第一章 环境遥感及其发展
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资源环境遥感
主讲教师：孟 丹
Email：mengd811@gmail.com Tel：68903192
本学期授课内容
第一章 资源环境遥感基础 第二章 资源环境遥感常用的数据源 第三章 原位光谱测量（含野外测光谱） 第四章 植被遥感（含上机实习） 第五章 水环境遥感（含上机实习）
参考文献
《环境遥感》21世纪高等院校教材，科学出版社 John R. Jensen，《Remote sensing of the
中期的以季节计的环境变化，如作物长势、 草场载畜量等
多年的遥感图像数据和抽 样统计分析
长期的以年计的环境变化，如水土流失、 河流改道、海岸变迁、湖泊消长、城市兴 衰等
超长期的环境变化，如火山喷发、地壳形 变等地质现象，物种驯化与人口迁移等
遥感图像及历史文献纪录 的佐证
遥感图像上的历史痕迹、 间接标志，参照孢粉、14C、 年轮、化石等
空间分辨率：能够分辨出的最小单元尺寸
高分辨率<10m；中等分辨率10-100m； 低分辨率>100m
upscale
多时间尺度性
超短期以小时计的环境变化，如台风、
寒潮、城市热岛、晴空湍流、森林火灾、
冰坝溃决、污染事故等Байду номын сангаас
多时相遥感信息的对比分析
卫星与地面遥感监测结合
短期的以天数计的环境变化，如森林虫害、 江河洪水、作物旱情等
升降、洋流等千米级的巨型环境特征
气象卫星和海洋卫星
大河流域范围的水土流失、以及洪水灾情、 气象卫星、海洋、陆
资源调查等百米级的大型环境特征
地卫星
作物估产、 森林火灾预报、污染监测、交 通道路规划等50m以下的中型环境特征
较高空间分辨率的陆 地卫星系列，如TM、
SPOT、CBERS-1
局部地区的海湾赤潮、地震灾情、工厂污 染、水库建设、濒危物种保护区等5~10m 的小型环境特征
Other resources NASA www.nasa.gov NASAs Visible Earth (source of data): http://visibleearth.nasa.gov/ European Space Agency earth.esa.int NOAA www.noaa.gov Remote sensing and Photogrammetry Society UK www.rspsoc.org IKONOS: http://www.spaceimaging.com/ QuickBird: http://www.digitalglobe.com/
10
A Remote Sensing System
Energy source platform Sensor:大多数资源应用遥感数据是反映电磁能量 data recording / transmission ground receiving station data processing expert interpretation / data users
Remote sensing is the noncontact recording of information from the ultraviolet, visible, infrared and microwave regions of electromagnetic spectrum by means of instruments such as cameras, scanners, lasers, linear arrays, and area arrays located on platforms such as aircraft or spacecraft and the analysis of acquired information by means of visual and digital image processing
缺点 应用过度，只能提供部分时空和光谱信息 在选择数据源、处理数据的时候引入误差 主动遥感系统释放电磁波（LIDAR, RADAR, SONAR）
将会影响被监测的物体 遥感系统通常不可被校正
问：遥感技术的基本原理是什么？
地球上的物体都在不停地发射、反射和吸收电 磁波，且不同物体的电磁波特性是不同的。根 据电磁波的差异来辨析物体的不同。
随着灾害问题的日益加重和国际化趋势的日益明显， 卫星遥感技术在减灾领域中应用的必要性和迫切性也 越来越突出，世界上任何一个掌握和利用卫星遥感技 术的国家都无一例外地把减灾作为其应用的重点。
干旱
台风/风暴
森林、草原火灾 海洋灾害
洪 灾
地震、滑坡 泥石流监测
植物病虫害监测
第三节 卫星分类及应用
卫星轨道的种类 卫星的分类以及应用
data for climate (temperature, atmospheric gases, land surface, aerosols….)
some 'commercial' applications Weather, agricultural monitoring, resource management
21
upscale
upscale
•Platform depends on application
•What information do we want?
•How much detail?
•What type of detail?
