1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。CH4_遙感2k30713-第四章遙感技術在水土保持監測中的應用第一節基本概念與基礎知識一、遙感的基本概念（一）遙感的定義遙感是20世紀60年代發展起來的對地觀測綜合性技術，通常有廣義和狹義的理解。廣義理解，遙感泛指一切無接觸的遠距離探測，包括對電磁場、力場、機械波（聲波、地震波）等的探測。狹義的理解，遙感是應用探測儀器，不與探測目標相接觸，從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體特征性質及其變化的綜合性探測技術。遙感不同于遙測和遙控。遙測是指對被測物體某些運動參數和性質進行遠距離測量的技

2、術，分接觸測量和非接觸測量。遙控是指遠距離控制目標物運動狀態和過程的技術。遙感，特別是空間遙感過程的完成往往需要綜合運用遙測和遙控技術，如衛星遙感，必須對衛星運行參數的遙測和衛星工作狀態的控制等。（二）遙感的基本特點1大面積的同步觀測在地球上，進行資源和環境調查時，大面積同步觀測所取得的數據是最寶貴的。依靠傳統的地面調查，實施起來非常困難，工作量很大。而遙感觀測則可以為此提供最佳的獲取信息方式，并且不受地形阻隔等限制。遙感平臺越高，視角越寬廣，可以同步探測到的地面范圍就越大，容易發現地球上一些重要目標物空間分布的宏觀規律，而有些宏觀規律，依靠地面觀測是難以發現或必須經長期大面積調查才能發現的。

3、如一幀美國的陸地衛星Landsat圖象，覆蓋面積為34225km2（185km185km），在56min內即可掃描完成，實現對地的大面積同步觀測；一幀地球同步氣象衛星圖象可覆蓋13的地球表面，實現更宏觀的同步觀測。2時效性遙感探測，尤其是空間遙感探測，可以在短時間內對同一地區進行重復探測，發現地球上許多事物的動態變化。這對于研究地球上不同周期的動態變化非常重要。不同高度的遙感平臺其重復觀測的周期不同，地球同步軌道衛星可以每半個小時對地觀測一次（如FY-2氣象衛星）；太陽同步軌道衛星（如NOAA氣象衛星和FY衛氣象衛星）可以每天2次對同一地區進行觀測。這兩種衛星可以探測地球表面及大氣在一天或幾小

4、時之內的短周期變化。地球資源衛星（如美國的Landsat、法國的SPOT和中國與巴西合作的CBERS）則分別以16天、26天或45天對同一地區重復觀測一次，以獲得一個重訪周期內的某些事物動態變化的數據。而傳統的地面調查則須大量的人力、物力，用幾年甚至幾十年時間才能獲得地球上大范圍地區動態變化的數據。因此，遙感調查大大提高了觀測的時效性。3數據的綜合性和可比性遙感獲得的地物電磁波特性數據綜合地反映了地球上許多自然、人文信息。紅外遙感晝夜均可探測，微波遙感可全天時全天候探測，人們可以從中有選擇地提取所需的信息。地球資源衛星Landsat和CBERS等所獲得的地物電磁波特性均可以比較綜合地反映地質、

5、地貌、土壤、植被、水文等特征，因此具有廣闊的應用領域。由于遙感的探測波段、成像方式、成像時間、數據記錄等均可按要求設計，使其獲得的數據具有同一性或相似性。同時考慮到新的傳感器和信息記錄都可向下兼容，所以，數據具有可比性。與傳統地面調查和考察比較，遙感數據可以較大程度地排除人為干擾。4經濟性遙感的費用投入與所獲取的效益，與傳統的方法相比，可以大大地節省人力、物力、財力和時間，具有很高的經濟效益和社會效益。有人估計，美國陸地衛星的經濟投入與取得的效益比為180甚至更大。（三）遙感系統與遙感分類1遙感系統根據遙感的定義，遙感系統包括：被測目標的信息特征、信息的獲取、信息的傳輸與記錄、信息的處理和信息

6、的應用五大部分（見圖4-1）。任何目標物都具有發射、反射和吸收電磁波的性質，這是遙感的信息源。目標物與電磁波的相互作用，構成了目標物的電磁波特性，它是遙感探測的依據。接收、記錄目標物電磁波特征的儀器，稱為傳感器或遙感器。如掃描儀、雷達、攝影機、攝像機、輻射計等。裝載傳感器的平臺稱遙感平臺，主要有地面平臺（如遙感車、手提平臺、地面觀測臺等）、空中平臺（如飛機、氣球、其他航空器等）、空間平臺（如火箭、人造衛星、宇宙飛船、空間實驗室、航天飛機等）。傳感器接收到目標地物的電磁波信息，記錄在數字磁介質或膠片上。膠片是由人或回收艙送至地面回收，而數字磁介質上記錄的信息則可通過衛星上的微波天線傳輸給地面的衛

