(完整版)遙感應用分析原理與方法習題和答案

緒論思考題遙感—是一種遠離目標，通過非直接接觸而感知、測量、分析并判定目標性質，其空間展布、類型及其數(shù)量的探測技術。泛指一切不接觸物體而進行的遠距離探測，包括對電磁場、力場、機械波(聲波、地震波)等的探測。指不與探測目標相接觸，利用傳感器(遙感器),把目標的電磁波特性記錄下來，通過對數(shù)據(jù)的處理、綜合分析，揭示出物體的特點及其變化規(guī)律的綜合性探測技術。然界任何物體都具有反射、吸收、發(fā)射電磁波的能力，這是由于組成物質的最小微粒不同運動狀態(tài)造成的；相異的電磁波譜特性，這是遙感識別目標的前提；地物波譜特征可通過各種光譜測量儀器測得。遙感的物理基礎任何物體都具有發(fā)射、反射和吸收電磁波的性質，物體與電磁波的相互作用，形成了物體的電磁波特性，這是遙感探測物體的依據(jù)。2.遙感的特點(優(yōu)勢)主要有哪些?遙感的特點(優(yōu)勢):經(jīng)濟：節(jié)約人力、物力、財力、時間?根據(jù)研究的目標選擇合適的遙感數(shù)據(jù)源考慮空間分辨率、時間分辨率、光譜波段等因素，目標不同、尺度不同、時相要求不同、光譜特點不同?進行圖像的(預)處理多時相圖像配準、幾何糾正、圖像鑲嵌、數(shù)據(jù)融合?建立分類系統(tǒng)各類及亞類分類指標(定性、定量)?專題信息提取(分類)與綜合分析?結果檢驗與成果輸出對結果進行驗證(直接驗證、間接驗證),滿足需要則輸出結果，反遙感技術的發(fā)展趨勢分辨率不斷提高：空間、時間、輻射和光譜分辨率不斷提高靜態(tài)---動態(tài)：短周期、多時相(1)高空間分辨率2兩全(1)全頻段(全天時、全天候、多角度)(2)全方位(天、機、球)3一體化第一章思考題指單位時間內，通過某一表面的輻射能量。單位為瓦(w),即焦φ=dQ/dt輻射通量是波長的函數(shù)。φ(λ)=dφ/dλ=dQ/dt.dλ單位為瓦/微米(wμm-1)。光譜輻射通量輻射出射度M(radiantexitance),指面輻射源在單位時間內，從單位面積上發(fā)射出的輻射能量，即物體單位面積上發(fā)出的輻射通量，單位為瓦/米2(wm-2),表達簡稱輻照度，指面輻射體在單位時間內，單位面積上接收的輻射能量，即照射到物體單位面積上的輻射通量,單位為瓦/米2(wm-2),表達為：輻射亮度L:L=d2φ/dΩ·L=d2φ/dΩ·dAcos0為1的物體(無反射，也無透射);它是一個自然界并不存在的假設黑體輻射遵循普朗克輻射定律、斯特藩—玻耳茲曼輻射定律(Stefan—Boltzmann)和維恩位移定律三條基本的物理定律。17%:被大氣吸收22%:被散射，以漫射的形式到達地表31%:直射到達地表地面接收的太陽輻照度還與大氣的吸收及散射有關。(感覺不太對)·長波輻射(6μm以上):指地表物體自身的熱輻射。此范圍短波輻射可忽略不計。指地球表面對太陽的反射輻射。此范圍長波輻射可忽略不計。太陽輻射和熱輻射的影響均有，均不能忽略。a為地表反照率(半球反射率)(可由VIS—NIR遙感反演獲得);T?為地表溫度(可由TIR、MW遙感反演獲得);σ為斯特藩—玻耳茲曼常數(shù)為：?第一項表示入射的短波輻射能量和反射的短波輻射能量差，即收入的短波輻射；第二項為大氣的熱輻射部分，第三項為地物向上的熱輻射部分，三項之和為地面的凈收入。(參看書p432)需要說明幾點：(反射太陽的短波輻射)和長波輻射R具有非連續(xù)(窄波段)、窄視場、特定方向的特點；而自然界地物的反射與發(fā)射具有全波段、半球視場、各向異性兩者間的差異是影響遙感反演地表參數(shù)反照率與溫度Ts精度的重要原因，是定量遙感迫切需解決的問題。