遥感原理与方法第1章 绪论.doc

1、目 录第 1 章 绪 论 .11.1 遥感的基本概念 .11.1.1 遥感概述 .11.1.2 遥感技术系统 .21.1.3 遥感的分类 .21.2 遥感技术的形成与发展 .41.2.1 遥感发展历史 .41.2.2 中国遥感技术发展概况 .61.2.3 遥感技术发展趋势 .61.3 遥感技术应用简介 .71.3.1 在军事方面的应用 .71.3.2 在地学方面的应用 .71.3.3 在环境方面的应用 .81.3.4 在测绘方面的应用 .81.3.5 在农林方面的应用 .91第 1 章 绪 论遥感技术是近年来蓬勃发展起来的一门综合性学科空间信息科学。它的功能和价值引起了许多学科和部门的重视，特

2、别在资源勘测、环境管理、全球变化、动态监测等方面，显示了无与伦比的优越性，获得愈来愈广泛的应用，是地球科学和资源环境学科开展研究的基本方法，成为信息科学的主要组成部分和重要支撑技术体系。1.1 遥感的基本概念1.1.1 遥感概述1 遥感概念遥感的英文是“Remote Sensing”，意即“遥远的感知” ，在日本叫“远隔探知”或“远隔探查” 。其科学含义一般理解为：在遥远的地方，感测目标物的“信息” ，通过对信息的分析研究，确定目标物的属性及目标物之间的关系。也就是说：不与目标物接触，凭借其发来的某些信息，识别目标。所以有人将遥感技术作为一种侦察技术。根据遥感的这一概念，人和动物都具有一定的遥

3、感本领。例如人的眼睛识别物体的过程就是一种遥感过程，它是靠物体的色调、亮度、以及物体的形状，大小等信息，来判定物体的属性。蝙蝠能发射超声波，并用接收到的回波来判断障碍物的距离、方位和属性。现代遥感技术就是模仿自然界中的遥感现象和过程而产生的。目前，对遥感的较一致定义是：在远离被测物体或现象的位置上，使用一定的仪器设备，接收、记录物体或现象反射或发射的电磁波信息，经过对信息的传输、加工处理及分析与解译，对物体及现象的性质及其变化进行探测和识别的理论与技术。2遥感基本过程现代遥感技术的基本过程是：在距目标物几米至几千公里的距离以外，以汽车、飞机和卫星等为观测平台，使用光学、电子学和电子光学等探测仪

4、器，接收目标物反射、散射和发射来的电磁辐射能量，以图像胶片或数字磁带形式进行记录；然后把这些信息传送到地面接收站，接收站把这些遥感数据和胶片进一步加工成遥感资料产品；最后结合已知物体的波谱特征，从中提取有用信息，识别目标和确定目标物间的相互关系。因此说遥感是一个接收、传送、处理和分析遥感信息，并最后识别目标的复杂技术过程。如图 1-1 所示：目标物平 传感器台 人工辐射源接收记录系统地 面站数据处理系统分 人工目视解译析 解译 计算机解译反射辐射发射辐射回射辐射人工辐射2图 1-1 遥感过程与技术系统1.1.2 遥感技术系统现代遥感技术一般由四部分组成：遥感平台、传感器、遥感数据接收与处理系统

5、、遥感资料分析解译系统，其中遥感平台、传感器和数据接收与处理系统是决定遥感技术应用成败的三个主要技术因素，遥感分析应用工作者必须对它们有所了解和掌握。1 遥感平台(Platform,Cassies)在遥感中搭载遥感仪器的工具称为平台或载体，它既是遥感仪器赖以工作的场所，又是遥感中“遥”字的具体表现。平台的运行特征及其姿态稳定状况直接影响遥感仪器的性能和遥感资料的质量。目前遥感平台主要有汽车、飞机、火箭和卫星等。2 传感器(Remote Sensor)在遥感中，收集、记录和传送遥感信息的装置称为传感器，它是遥感的核心， “感”字的体现。目前应用的传感器主要有：摄影机、摄像仪、扫描仪、雷达、光谱辐