http://www-imk.fzk.de:8080/imk2/mipas-b/mipas-b.htm
environment》，Pearson Education，2007. 《环境遥感原理与应用》清华大学环境规划与管
理系列教材，清华大学出版社
《环境遥感监测与应用》中国环境科学出版社， 2011
考核方法
本课程共32学时，2学分，16周； 平时作业及考勤/课堂表现占60%； 期末成绩占40%。
第二节 环境遥感的特点
在数据获取上具有多层次、多时相、多功能等； 在应用方面具有多源数据处理、多学科综合分
析、多维动态监测和多用途的特点。
观测范围广 重复观测频率高 全天候能力 可观测任何受灾区 信息获取快速客观准确 运行稳定可靠
多空间尺度性
全球性的酸雨、二氧化碳温室效应、海面
按 应
海洋环境遥感：海洋水色要素如叶绿素、悬浮泥沙、黄色 物质等的信息提取
用
领 大气环境遥感 大气温度和湿度、水汽、大气成分、气溶胶、大气降水监
域
测、云遥感等
不
同
生态环境遥感
城市土地利用动态变化、城市绿地覆盖、城市交通、城市 住房、城市工业区规划、城市环境监测等
灾害遥感
水灾（洪灾）、气象灾害、地质灾害、火灾遥感监测以及 农作物、果树、牧草病虫害监测
monitor and develop understanding of environment information can be accurate, timely, consistent and large
(spatial) scale some historical data (60s/70s+) move to quantitative applications
资源环境遥感定义（Environmental remote sensing）
广义讲，是指探测地球表层系统及其动态变化为目的 的遥感技术。可涉及大气、水、生态环境等所有遥感 活动的代名词。
狭义讲，是指利用遥感技术探测和研究环境污染的空 间分布、时间尺度、性质、发展动态、影响和危害程 度，以便采取环境保护措施或制定生态环境规划的遥 感活动。
高空间分辨率的卫星 和航空影像
宏观尺度、大型环境尺度、区域尺度、小环境尺度
其他例子？
Remote Sensing Examples
•Global maps of sea surface temperature and land surface reflectance from MODIS instrument
卫星的轨道有哪几种？
1） 静止轨道
卫星绕地球一周的周转时间等于地球的自转周期，这样的 轨道叫地球同步轨道（geo-synchronous orbit），如果从 地面上各地方看过去，卫星在赤道上的一点静止不动，这 种轨道叫静止轨道。
由于静止轨道能够长期观测特定地区，并能将大范围的区 域同时收入视野，因此被广泛应用于气象卫星、通讯卫星 等。离地面高度36000km，覆盖范围固定（事先设定）， 一般观测范围小于45°。对某地扫描时间间隔短，可认为 时间连续。传感器主要是被动式(passive)。分辨率低(low resolution)，主要为气象服务。
时间分辨率
定义：对同一地点进行采样的时间间隔，采样的时间频率， 重访周期。
短周期时间分辨率：小时； 中周期：天； 长周期：年
光谱分辨率
定义：传感器中记录的电磁光谱中特定波长的数量和范围
ETM 4,5,2
ETM Pan
1. Band-1： 0.45-0.52微米 蓝色波段 28.5m 2. Band-2： 0.52-0.60微米 绿色波段 28.5m 3. Band-3： 0.63-0.69微米 红色波段 28.5m 4. Band-4： 0.76-0.90微米 近红外波段 28.5m 5. Band-5： 1.55-1.75微米 短红外波段 28.5m 6. Band-6： 10.40-12.50微米 热红外波段 57m 7. Band-7： 2.08-2.35微米 短波红外波段 28.5m 8. Band-8： 0.50-0.90微米 全色波段 14.25m
多学科综合性
环境科学
地理科学
资源环境遥感
遥感科学
第一章 资源环境遥感基础
z 第一节 z 第二节 z 第三节 z 第四节 z 第五节
资源环境遥感的概念 资源环境遥感的特点 卫星分类及应用 环境遥感进展 环境遥感的应用需求
Remote Sensing ----“遥远的感知”，泛指一切无接触的远距离探测。
Reading and browsing
Tutorials http://rst.gsfc.nasa.gov/ http://earth.esa.int/applications/data_util/SARDOCS/spaceborne/Radar_
Courses/ http://www.crisp.nus.edu.sg/~research/tutorial/image.htm http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/resource/tutor/fundam/index_e.php http://octopus.gma.org/surfing/satellites/index.html
遥感技术是一种借助对电磁波辐射敏感的元器件，通 过航空和航天载荷平台从远距离不直接接触观测对象 而收集、获取观测物体的信息，并对研究对象进行测 量、分类、识别的新兴技术。
Why use satellite RS ?
