第六讲 遥感应用及3S技术集成

地质遥感
地质遥感的是通过对遥感影像解译确定一个地区的岩石性质和 地质构造，分析构造运动的状况；其实岩性和地质构造的识别 是地质遥感的基础。
岩石的反射光谱特性与岩石本身的 矿物成分和颜色密切相关，此外， 还受岩石的颗粒物大小和表面粗糙 度的影响。
土壤遥感
根据电磁波辐射原理，通过各种传感器远距离接收土壤反射或 发射的电磁波谱信号，通过分析这些图像和数据可以掌握土壤 特性、土壤类型、分布规律和利用现状。从而绘制土壤图，计 算土壤类型分布面积。
海洋遥感卫星
海洋二号卫星：2011年8月16日发射， 是中国第一颗海洋动力环境卫星，其 主要使命是监测和调查海洋环境，获 得包括海面风场、浪高、海流、海面 温度等多种海洋动力环境参数，直接 为灾害性海况预警预报提供实测数据； HY-2卫星装载雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计和校 正微波辐射计以及DORIS、双频GPS和激光测距仪。雷达高度计 用于测量海面高度、有效波高及风速等海洋基本要素，微波散 射计主要用于全球海面风场观测，扫描微波辐射计主要用于获 取全球海面温度、海面风场、大气水蒸气含量、云中水含量、 海冰和降雨量等，校正微波辐射计主要用于为高度计提供大气 水汽校正服务。
植被遥感应用
水体遥感
水体遥感是通过对遥感影像的分析，获取水体的分布、泥沙、有 机质等状况和水深、水温等要素信息，从而对一个地区的水资源 做出评价，为水利、交通、航运和资源环境部分提供决策服务
在可见光波段，水体的反射率总体较低，一般为4%-5%，并随着 波长的增加而降低； 波长大于0.75μm的水体几乎被全部吸收，因此在近红外波段清 澈的水体呈现黑色； 水体在微波1mm-30cm范围内的发射率较低约为0.4%，平坦的水 面，后向散射很弱，因此在侧视雷达上，水体呈现黑色。
卫星测高技术
卫星测高技术是指利用卫星载体携带的高度计，实时测量地球表 面高度随时间的变化信息，早期的测高卫星主要用于测量全球海 平面的高度及其随时间的变化信息。其典型代表是欧洲和美国联 合开发的Topex/Poseidon卫星，其测量精度达到2-3cm。 卫星测高技术的主要原理 利用GPS卫星和地面卫星跟踪 系统，实时计算出测高卫星的 运行轨迹，从而实时得到卫星 距地球 质心的高度； 利用星载高度计实时计算卫星 到星下点瞬时海面的高度； 计算星下点的椭球高度。考虑 到地球是一个扁圆的旋转椭球 体，因此还需要考虑椭球的影 响。
高光谱遥感特点
波段多，波段宽度窄 光谱响应范围广，光谱分辨率高：光谱分辨率达到纳米级， 一般为10nm左右，精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特 征。 可提供空间域信息和光谱域信息，即“谱像合一”：由成像 光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相 类比。 数据量大，信息冗余多：高光谱数据的波段众多，其数据量巨 大，而且由于相邻波段的相关性高，信息冗余度增加。 高光谱遥感具有很好的光谱信息因此在地质调查、植被制图、大 气遥感、水文及冰雪制图、环境与灾害以及城市环境中有着广泛 的应用。
植被遥感应用
不同植物类型的区分：根据植被的光谱 特征、形态特征和环境特征，区分不同 的植物类型； 植物生长状况解译：健康的绿色植物具 有典型的光谱特征，当植物的生长状况 发生变化时，其波谱曲线形态也会发生 变化； 大面积农作物的遥感估产：包括利用植 物的色调、图形差异对农作物进行识别； 采用高分辨率遥感影像估算种植面积、 长势监测以及建立估产模式对农作物进 行估产； 此外，遥感植被解译可以广泛应用于植被制图、城市绿化调查 与生态环境评价、草场及林业资源调查等领域
水体遥感
遥感可以探测的水中悬浮物有两种，一种是无机的泥沙，一种是 有机叶绿素；
不同泥沙含量水体的光谱曲线