6、射计、高度计等。平台和传感器代表着遥感技术的水平。3 遥感数据接收处理系统为了接收从遥感平台传送来的图像胶片和数字磁带数据，必须建立地面接收站。地面接收站是由地面数据接收和记录系统(TRRS) ，图像数据处理系统(IDPS)两个部分所组成的，地面数据接收和记录系统的大型抛物天线，能够接收遥感平台发回的数据，这些数据是以电信号的形式传来的，经检波后，被记录在视频磁带上。然后把这些视频磁带，数据磁带或其它形式的图像资料等，送往图像数据处理机构。图像处理机构的任务是将数据接收和记录系统记录在磁带上的视频图像信息和数据，进行加工处理和贮存。最后根据用户的要求，制成一定规格的图像胶片和数据产品，作为商品

7、提供给用户。4 分析解译系统用户得到的遥感资料，是经过预处理的图像胶片或数据，然后再根据各自的应用目的，对这些资料进行分析、研究、判断解释，从中提取有用信息，并将其翻译成为我们所用的文字资料或图件，这一工作称为“解译” 。目前，解译已经形成一套技术系统。常规目视解译技术 所谓常规目视解译是指人们用手持放大镜或立体镜等简单工具，凭借解译人员的经验，来识别目标物的性质和变化规律的方法。由于目视解释不需要特殊仪器，简单方便，在野外和室内都可进行。既能获得一定的效果，还可验证仪器方法的准确程度，所以它是一种最基本的解译方法。但是，目视解译既受解译人员专业水平和经验的影响，也受眼睛视觉功能的限制，并且速

8、度慢，不够精确。电子计算机解译技术 电子计算机解译是 20 世纪末发展起来的一种解译方法，它利用电子计算机对遥感影像数据进行分析处理，提取有用信息，进而对待判目标实行自动识别和分类。该技术既快速准确，又能直接得到解译结果，是遥感分析解译的发展方向。1.1.3 遥感的分类自从遥感问世以来，由于其应用领域广，涉及学科多，各界学者所站的立场不同，所3以对遥感的提法很不统一，诸如航空与航天遥感，主动与被动遥感，红外与多光谱遥感，农业、地质遥感等。追其原因主要是各人对遥感分类所持根据不同。1 根据遥感平台的分类遥感技术根据所使用的平台不同，可分为四种：地面遥感 平台与地面接触，对地面、地下或水下所进行的

9、遥感和测试，常用平台为汽车、船舰、三角架、塔等。地面遥感是遥感的基础。航空遥感 平台为飞机或气球，是从空中对地面目标的遥感。它的特点是灵活性大，图像清晰，分辨力高，并且历史悠久，形成了较完整的理论和应用体系。它还可进行各种遥感试验和校正工作。航天遥感 以卫星、火箭和航天飞机为平台，从外层空间对地球目标物所进行的遥感。它是七十年代发展起来的一种现代遥感技术。其特点是数百公里的高度上，对大范围地区成像，系统收集地表及其周围环境的各种信息，便于宏观地研究各种自然现象和规律；能对同一地区周期性地重复成像，发现和掌握自然界的动态变化和运动规律；能迅速地获得所覆盖地区的各种自然现象的最新资料；不受沙漠、冰

10、雪、高山、海洋和国界等现象和条件的限制，对任何地区都能成像。航宇遥感 利用人造行星，对地球以外的星球所进行的遥感，目前刚刚开始试验。2 根据电磁波谱的分类根据传感器所接收的电磁波谱，遥感技术可分为五种：可见光遥感 只收集与记录目标物反射的可见光辐射能量，所用传感器有摄影机、扫描仪、摄像仪等。红外遥感 收集与记录目标物发射或反射的红外辐射能量，所用传感器有摄影机、扫描仪等。微波遥感 收集与高录目标物发射或反射的微波能量，所用传感器有微波扫描仪，微波辐射计、雷达、高度计等。多光谱遥感 把目标物辐射来的电磁辐射分割成若干个窄的光谱带，然后同步探测，同时得到一个目标物不同波段的多幅图像。现在使用的多光