目前的研究途徑：①通過方向模型，把地表方向反射率p轉換為地表光譜反照率α②通過野外(同步)試驗，用遙感、地面、大氣數(shù)據(jù)，建立寬波段輻射值(反射或發(fā)射),與窄波段遙感數(shù)據(jù)間的關系(多為統(tǒng)計模型)。3.散射的概念及大氣散射作用對遙感的影響。非均勻或各向異性介質中傳播時，改變原來傳播方向的現(xiàn)象。大氣散射對遙感的影響大氣散射降低了太陽光直射的強度，改變了太陽輻射的方向；造成遙感圖像輻射畸變、圖像模糊。大氣散射產生天空散射光，增強了地面的輻照和大氣層本身“亮反差(對比度),降低了圖像的質量(清晰度)及圖像上空間信息的表達能力(靈敏度)。因此，遙感器常利用濾光片，阻止藍紫散射光透過。散射對低層大氣尤為重要(約低于3km,濕度大、氣溶膠集中。大氣散射集中在太陽輻射能量最強的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻6.大氣糾正及其基本方法。大氣糾正:為了從遙感圖像數(shù)據(jù)中提取真實地表信息，必須對傳是消除這些大氣效應(吸收、散射等)的處理。大氣糾正模型主要有三種基本的物理過程：反射(Reflection)吸收特征、光照角度等),又依賴于電磁波的波長。反射能Ep吸收能E透射能E?反射特征用反射率(Reflectivity)p表示。它是波長的函數(shù)，又稱光譜反射率(),被定義為：pa)-F;)-pa)-F;)-反射能入射能以百分數(shù)表示，其值在0—1之間，為無量綱的量當入射波長比地表高度小或比地表組成物質粒度(直徑)小(粗糙表面)時，入射能量均勻地向各方向反射，則為漫反射(朗伯反朗伯體。嚴格講自然界只存在近似意義下的朗伯體。只有黑體才是真正的第二章思考題空間分辨率(地面分辨率)前者是針對遙感器或圖像而言的，指圖像上能夠詳細區(qū)分的最小(1)空間分辨率高——劃分地物越細，識別地物細節(jié)能力強。(2)不一定是空間分辨率越高越好，要根據(jù)應用的特定目的選擇合質；區(qū)域、全球)。光譜分辨率(答案不一定對)?遙感器所選用的波段數(shù)量的多少；?各波段的中心波長位置；?波長間隔的大小。因素直接相關(如：衛(wèi)星測擺等)。輻射分辨率——指遙感器探測目標光譜信號強弱的敏感程度、區(qū)分能力(能分辨的最小輻射度差),即探測器的靈敏度。輻射分辨率一般用灰度的分級數(shù)來體現(xiàn)(量化級數(shù))。圖像的灰度級越多，視覺效果越好(分辨能力越強，但數(shù)據(jù)量越大)。2.遙感所利用的電磁波譜范圍有哪些?它們各有哪些主要特性?光學波段----反射波段(0.3-5μm)、發(fā)射波段(3-15μm)發(fā)射波段：遙感器主要接收來自地面物體自身的發(fā)射輻射的能量，特征。物質的這種基本特征是由于組成物質的最小微?！肿樱瓘母吣芟虻湍軤顟B(tài)的轉動，將釋放(發(fā)射)能量；從低能向高能由于不同物質的分子結構、原子組成、運動方式不同，發(fā)出的光的頻率也就不同，則具有不同的電磁波譜特性。地物的反射、吸收、發(fā)射電磁波的特征隨波長而變化。人們以波譜曲線的形式表示地物波譜特性，即地物波譜。物波譜可以通過各種而定量遙感研究中需要通過大量地面樣本分析，建立先驗知識,確定要的基礎性研究工作；地物波譜是遙感定量化的依據(jù)，是聯(lián)系遙感基礎研究與遙感應用的橋梁；是選擇遙感儀器最佳探測波段，以及遙感圖像分析與處理中最佳波段選擇、專題信息提取等的重要依據(jù)；也是遙感應用分析的基4.簡述植被、土壤、水體的反射波譜特征，并分析它們的影響因素。隨著植物的生長、發(fā)育或水分虧缺等狀態(tài)不同，植物葉片的組分、結構均會變化，使葉片光譜特性變化。