遥感与地理信息系统应用的实习

遥感与地理信息系统应用的实习
一、实习目的
遥感和土地信息系统是土地资源管理专业的重要课程之一，是实践性、应用性很强的技术学科，实习、实验在教学体系中占有非常重要的地位。

实习的目的主要是：巩固与加深理解课堂讲授的理论知识，掌握具体的遥感图像分析解译技术与应用方法、土地信息系统应用技术；能够根据遥感图像，提取专题信息，进行自动分类识别和遥感地图制图；能够应用遥感和土地信息系统技术开展应用工作。

二、实习要求
1、通过遥感实习，掌握遥感数据土地利用信息提取方法以及其它遥感信息处理。

2、通过遥感和土地信息系统融合，掌握土地信息获取、处理、应用以及管理的过程和方法。

三、实习内容
1、现代遥感技术分析应用参观学习；
2、土地信息系统应用参观学习；
3、遥感图像专题信息提取；
4、土地利用信息建库和分析利用。

四、具体内容
(一) 现代遥感技术分析应用及遥感图像专题信息提取
现代遥感技术系统及其发展趋势阎守邕（中国科学院遥感应用研究所北京１００１０１）摘要在对遥感技术与应用进行系统分析的基础上，本义首先给出了现代遥感技术系统的总体结构框图，并描述了
遥感任务实施、技术系统和基础研究方面的主要内容、工作过程以及相互关系；接着，对遥感数据采集、分析及应用技术系统的构成、特点以及发展趋势分别作了进一步的论述。

最后，作者对遥感与地理信息系统的结合、遥感成套应用技术发展、基础研究以及商品化等问题提出了自己的看法。

关键词遥感，技术系统，发展趋势自８０年代以来，随着全球环境变化监测和研究等计划的提出与实施，遥感技术和地理信息系统（ＧＩＳ）技术等的紧密结合以及新遥感技术领域的不断开拓，使遥感技术的发展和应用进入了一个新的阶段，其特点主要是：（１）大型遥感动态应用任务导向；（２）成套遥感实用技术发展；（３）综合遥感基础研究加强；（４）遥感技术工程化、商品化和国际化。

它们使遥感技术与应用能在更广泛和深入的基础上不断地发展创新，比以往任何时候都更紧密地和人们的日常生活与管理工作联系在一起，也使遥感的技术产品和各种信息产品。

遥感技术集合了空间、电子、光学、计算机、生物学和地学等科学的最新成就，是现代高新技术领域的重要组成部分。

自从1972年美国第一颗地球资源技术卫星发射成功并获取了大量地球表面的卫
星图像后，遥感技术就开始在世界范围内迅速发展和广泛应用。

遥感技术的出现揭开了人类从外层空间观测地球的序幕，为人类认识国土、开发资源、监测环境、研究灾害以及分析全球气候变化等提供了新的途径。

遥感技术环境科学应用 3S一体化发展趋势由于遥感具有宏观性强，如一幅美国陆地卫星图象能覆盖地面185公里×185
公里的范围，一幅法国资源卫星图象能覆盖地面60公里×60公里的范围、逼真、机动灵活、全球性、高频率、多学科、综合性强、自动化强及经济效益高等特点，所以，综合遥感技术的特点对地球进行宏观监控和综合调查最为有利、快速。

对大区域的环境探测是没有那一门技术可以取代的，非应用遥感不可。

遥感可分为几种，我们平常所说的航空遥感和航天遥感是按平台来分的。

如果按信息获取方式及传感器来分，遥感又分为非成象方式（数据、曲线等）和成象方式两种。

成象方式又分为主动成象方式，如雷达、辐射计等成象方式和被动成象方式，如光学摄影、扫描成象等成象方式两种。

遥感技术应用很广，它可以用于农林业资源检测、估算农作物产量、监控农作物的生长情况、预报预测农林业灾害、全球天气预报、土地利用规划、空气污染的监测、海洋、地质、水资源、考古、土地及城市规划、交通、测绘、电信等。

