《遙感原理與應用》-課程教學大綱

《遙感原理與應用》課程教學大綱一、課程基本信息課程代碼：18080443課程名稱：遙感原理應用英文名稱：PrinciplesandApplicationsofRemoteSensing課程類別：學科基礎課學時：48其中實驗學時18學分：3適用對象:人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理本科專業(yè)考核方式：考試先修課程：自然地理學、地圖學二、課程簡介遙感技術(shù)是20世紀60年代興起并迅速發(fā)展起來的一門綜合性探測技術(shù)。這是在航空攝測學的基礎上，隨著空間技術(shù)、電子計算機技術(shù)等當代科技的迅速發(fā)展，適應地學、生物學等學科發(fā)展和林地觀測領域的需要，發(fā)展形成的一門由地球科學空間技術(shù)與信息科學相互融匯與綜合的新興技術(shù)學科。遙感技術(shù)對社會發(fā)展起著重要作用，為國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供動態(tài)基礎數(shù)據(jù)和科學決策依據(jù)；為各類重大自然災害提供及時準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對資源和環(huán)境變化進行鑒測、預測和評估。課程內(nèi)容包括遙感的基本原理，遙感地學制圖、專題制圖、遙感在地學各個領域的應用等內(nèi)容。CourseProfile:Remotesensetechnologyplaysanimportantroleinsocialdevelopmentandscientificdecision-makingprocesstoachievesustainableandsteadydevelopmentintheeconomybysubmittingdynamicdatabase.Furthermore,remotesenseprovidesinstantandaccuratemonitoringdataandsupervisionmeasurementofgreatnaturaldisasters,monitors,predictsandassessesthechangesofresourcesandenvironment.Themaincontentsinthiscourseinclude:thepropertiesofelectromagneticwave,principleofsensor,themethodofremotesensingimageprocessingandtheapplicationsofremotesensing.三、課程性質(zhì)與教學目的遙感應用是人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理本科專業(yè)必須掌握的一門信息技術(shù)類課程。開設《遙感原理應用》的主要目的在于讓學生熟悉遙感技術(shù)的基本原理、基本方法以及運用遙感技術(shù)解決社會發(fā)展中各種實際問題的基本思路；了解遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和應用領域；掌握各種遙感資料的信息識別與信息分析技能以及遙感信息的波譜特征、空間特征和時間特征；理解遙感信息的形成機理以及遙感綜合對地觀測數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的組成和近年來新型傳感器的特征。本課程的任務是在提供一門新的知識，新的技術(shù)方法的同時，以遙感應用典型范例的剖析，闡明系統(tǒng)應用的基本思路，并通過課堂實踐來訓練和提高學生應用遙感技術(shù)解決問題的綜合能力。主要內(nèi)容包括：熟悉遙感技術(shù)的基本原理、基本方法；了解遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和應用領域；掌握各種遙感資料的信息識別與信息分析技能以及遙感信息的波譜特征、空間特征和時間特征；理解遙感信息的形成機理以及遙感綜合對地觀測數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的組成和近年來新型傳感器的特征。四、教學內(nèi)容及要求第一章遙感導論（一）目的與要求1.了解遙感概念和分類；2.了解遙感技術(shù)的發(fā)展歷史；3.了解遙感目標及其技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成；（二）教學內(nèi)容第一節(jié)1.遙感的概念；2.遙感類型；第二節(jié)1.遙感技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)成；2.遙感在數(shù)據(jù)地球建設中的地位和作用。重點和難點：遙感技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)成（三）思考與實踐對地遙感和對空遙感的差別（四）教學方法與手段采用講授、使用多媒體教學、開展分組討論（五）課程思政設計課程思政點：1中國對地觀測技術(shù)的發(fā)展，2中國遙感學界的求真務實精神。3中國對地探測技術(shù)從無到有，從落后到領先的發(fā)展歷程授課目標：愛國主義教育與歷史唯物主義觀察方法，感悟中國歷史文明的燦爛與強大，珍惜來之不易的獨立自主第二章遙感的物理基礎（一）目的與要求1.掌握什么是電磁波譜、電磁輻射，電磁輻射的度量；2.掌握什么是黑體輻射、黑體輻射與實際物體輻射的規(guī)律；3.了解太陽光譜的特點；4.理解太陽輻射傳播到地表面又返回到傳感器的過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象；5.掌握大氣散射的類型與其特點；6.掌握大氣窗口的概念及大氣窗口的主要光譜段；7.掌握反射率及其類型；8.理解太陽輻射與地表之間的相互作用；9.掌握植被、土壤、水體及巖石的光譜特征；10.地物波譜特性的測量。（二）教學內(nèi)容第一節(jié)電磁波譜與電磁輻射