11、谱遥感传感器有多光谱摄影机、多光谱扫描仪和反束光导管摄像仪等。紫外遥感 收集与记录目标物的紫外辐射能，目前还在探索阶段。3 根据电磁辐射能源的分类根据传感器所接收的能量来源，可把遥感技术分为主动和被动遥感两种：被动遥感 指不利用人工辐射源，而是直接接收与记录目标物反射的太阳辐射或者目标物本身发射的热辐射遥感。其中目标物反射的电磁波来源不在目标物本身，而是太阳，所以也有人将这种遥感方式称他动遥感。主动遥感 是指使用人工辐射源从平台上先向目标发射电磁辐射，然后接收和记录目标物反射或散射回来的电磁波的遥感。如雷达、闪光摄影等属此。另有人主张不管主动还是被动式，只要不和待测物体接触都属遥感，而与待测物

12、体接触，测得的结果经通信系统传递到远处为人们所知的则称遥测；也有人认为多数遥感属被动式，可将其简称为遥感，而把主动遥感称为遥测。44 根据应用目的的分类根据用户的具体应用情况，可将遥感分为地质遥感、农业遥感、林业遥感、水利遥感、环境遥感等。5 根据遥感资料的显示形式，获得方式和波长范围的分类根据遥感资料的显示形式，获得方式和波长范围等综合指标，遥感技术可分成以下类型体系：图像方式遥感和非图像方式遥感。图像方式遥感 图像方式遥感是把目标物发射或反射的电磁波能量分布以图像色调深浅来表示，如图 1-2 所示。图 1-2 图像方式遥感分类非图像方式遥感 非图像方式遥感是记录目标物发射或反射的电磁辐射的

13、各种物理参数，最后资料为数据或曲线图，主要包括以下方式：光谱辐射计、散射计、高度计等。1.2 遥感技术的形成与发展1.2.1 遥感发展历史任何一门科学和技术，在其整个形成与发展过程中，总是和时代的发展和要求相一致，不可能超越时代，遥感技术当然也不例外。它的形成是与空间科学、传感技术、信息科学、宇航技术、通讯技术以及电子计算机技术的发展相联系，与军事侦察、环境监测、资源开发利用和全球变化的需要相适应的。20 世纪 50 年代以来，随着科学技术的发展，在普通照相机和飞机的基础上，一些新的信息探测系统相继出现。人类观测电磁辐射的能力从可见光扩展到了紫外、红外、微波图像方式遥感宽波段摄影雷达固体自扫描

14、光机扫描电子扫描光学摄影主动式遥感被动式遥感多光谱摄影窄波段摄影宽波段摄像多光谱摄像窄波段摄像宽波段扫描多光谱扫描窄波段扫描微波雷达激光雷达宽波段电荷耦合摄像多光谱电荷耦合摄像窄波段电荷耦合摄像5等，对目标物信息的收集方式从摄影到非摄影；资料由像片到数据(非图像) ；平台由汽车、飞机发展到了卫星、火箭；应用研究从军事、测绘领域扩展到了农、林、水、气象、地质、地理、环境和工程等部门。这就需要引进一个新的术语，以便概括这种信息探测系统及其过程。1960 年美国学者伊林布鲁伊特(Evelyn.L.Pruitt)提出“遥感”这一科学术语，1962 年在美国密执安大学召开的国际环境科学遥感讨论会上，这一

15、名词被正式通过，从此就标志着遥感这门新学科的形成。但是，在遥感一词出现以前，就已产生了遥感技术。发展至今，大体经历了三个阶段：常规航空摄影阶段、航空遥感阶段和航天遥感阶段。1 常规航空摄影阶段(20 世纪 30年代以前)根据遥感的概念，1826 年摄影技术的发明就标志着遥感技术的诞生。但在 1839 年以前主要是进行地面摄影。1858 年法国人图纳乔（Tournachon）用系留气球摄取了巴黎的“鸟瞰”像片，1859 年.布莱克(Black)乘气球在空中拍摄了波士顿的像片。此时所用的平台为气球、风筝、鸽子等，影像质量也较差。1903 年 W莱特(Wright)和 O莱特(Wright)发明了飞

16、机，为航空摄影创造了条件，1903 年 4 月 24 日意大利人威尔伯赖特驾驶的飞机拍摄了第一张航空像片，1913 年根据摄影像片制作了地形图并研制出了立体制图仪，1915 年开始生产航摄相机。20 世纪 20 年代以来许多摄影测量仪器相继出现，如蔡斯的精密立体测图仪、多倍仪，1924 年产生了彩色胶片，航空摄影正式问世。初期，航空摄影主要用于摄影测量和军事，后来资料应用逐渐向民用部门发展，像片判读技术开始出现并得到迅速的发展，关于摄影测量和判读技术方面的书刊也陆续出版。2 航空遥感阶段(20 世纪 30年代60 年代)20 世纪 30 年代起，航空像片除用于军事外，被广泛应用于地学领域中，以