遥感是从远离地面的不同工作平台上，如高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和航天飞机等，通过传感器对地球表面的电磁波辐射信息进行探测，然后经信息的传输、处理和判读分析，对地球的资源与环境进行探测与监测的综合性技术。

遥感技术从远距离采用高空鸟瞰的形式进行探测，包括多点位、多谱段、多时段和多高度的遥感影像以及多次增强的遥感信息，能提供综合系统性、瞬时或同步性的连续区域性同步信息，在环境科学领域的应用具有很大优越性。

20世纪90年代以来，环境遥感技术应用越来越广。

从陆地的土地覆被变化，城市扩展动态监测评价，土壤侵蚀与地面水污染负荷产生量估算，生物栖息地评价和保护，工程选址以及防护林保护规划和建设。

到水域的海洋和海岸带生态环境变迁分析，海面悬浮泥沙、叶绿素含量、黄色物质、海上溢油、赤潮以及热污染等的发现和监测，珊瑚和红树林的现状调查与变化监测，堤坝的规划与水沙平衡分析，水下地形地遥调查以及水域初级生产率的估算。

再到大气环境遥感中的城市热岛效应分析，大气污染范围识别与定量评价，大气气溶胶污染特征参数化，全球水、气和化学元素等的循环研究，全球环境变化以及重大自然灾害的评估等，几乎覆盖了整个地球系统。

近红外：1.4-1.9微米。

这是水汽吸收区，反射光谱区。

可用扫描方式成象。

1.9-2.7微米。

这是二氧化碳吸收区，反射光谱区。

可用扫描方式成象。

中红外：2.7-4.3微米。

这是水汽、二氧化碳吸收区，反射光谱区。

可用热探测。

4.3-5.9微米。

这是二氧化碳、臭氧吸收区，热辐射区。

可用热探测。

远红外：8-14微米。

这是二氧化碳、氧气、水汽的吸收区，热辐射区。

可用热探测。

16-24微米:这是半透明区。

可用雷达探测。

微波：1.4毫米、3.3毫米、16毫米-15米。

利用这几个大气窗口工作的传感器对大气穿透性强，可全天候工作。

如雷达、被动的微波探测器就是利用这些大气窗口来工作的。

＞30米:这是大气电离层反射（无线电）区。

遥感除了利用上述的大气窗口作为工作波段外，有些气象卫星是选择非透明区作为工作波段（如水汽、二氧化碳、臭氧吸收区），以测量它的含量、分布与温度等。

遥感所用的摄影材料有那些？
一般来说，摄影材料是由摄影机和胶片组成的。

用于遥感的摄影机有：航空摄影机
多光谱摄影机：它们把地物对可见光、近红外光的反射记录在可见光和近红外区
的若干个波段上，以利于目标物的判读。

全景摄影机：一次可拍摄较大的地面范围，故可和红外摄象装置并用，用于输电
线路等的监视及其它的侦察领域）等。

在使用遥感摄影机时，多用胶片作为记录材料。

胶片是在聚酯片基上涂上感光乳剂，它能把目标物的反射能量，以光学密度形式记录下来的感光材料。

按使用的感光乳剂特性，胶片可分为黑白胶片、红外胶片、彩色胶片、彩色红外胶片等几种。

胶片对各个波长的光谱感光度随胶片的种类而不同：
黑白全色胶片的感光范围：0.4-0.7微米。

黑白红外胶片的感光范围：0.4-0.9微米。

天然彩色胶片，又称真彩色胶片的感光范围：0.4-0.7微米。

彩色红外胶片的感光范围：0.4-0.9微米。

在彩色象片中，红、绿、蓝三层感光乳剂都具有各自的光谱感光度。

一般胶片使用的感光剂是银盐感光剂。

在黑白胶片中是把目标物的反射光量按从白到黑的密度记录下来，而在彩色胶片中则是记录到对应的光谱区的感光层上。

一、遥感技术在环境科学中的应用
1.遥感技术在水污染监测方面的应用
（1）利用红外扫描仪监视石油污染
全球每年排入海洋的石油及其制品高达1000万吨，利用多光谱航片可对海面石油污染进行半定量分析，将彩色航片同步拍照与近红外片做的彩色密度分割图相比较，更精密地判断和解译信息，参照图片画出不同油膜厚度的大致分级图。