遙感技術(shù)是建立在物體電磁波輻射理論基礎上的。由于不同物體具有各自的電磁波反射或輻射特性，才可能應用遙感技術(shù)探測和研究遠距離的物體。理解并掌握地物的電磁波發(fā)射、反射、散射特性，電磁波的傳輸特性，大氣層對電磁波傳播的影響是正確解釋遙感數(shù)據(jù)的基礎。第二節(jié)太陽輻射及大氣對輻射的影響1.電磁波譜與電磁輻射源地物的反射光譜2.發(fā)射光譜和透射光譜特征3.太陽光譜4.大氣結(jié)構(gòu)及其對太陽輻射的影響(1)對流層：對流層是大氣的最低層，其厚度隨緯度和季節(jié)而變化。在赤道附近為16-18km；在中緯度地區(qū)為l0-12km，兩極附近為8-9km。夏季較厚，冬季較薄。(2)平流層從對流層頂?shù)郊s50km的大氣層為平流層。在平流層下層，即30—35knl以下，溫度隨高度降低變化較小，氣溫趨于穩(wěn)定，所以又稱同溫層。在30—35km以上，溫度隨高度升高而升高。(3)中間層從平流層頂?shù)?0km高度稱為中間層。這一層空氣更為稀薄，溫度隨高度增加而降低。(4)熱層從80km到約500km稱為熱層。這一層溫度隨高度增加而迅速增加，層內(nèi)溫度很高，晝夜變化很大，熱層下部尚有少量的水分存在，因此偶爾會出現(xiàn)銀白并微帶青色的夜光云。(5)逃逸層熱層以上的大氣層稱為逃逸層。這層空氣在太陽紫外線和宇宙射線的作用下，大部分分子發(fā)生電離；使質(zhì)子的含量大大超過中性氫原子的含量。逃逸層空氣極為稀薄，其密度幾乎與太空密度相同，故又常稱為外大氣層。5.大氣窗口和環(huán)境對地物光譜特征的影響。大氣窗（atmosphericwindow）指天體輻射中能穿透大氣的一些波段。由于地球大氣中的各種粒子對輻射的吸收和反射，只有某些波段范圍內(nèi)的天體輻射才能到達地面。按所屬范圍不同分為光學窗口、紅外窗口和射電窗口。第三節(jié)地球的輻射與地物波譜1太陽輻射和地球輻射的分段性2地表自身熱輻射3地物反射波譜特征重點與難點：地物的反射、發(fā)射與透射光譜特征，大氣窗口和環(huán)境對地物光譜特征的影響。（三）思考與實踐思考問題1.論述太陽電磁波對遙感的意義。2.大氣對地物光譜的影響有哪些？（四）教學方法與手段采用講授、使用多媒體教學、開展分組討論（五）課程思政設計課程思政點：堅持馬克思主義的認識論和實踐論。授課目標：樹立科學求真精神，建立批判性思維模式。第三章遙感成像原理與遙感圖像特征（一）目的與要求1.掌握三大遙感平臺：氣象衛(wèi)星系列、陸地衛(wèi)星系列及海洋衛(wèi)星系列的特點；2.了解攝影與掃描成像的基本原理，兩者所形成的圖像有什么區(qū)別？3.了解攝影像片的幾何特征；掌握像片比例尺的計算方法；4.掌握什么是微波、微波遙感，微波遙感的特點；5.掌握微波遙感的方式（主動與被動）及其傳感器，什么是距離分辨力和方位分辨力；6.掌握圖像的空間分辨率、波譜分辨率、輻射分辨率與時間分辨率。（二）教學內(nèi)容第一節(jié)遙感平臺與傳感器1遙感平臺

遙感平臺指放置遙感傳感器的運載工具，是遙感中“遙”字的體現(xiàn)者。遙感平臺按高度及載體的不同可分為地面平臺、航空平臺、航天平臺三種。教學難點：（可見光與近紅外、熱紅外、微波波段）遙感成像機理。2衛(wèi)星軌道

