中科院遥地所定量遥感_第一讲_光学遥感基础共80页文档
(定量遥感课件几何光学模型
依次类推，n棵树时，光照点概率为：(1-a/S)n 。
上式可以写为： (1 na / S )n
n
注意到存在极限：
lim (1 x )n
n
n
ex
因此浓密条件下，光照点概率可以写为： ena / S
e 又出现了！
引入单位面积内树木的平均个数 λ，存在 λ = n/S，带入上
式，即得到光照点概率为 e，a 阴影点概率为
。
1 ea
上述式中，a 是树冠在水平地面的投影面积，它与投射方向 Ω(θ, φ)有关，即太阳方向不同，a 也不同，应写为 a(θ, φ)。
布尔模型实际上描述了一个间隙概率 (gap probability)问题，即 在一个离散分布有物体的区域中，要么我们照射（看到）物体 (object)，要么我们照射（看到）间隙 (gap)，我们照射（看到）
KC、KT 、 KG 、 KZ分别为几何光学模型中的四个分量，即 光照树冠、阴影树冠、光照背景、阴影背景在象元中所占面
积比例。
对于照射过程中的间隙概率问题，如果太阳方向为Ω(θi, φi)，
类似地，我们可以得到背景受到光照的概率为
，而
背e景处a(于i,阴i) 影的概率为
1 e 。
a(i,i )
光照背景面积比例KG与阴影背景面积比例KZ
a(θv,φv)
a(θi,φi) O(θi,θv,φ)
设O(θi,θv,φ)为相互重叠的面积，则光照背景的比例为：
K e[a(i,i) a(v,v)O(i,v,)] G
O(θi,θv,φ)与两个方向的天顶角、相对方位角(φ= φi - φv)有关。 其具体表达式与树冠形状有关，而且较为复杂，甚至只能取 得近似解，有兴趣者可以查阅相关资料。
定量遥感基础（原创）
定量遥感基础1、定量遥感分为：可见光、近红外波段的定量遥感，热红外波段的定量遥感，微波遥感的对地观测2、定量遥感应用：（1）为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据和科学决策依据（2）为国家重大自然灾害提供及时准确的监测评估数据及图件（3）持续不断地开展再生资源的监测、预测和评估（4）地质矿产资源调查与大型工程评价（5）天气预报和气候预测（6）海洋监测和海洋开发（7）土地适用性评价、生态评价和工程评价3、时空定量分布：反照率、地表温度、叶面积指数、叶绿素含量、土壤水分含量、地表蒸发4、定量遥感的主要研究内容：(1)遥感机理模型的建模研究；研究遥感像元尺度上，适用的遥感模型，研究描述新型传感器信号特征与地表参数关系的模型，研究模型在不同空间尺度上的尺度效应和尺度转换原理与方法(2) 地表参数的模型反演与陆地遥感数据的同化研究；利用遥感数据和地表参数背景知识，提取地表时空多变参数的模型和算法，研究遥感物理模型与相关领域应用结合中模型的连接与模型参数的转换方法，使遥感数据产品能满足应用的需求。
(3) 新型传感器的定标技术研究，智能化处理技术与方法研究；时空多变地表参数反演结果的验证方法研究，遥感数据产品的真实性检验研究。
5、遥感建模分为两类：正演模型、反演模型6、正演模型、反演模型的概念等见PPT，以及定量遥感建模的步骤等内容7、定量遥感模型概括起来分为三类：物理模型（如植被二向性反射的辐射传输模型、几何光学模型）、统计模型、半经验模型（如地表二向反射模型）具体定义、优缺点见PPT8、定量遥感面临的主要问题：尺度效应问题角度问题病态反演问题9、尺度效应问题不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，并不一定是距离越近越好，观测越细微越好。
观察地物需要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察。
10、病态反演问题定量遥感的反演问题，简言之，就是根据观测信息和前向物理模型，求解或推算描述地面实况的应用参数(或目标参数)。
中科院,遥感课件及资料
微波波段微波遥感概述微波遥感的特点（相对于光学遥感）Ø全天候、全天时的强大观测能力Ø对植被有一定程度的穿透性Ø对地表具有一定的穿透性微波辐射对云的透射率微波辐射对雨的透射率微波遥感受气象条件影响很小，具有全天候工作能力微波遥感概述§微波遥感的特点Ø2.微波辐射对植被具有一定的穿透性ü波长较长的微波辐射穿透植被的能力比较强ü观测角越小，穿透能力相对越强ü微波在植被层中的透射能力还与植被类型、含水量、植被空间密度等有关微波遥感概述微波遥感的特点Ø3.微波辐射对地表具有一定的穿透性ü体现在微波对固体的不透明的地表也一定的穿透能力22Wurzburg-Riese 雷达站，法国诺曼底23雷达波发射与回波一个雷达脉冲的传播过程(图中指示着时间点1~17时的波前位置)回波信号机载飞机发射的雷达脉冲树的回波房屋的回波房屋的回波树的回波高能量的输出脉冲时间脉冲能量§雷达与侧视雷达最早事十年代开用感。
28是斜距在地球的大地水准面上的投影重采样等处理真实孔径雷达§斜距与地距雷达图像: 斜距均匀采样方式与地距均匀采样方式的比较真实孔径雷达真实孔径雷达的距离向分辨率α雷达到目标的线(LOS)为雷达视线的达视线的冲宽度，分辨率，Δt = t 人们可能更加关心地距分辨率r GR ，§真实孔径雷达的方位向分辨率LHL H R r a ⋅===θλλθβcos )(cos L 为雷达天线真实孔径雷达§真实孔径雷达的分辨单元面积Ø综合两个方向的分辨率，元面积：Hr λ合成孔径雷达§合成孔径的观点Ø记住一个结果：合成向分辨率ra= l/2，l为Ø合成孔径雷达的方位长成正比，要获得高合成孔径雷达§SLAR与SAR的几何分辨率比较真实孔径雷达斜距分辨率2τCØ顶底位移和图像叠掩SAR 图像中的叠掩效应Ø前向压缩和雷达阴影SAR 图像中的前向压缩SAR 图像中的雷达阴影53合成孔径雷达雷达影像的立体量测同光学遥感一样，雷达影像固相对高差产生的像差可以用来体测量，得出地表高程§雷达的极化(Polarization)合成孔径雷达§雷达的极化(Polarization)HH极化HV极化VV极化这是德国南部某地区C波段不同极化方式的雷达图像。