通过彩色密度分割图像，特别是数字元密度分割图，可以更准确地判断油量的分布情况。

通过彩色密度分割可把相差零点零几厚度的海面油膜区分出层次来，这有利于用航空遥感对海面油的扩散分布和半定量研究。

浓度大的地方是黄色，往外扩散的油膜变薄，呈黄紫混在一起的颜色，再往外扩散的油膜就更薄些呈紫色。

通过对污染发生后各天的气象卫星图像的对比分析，确定油膜的漂移方向，计算出其扩散速度和扩散面积。

（2）利用遥感技术监测水体富营养化
浮游植物中的叶绿素对蓝紫光和红橙光有较强的吸收作用，当水体出现富营养化时，我们就可以利用遥感技术推算出水体中的叶绿素分布情况。

赤潮区的海水光谱特征是藻类、泥沙和海水的复合光谱，另外有机或无机颗粒物也会吸收入射光，影响水体的透明度。

（3）通过遥感技术调查废水污染和泥沙污染
废水的颜色与悬浮物性状千差万别，特征曲线上的反射峰位置和强度也不大一样，可以用多光谱合成图像进行监测。

水中悬浮泥沙的浓度和粒径增大，水体反射量也会相应增加，反射峰随之红移，定量判读悬浮泥沙浓度的最佳波段是0.65～0.85微米。

（4）应用红外扫描仪监测水体热污染
应用红外扫描仪记录水体的热辐射能量，真实反映其温度差异。

在热红外图像上，热水温度高，辐射能量多，呈浅色调。

冷水和冰辐射能量少，呈深色调。

热排水口处通常呈白色羽流，利用光学技术和计算机对热图像作密度分割，根据少量的同步实测水温，画出水体等温线。

（5）通过遥感技术分析水域的分布变化和水体沼泽化
水体总体反射率较低，选择1.55～1.75微米波段的多时域影像可以分析水域的分布变化。

沼泽化在时域图像上反映为水体面积缩小，从水体向边缘有规律变化，显示出不同程度的植被特征。

2.遥感技术在大气环境监测方面的应用
（1）臭氧层
臭氧层位于地球上空25～30千米的平流层中，对0.3米以下紫外区的电磁波有较大吸收，可用紫外波段来测定臭氧层的变化。

臭氧层在2.74毫米处也有一个吸收带，可用频率为11O83兆赫兹的地面微波辐射计来测定臭氧在大气中的垂直分布。

另外臭氧层会吸收太阳紫外线而升温，可使用红外波段来探测，如用7.75～13.3微米热红外探测器测定臭氧层的温度变化，参照浓度与温度的相关关系，推算
出臭氧浓度的水平分布。