Source of spatial and temporal information land surface, oceans, atmosphere, ice
辐射分辨率
定义：传感器接收波谱信号时能分辨的最小辐射度差 在图像上常用像元的量化位数来表述
QB 21 Sep 2006
8 bit
4 bit
6 bit
2 bit
8bit =28 =256 DN
多用途性
水资源遥感：水温、水深、径流估算、水域变化
水环境遥感
水质遥感：水体富营养化、悬浮泥沙、石油污染、热污染
11
Remote Sensing Examples
•多光谱扫描仪扫描过程
•Global maps of vegetation from MODIS instrument
•modis.gasfc.nasa.gov
13
遥感的优缺点
优点 被动遥感不会干扰(disturb)监测物体 系统收集的数据能够消除原位测量中的抽样偏差 能够提供大范围、基础的科学信息（生物物理信息）
主讲教师：孟 丹
Email：mengd811@gmail.com Tel：68903192
本学期授课内容
第一章 资源环境遥感基础 第二章 资源环境遥感常用的数据源 第三章 原位光谱测量（含野外测光谱） 第四章 植被遥感（含上机实习） 第五章 水环境遥感（含上机实习）
参考文献
《环境遥感》21世纪高等院校教材，科学出版社 John R. Jensen，《Remote sensing of the
中期的以季节计的环境变化，如作物长势、 草场载畜量等
多年的遥感图像数据和抽 样统计分析
长期的以年计的环境变化，如水土流失、 河流改道、海岸变迁、湖泊消长、城市兴 衰等
超长期的环境变化，如火山喷发、地壳形 变等地质现象，物种驯化与人口迁移等
遥感图像及历史文献纪录 的佐证
遥感图像上的历史痕迹、 间接标志，参照孢粉、14C、 年轮、化石等
空间分辨率：能够分辨出的最小单元尺寸
高分辨率<10m；中等分辨率10-100m； 低分辨率>100m
upscale
多时间尺度性
超短期以小时计的环境变化，如台风、
寒潮、城市热岛、晴空湍流、森林火灾、
冰坝溃决、污染事故等Байду номын сангаас
多时相遥感信息的对比分析
卫星与地面遥感监测结合
短期的以天数计的环境变化，如森林虫害、 江河洪水、作物旱情等
升降、洋流等千米级的巨型环境特征
气象卫星和海洋卫星
大河流域范围的水土流失、以及洪水灾情、 气象卫星、海洋、陆
资源调查等百米级的大型环境特征
地卫星
作物估产、 森林火灾预报、污染监测、交 通道路规划等50m以下的中型环境特征
较高空间分辨率的陆 地卫星系列，如TM、
SPOT、CBERS-1
局部地区的海湾赤潮、地震灾情、工厂污 染、水库建设、濒危物种保护区等5~10m 的小型环境特征
Other resources NASA www.nasa.gov NASAs Visible Earth (source of data): http://visibleearth.nasa.gov/ European Space Agency earth.esa.int NOAA www.noaa.gov Remote sensing and Photogrammetry Society UK www.rspsoc.org IKONOS: http://www.spaceimaging.com/ QuickBird: http://www.digitalglobe.com/
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A Remote Sensing System
Energy source platform Sensor:大多数资源应用遥感数据是反映电磁能量 data recording / transmission ground receiving station data processing expert interpretation / data users
Remote sensing is the noncontact recording of information from the ultraviolet, visible, infrared and microwave regions of electromagnetic spectrum by means of instruments such as cameras, scanners, lasers, linear arrays, and area arrays located on platforms such as aircraft or spacecraft and the analysis of acquired information by means of visual and digital image processing
缺点 应用过度，只能提供部分时空和光谱信息 在选择数据源、处理数据的时候引入误差 主动遥感系统释放电磁波（LIDAR, RADAR, SONAR）
将会影响被监测的物体 遥感系统通常不可被校正
问：遥感技术的基本原理是什么？
地球上的物体都在不停地发射、反射和吸收电 磁波，且不同物体的电磁波特性是不同的。根 据电磁波的差异来辨析物体的不同。
随着灾害问题的日益加重和国际化趋势的日益明显， 卫星遥感技术在减灾领域中应用的必要性和迫切性也 越来越突出，世界上任何一个掌握和利用卫星遥感技 术的国家都无一例外地把减灾作为其应用的重点。
干旱
台风/风暴
森林、草原火灾 海洋灾害
洪 灾
地震、滑坡 泥石流监测
植物病虫害监测
第三节 卫星分类及应用
卫星轨道的种类 卫星的分类以及应用
data for climate (temperature, atmospheric gases, land surface, aerosols….)
some 'commercial' applications Weather, agricultural monitoring, resource management
21
upscale
upscale
•Platform depends on application
•What information do we want?
•How much detail?
•What type of detail?