含有泥沙的浑浊水体与清水相比，光谱反射特征存在以下差异： 浑浊水体的反射光谱曲线整体高于清水； 波谱反射峰值向长波方向移动； 随着悬浮泥沙浓度的加大，可见光对水体的透射能力减弱，反 射能力加强; 波长较短的可见光，如蓝光和绿光对水体的穿透力较强，可反 映出水面下一定深度的泥沙分布状况。
卫星测高获取的全球海平面高程
卫星获取的全球海平面温度
HY-2卫星获取的全球海洋水汽分布
HY-2卫星获取的全球海洋表面风场
第六章 遥感应用及3S技术集成
主要内容
遥感应用 3S集成应用
3S基本概念
遥感(Remote Sensing)、地理信息系统(Geographic Information System)全球定位系统(Global Positioning System)是现代空间信息 科学的核心与主要支撑技术，因为它们的英文名称中最后一个单 词均含有”S”，人们习惯将这三种技术合称之为” 3S”枝术。
NDVI ( NIR R) ( NIR R)
植被指数
原始影像数据 NDVI植被指数 垂直植被指数（PVI）： 在红光波段与近红外波段的二维坐标 系内，土壤的光谱响应表现为一条斜线——即土壤亮度线。植 物像元到土壤亮度线的垂直距离定义为垂直植被指数。 叶面积指数LAI：是指每单位土壤表面积的叶面面积比例,它对 植物光合作用和能量传输是十分有意义的。
3S组成及功能
遥感具有快速、实时、动态获取空间数据信息的功能，为地理信 息系统提供及时、准确．综合和大范围的资源和环境数据。并可 以根据需要及时更新GIS数据库。 GIS对地理数据进行采集、管理、查询、计算、分析与可视表现， 为遥感信息的提取与分析应用提供重要手段和辅助数据资科．大 大提高遥感数据的自动分类精度。 GPS具有实时、连续地确定地球表面任意地点上的经纬度与高程， 以及物体和现象的三维速度与精确时间的能力，可以为 GIS提供准 确的空间定位数据．通过识别遥感图像上的地面控制点及样本像 元类型，为图像几何校正、投影变换及分类服务。
植物的光谱特征
在近年随着高光谱遥感的兴起而发展起来的光谱数据分析技术中， 植被“红边”位移现象是研究最多、成效显著的成果之一。“红 边”定义为反射光谱的一阶微分最大值所对应的光谱位置，通常 位于0.68-0.75µห้องสมุดไป่ตู้之间。 当绿色植物叶绿素含量高，生长旺盛时，“红边”会向波长增加 的方向偏移，称“红移”。当植物由于受金属元素“毒害”、感 染病虫害、污染受害或者缺水缺肥等原因而“失绿”时，则“红 边”会向波长短的方向移动，称“蓝移”。
地理信息系统
地理信息系统是以电子计算机为核 心、以遥感枝术、数据库技术、信 息传输、图像处理技术为手段，以 航天遥感、航空遥感、地形图、专 题地图、监测网信息、统计信息、 实况调查信息以及其他联网信息为 信息源，运用系统工程和信息科学 的理论，按统一地理坐标和统一分 类编码，对地理信息进行数据收集、 存储、处理、运算、综合分析、显 示和应用、为规划、管理、决策和 研究提供所需的技术系统。概括的 说，GIS就是采集、存储、管理、 处理和综合分析地理信息，并输 出数据和提供图形服务。
海洋遥感卫星
ENVISAT卫星是欧空局的对地观测 卫星系列之一，于2002年3月1日发 射升空。该卫星是欧洲迄今建造的 最大的环境卫星。Envisat-1主要 用于监视环境，对地球表面和大气 层进行连续的观测，供制图、 资 源勘查、气象及灾害判断之用 在ENVISAT-1卫星上载有多个传感器： 先进的合成孔径雷达； 中等分辨率成像频谱仪，用于海洋颜色监测。 先进的跟踪扫描辐射计，供精确的海洋表面温度测量和陆地特 性观察。 先进的雷达高度计，可确定风速，提供海洋循环信息。 微波辐射计，测量大气层中的水含量（云、水蒸汽和雨滴）。
第六章 遥感应用及3S技术集成
主要内容
遥感应用 3S集成应用
植被遥感
植被调查是遥感的重要应用领域；主要用于确定植被的类型、分布 及长势
植物的光谱特征