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，各種地球資源衛(wèi)星提供了越來越多的衛(wèi)星遙感圖像（簡稱衛(wèi)星圖象）。衛(wèi)星圖像有幾個優(yōu)點：宏觀性好，成本低，周期性好。衛(wèi)星運行軌道對衛(wèi)星圖象具有多種影響，有必要加以了解。根據(jù)開普勒定律，人造地球衛(wèi)星在空間的位置可以用幾個特定數(shù)據(jù)來確定，這些數(shù)據(jù)稱為軌道參數(shù)。對地觀測衛(wèi)星軌道一般為橢圓形，軌道有6個參數(shù)：①半長軸a，即衛(wèi)星離地面的最大高度,它用來確定衛(wèi)星軌道的大??；②偏心率e，決定衛(wèi)星軌道的形狀；③軌道面傾角i，地球赤道平面與衛(wèi)星軌道平面間的夾角；④升交點赤經(jīng)W，衛(wèi)星軌道與地球赤道面有兩個交點，衛(wèi)星由南向北飛行時與地球赤道面的交點稱為升交點，衛(wèi)星由北向南飛行時與地球赤道面的交點稱為降交點；⑤近地點角距w，升交點向徑與軌道近地點向徑之間的夾角；⑥衛(wèi)星過近地點的時刻T，對于衛(wèi)星的跟蹤和預報來說，上述參數(shù)中最重要的軌道參數(shù)是軌道傾角ī和升交點赤徑Ω，它們確定了衛(wèi)星的軌道相對于地球的方位，但還必須知道橢圓軌道半長軸的方向。3遙感平臺與遙感影像的關(guān)系第二節(jié)攝影成像