7、星接收站。地面站接收到遙感衛星發送來的數字信息，記錄在高密度的磁介質上，并進行一系列的處理，如信息恢復、輻射校正、衛星姿態校正、投影變換等，再轉換為用戶可使用的通用數據格式，或轉換成模擬信號（記錄在膠片上），才能被用戶使用。地面站或用戶還可根據需要進行精校正處理和專題信息處理、分類等。遙感獲取信息的目的是應用。這項工作由各專業人員按不同的應用目的進行。在應用過程中，也需要大量的信息處理和分析，如不同遙感信息的融合及遙感與非遙感信息的復合等。總之，遙感技術是一個綜合性的系統，它涉及到航空、航天、光電、物理、計算機和信息科學以及諸多的應用領域，它的發展與這些學科緊密相關。圖4-1遙感系統的組成2遙

8、感的類型遙感的分類方法很多，按遙感平臺、傳感器、工作方式和應用領域等進行分類。（1）按遙感平臺地面遙感：傳感器設置在地面平臺上，如車載、船載、手提、固定或活動高架平臺等。航空遙感：傳感器設置于航空器上，主要是飛機、氣球等。航天遙感：傳感器設置于環地球的航天器上，如人造地球衛星、航天飛機、空間站、火箭等。航宇遙感：傳感器設置于星際飛船上，指對地月系統外的目標的探測。（2）按傳感器的探測波動紫外遙感：探測波段在0.050.38之間。可見光遙感：探測波段在0.380.76之間。紅外遙感：探測波段在0.761000之間。微波遙感：探測波段在lmm10m之間。多波段遙感：指探測波段在可見光波段和紅外波段

9、范圍內，再分成若干窄波段來探測目標。（3）按工作方式主動遙感和被動遙感：主動遙感由探測器主動發射一定電磁波能量并接收目標的后向散射信號；被動遙感的傳感器不向目標發射電磁波，僅被動接收目標物的自身發射和對自然輻射源的反射能量。成像遙感與非成像遙感：前者傳感器接收的目標電磁輻射信號可轉換成數字或模擬的圖象；后者傳感器接收的目標電磁輻射信號不能形成圖象。（4）按遙感的應用領域從大的研究領域可分為外層空間遙感、大氣層遙感、陸地遙感、海洋遙感等。從具體應用領域可分為資源遙感、環境遙感、農業遙感、林業遙感、漁業遙感、地質遙感、氣象遙感、水文遙感、城市遙感、工程遙感、災害遙感、軍事遙感等，還可以劃分為更細的

10、研究對象進行各種專題應用。（四）遙感發展的基本狀況1957年10月4日，蘇聯第一顆人造地球衛星的發射成功，標志著人類從空間觀測地球和探索宇宙奧秘進入了新的紀元。1959年9月美國發射的“先驅者2號”探測器拍攝了地球云圖，同年10月蘇聯的“月球3號”航天器拍攝了月球背面的照片。真正從航天器上對地球進行長期觀測，是從1960年美國發射TIROSl（TelevisionInfraredObservationSatellite）和NOAA1（NationalOceanicandAtmosphericAdministration）太陽同步氣象衛星開始的。從此，航天遙感取得了重大進展。同時，航空遙感仍繼續

11、發展。這一時期遙感的發展主要表現在以下幾個方面：遙感平臺方面：除航空遙感已成業務化外，航天平臺也已成系列，20世紀已有5000余顆人造衛星升空。有飛出太陽系的“旅行者”1號、2號等宇航平臺；也有以空間軌道衛星為主的航天平臺，包括載人空間站、空間實驗室、返回式衛星，還有往返于空間與地面之間的航天飛機。在空間軌道衛星中，有地球同步衛星、太陽同步衛星，還有一些低軌和高軌衛星；有綜合目標的較大型衛星，也有專題目標明確的小衛星群。不同高度、不同用途的衛星構成了對地球和宇宙空間的多度角、多周期觀測。傳感器方面：探測的波段范圍不斷延伸，波段的分割愈來愈精細，從單一譜段向多譜段發展。成像光譜技術的出現把感測波

12、段從數百個推向上千個，探測目標的電磁波特性更全面地反映出目標物的性質，它使本來在寬波段遙感中不可探測的物質被探測出來。成像雷達所獲取的信息也向多頻率、多角度、多極化、多分辨率的方向發展。激光測距與遙感成像的結合使得三維實時成像成為可能；各種傳感器空間分辨率的提高，特別是像IKONOS這樣米級高空間分辨率航天圖象的出現，使航天遙感與航空遙感的界線變得模糊；數字成像技術的發展，打破了傳統攝影與掃描成像的界線。此外，多種探測技術的集成日趨成熟，如雷達、多光譜成像與激光測高、GPS（GlobalPositionSystem，地球定位系統）的集成可以同時取得經緯度坐標和地面高程數據，用于實時測圖，并且隨