(參看書§12.1p366)葉片光譜特性的變化在近紅外區(qū)最為明顯。這對于植物1非植物的區(qū)分、不同植被類型的識別、植物長勢監(jiān)測等是很有價值的。紅邊位移“紅邊”是指紅光區(qū)外葉綠素吸收減少部位到近紅外高反射肩之間,健康植物的光譜響應陡然增加(其亮度增加約10倍)的這一窄條帶區(qū)(約0.68-0.78um)。它是植物敏感的特征光譜段。它的移動反映了葉綠素含量、物候期、健康狀況及類別等多種信息實驗證明：作物從生長發(fā)育到成熟，會發(fā)生光譜紅邊紅移;而植物受地球化學元素異常的影響(誘發(fā)中毒性病變),則其光譜紅邊藍移。紅移與藍移的幅度大致7—10nm在嚴重受壓抑情況下，藍移可達40nm(參看書p98)植物波譜特性的影響因素是因時因地在變化著，是一種綜合作用的結果。植物冠層的組分、形狀結構(與葉的類型、植物生長階段等有關);輻照及觀測方向(包括地形起伏改變輻照方向);,并且此趨勢在可不同類型干土反射率水分含量、有機質含量、氧化鐵的存在、土壤顏色、結構、表面粗糙度、植物殘體或生長著的植被以及太陽——目標地物——遙感器三者的幾何關系等。這些因素是復雜的、變化的和相關的。拔高度)、土壤母質、地下水狀況(水深、水質)….的光譜特征主要是由水本身的物質組成決定，并受到?VIS<0.6μm,水的吸收?對清水而言，入水的透射光對水中微粒(水分子和溶解性物質)產生瑞利散射，峰值位于藍波段(約0.48μm,清水呈藍色);?對較大懸浮物質顆粒產生米氏散射，峰值位于黃橙波段(約0.58?水中物質分子吸收光---再發(fā)射(浮游生物葉綠素光合作用所發(fā)出的熒光),峰值位于橙紅波段(約0.68μm);水體的光譜特征(即水色)主要表現(xiàn)為體散射，即不僅反映一定的表面特征，且包含了一定厚度水體的信息(與陸地特征不同),且這個厚度及反映的光譜特性是隨時空而變化的。水色主要決定于水體中浮游生物含量(葉綠素濃度)、懸浮泥沙含量(混濁度大小)、營養(yǎng)鹽含量(黃色物質、溶解有機物質、鹽度指標)以及其它污染物、水底部形態(tài)(水下地形)、水深等因素。葉綠素濃度大致在18米左右達到最大值，然后下降，在20米左右過程。同時，有些地物或自然現(xiàn)象在它發(fā)展的時間序列中表現(xiàn)出某種周期性重復的規(guī)律。如，植物生長的“季相節(jié)律”。遙感研究中，必須考慮研究對象的時相變化特性(農事歷、物候期、耕作制度等),抓住合適的遙感信息獲取時機，以達到專題應用目的。間變化上。這種光譜特性隨時間的變化,稱為光譜特性的時間效應。響應，這種光譜特性隨地點的變化，稱為光譜特性的空間效應。它的空間尺度可以只有幾米(如作物行距或植物形態(tài)變化造成的變化)也可以幾公里、幾百公里較大地理范圍(體現(xiàn)為地物的區(qū)域性，要區(qū)別對待)。(在遙感中的應用自己總結)第三章思考題1.試說明攝影成像與掃描成像的基本原理、各自優(yōu)勢?(一)攝影系統(tǒng)攝影系統(tǒng)選用光學攝影波段(紫外—近紅外0.3--0.9μm)的電磁輻射能量，通過照相機直接成像。因為紫外(0.3--0.38μm)多被大氣吸收與散射，目前較少被遙感利用。攝影系統(tǒng)是一種分幅成像系統(tǒng)。一幅像片為瞬間成像，多為中心投影。因地面常有起伏、多數(shù)物體具有高度、像片又有傾斜，所以會產生像點位移、圖像變形。變形規(guī)律：以像主點(相片上框標連線的交點，或者相機主光軸對應相片上的點。)為中心呈輻射狀，越往邊緣變形越大，地形起伏越大變形越大。攝影系統(tǒng)的優(yōu)勢?空間分辨率高；?立體像對，利于精確地測量與分析；?高度的靈活性、實用性、成本低；因此，盡管攝影系統(tǒng)與多波段掃描系統(tǒng)相比，膠片的光譜響應范圍要窄得多，但仍有很大的應用領域，被廣泛應用，并派生出一門技術成熟的攝影測量學。