遥感原理与方法B-第一章(中科院)
电磁波的粒子 电磁波的粒子性 粒子性
普朗克（planck）用模型来说明光电效应， 用模型来说明光电效应，并指出电 磁辐射能量Q 的大小直接与电磁辐射的频率ν 成正比， 成正比， 可表示为： 可表示为：
Q = hν
（h 为普朗克常数， 为普朗克常数，取值为6.626×10-34 焦耳· 秒）
已知 C = νλ
小孔的衍射
遥感中部分光谱仪的分光器件 --- 衍射光栅 等，正是运用多缝衍射原理。 原理。
3）偏振 （Polarization） 偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。 偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波是一种 横波， 横波，传播方向确定后其振动方向并不是唯一的,振动方 向可以是垂直于传播方向的任何方向， 向可以是垂直于传播方向的任何方向 ， 它可以是不变 的 ， 也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转， 也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转， 即 出现 偏振现象（微波中称为“极化” ）。
，则可得： 则可得： Q
= hc / λ
可见， 可见，辐射能量 Q 与它的波长λ成反比。即电磁辐 射波长越长,其辐射能量越低， 其辐射能量越低，如地表的微波发射要比 热红外辐射低。 热红外辐射低。
波粒二象性 ---- 小结 1
• 电磁波的波动性，把电磁振动的传播作为光滑连续的波 对待（用波长、 用波长、频率、 频率、振幅等来描述）， 振幅等来描述），其强度（光强度） 光强度） 与振幅、 与振幅、频率、 频率、光照时间等呈正相关； 光照时间等呈正相关； • 电磁波的粒子性，把电磁辐射能分解为非常小的微粒子 （光子） 光子），光电子能量的大小与光的强度、光照的时间无 关,而仅与入射光的频率有关;
电磁波的粒子性是指电磁辐射除了它连续波动状 态外还能以离散形式（密集的光子微粒流）存在。 存在。电 磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动（吸收、 吸收、发 射等） 射等）。 光照射在金属上能激发出电子， 光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。这是 ‘ 光电效应’ 。许多光电器件 --- 如光电倍增管、 如光电倍增管、电视摄 象管等， 象管等，正是运用光电效应原理制作的。 正是运用光电效应原理制作的。 大量实验证明， 大量实验证明，光电子的能量与光的强度、 光电子的能量与光的强度、光照的时 间的长短无关， 间的长短无关，而仅与入射光的频率有关。 光电效应现象用电磁波的波动理论是无法解释的。 是无法解释的。
遥感的物理基础1
❖ 大气气体的：成分N：2，多O种2，气体H2、O固，态C和O液2，态C悬O浮，的C微H4，
粒混合组成的。
O3
大减气气的溶重物胶要质原与因太。阳辐射相互作用，是太阳辐射衰
❖ 大气的成分可分为常定成分（ N2，O2 ，
CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶
胶）。
（3）大气结构
大气厚度约为1000km,从地面到大气上界， 可垂直分为4层：
➢ 对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，空气明显垂 直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬 度和季节而变化。
➢ 平流层：高度在12～50 km，没有对流和天气现象。底部 为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由 于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。
➢ 电离层：高度在50～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外 线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。
2) 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上 可以经过处理来接收。
第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响
(1) 太阳辐射 (2) 大气作用 大气的成分与结构 大气吸收 大气散射 大气窗口 大气透射的定量分析
分析结果、图表 输出
接收 预处 理
用户应用 处理
（1）太阳辐射
太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太