（2）大气气溶胶
利用遥感图像可分析大气气溶胶的分布和含量，工业烟雾、火灾浓烟和大规模沙尘暴在遥感图像上都有清晰的图像，可以直接圈定其大致范围。

利用周期性气象卫星图可监测沙尘运动，估计其运动速度，及时预报沙尘暴。

通过卫星数据可及早发现森林火灾，把灾害损失降到最低。

大比例图片可用来调查城市烟囱的数量和分布，还可以通过烟囱阴影的长度来计算其大致高度。

应用计算机对影像进行微密度分割，建立烟雾浓度与影像灰度值的相关关系，可测出烟雾浓度的等值线图。

（3）有害气体
彩红外相片可监测有毒气体对污染源周围树木和农作物的危害
情况，通过植物对有害气体的敏感性来推断某地区大气污染的程度和性质。

一般污染较轻的地区，植被受污染的情况不宜被人察觉，但其光谱反射率却会明显变化，在遥感影像上表现为灰度的差异。

正常生长的植物叶片能强烈反射红外线，在彩红外相片上色泽鲜红明亮。

受到污染的叶子，其叶绿素遭到破坏，对红外线的反射能力下降，其彩红外相片颜色发暗，如白蜡树受污染后呈紫红色，柳树呈品红色略带蓝灰色。

（4）气候变化
美国、欧盟、日本和俄罗斯的地球同步轨道气象卫星组成的静止气象卫星监测系统昼夜不停地观测地球的气候变化，得到全球范围内
的大气参数、海洋参数、地表状况、辐射收支和臭氧分布等信息，对全球变暖、臭氧层空洞以及厄尔尼诺现象的研究非常重要。

3.遥感技术在城市环境监测与管理中的应用
彩红外遥感影像可监测固体废弃物引起的生态环境变化，热红外遥感影像可调查工业废水和废气的排放情况。

城市道路宽的呈带状和环状，窄的呈线状，城市广场一般以块状蓝灰色与街道紧密相连于中心地带。

居民区呈灰色，高层楼房带有宽长影，平房呈密集排列的小长方块状。

水系呈浅蓝色，绿地呈红色。

从遥感图像上获取这些信息，对优化城市结构有很大帮助。

另外城市里的高大建筑物对太阳辐射和其它热辐射的吸收和释放特性跟以土地和农作物为主要下垫面的郊
区有很大不同，利用热红外遥感对城市下垫面进行分析就可以得出城市的热岛效应。

4.应用遥感技术监控生态环境
遥感影像真实记录地貌形态特征并提供各环境参数的组合情况，根据其空间一致性和差异性进行区域环境范围的生态区划。

利用遥感卫星相片还可以编制森林树种、生长状况和森林覆盖图，使用计算机集群分类，精度可高达8O％。

一般野生动物环境与森林植被关系最为密切，通过研究植物的分布与长势可大致确定动物的活动繁殖场所，从而编制森林野生动物保护规划。

5.利用遥感技术监测自然灾害
遥感技术对于暴雨、水土流失、地震和山体滑坡等地质灾害的调查与监测也很有效。

比如说地震与地球活动构造块体分布及其活动方
式密切相关，利用卫星预测地震技术主要集中在电磁波辐射和电离层异常监测、地表形变监测、红外辐射监测以及卫星重力监测等方面。

但由于目前技术条件的限制，地震还是不能准确预测，2008年5月的汶川大地震几乎震碎了中国人的心，期待有一天，我们中国人能通过遥感技术准确预测地震灾害，今天的悲剧永远不要发生了。

二、遥感技术的发展趋势
随着科学技术的进步，光谱信息成像化，雷达成像多极化，光学探测多向化，地学分析智能化，环境研究动态化以及资源研究定量化，大大提高了遥感技术的实时性和运行性，使其向多尺度、多频率、全天候、高精度和高效快速的目标发展。

1.遥感影像获取技术越来越先进
（1）随着高性能新型传感器研制开发水平以及环境资源遥感对高精度遥感数据要求的提高，高空间和高光谱分辨率已是卫星遥感影像获取技术的总发展趋势。

遥感传感器的改进和突破主要集中在成像雷达和光谱仪，高分辨率的遥感资料对地质勘测和海洋陆地生物资源调查十分有效。

（2）雷达遥感具有全天候全天时获取影像以及穿透地物的能力，在对地观测领域有很大优势。

干涉雷达技术、被动微波合成孔径成像技术、三维成像技术以及植物穿透性宽波段雷达技术会变得越来越重要，成为实现全天候对地观测的主要技术，大大提高环境资源的动态监测能力。