進的垂直方向的地面(物平面)進行掃描，獲得二維遙感數(shù)據(jù)，故又上圖5通道光機掃描儀的成像過程。入射光束通過一個二色鏡分離成可見光和紅外能量。可見光部分再通過棱鏡進一步分離成三個子波段，同時紅外能量的分離成兩個子波段。分離后的這5個較窄波段的光分別感應相應的探測器產生不同的電信號并被放大和記錄在多優(yōu)勢在課本p76五條彩紅外攝影像片的色彩?綠色植物葉子反射綠光(G)和近紅外光(NIR)。在彩紅外像片健康綠色植物呈紅色系列(如水稻-暗紅色、作物生長旺季呈鮮紅色針葉林呈紫紅色、闊葉林呈紅色、幼林呈粉紅色等)。楓葉、紅果實等反射紅光(呈綠)、紅外光(呈紅),在正片上植物病蟲害時，其紅光反射增強(呈綠),綠光、紅外光反射大裸地或土壤對紅外、紅、綠、藍光均有反射。隨著水分和有機質含量的不同，顏色變化較大。若水分含量少，則呈淡黃、棕色；若濕度大些則呈不同的灰青色。鹽堿地、沙地為白色、黃白色。云和雪均呈亮白色。居民地(城區(qū)),因多為水泥材料，青灰屋頂反射蘭、綠光反射率較低，而呈灰藍色，若為紅瓦房反射較強的紅光、紅外光而呈淡黃3.了解高光譜遙感的概念，掌握其主要特點(與寬波段遙感相比)。高光譜遙感概念高光譜遙感—用很窄的(波段帶寬約5—10nm)、大量的(可有幾十至上百個波段)、近連續(xù)的光譜波段，對地面物體進行遙感成像。地物波譜研究表明，地表物質在0.4—2.45μm光譜區(qū)間內均有可以作為識別標志的光譜吸收帶，其帶寬約20—40nm。成像光譜的特點波段多，光譜分辨率高，光譜分辨率為納米級。如AVIRIS在0.4-2.5um范圍有224個波段，Hyperion有242個波段，“圖譜合一”(和地物的實際光譜更為接近，有更多的“診斷”波段，可進行地物的精細分類，獲取更多的地物信息，提高分類精度);高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率也在不斷提高：MODI的空間分辨率250m-1000m,Hyperion的空間分辨率30m波段間相關性強，數(shù)據(jù)“冗余”明顯(特征參數(shù)選擇問題更為重要);數(shù)據(jù)量大，計算量大、復雜(對算法、計算機軟硬件提出新的要求)1.什么是比輻射率?地物比輻射率受哪些主要因素影響?真實物體并非黑體。它的輻射出射度小于同溫下黑體的輻射出射度。因而引出了“比輻射率”的概念，用(T,)表示。比輻射率(又稱發(fā)射率)被定義為：物體在溫度T、波長λ處的輻射出射度M(T,λ)與同溫度、同波長下的黑體輻射出射它是波長λ的函數(shù)。由于ε是由材料性質決定的，通常在較大的溫度變化范圍內為常數(shù)，因而常不標注為溫度的函數(shù)。?表面組成成分?表面狀態(tài)(表面粗糙度等)?表面其它物理參數(shù)(介電常?波長、觀測角度等?組成成分變化：隨著各種巖漿巖中氧化硅sio?含量的降低，巖石發(fā)射光譜曲線的吸收峰值向長波方向移動；?比輻射率隨表面狀態(tài)不同而變化，常溫下白云石的磨光面的比輻射率為0.929、粗糙面為0.958(粗糙表面比輻射率高);落葉樹的單葉?土壤的比輻射率隨著土壤水分含量而變化，如20℃時沙地為0.90、淺色的、濕度低的比輻射率低);對于中紅外譜段(3—5μm)白天地表反射太陽輻射能量與地物自身發(fā)射的中紅外波段熱輻射能量在數(shù)量級上相當，要從遙感器所接受的輻射能量中把這兩部區(qū)分出來是困難的。的應用比較復雜。(對么?)地表物體的溫度一般在+40℃—-40℃之間，平均環(huán)境溫度為27℃(相當于300K)。