☆ 辐射能量（W）：电磁辐射的能量。 ☆ 辐射通量（Φ ）：单位时间内通过某一面积的
辐射能量。 ☆ 辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上
的辐射通量。 ☆ 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积
上的辐射通量。
❖I为物体接收的辐射，M为物体发出的辐射。
22
四、黑体辐射
地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地 物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。
中科院遥地所定量遥感_第一讲_光学遥感基础
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(3) 方向－半球反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有
或可以忽略散射光；波谱测定仪器测定的半球空间的平均反射能量。利用 积分球原理测定的物体反射率波谱就是方向－半球反射率波谱。
Lu (i , i ) 0 E (i , i )
2
Reflectance (%)
2003-07-19
Reflectance (%)
20 15 10 5 0 350 R01-G R01-H R01-Z
20 15 10 5 0
01漫 01-G 01-H 01-Z
850
1350 1850 Wavelength (nm) 2003-07-28
2350
350 40 35 30 25 20 15 10 5 0 350
第一讲 光学遥感概述与基础
第1节 光学遥感与反射率 第2节 典型光学成像系统 第3节 遥感数据资源 第4节 光学遥感瓶颈问题与挑战
刘良云
2014年4月1日
第一节 光学遥感与反射率
Wave model of electromagnetic Radiation
Q1：电磁波作为横波，与纵波相比，什么信息在遥感中能够发掘？
L( r , r ) (i , i , r ,r ) E (i , i )
dLT ( r , r , ) BRDF( i , i , r , r , ) dE( i , i , )
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(2)半球－方向反射率波谱：入射能量在半球空间内分布，波谱测定仪
L
E
由于测定方式的差异，反射率波谱又可以根据入射能量的照明方式及反射能 量测定方式给定如下4种定义：
定量遥感
第二章光学遥感与热红外遥感模型2.3 植被冠层反射模型2.3.5 光学图像的大气影响订正（大气纠正）遥感模型描述地表参量和地表反射率之间的关系，从遥感传感器接收的大气层顶的辐射亮度（表观反射率）中得到地表反射率，需要对大气影响的订正。
大气纠正包括：大气参数估计，地表反射率的反演。
假定地表像元为朗伯体表面，已知大气参数，可以从星下点成像的光学遥感数据反演地表反射率。
大气效应包括分子和气溶胶的散射和气体的吸收。
对分子散射和气体吸收的纠正比较容易，因其浓度在时间和空间上都比较稳定。
困难的是从图像上直接估算气溶胶和水汽的空间分布。
大气对太阳入射的衰减(据(Vermote, 2000)2.3 植被冠层反射模型2.3.5 光学图像的大气影响订正（大气纠正）光学图像的大气纠正方法：－大气参数估计－分子和气溶胶散射－水汽、气溶胶、臭氧、氧气等气体吸收－地表反射率反演－查找表法－从图像本身估计大气参数2.3 植被冠层反射模型2.3.5 光学图像的大气影响订正（大气纠正）1. 单视角（天顶观测）图像的纠正方法－基于辐射传输模型模拟方法－基于“不变地物”的方法－直方图匹配法－暗目标法－对比度降低法－类型匹配法2.3.5 光学影像的大气纠正1. 单视角图像的纠正方法基于“不变地物”的方法：假设一幅图像中有些像元的地面反射率在时间序列上是很稳定的，其遥感的表观反射率的差异主要反映大气条件的变化。
基于这些“不变”像元表观反射率，建立起不同时间图像像元与地表反射率的线性关系，可用来消除由于大气干扰所造成的差异，估算同幅不同时相图像的地表反射率。
要求：有与遥感成像同步的地表反射率测量，获得不同亮度（黑－灰－白）的像元反射率波谱。
2.3.5 光学影像的大气纠正1. 单视角图像的纠正方法直方图匹配法：假设清晰和模糊区域的地表反射率直方图是相同的。
先在一幅图像上辨认出清晰和模糊的区域，然后匹配模糊小区域和清晰区域的反射率直方图，以此确定模糊小区域的大气能见度。
中科院遥地所定量遥感_第二讲_光学定量遥感Chapter2_Part1
P(, ' ) I( , ' ) 4
则多次散射产生的源函数为来自所有方向、并经 散射，到方向Ω的辐射总和。即上式对方向Ω’在 4π空间的积分，即：
P(, ' ) 4 I(, ' ) 4 d'
21
平面平行介质（大气）中的传输方程为：
dI I J d
θ为辐射方向与分层方向法线的夹角。 天顶角 θ
z
dI I J kds
dI cos I J k dz
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光学厚度 (optical thickness, optical depth) 定义点s1和s2之间的介质的光学厚度为：
kds ' kds '
s1 s2
s2
s1
并有：
dτλ(s) = -kλρds (对大气如此) 因此传输方程可以写为：
dI I J d