13、著遙感技術的發展，集成度將更高。遙感信息處理方面：在攝影成像、膠片記錄的年代，光學處理和光電子學影像處理起著主導的作用。隨著數字成像技術和計算機圖象處理技術的迅速發展。眾多的傳感器和日益增長的大量探測數據使得信息處理更為重要。光存貯器的發展，使“信息爆炸”問題有所緩解。大容量、高速度的計算機與功能強大的專業圖象處理軟件的結合成為主流，PCI、ERDAS、ENVI、ER-MAPPER和IDRISI等商品化軟件已為廣大用戶所熟知。這些軟件本身也在不斷完善以適應遙感技術的發展，如可以讀取多種數據格式，設置專門模塊處理雷達圖象，具有三維顯示、貫穿飛行等功能，并與多種GIS（GeographicInfo

14、rmationSystem地理信息系統）軟件和數據庫兼容。在信息提取、模式識別等方面也不斷引入相鄰學科的信息處理方法，豐富了遙感圖象處理內容，如分形理論、小波變換、人工神經網絡等方法，逐步融入人的知識，使信息處理更趨智能化；為適應高分辨率遙感圖象和雷達圖象處理的要求，除了用光譜分類方面改善圖象處理方法之外，結構信息的處理和多源遙感數據及遙感與非遙感數據的融合也得到重視和發展。總之，遙感信息的處理，在全數字化、可視化、智能化和網絡化方面有了很大的發展。但是，目前遙感的信息處理還不能充分滿足廣大用戶的需求，日益豐富的遙感信息（光譜的、空間結構的）還沒有被充分發掘和處理。有人估計，空間遙感獲取的圖象

15、數據，經計算機處理的還不足5%。所以，今后遙感信息的處理將是制約遙感發展的關鍵之一。遙感應用方面：經過近30多年的發展，遙感技術已廣泛滲透到國民經濟的各個領域，對于推動經濟建設、社會進步、環境改善和國防建設起到重大作用。在外層空間探測方面，從軌道衛星和宇宙飛船的傳感器上所能獲取的信息是地面觀測所不能取得的。空間遙感對地觀測得到的全球變化信息，已被證明具有不可替代性。由遙感觀測到的全球氣候變化、厄爾尼諾現象及影響、全球沙漠化、綠波（指植被）推移、海洋冰山漂流等的動態變化現象已經引起人們廣泛的重視；在海洋漁業、海上交通、海洋生態等方面的研究中，遙感都已成為重要角色。礦產資源、土地資源、森林資源、草

16、場資源、野生動物資源、水資源的調查和農作物的估產都不能缺少遙感手段；遙感在解決各種環境變化，如城市化、沙漠化、土地退化、鹽漬化、環境污染等問題有其獨特的作用。此外，在災害監測，如水災、火災、震災、多種氣象災害和農作物病蟲害的預測、預報與災情評估等方面，遙感都發揮了巨大的作用。在各種工程建設中，不同尺度、不同類型的遙感都在不同層次上發揮了作用，如大型水利工程、港口工程、核電站、路網、機場建設、城市規劃等都從遙感圖象取得重要的數據。必須指出的是，近十多年來國際上幾次重大的軍事行動，都綜合地運用了遙感技術所獲取重要的信息。隨著遙感應用向廣度和深度發展，遙感探測更趨于實用化、商業化和國際化。二、遙感基

17、礎知識遙感技術是建立在物體電磁波輻射理論基礎上的，不同物體具有各自的電磁輻射特性。遙感的物理基礎涉及面廣，但是對水土保持工作者來說，主要是應用遙感技術所獲取的圖象或磁帶進行判讀和識別。因此，這里只介紹有關遙感資料應用中所涉及到的主要物理基礎知識。（一）電磁波與電磁波譜1電磁波及其特性波是振動在空間的傳播。光波、熱輻射、微波、無線電波等都是由振源發出的電磁振蕩在空間的傳播，這些波叫做電磁波。電磁波是通過電場和磁場之間相互聯系傳播的。這種電磁能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射等）稱為電磁輻射。電磁波是物質存在的一種形式，它是以場的形式表現出來的。因此，電磁波即使在真空中也能傳播。波動的基本

18、形式有橫波和縱波兩種。橫波是質點振動方向與傳播方向相垂直的波，電磁波是橫波。縱波是質點振動方向與傳播方向相同的波，例如聲波。波動的基本特點是時、空周期性。時、空周期性可以由波動方程的波函數來表示，如圖4-2所示。圖4-2波函數圖解以上介紹了電磁輻射以波動的形式在空間傳播。因此，電磁波具有波動的特性（如干涉、衍射、偏振和色散等現象）。同時，電磁波還具有粒子（量子）性。電磁輻射的粒子性，是指電磁波是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射實質上是光子微粒流的有規律運動，波是光子微粒流的宏觀統計平均狀態，而粒子是波的微觀量子化。電磁輻射在傳播過程中，主要表現為波動性；當電磁輻射與物質相互作用時，主要表現為粒