17、认识地理环境和编制各种专题地图。1930 年美国开始进行全国航测，编制中小比例尺地形图和为农业服务的大比例尺专题地图。其后，西欧、苏联等也开始了全国性的航测，与此相应的航测理论和技术都有了迅速发展。1931 年出现了感红外的航摄胶片，首次获得了目标物的不可见信息，1937 年进行了首次彩色航摄，生产出假彩色红外胶片，并探索进行多光谱和紫外航空摄影。第二次世界大战期间开始应用雷达和红外探测技术，到了 50 年代，非摄影成像的扫描技术和侧视雷达技术开始产生并应用，打破了用胶片所能响应的波段范围限制，使遥感技术发展到了航空遥感阶段。随着探测技术的进步，培养专业人员和进行理论研究的工作也得到了相应的发

18、展。1941 年 AJ厄德莱（Eardey）的航空像片：应用与判读 ，JW巴格莱（Bagley）的航空摄影与航空测量等著作出版；美国于 1949 年在大学中开始开设航摄和像片判读课程，1949 年国际地理学会设立了航片应用委员会，1945 年美国就创刊出版了摄影测量工程学杂志，1975 年改名为摄影测量工程和遥感 。自从航空遥感问世以来，在国民经济的各个领域，尤其是环境科学、地质学、地理学、农学、林学以及军事侦察方面的应用，取得了很大的成绩，成为对自然资源考察和研究的一个重要手段和基本工具。但是，航空遥感在探测距离上不是很远，传感器覆盖的面积小，取得资料速度慢且数量少，这就促使遥感技术向前发展

19、。63 航天遥感阶段(20 世纪 60年代以来)随着空间技术的发展，1957 年苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，从此，遥感平台从飞机发展到了卫星和飞船。20 世纪 60 年代初，美国从“云雨”(Nimbus)、 “泰罗斯”(Tiros)等气象卫星和双子星座(Glimni)、阿波罗(Apllo)飞船上，拍摄了地面像片。后来发射了陆地卫星、气象卫星、海洋卫星等。同时，在传感器方面，继红外片后，多光谱相机，多波段扫描仪，微波辐射计，合成孔径侧视雷达，电视摄象仪等新型传感器陆续问世，使得遥感技术由航空遥感发展到了航天遥感阶段。在获得遥感资料的技术迅速发展的同时，遥感资料的分辨率和精度也不断提高，遥

20、感图像的分析解译与资料处理技术也取得了飞跃的进步，遥感理论的研究获得了重大成就，培养遥感专业人材的工作也得到了迅速发展，资料被广泛地应用于各个领域，并取得了显著成就，国际交流也日益增多。1.2.2 中国遥感技术发展概况20 世纪 30 年代，我国在极少数城市进行过航空摄影，系统的遥感技术发展起始于 20世纪 50 年代初期，主要是引进常规航空摄影技术，进行了大面积航空摄影，并开始航测成图和航空像片的综合利用(主要是进行自然资源勘测) ，到了 60 年代航空摄影与航空像片的应用已形成了一套完整的体系。70 年代以来，随着国际遥感技术的飞速发展，我国开始引进和研究现代遥感技术，一方面是从国外购进一

21、批陆地卫星影像和少量仪器设备，开展图像的解译应用工作；另一方面积极开展我国自己的遥感研究工作，多次发射和回收地球卫星，开展不同自然地理区域的航空遥感试验和地物波谱测试工作，研制成功了多光谱相机、多光谱扫描仪、红外扫描仪、微波辐射计、激光测高仪、合成孔径侧视雷达等各种类型的传感器、彩色合成仪和密度分割仪，数字图像处理系统也研制成功；并建立了地面接收站和发射了资源卫星(科学探测与技术试验卫星、气象卫星、地球资源卫星等)。在遥感理论研究和人材培养上，中国科学院、高等院校和一些应用部门陆续成立了遥感研究、教育机构，从事理论研究和应用工作，设置了专门培养遥感技术人才的遥感专业和学科，许多专业开设了遥感课