在实际应用中，τ的定义使τ永远是正数。 而且I与τ的关系一般为exp(-τ0)。
14
对于平面平行大气，且忽略大气中的多次散射和发射， 则传输方程为：
dI I d
The light waves can pass though the object. Think of a pane of glass. The light waves can be scattered in all directions. We refer to this as diffuse reflection. A sheet of white paper is a good example of an object that diffuses light. The light waves can be absorbed, and converted to heat. If you place a white object and a black object in the sun, the black object will feel hotter. The reason for this is that the black object absorbs the light from the sun, turning it into heat, while the white object reflects the light in all directions, and stays cool. Most real world objects cause not just one, but a combination of the above effects.
遥感物理基础1.pptx
电磁波谱
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遥感应用的电磁波波谱段
❖紫 外 线 ： 波 长 范 围 为 0.01 ～ 0.38μm ， 太 阳 光 谱 中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油 污染敏感，但探测高度在2000 m以下。
❖可 见 光 ： 波 长 范 围 ： 0.38 ～ 0.76μm ， 人 眼 对 可 见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波 段。
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❖ 米氏散射：大气中的气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等的 直径与入射光的波长可以比拟或大于入射光的波长时 发生的散射。
❖ 米氏散射的特征： （1）电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒的 内部。 （2）由于颗粒尺度与波长可以比拟，所以颗粒的不 同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的 产生，一方面这高度电流会产生高变的磁场，另一方 面电流的存在意味着焦耳热损耗的出现——电磁波的 吸收。
• 气压随高度是以负指数形式递减。
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大气层次
大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：
➢对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，空气明 显垂直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上 界随纬度和季节而变化。
➢平流层：高度在12～50 km，没有对流和天气现象。底 部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温 度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。
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BACK
大气对辐射的吸收
❖ 大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外 的范围内（ <0.2um 的电磁波几乎被氮气或 氧气吸收）。
❖ 大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um 的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地 面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。
第三章遥感光学基础
13
遥感图像的显示
ETM+各波段设置
波 光谱范围 地面
段 ( m )
分辨率( m )
波长描述
1 0.45-0.52
30
蓝（青）
2 0.52-0.60
30
绿（黄、橙）
3 0.63-0.69
30
红
4 0.76-0.90
30
近红外
5 1.55-1.75
30
短波红外
6 10.4-12.5
60
热红外
7 2.08-2.35
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遥感图像彩色合成