在可见光的0.55µm附近有一个小反射峰。 在0.45µm和0.65µm附近有两个明显的吸收谷。 在0.7-0.8µm是一个陡坡，反射率急剧增高。 在近红外波段0.8-1.3µm之间形成一个高的反射峰。 在1.45µm，1.95µm和2.6-2.7µm处有三个吸收谷。
反射曲线的蓝移现象
植被指数
遥感图像上的植被信息，主要通过植物光谱特性及其差异、变 化而反映的；不同光谱通道所获得的植被信息与植被不同要素 或某种特征状态有相关性； 对于复杂的植被遥感，仅用个别波段或多个单波段数据分析对 比来提取植被信息是相当局限的。多光谱遥感数据经分析运算 （加、减、乘、除等线性或非线性组合方式），产生某些对植 被长势、生物量等有一定指示意义的数值——即所谓的“植被 指数”。它用一种简单有效的形式来实现对植物状态信息的表 达，以定性和定量地评价植被覆盖、生长活力及生物量等。 植被指数中，通常选用植物光谱中的最典型的波段，即对绿色 植物（叶绿素引起的）强吸收的可见光红波段和对绿色植物 （叶内组织引起的）高反射的近红外波段。
植被指数
比值植被指数（RVI）：可见光红波段与近红外波段的数值比， 比值植被指数能增强植被与土壤背景之间的辐射差异，被广泛 用于估算和监测绿色植物生物量。
RVI NIR R
差值植被指数（DVI）：又称环境植被指数，被定义为近红外 波段与可见光红波段数值之差。
DVI NIR R
归一化植被指数（NDVI）：近红外波段与可见光红波段数值 之差和这两个波段数值之和的比值，它是植被生长状态及植 被覆盖度的最佳指示因子，与植被分布密度呈线性相关，因 此又被认为是反映生物量和植被监测的指标。
赤潮是因海水富营养化加上其它 环境条件，海洋浮游植物短期内 大量繁殖、聚集而引起海水变色 的一种现象，本质也是水体富营 养。
此外，根据水体反射光谱曲线的不同，水体遥感可以广泛应用于 水体温度的探测、水体污染的探测和水深的探测
水体遥感
洞庭湖区域洪水淹没范围
鄱阳湖区域洪水淹没范围
卫星遥感水体叶绿素浓度专题图
植物的光谱特征
影响植物光谱的因素除了植物本身的结构特征，同时也受到外 界的影响。 外界影响主要包括季节的变化，植被的健康状况，植物的含水 量的变化，植株营养物质的缺乏与否等等。但外界的影响总是通过 植物本身生长发育的特点在有机体的结构特征反映出来的。
不同颜色的植物的光谱曲线
不同含水量的植物的光谱曲线
不同类型的土壤的光谱反射曲线
不同有机质含量的土壤的光谱反射曲线
高光谱遥感
高光谱图像(Hyperspectral Image)通常指光谱分辨率在10nm数 量级范围内的光谱图像。
高光谱与一般遥感的主要区别 在于：高光谱遥感的成像光谱 仪可以分离成几十甚至数百个 很窄的波段类接收信息，每个 波段宽度仅10nm；所有波段的 光谱连在一起可以组成一个连 续的光谱曲线；光谱覆盖范围 从可见光到热红外的全部电磁 辐射波谱范围。
水体遥感
水体中的叶绿素与水体反射光谱曲线之间关系： 水体叶绿素浓度增加，蓝光波段的反射率下降，绿光波段的反 射率增高； 水面叶绿素和浮游生物浓度高时，近红外波段仍存在一定的反 射率，该波段影像中水体不呈黑色，而呈灰色，甚至浅灰色。
不同叶绿素含量海水的光谱曲线
水体遥感
当大量的营养盐进入水体后，在 一定条件下台引起藻类的大量繁 殖，而后在藻类死亡分解过程中 消耗大量溶解氧，从而导致鱼类 和贝类的死亡。这一过程称为水 体的富营养化。反映水体富营养 化程度的最主要因子是叶绿素。
海洋遥感
海洋遥感（ocean remote sensing）利用传感器对海洋进行远距 离非接触观测 ，以获取海洋景观和海洋要素的图像或数据资料。 遥感方式有主动式和被动式两种： 主动式遥感：先由遥感器向海面发射电磁波，再由接收到的 回波提取海洋信息或成像。这种传感器包括侧视雷达、微波 散射计、 雷达高度计、激光雷达和激光荧光计等。 被动式遥感：传感器只接收海面热辐射能或散射太阳光和天 空光的能量，从中提取海洋信息或成像。这种传感器包括各 种照相机、可见光和红外扫描仪、微波辐射计等。