22、程，国家成立了空间科学技术委员会和遥感技术中心，组织、领导和协调全国的遥感工作，积极开展与国外的技术与人才交流。1.2.3 遥感技术发展趋势目前，世界范围内遥感技术的发展趋势表现在以下几方面：进行地面、航空、航天的多层次综合遥感，建立地球环境卫星观测网络，系统地获取地球表面不同分辨力的遥感图像数据。传感器向电磁波谱全波段覆盖，立体遥感，器件固体化、小型化，高分辨力，高灵敏度与高光谱方向发展。遥感图像信息处理已实现光学电子计算机混合处理及实时处理，图像处理与地学数据库结合，建立遥感信息系统，引进人工神经网络、小波变换、分形技术、模糊分类与专家系统等技术和理论，进行自动分类与模式识别。7加强地物波

23、谱形成机制与遥感信息传输理论进行研究，建立地物波谱与影像特征的关系模型，实现遥感分析解译的定量化和精确化。遥感(Remote Sensing,简称 RS)、地理信息系统(Geographic Information System, 简称GIS)与全球定位系统(Global Positioning System, 简称 GPS)相互依存，共同发展，构成一体化的技术体系，被广泛地应用于资源开发利用、环境治理评估、区域发展规划、市政工程建设和交通安全管理等领域，成为资源环境、地球科学、测绘勘探、农林和水利部门开展工作的重要技术方法和辅助决策手段。1.3 遥感技术应用简介遥感是一门综合性很强的空间技术

24、科学，同时也是应用领域很广泛的应用科学。目前，它已经应用到几十个部门，取得了良好的成绩。现仅从以下几方面作一简单介绍。1.3.1 在军事方面的应用遥感技术最先是从军事上发展起来的，现在有许多技术方法和仪器设备还处在领先地位，不向民用部门推广。它在军事上的作用，在于可以进行立体侦察，及时地获取敌区的情报。如：利用红外遥感识别伪装 第二次世界大战期间，英国利用红外彩色航摄，探出了德国在法阿拉斯北部武器制造基地，而用黑白航空摄影进行过两个星期的重点侦察，均未发现目标。用机载红外扫描仪，侧视雷达可进行全天时、全天候侦察。军事侦察 侦察卫星不侵犯领空，范围广，速度快，它占卫星总数的 80。分辨力过去较低

25、，现在正逐步提高，由第一代的 36，到第四代的 0.3(大鹏(鸟)侦察卫星)。现在正向全天候、高分辨率实时传输发展。1.3.2 在地学方面的应用遥感为地质、地理、环境科学等方面的勘测提供了新的手段和最新资料，为地球宏观规律的研究，地球环境的监测和评价，自然资源的开发利用创造了有利条件。1 地质方面地质构造 对线状特征和圆形构造(环状断裂) 判读效果相当好，如在非洲撒哈拉沙漠发现 2500km 的断裂带，陕北环状断裂，秦岭北麓的线型形迹和洪积扇群。岩石 由于不同岩石的反射和发射谱波不同，因此在同一波段的图像上，不同岩石的影像会产生不同的色调和密度，据此可鉴定岩石种类。矿床勘探 主要是根据矿床成因

26、类型间接进行，利用雾状异常图像寻找石油，在沉积盆地环境中，只要有构造圈闭、含油褶皱基底的脆弱带等部位就可能发现石油的所在。如在安纳达盆地，发现雾状异常 76 处，其中 59 处与现有油气田相符。利用温度异常勘探煤矿、铜矿、地热资源，如在巴基斯坦境内找到一铜矿在断层裂隙交接带处，在断层及裂隙交接带处寻找内生金属矿床，利用现代沉积找砂矿。82 海洋方面利用遥感可测定海岸地形、浅海海底地貌、海流边界、方向、流速、海面温度、浮游生物区和生物量、盐分、水质等。3 水文方面水资源 利用红外摄影，发现雨水渗入地下，经过透水层流入海洋，由于海水温度高于地下水的温度，在像片上发现色调较深的地下水流入色调较浅的海