攝影是通過成像設備獲取物體影象的技術(shù)。傳統(tǒng)攝影依靠光學鏡頭及放在焦平面的感光膠片記錄物體影象。數(shù)字攝影則通過放置在焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號記錄物體的影象。光學照相機是最早的一種遙感器，也是今天常見的一種遙感器。它的工作波段在近紫外到近紅外（0.32～1.3微米）之間，對不同波段的感應決定于相機的分光單元和膠片類型，較多用于航空遙感探測?？臻g分辨率決定于光學系統(tǒng)的空間分辨率和膠片里所含銀鹽顆粒的大小?？臻g分辨率高是光學相機獲取的遙感影像的普遍特性。用于遙感的光學相機有以下幾種類型：分幅式攝影機、全景攝影機、多光譜攝影機等。重點與難點：陸地衛(wèi)星圖像的物理特征、幾何特征、符號及注記。第三節(jié)掃描成像光電成像類型的傳感器與前面所講的光學攝影類型的傳感器差別很大。光學攝影類型的傳感器是將收集到的地物反射光在感光膠片上直接曝光成像，而光電類型的傳感器是將收集到的電磁波能量，通過儀器內(nèi)的光敏或熱敏元件（探測器）轉(zhuǎn)變成電能后再記錄下來。光電傳感器比光學攝影機更加實用，其優(yōu)點有二：一是擴大了探測的波段范圍，二是便于數(shù)據(jù)的存貯與傳輸。第四節(jié)微波遙感與成像電磁波譜中，波長在1mm到1m的波段范圍稱為微波。微波遙感是研究微波與地物相互作用機理以及利用微波遙感器獲取來自目標地物發(fā)射或反射的微波輻射，并進行處理分析與應用的技術(shù)。微波遙感分為主動微波遙感與被動微波遙感。微波成像系統(tǒng)主要以成像雷達為代表，它屬于主動微波遙感。第五節(jié)遙感圖像的特征表現(xiàn)在多方面，最具實用意義的是分辨率，它是遙感技術(shù)及應用中的一個重要概念，也是衡量遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標，包括多種分辨率。（三）思考與實踐思考遙感圖像的影像特征與傳感器以及觀測平臺的關(guān)系。（四）教學方法與手段采用講授、使用多媒體教學、開展分組討論（五）課程思政設計課程思政點：1，中國制造到中國創(chuàng)造2傳感器精度與制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的關(guān)系授課目標：1樹立國家安全觀，2樹立維護國家利益和領土完整的底線意識。第四章遙感圖像處理（一）目的與要求1.了解亮度對比與顏色對比、顏色的性質(zhì)。2.理解孟賽爾顏色立體。3.掌握三原色、互補色，掌握加色法與減色法的基本原理。4.理解色度圖。5.了解基本的光學增強處理方法。6.理解數(shù)字圖像，了解數(shù)字圖像輻射校正的基本方法：直方圖最小值去除法、回歸分析法。7.掌握遙感影像幾何畸變的原因及幾何畸變的校正方法。（二）教學內(nèi)容第一節(jié)彩色原理1.電磁波譜中0．38～0．76波段能夠引起人的視覺。如紅色，0．58為黃色，0．51為綠色，0．47為藍色等。但是，紫外和紅外部分來自于原子與分子的發(fā)光輻射，稱為光學輻射，一般情況下都不會使人的視覺產(chǎn)生如顏色、形狀等的視覺印象。只有能夠被眼睛感覺到的、并產(chǎn)生視覺現(xiàn)象的輻射才是可見輻射或可見光。2.遙感圖像彩色合成原理（1）單波段彩色變換單波段黑白遙感圖像可按亮度分層，對每層賦予不同的色彩，使之成為一幅彩色圖像。這種方法又叫密度分割，即按圖像的密度進行分層，每一層所包含的亮度值范圍可以不同。例如，亮度0～10為第一層，賦值l，亮度值ll～15為第二層，賦給值2，亮度6～30為第三層，賦值3，等等，再給l，2，3分別賦不同的顏色，生成彩色圖像。掌握地物光譜的特點，獲得較好的地物類別圖像。當?shù)匚锕庾V的規(guī)律性在某一影像上表現(xiàn)不太明顯時，對每一層亮度值賦色，得到色彩影像，會較一般黑白影像的目視效果好。（2）多波段色彩變換根據(jù)加色法彩色合成原理，選擇遙感影像的某三個波段，分別賦予紅、綠、色不同，因此生成的合成色不是地物真實的顏色，因此這種合成叫假彩色合成。（3）多波段合成處理與圖像相關(guān)增強處理遙感多光譜影像，特別是陸地衛(wèi)星的TM等傳感器，波段多，信息量大，對圖像解譯很有價值。但數(shù)據(jù)量太大，在圖像處理計算時，也常常耗費大量的機時和占據(jù)大量的磁盤空間。實際上，一些波段的遙感數(shù)據(jù)之間都有不同程度的相關(guān)性，存在著數(shù)據(jù)冗余。多光譜變換方法可通過函數(shù)變換，達到保留主要信息，降低數(shù)據(jù)量；增強或提取有用信息的目的。其變換的本質(zhì)是對遙感圖像實行線性變換，使多光譜空間的坐標系按一定規(guī)律進行旋轉(zhuǎn)。第二節(jié)遙感數(shù)字圖像的校正1數(shù)字圖像2.系統(tǒng)輻射校正的方法3.大氣校正4遙感圖像的鑲嵌第三節(jié)遙感圖像的變換遙感圖像的變換原理，灰度直方圖，線性與非線性拉伸第四節(jié)遙感數(shù)字圖像的增強1.遙感數(shù)字圖象增強處理與分類處理2.圖象處理軟件包簡介，第五節(jié)數(shù)據(jù)融合1數(shù)據(jù)融合前處理2常用的數(shù)據(jù)融合方法3遙感影像與非遙感數(shù)據(jù)融合重點與難點：遙感圖像多波段彩色合成處理與相關(guān)增強處理，遙感數(shù)字圖象增強處理與分類處理。（三）思考與實踐實驗一ENVI操作基礎實驗二彩色變換實驗三對比度變換實驗四空間增強實驗五多光譜變換實驗六幾何校正（四）教學方法與手段采用講授、使用多媒體教學、開展分組討論（五）課程思政設計課程思政點：1科學認知方法2討論“英國海岸線有多長？”這一經(jīng)典科學問題授課目標：1建立多尺度思維模式，2學會在大尺度上觀察世界。第五章遙感圖像目視解譯（一）目的與要求1.理解遙感圖像目視解譯與計算機解譯；2.掌握攝影像片的種類、解譯標志及判讀方法。重點掌握熱紅外像片判讀；3.掌握掃描影像（MSS，TM，SPOT）的特征、解譯標志及判讀方法；4.掌握微波影像的特點、解譯標志及判讀方法；5.了解目視解譯的基本步驟。（二）教學內(nèi)容第一節(jié)遙感圖像目視解譯1.遙感圖像解譯(ImageryInterpretation)是從遙感圖像上獲取目標地物信息的過程。遙感圖像解譯分為兩種：一種是目視解譯，又稱目視判讀，或目視判譯，它指專業(yè)人員通過直接觀察或借助輔助判讀儀器在遙感圖像上獲取特定目標地物信息的過程。另一種是遙感圖像計算機解譯，又稱遙感圖像理解（SensingImageryUnderstanding)，它以計算機系統(tǒng)為支撐環(huán)境，利用模式識別技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)遙感圖像中目標地物的各種影像特征(顏色、形狀、紋理與空間位置)，結(jié)合專家知識庫中目標地物的解譯經(jīng)驗和成像規(guī)律等知識進行分析和推理，實現(xiàn)對遙感圖像的理解，完成對遙感圖像的解譯。2．目標地物特征遙感圖像中目標地物特征是地物電磁輻射差異在遙感影像上的典型反映。按其表現(xiàn)形式的不同，目標地物特征可以概括分為“色、形、位”三大類：色：指目標地物在遙感影像上的顏色，這里包括目標地物的色調(diào)、顏色和陰影等；形：指目標地物在遙感影像上的形狀，這里包括目標地物的形狀、紋理、大小、圖形等；位：指目標地物在遙感影像上的空間位置，這里包括目標地物分布的空間位置、相關(guān)布局等3.水體的光譜特征與判讀，地貌判讀4.地質(zhì)構(gòu)造與巖性判讀，植被和土壤判讀，第二節(jié)遙感圖像目視解譯基礎1、遙感攝影像片的判讀2、遙感掃描影像的判讀遙感掃描影像特征和解譯標志目前經(jīng)常使用的遙感掃描影像都是衛(wèi)星遙感影像，這些影像具有以下特征：多中心投影、像框扭動變形、信息量豐富、動態(tài)觀測等特點。3立體觀察4目視解譯的輔助儀器使用