（3）开发和完善陆地表面温度和发射率的分离技术，定量估算和监
测陆地表面的能量交换和平衡过程，将在全球气候变化的研究中发挥更大的作用。

（4）由航天、航空和地面观测台站网络等组成以地球为研究对象的综合对地观测数据采集系统，具有提供定位、定性和定量以及全天候、全时域和全空间的资料能力，为地学研究、资源开发、环境保护以及区域经济持续协调发展提供科学数据和信息服务。

2.遥感信息处理方法和模型越来越科学
神经网络、小波、分形、认知模型、地学专家知识以及影像处理系统的集成等信息模型和技术，会大大提高多源遥感技术的融合、分类识别以及提取的精度和可靠性。

统计分类、模糊技术、专家知识和神经网络分类有机结合构成一个复合的分类器，大大提高分类的精度和类数。

多平台、多层面、多传感器、多时相、多光谱、多角度以及多空间分辨率的融合与复合应用，是目前遥感技术的重要发展方向。

不确定性遥感信息模型和人工智能决策支持系统的开发应用也有待进一
步研究。

3.3S一体化
计算机和空间技术的发展、信息共享的需要以及地球空间与生态环境数据的空间分布式和动态时序等特点，将推动3S一体化。

全球定位系统为遥感对地观测信息提供实时或准实时的定位信息和地面
高程模型；遥感为地理信息系统提供自然环境信息，为地理现象的空间分析提供定位、定性和定量的空间动态数据；地理信息系统为遥感影像处理提供辅助，用于图像处理时的几何配准和辐射订正、选择训
练区以及辅助关心区域等。

在环境模拟分析中，遥感与地理信息系统的结合可实现环境分析结果的可视化。

3S一体化将最终建成新型的地面三维信息和地理编码影像的实时或准实时获取与处理系统。

4.建立高速、高精度和大容量的遥感数据处理系统
随着3S一体化，资源与环境的遥感数据量和计算机处理量也将大幅度增加，遥感数据处理系统就必须要有更高的处理速度和精度。

神经网络具有全并行处理、自适应学习和联想功能等特点，在解决计算机视觉和模式识别等特大复杂的数据信息方面有明显优势。

认真总结专家知识，建立知识库，寻求研究定量精确化算法，发展快速有效的遥感数据压缩算法，建立高速、高精度和大容量的遥感数据处理系统。

5.建立国家环境资源信息系统
国家环境资源信息是重要的战略资源，环境资源数据库是国家环境资源信息系统的核心。

我们要提高对环境资源的宏观调控能力，为我国社会经济和资源环境的协调可持续发展提供科学的数据和决策支持。

6.建立国家环境遥感应用系统
国家环境遥感应用系统将利用卫星遥感数据和地面环境监测数据，建立天地一体化的国家级生态环境遥感监测预报系统以及重大污染事故应急监测系统，可定期报告大气环境、水环境和生态环境的状况。

环境遥感地理信息系统是其支撑系统，在各种应用软件的辅助下实现环境遥感资料的存储、处理和管理；环境遥感专业应用系统是其
应用平台，在环境专业模型的支持下实现环境遥感数据的环境应用；环境遥感决策支持系统是其最上层系统，在环境预测评价和决策模型的驱动下进行环境预测评价分析，制定环境保护的辅助决策方案；数据网络环境是其数据输入和输出的开放网络环境，实现环境海量数据的快速流通。

总之，遥感技术在环境科学领域有广泛应用，随着科学的进步，遥感技术会越来越先进，其所发挥的作用也会越来越大。

土地利用的问题比较复杂，需要用到遥感数据和软件处理、提取、判读等，甚至还需要用地理信息系统软件做空间分析、统计，期间需要跨学科如土壤、地质、植物、生态、经济知识的支援，具体流程因时因地而异。

