源：包括太陽(yáng)輻射和地球的電磁輻射。 人工輻射源：人工輻射源主要指主動(dòng)式遙感的輻人工輻射源

11、：人工輻射源主要指主動(dòng)式遙感的輻射源，人工發(fā)射一定波長(zhǎng)、一定功率的波束，然射源，人工發(fā)射一定波長(zhǎng)、一定功率的波束，然后再接收該波束被地物散射后返回的后向反射信后再接收該波束被地物散射后返回的后向反射信號(hào)，從而探知地物和測(cè)距，稱為雷達(dá)（號(hào)，從而探知地物和測(cè)距，稱為雷達(dá)（radarradar）。）。 6/16/202220L=Ls+LD +LA LT+Lup+LdnLs、LD分別表示地物對(duì)到達(dá)地分別表示地物對(duì)到達(dá)地表的太陽(yáng)直射輻射、大氣的天表的太陽(yáng)直射輻射、大氣的天空光在傳感器方向的反射輻亮空光在傳感器方向的反射輻亮度；度；LA表示大氣散射的太陽(yáng)光表示大氣散射的太陽(yáng)光直接進(jìn)入傳感器的輻亮度；直接進(jìn)

12、入傳感器的輻亮度；LT表示地物向傳感器方向發(fā)射的表示地物向傳感器方向發(fā)射的熱輻射引起的輻亮度；熱輻射引起的輻亮度；Ldn表示表示大氣向下的熱輻射經(jīng)地物反射大氣向下的熱輻射經(jīng)地物反射后進(jìn)入傳感器的輻亮度；后進(jìn)入傳感器的輻亮度；Lup表表示大氣向上的熱輻射直接進(jìn)入示大氣向上的熱輻射直接進(jìn)入傳感器的輻亮度。傳感器的輻亮度。6/16/202221自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射規(guī)律，物自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射規(guī)律，物體反射和輻射電磁波的能力的大小主要取決于物體反射和輻射電磁波的能力的大小主要取決于物體本身的理化性質(zhì)，也與來(lái)自周圍的電磁波輻射體本身的理化性質(zhì)，也與來(lái)自周圍的電磁波輻射

13、強(qiáng)度有關(guān)，將地物的這種反射、發(fā)射、吸收、透強(qiáng)度有關(guān)，將地物的這種反射、發(fā)射、吸收、透射電磁波以及反射和輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的改變而改射電磁波以及反射和輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的改變而改變的特性稱為地物的光譜特性。變的特性稱為地物的光譜特性。A.地物的反射光譜特性 物體反射電磁波的性能通常用“反射率”或者“亮度系數(shù)”表示。 地物反射率的大小，與入射光的波長(zhǎng)、入射角的大小以及地物表面顏色和粗糙度等有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，反射入射光能力強(qiáng)的地物，反射率大，傳感器記錄的亮度值就大，在像片上呈現(xiàn)的色調(diào)就淺；反之則深。這些色調(diào)的差異是遙感圖象目視解譯的重要標(biāo)志。 亮度系數(shù)是指在相同光照條件下，物體的亮度值與標(biāo)準(zhǔn)反射面（常為硫酸鋇

14、板）的亮度值的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。 鏡面反射 漫反射方向反射地物的反射輻射方向反射介于漫反射與鏡面反射之間，它在各向都有反射但亮度L不是常數(shù)，而是在某個(gè)方向上的反射比其它方向強(qiáng)。從空間對(duì)地面觀察時(shí)，對(duì)于平坦地區(qū)，并且地面物體均勻分布，可以看成漫反射；對(duì)于地形起伏和地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，為方向反射。地物表面之所以產(chǎn)生這三種反射形式，主要與地物表面的光滑程度有關(guān)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，通常把地物表面分為光滑和粗糙兩大類。瑞利準(zhǔn)則指出：如果兩條光線入射到某地物的表面上，其反射光線的相位差小于/2弧度，則該表面被認(rèn)為是光滑的。6/16/202226按地物反射率與波長(zhǎng)之間關(guān)系繪成的曲線（橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)值，按地物反射率

15、與波長(zhǎng)之間關(guān)系繪成的曲線（橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)值，縱坐標(biāo)為反射率）稱為地物反射光譜曲線?？v坐標(biāo)為反射率）稱為地物反射光譜曲線。從所給的地物反射光譜曲線可以看出：不同地物對(duì)太陽(yáng)的電磁輻射具有不同的波譜反射曲線，若測(cè)定了該地區(qū)內(nèi)各種地物的波譜反射曲線，就有可能應(yīng)用這些波譜曲線數(shù)據(jù)從遙感圖像上識(shí)別該地區(qū)內(nèi)的地物。同一類地物例如植被，它們的波譜曲線雖然形狀相似，但在某些光譜段內(nèi)它們的光譜反射率差別較大，利用這些差異，就有可能判別一些同類不同種的地物。同一種地物的波譜曲線，由于測(cè)試的時(shí)間、季節(jié)以及作物長(zhǎng)勢(shì)、濕度等各種因素的影響，也會(huì)產(chǎn)生較大的差異，因此在測(cè)量各種地物的波譜特性時(shí)，地面測(cè)量與空中遙感要在同一地區(qū)、