遙感掃描影像解譯標志第三節(jié)遙感影像地學分析與應用

1影像地學分析基礎2影像地學分析基礎常用數(shù)理方法（三）思考與實踐實驗七目視解譯與制圖思考題：1衛(wèi)星圖像的特點、判讀標志有哪些2衛(wèi)星圖像目視判讀的方法和步驟（四）教學方法與手段采用講授、使用多媒體教學、開展分組討論（五）課程思政設計無第六章遙感圖像計算機分類（一）目的與要求掌握計算機圖像分類的原理掌握監(jiān)督和分監(jiān)督分類的常用分類算法能應用計算機軟件實施圖像分類（二）教學內(nèi)容一、多光譜圖像分類原理1特征空間構(gòu)造2空間聚類的地理原理3分類與識別二、非監(jiān)督分類1空間自聚集的度量2K均值分類原理三、監(jiān)督分類1最大似然分類原理2分類檢驗3后分類處理（三）思考與實踐實驗八監(jiān)督分類（四）教學方法與手段采用講授、使用多媒體教學、開展分組討論（五）課程思政設計課程思政點：信息技術(shù)在圖像智能識別中的作用授課目標：樹立艱苦奮斗，自主創(chuàng)新精神。第七章遙感應用（一）目的與要求1.掌握巖石、水體、植被及土壤的光譜特征。2.掌握水體識別的內(nèi)容。3.掌握植被遙感的具體應用。4.掌握高光譜遙感及其與常規(guī)遙感的區(qū)別。（二）教學內(nèi)容第一節(jié)植被遙感1植物的光譜特征2.影響植物光譜的因素3不同植物類型的區(qū)分4大面積農(nóng)作物的遙感估產(chǎn)第二節(jié)水體遙感水體是地表重要的覆蓋類型，遙感可獲得水體的分布、泥沙、有機質(zhì)、水深、水溫等。1.水體的反射率很低，特別是紅外波段，色調(diào)為均勻的暗色，加之水體的特殊形狀，在圖像上很好識別。

2.水體的水面性質(zhì)、懸浮物的性質(zhì)和含量、水深、水溫能影響水體的反射光譜特性，所形成的光譜差異，成為遙感探測水體性狀的基礎。

3.隨著懸浮泥沙濃度的加大，水體的反射能力加強，而透射能力減弱，遙感圖像上的色調(diào)就淺。

4.藍波段對水體有較大的透射能力，因此該波段的色調(diào)可反映水深和淺水區(qū)的水下地形。第三節(jié)地質(zhì)地貌遙感

1地貌判讀

2.流水地貌判讀3巖性判讀4構(gòu)造判讀第四節(jié)土壤遙感第五節(jié)數(shù)字地圖制圖1.數(shù)字地圖制圖的技術(shù)基礎；數(shù)字地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)庫；遙感影像的選擇、處理和識別是提高影像制圖質(zhì)量與精度的關(guān)鍵，對于不同專題影像地圖來說，選擇恰當時相