27、水之中。如在夏威夷群岛附近浅海中找到 200 多处淡水。湖泊 在南美发现了 320 个新的干盐湖和咸水湖，对原来 86 个的边界作了修改，并在 86 个地方画出了湖泊和季节潜水区。我国青藏高原，经过 30 多年的考察，有 500 多个湖泊，应用卫星影像又发现了 300 多个新的湖泊，对原有的许多位置、大小作了改正，并能划出一些咸、淡水湖。另外可反映水质、水深、泥沙等。河流 利用遥感可查清大江、大河的源头，水流的特点，泥沙状况，河流变迁等；进行旱涝灾害监测、调查、预报与评价，调洪管理；利用不同年份的遥感影像，对比研究河流、湖泊、水库的演变过程和规律。冰雪 利用卫星影像可测出雪盖面积，分布范围，雪

28、线高度；分析冰川的进退，动态；监测海冰运动。1.3.3 在环境方面的应用水污染 利用红外遥感，可以区分出正常水和污染水，并能确定出其范围，测定水温、密度和追溯污染源。大气污染 利用红外、微波，可获得大气的成分、温度、湿度、密度等资料。地表污染 通过遥感，可以监测到某些污染物所引起的生态环境的变化，如植被、土地、地下水受污染情况。地震 利用遥感随时监视断裂活动和地面升降，为地震预报提供依据。如美国在1973 年利用遥感影像，在我国唐山地区发现几组地质断裂线的交会，1976 年发生了震惊中外的唐山大地震。火山活动：通过遥感可以收集到放在火山口里的自动记录仪器记录的许多有关火山活动的信息，通过分析可

29、作出预报。1.3.4 在测绘方面的应用遥感在测绘中的应用开始很早，现在已发展到了应用专门的卫星或卫星上配置专门的测绘传感器。制作地形图 航空摄影测量是测制地形图的主要方法，目前已开始利用航天遥感资料制作地形图。如亚马孙流域的热带雨林地形图利用常规测法，需花 70 亿美元，100 年才能完成，用侧视雷达，不到 1 年完成了 140 万的雷达图像。喀麦隆用航测，20 年完成了 9，侧视雷达仅 90 天就完成。校正更新现有地图 据有关资料，现有地图 70资料不足，30资料陈旧，用常规方法更新需 50 年。只有利用遥感资料才能快速、准确地校正更新。9制作影像地图 影像地图是最近发展起来的新图种，由遥感

30、影像加上了等高线，符号注记形成。所以更形象、逼真、精确，具有信息量丰富，按模型比例尺自然选择，便于系列成图和观察动态变化等优点。如美国完成了 1100 万全美陆地卫星影像镶嵌图，我国完成了 1250 万中国陆地卫星影像镶嵌图。制作专题地图 遥感影像信息量丰富，现势性强，各专业都可利用，制作各种专题地图，具成本低，时间少和质量高的特点。如美国试验用地面测量、航摄和卫星资料编制1100 万125 万的土地利用图，每平方公里的费用分别是 20 美元、美元和 0.4 美元。1.3.5 在农林方面的应用遥感技术在农林方面的应用很广泛，有人认为农林是遥感的最大用户，也是遥感的最大受益者，特别是对一些发展中

31、国家和国土面积较大的国家作用尤为明显。资源调查 各种资源是人类赖以生存的基础，所以对其数量和质量进行掌握很必要，目前最好的方法就是遥感。现在主要是制作土地类型图、利用现状图、土壤类型图，进行森林资源、草场资源和土地资源清查、评价。资源监测 各种资源因自然和人为影响时刻都发生变化，利用遥感可对其进行动态监测。如草场退化、森林减少、土壤沙土和盐渍化、水土流失等。作物估产 利用遥感资料可确定作物种植面积，识别作物类型判定生长状况，再根据观测资料和实地调查，建立模式，确定单产，进行总产预报。有时要作样方调查，分层抽样调查等。这种估产对贸易、储运、加工具有重要意义。病虫害监测预报 病害虫是农林生产的大敌，可破坏植物体叶绿素，引起植物体的波谱特性发生变化。它的产生与生态条件有关，利用遥感可以监测到病虫害的产生和生长环境，进而预报。生产管理 根据作物生长过程的遥感影像和作物生长日志，确定作物的长势和需要水肥情况，适时进行灌溉和施肥，也可发现灾情，及时采取防灾救灾措施。