16、同一時(shí)期內(nèi)進(jìn)行。6/16/202228指同一位置上的同一地物，由于時(shí)間的推移，該地物在一段指同一位置上的同一地物，由于時(shí)間的推移，該地物在一段時(shí)間內(nèi)光譜特性的變化。時(shí)間內(nèi)光譜特性的變化。空間特性是指同一類地物，由于其所處的地理位置不同，光空間特性是指同一類地物，由于其所處的地理位置不同，光譜特性可能存在的一些差異和變化。譜特性可能存在的一些差異和變化。B.地物的發(fā)射光譜特性 根據(jù)近代物理學(xué)的基本理論，任何物質(zhì)的溫度大于絕對(duì)零度時(shí)組成物質(zhì)的原子、分子等微粒在不停地做熱運(yùn)動(dòng)，都有向周圍空間輻射紅外線和微波的能力。通常地物發(fā)射電磁輻射的能力是以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。地物的發(fā)射率以黑體輻射為基準(zhǔn)。黑體是

17、指入射的全部電磁波被完全吸收，既無(wú)反射也沒有透射的物體。在遙感中，當(dāng)觀測(cè)熱輻射的溫度時(shí)，由于通常觀測(cè)的物體不是黑體，所以必須使用發(fā)射率（emissity）進(jìn)行修正。對(duì)于某一波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，發(fā)射率定義如下： 發(fā)射率=觀測(cè)物體的輻射能量與觀測(cè)物體同溫的黑體的輻射能量 發(fā)射率隨物質(zhì)的介電常數(shù)、表面的粗糙度、溫度、波長(zhǎng)、觀測(cè)方向等條件變化，取0到1之間的值。 根據(jù)發(fā)射本領(lǐng)的變化規(guī)律，把物體一般分為三種類型：（1）黑體（2）灰體（grey body）：發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體（3）選擇性輻射體：發(fā)射率依波長(zhǎng)而變化的物體 一切物體只要它不是處在絕對(duì)零度，總是不斷地發(fā)射輻射。物體的溫度愈高，發(fā)射出射度就愈大，而最大

18、發(fā)射出射度的最大波長(zhǎng)就愈向短波方向移動(dòng)。當(dāng)溫度一定時(shí)，每一種物體都有自己固定的發(fā)射率。同樣的物體不同的溫度其也是有差異的。C.C.地物的透射特性地物的透射特性有些地物（如水和冰），具有透射一定波長(zhǎng)的電磁波能力，通常把這些地物叫做透明地物。地物的透射能力一般用透射率表示。透射率就是入射光透射過(guò)地物的能量與入射總能量的百分比，用表示。地物的透射率隨著電磁波的波長(zhǎng)和地物的性質(zhì)而不同。例如水體對(duì)0.450.56m的藍(lán)綠光波具有一定的透射能力，較渾濁水體的透射深度為12m，一般水體的透射深度可達(dá)1020m。又如，波長(zhǎng)大于1mm的微波對(duì)冰體具有透射能力。一般情況下，絕大多數(shù)地物對(duì)可見光都沒有透射能力。紅外

19、線只對(duì)具有半導(dǎo)體特征的地物，才有一定的透射能力。微波對(duì)地物具有明顯的透射能力，這種透射能力主要由入射波的波長(zhǎng)而定。因此，在遙感技術(shù)中，可以根據(jù)它們的特性，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽?lái)探測(cè)水下、冰下某些地物的信息。6/16/202236選擇遙感平臺(tái)的主要依據(jù)是遙感圖像空間分辨率。選擇遙感平臺(tái)的主要依據(jù)是遙感圖像空間分辨率。一般說(shuō)來(lái)，近地遙感地面分辨率高，但觀測(cè)范圍小；一般說(shuō)來(lái)，近地遙感地面分辨率高，但觀測(cè)范圍小；航空遙感地面分辨率中等，其觀測(cè)范圍較廣；航天遙航空遙感地面分辨率中等，其觀測(cè)范圍較廣；航天遙感地面分辨率低，但覆蓋范圍廣。感地面分辨率低，但覆蓋范圍廣。一般來(lái)講遙感平臺(tái)與遙感影像存在著一定的聯(lián)系一

20、般來(lái)講遙感平臺(tái)與遙感影像存在著一定的聯(lián)系: : 平臺(tái)的運(yùn)行高度影響著遙感影像的空間分辨率；平臺(tái)的運(yùn)行高度影響著遙感影像的空間分辨率； 遙感平臺(tái)的運(yùn)行周期決定著遙感影像的時(shí)間分辨率；遙感平臺(tái)的運(yùn)行周期決定著遙感影像的時(shí)間分辨率； 遙感平臺(tái)的運(yùn)行時(shí)刻決定著探測(cè)區(qū)域的太陽(yáng)高度，從而遙感平臺(tái)的運(yùn)行時(shí)刻決定著探測(cè)區(qū)域的太陽(yáng)高度，從而間接決定著遙感影像的色調(diào)及陰影；間接決定著遙感影像的色調(diào)及陰影； 遙感平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定狀況決定著所獲取遙感影像的質(zhì)量。遙感平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定狀況決定著所獲取遙感影像的質(zhì)量。6/16/2022376/16/202239將所探測(cè)到的強(qiáng)弱不同的地物電磁波輻射轉(zhuǎn)換將所探測(cè)到的強(qiáng)弱不同的地物電磁波輻射轉(zhuǎn)換成深淺不同的（黑白）色調(diào)構(gòu)成直觀圖像的遙感資成深淺不同的（黑白）色調(diào)構(gòu)成直觀圖像的遙感資料形式，如航空像片、衛(wèi)星圖像等。料形式，如航空像片、衛(wèi)星圖像等。將探測(cè)到的電磁輻射，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)將探測(cè)到的電磁輻射，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)（如電壓或電流信號(hào)）或數(shù)字化輸出，或記錄（如電壓或電流信號(hào)）或數(shù)字化輸出，或記錄在磁帶上而構(gòu)成非成像方式的遙感資料，如陸在磁帶上而構(gòu)成非成像方式的遙感資料，如陸地衛(wèi)星地衛(wèi)星CCT