http://www-imk.fzk.de:8080/imk2/mipas-b/mipas-b.htm
environment》，Pearson Education，2007. 《环境遥感原理与应用》清华大学环境规划与管
理系列教材，清华大学出版社
《环境遥感监测与应用》中国环境科学出版社， 2011
考核方法
本课程共32学时，2学分，16周； 平时作业及考勤/课堂表现占60%； 期末成绩占40%。
第二节 环境遥感的特点
在数据获取上具有多层次、多时相、多功能等； 在应用方面具有多源数据处理、多学科综合分
析、多维动态监测和多用途的特点。
观测范围广 重复观测频率高 全天候能力 可观测任何受灾区 信息获取快速客观准确 运行稳定可靠
多空间尺度性
全球性的酸雨、二氧化碳温室效应、海面
按 应
海洋环境遥感：海洋水色要素如叶绿素、悬浮泥沙、黄色 物质等的信息提取
用
领 大气环境遥感 大气温度和湿度、水汽、大气成分、气溶胶、大气降水监
域
测、云遥感等
不
同
生态环境遥感
城市土地利用动态变化、城市绿地覆盖、城市交通、城市 住房、城市工业区规划、城市环境监测等
灾害遥感
水灾（洪灾）、气象灾害、地质灾害、火灾遥感监测以及 农作物、果树、牧草病虫害监测
monitor and develop understanding of environment information can be accurate, timely, consistent and large
(spatial) scale some historical data (60s/70s+) move to quantitative applications
资源环境遥感定义（Environmental remote sensing）
广义讲，是指探测地球表层系统及其动态变化为目的 的遥感技术。可涉及大气、水、生态环境等所有遥感 活动的代名词。
狭义讲，是指利用遥感技术探测和研究环境污染的空 间分布、时间尺度、性质、发展动态、影响和危害程 度，以便采取环境保护措施或制定生态环境规划的遥 感活动。
高空间分辨率的卫星 和航空影像
宏观尺度、大型环境尺度、区域尺度、小环境尺度
其他例子？
Remote Sensing Examples
•Global maps of sea surface temperature and land surface reflectance from MODIS instrument
卫星的轨道有哪几种？
1） 静止轨道
卫星绕地球一周的周转时间等于地球的自转周期，这样的 轨道叫地球同步轨道（geo-synchronous orbit），如果从 地面上各地方看过去，卫星在赤道上的一点静止不动，这 种轨道叫静止轨道。
由于静止轨道能够长期观测特定地区，并能将大范围的区 域同时收入视野，因此被广泛应用于气象卫星、通讯卫星 等。离地面高度36000km，覆盖范围固定（事先设定）， 一般观测范围小于45°。对某地扫描时间间隔短，可认为 时间连续。传感器主要是被动式(passive)。分辨率低(low resolution)，主要为气象服务。
时间分辨率
定义：对同一地点进行采样的时间间隔，采样的时间频率， 重访周期。
短周期时间分辨率：小时； 中周期：天； 长周期：年
光谱分辨率
定义：传感器中记录的电磁光谱中特定波长的数量和范围
ETM 4,5,2
ETM Pan
1. Band-1： 0.45-0.52微米 蓝色波段 28.5m 2. Band-2： 0.52-0.60微米 绿色波段 28.5m 3. Band-3： 0.63-0.69微米 红色波段 28.5m 4. Band-4： 0.76-0.90微米 近红外波段 28.5m 5. Band-5： 1.55-1.75微米 短红外波段 28.5m 6. Band-6： 10.40-12.50微米 热红外波段 57m 7. Band-7： 2.08-2.35微米 短波红外波段 28.5m 8. Band-8： 0.50-0.90微米 全色波段 14.25m
多学科综合性
环境科学
地理科学
资源环境遥感
遥感科学
第一章 资源环境遥感基础
z 第一节 z 第二节 z 第三节 z 第四节 z 第五节
资源环境遥感的概念 资源环境遥感的特点 卫星分类及应用 环境遥感进展 环境遥感的应用需求
Remote Sensing ----“遥远的感知”，泛指一切无接触的远距离探测。
Reading and browsing
Tutorials http://rst.gsfc.nasa.gov/ http://earth.esa.int/applications/data_util/SARDOCS/spaceborne/Radar_
Courses/ http://www.crisp.nus.edu.sg/~research/tutorial/image.htm http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/resource/tutor/fundam/index_e.php http://octopus.gma.org/surfing/satellites/index.html
遥感技术是一种借助对电磁波辐射敏感的元器件，通 过航空和航天载荷平台从远距离不直接接触观测对象 而收集、获取观测物体的信息，并对研究对象进行测 量、分类、识别的新兴技术。
Why use satellite RS ?
Source of spatial and temporal information land surface, oceans, atmosphere, ice
辐射分辨率
定义：传感器接收波谱信号时能分辨的最小辐射度差 在图像上常用像元的量化位数来表述
QB 21 Sep 2006
8 bit
4 bit
6 bit
2 bit
8bit =28 =256 DN
多用途性
水资源遥感：水温、水深、径流估算、水域变化
水环境遥感
水质遥感：水体富营养化、悬浮泥沙、石油污染、热污染
11
Remote Sensing Examples
•多光谱扫描仪扫描过程
•Global maps of vegetation from MODIS instrument
•modis.gasfc.nasa.gov
13
遥感的优缺点
优点 被动遥感不会干扰(disturb)监测物体 系统收集的数据能够消除原位测量中的抽样偏差 能够提供大范围、基础的科学信息（生物物理信息）