图像处理及信息提取
1预处理工作
在ERDAS IMAGINGE专业遥感图像处理软件的支持下进行.首先以1∶50000的地形图为基准对两个时相的影像进行校正,经RMS检验,误差小于1个像元,满足研究要求.再在1∶200000行政区划图上提取出研究区,对影像进行AOI裁减,得到研究区范围.然后进行最佳波段选择,用OIF指数法结合各波段间的信息量和相关性分析得:对于本
文所研究的两个时相的遥感影像,TM345和TM145是两种最佳的组合方式.
2土地利用信息提取
按国家土地利用现状调查统一分类标准,并结合TM影像的实际
分辩能力和土地利用现状特点,将研究区土地划分为耕地、林草地、
园地、建设用地、水域、未利用地等6种利用类型.遥感图像信息提取过程实质上就是遥感影像的分类过程.常用的遥感影像分类方法人工目视解译法和计算机自动分类法两种类型,前者分类精确度较高,
后者分类效率较高.由于遥感数据是海量数据,所以实际应用中多用
计算机分类法.而提高计算机分类精度一直是遥感领域中一个主要的研究方向.不少学者在这方面做了大量有益的探索,提出了许多提高
分类精度的方法,归纳起来有:利用GIS数据为辅助数据提高遥感分
类精度,利用空间纹理结构信息,多元、多维遥感信息融合技术,专家系统,人工神经网络技术等.但是,这些方法中的大多数都只重在分类前通过选择一定的波段组合对遥图像单步骤一次性分类来获取分类
图像,而忽视对多光谱数据有效的重组利用.多波段性是TM数据的显著特点,在进行遥感图像信息提取的波段选择时,会出现某一波段组
合很好的突出这一些地物,而另外一种波段组合又更适合区分另外一些地物情况.因此,很自然就想到能否利用三种波段的多种组合进行
多次分类将各地类信息准确提取的出来.从波段组合分析出,对于研
究区内的两个时相的影像,TM345和TM145两种是最佳的波段组合方式.
但在提取城区的过程中发现, 1992年的TM345影像上城市用地和大片耕地,色调非常相似都呈浅紫色,很难区分;而在TM145影像上,城市用地呈蓝色调,那几处大片耕地呈浅褐色调,可明显区分,所以本文选择在TM145波段合成影像上提取建设用地.又因为不同地物的波
谱特征是不同的,在不同波段上被反映的灵敏度也不同,从TM的光谱波段及主要用途中可看出,TM3是绿色植物强吸收的可见光红
光波段,可测量植物绿色素吸收率,并依次进行植物分类;而TM4是对叶绿素高反射的近红外波段.所以在提取耕地、林地和草地、园地和未利用土地时,TM345是最佳的波段组合方式;而TM1对水体透射能力强,适用于海岸制图.所以在本次分类中提取水域时,选用TM145的组合方式.因此,本文使用分层分类法,通过两种波段组合方式分别对不同地物进行分类,即在TM145波段组合的影像上提取出建设用地和水域,然后用已经提取出的建设用地和水域在TM345波段合成的影像进行腌膜,再对腌膜剩余影像进行剩余地类的提取,最后将分类结果叠加.
采用监督分类法对掩膜去除建设用地和水域的1992年TM345影像分类时,经过建立模板、评价模板、确定初步分类结果、执行分类、分类后处理等步骤,计算机随机选取200个点检验分类结果,分类精
度达到83. 1%.对于掩膜后的2005年TM345影像分类,起初同样采用监督分类法,可分类过程中发现,尽管不断的修改训练区,但分类结果总是不能让人满意,各类别之间相互影响很大,提高了这类地物的分
类精度,却又降低了那个类别的分类精度.这种情况下,本文采用基于监督分类的分层提取法提取各土地类型,并在此基础上,结合手动目
视修正完成分类.使用这种方法的优点是不会出现分类时土地类型的重复.此方法同所有监督分类一样,首先要定义分类模板,但每一次只需定义两种土地类型.以林草地为例,。