根據(jù)維恩位移定律，地面物體的輻射峰值波長在地表高溫目標，如火燃等，其溫度達600K以上，輻射峰值波長?地球環(huán)境地物的熱輻射譜段主要集中在熱紅很弱(低于TIR許多數(shù)量級),但微波遙感器的測量敏感度高于熱紅外光譜儀，因而利用微波輻射計也可測量目標溫度，只是它們與地物?大量觀測表明被地球表層系統(tǒng)所吸收的短波輻射能量，與地球自身4.試說明分子動力學溫度、輻射溫度、亮度溫度的含義，及研究地表分子運動溫度---動力學溫度(Tim),又稱為真實溫度。它是物質內部分子不規(guī)則運動的平均熱能，是組成物體的分子平均傳遞能量的“內部”表現(xiàn)形式。一般通過儀器(如溫度計)直接放置在被測物體上或埋于被測物體中來獲得。但是，接觸測溫法，往往因測溫感應元件接觸物體表面輻射能量狀態(tài)的一種“外部”表現(xiàn)形式,可用熱遙感器(如熱輻射計、熱掃描儀等)來探測。大多數(shù)熱紅外遙感系統(tǒng)記錄的是物體的輻射亮度(單位時間、單位立體角、單位法向面積上發(fā)射出的輻射能量),經(jīng)輻射定標，直?T?是衡量物體溫度的一個指標，但不是物體的真實溫度；?亮度溫度等同于輻射溫度、表征溫度(T?=Tad),但物理意義更4.試說明地表溫度反演的主要方法與思路。?單通道法?多通道法——分裂窗法?單通道多角度法?多通道多角度法(課件第四章p36)5試分析目前陸面溫度遙感反演面臨的主要問題。由于陸地表面溫度(LST)變化大，難于滿足均勻、同溫的要求，溫度的反演相當復雜。其原因在于：①陸地表面比輻射率具不確定性。②溫度與比輻射率的分離很復雜。③大氣糾正中必須考慮大氣的吸收和熱發(fā)射等的影響。④建立非同溫混合像元輻射方向性模型與經(jīng)驗表達式等；陸地表面多為非同溫的混合像元，對于精確的地表溫度反演而言，像元尺度的平均溫度已意義不大，需要反演像元內的組分溫度才更有實用價值。⑤地表溫度是由物質的熱特性及幾何結構共同決定的。第五章思考題1.試分析雷達遙感與光學遙感相比的主要特點(或優(yōu)勢)。與傳統(tǒng)的光學遙感相比，微波遙感的獨特優(yōu)勢：?全天時(不依賴日光)、全天候(受大氣影響小);?穿透性(可提供一定深度表面以下的地物信息)?對地表粗糙度、地物幾何形狀、介電性質(土壤水分等)敏感；?反映多波段、多極化的散射特征；2.試分析雷達回波強度(后向散射系數(shù))的主要影響因素。雷達回波(即雷達后向散射-RadarBackscatter)的強度，可簡單地理解為雷達圖像的亮度值。它取決于以下兩方面因素：?雷達遙感系統(tǒng)參數(shù)：波長/頻率、入射角、極化方式/探測方向等；?地表特性：物理特性--介電常數(shù)、表面粗糙度、散射特點(表面散射與體散射);幾何特性---即雷達圖像獲得時的幾何關系，坡度、形狀、局地入射角等(雷達波束與實際地面法線間的夾角)其中任何一個參數(shù)的變化都可能影響到后向散射的強度，即造成雷達信號的穿透深度與地物(介質)的介電常數(shù)ε成反比，與雷射角越小、穿透能力越大。因此，雷達圖像上，穿深能力近射程點最微波穿透植物層的深度，取決于植物的含水量、密度、微波波長被區(qū)而到達地面。因此，若波長較短，只能獲得植被層頂部的信息，若波長較長，則可以獲得植被層底層甚至地表以下的信息。1.掌握地學相關分析的概念，并說明在遙感應用中為什么要進行地學相關分析?遙感地學相關分析---指的是充分認識地物之間以及地物與遙感信息之間的相關性，并借助這種相關性，在遙感圖像上尋找識別目標的相關因子即間接解譯標志，通過圖像處理與分析，提取出這些相關因子，從而推斷和識別目標本身。選擇的相關因子必須具備以下條件：a與目標的相關性明顯；b在圖像上有明顯的顯示或通過圖像分析處理可以提取和識別。2.分層分類法的概念及特