自然色（quasi- nature color，似真彩色） 即合成彩色与人眼看到的自然景物近似。 (TM321（RGB）——RGB)
假彩色(false color) 除植被外，其它地物 合成彩色与自然色近似，植物变为 鲜明红 色（饱和度很高的红） (标准假彩色： TM432（NIR、R、G）——RGB)，人眼 对红光敏感，突出植被信息，其他地物也 还接近人眼看到地面实际场景的颜色 。
2、当CCD曝光后，光电二极管受到光线 的激发释放出电荷，产生感光元件的电 信号。
3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制 信号线路对光电二极管产生的电流进行 控制，由电流传输电路输出，CCD将一 次成像产生的电信号收集起来，统一输 出到放大器。
42
4、经过放大和滤波后的电信号，由A/D将 电信号（此时为模拟信号）转换为数字 信号，数值的大小和电信号的强度即电 压的高低成正比。 5、输出到数字信号处理器（DSP）。在 DSP中，这些图像数据被进行色彩校正 、白平衡处理等后期处理，编码为DC所 支持的图像格式、分辨率等数据格式 6、最后，图像文件就被写入到存储器上 （内置或外置存储器）。
遥感基本知识PPT课件
波段名称 绿色 红色 近红外 近红外 热红外
分辨率（m） 79 79 79 79 240
MSS波段和波长范围
MSS采集地面数据
专题制图仪(TM)
TM数据是第二代多光谱段光学——机械扫描仪，是在MSS基础上改进和发展而成的 一种遥感器。TM采取双向扫描，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，并提高了检测器 的接收灵敏度。
landsat卫星MSS/TM/ETM数据——波段组合
• 假彩色(false color)：（三波段组合），对得来不同波段图像分别赋予RGB三元色，并 不与原来波段的RGB三个波段一一对应，得到图像的彩色与实际彩色则不一致，称为假 彩色图像，假彩色图像是为了使一些地物的特征更加明显，有助于我们进行解译和分析。
• 传感器：为2台高分辩率可见光扫描仪（High Resolution Visible sensor—
SPOT HRV 各波段主要用途
波段 XS1
波长
0.5-0.59 绿色
分辨率 20米
XS2 XS3 全色
0.61-0.68 红色
0.79-0.89 近红外
0.51-0.73微米
20米 20米 10米
• ETM+——Enhance Thematic Mapper Plus增强型专题制图仪 8个波段，热红外波段的分辨率为60m，全色波段的分辨率为15m，
其余波段的分辨率均为30m
Landsat(陆地）卫星简介
Landsat (陆地）卫星是目前世界范围内应用最广泛的民用对地观测卫星
发射 时间
覆盖 周期 波段数
1978年退役 1982年退役
1983年退役 1983年退役
在役服务
LandSat6
遥感技术基础01
2019/11/22
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第一讲：遥感技术概述
根据遥感探测的工作波段
紫外遥感：探测波段在0.3～0.38um之间；
可见光遥感：探测波段在0.38～0.76um之间；
红外遥感：探测波段在0.76～14um之间；
微波遥感：探测波段在1mm～1m之间；
多光谱(Multispectral)遥感：将可见光和近红外光谱段细分割 成数十个波段对目标地物进行探测的遥感技术；
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第一讲：遥感技术概述
遥感应 用实例
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第一讲：遥感技术概述
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第一讲：遥感技术概述
2019/11/22
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第一讲：遥感技术概述
三、遥感的特点
可获取大范围数据资料
一幅Landsat卫星的TM图像可覆盖185km×185km地面面积。
处理； 3. 学生应自觉遵守国家、学校、学院的有关考试的规章
制度。
2019/11/22
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第一讲：遥感技术概述
内容简介
一、遥感的基本概念； 二、遥感的基本过程； 三、遥感的特点； 四、遥感的分类 五、遥感技术的发展。
2019/11/22
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第一讲：遥感技术概述
一、遥感的基本概念
定义：遥感是指非接触的，远距离的探测技术（广义）。 一般指运用传感器对物体的电磁波的辐射、反射特性的探 测，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的 理论、方法和应用的科学技术 （狭义）。
2019/11/22
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第一讲：遥感技术概述
五、遥感技术的发展
遥感技术发展的基础
遥感(Remote Sensing)一词被提出在1950年代。标志着遥感技 术从传统的航空摄影测量将向更新更先进的地球表面信息获 取技术的发展；