19、子性，這就是所謂電磁波的波粒二象性。遙感傳感器所探測到的是目標物在單位時間輻射（反射或發射）的能量，由于電磁輻射的粒子性，所以某時刻到達傳感器的電磁輻射能量才具有統計性。電磁波的波長不同，其波動性和粒子性所表現的程度也不同，一般來說，波長愈短，輻射的粒子特性愈明顯，波長愈長，輻射波動特性愈明顯。遙感技術正是利用電磁波波粒二象性這兩方面特性，達到探測目標物電磁輻射信息的。2電磁波譜實驗證明，無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、射線等都是電磁波，只是波源不同，波長（或頻率）也各不同。將各種電磁波在真空中的波長（或頻率）按其長短，依次排列制成的圖表（圖4-3）叫做電磁波譜。圖4-3電磁波譜遙感常

20、用的各光譜波段的主要特性如下；紫外線：波長范圍為0.010.4。太陽輻射含有紫外線。通過大氣層時，波長小于0.3的紫外線幾乎都被吸收，只有0.30.4波長的紫外線部分能穿過大氣層到達地面，且能量很少。紫外波段在遙感中應用比其它波段晚，目前主要用于探測碳酸鹽巖分布。可見光：可見光在電磁波譜中，只占一個狹窄的區間，波長范圍0.40.76，它由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫色光組成。人眼對可見光可直接感覺，不僅對可見光的全色光，而且對不同波段的單色光，也都具有這種能力，所以可見光作為鑒別物質特征的主要波段。在遙感技術中，常用光學攝影方式接收和記錄地物對可見光的反射特征；也可將可見光分成若干個波段同一瞬間

21、對同一景物、同步攝影獲得不同波段的像片；亦可采用掃描方式接收和記錄地物對可見光的反射特征。可見光是遙感中最常用的波段。紅外線：紅外線波長范圍為0.761000。為了實際應用方便，又將其劃分為近紅外（0.763.0），中紅外（3.06.0），遠紅外（6.015.0）和超遠紅外（151000）。近紅外在性質上與可見光相似。由于它主要是地表面反射太陽的紅外輻射，因此又稱為反射紅外。在遙感技術中，采用攝影方式和掃描方式接收和記錄地物對太陽輻射的紅外反射。在攝影時，由于受到感光材料靈敏度的限制，目前只能感測0.761.3波長范圍。近紅外波段在遙感技術中也是常用波段。中紅外、遠紅外和超遠紅外是產生熱感的原

22、因，所以又稱為熱紅外。自然界中任何物體，當溫度高于絕對溫度零度（-273.15）時，均能向外輻射紅外線。物體在常溫范圍內發射紅外線的波長多在340之間，而15以上的超遠紅外線易被大氣和水分子吸收，所以在遙感技術中主要利用315波段，更多的是利用35和814波段。紅外遙感是采用熱感應方式探測地物本身的輻射（如熱污染、火山、森林火災等），所以工作時不僅白天可以進行，夜間也可以進行，能進行全天時遙感。微波：微波的波長范圍lmmlm。微波又可分為：毫米波、厘米波和分米波。微波輻射和紅外輻射兩者都具有熱輻射性質。由于微波的波長比可見光、紅外線要長，能穿透云霧，不受天氣影響，所以能進行全天候全天時的遙感探

23、測。微波遙感可以采用主動或被動方式成像。另外，微波對某些物質具有一定的穿透能力，能直接透過植被、冰雪、土壤等表層覆蓋物，因此微波在遙感技術中是一個很有發展潛力的遙感波段。（二）電磁輻射源自然界中一切物體在發射電磁波的同時，也被其它物體發射電磁波所輻射。遙感的輻射源可分自然電磁輻射源和人工電磁輻射源兩類，它們之間沒有什么原則區別。就象電磁波譜一樣，從高頻率到低頻率是連續的。物質發射的電磁輻射也是連續的。1自然輻射源（1）太陽輻射太陽輻射是地球上生物、大氣運動的能源，也是被動式遙感系統中重要的自然輻射源。太陽表面溫度約有6000K，內部溫度則更高。圖4-4為地球表面所測的太陽光譜輻射強度曲線，其中

24、上部那條連續曲線是地球大氣層以上粗略的太陽輻射光譜曲線，它與溫度為5900K的理想黑體所產生的光譜曲線相似（如圖4-4中虛線所示）。在遙感理論計算中就利用這種黑體來模擬太陽輻射光譜。太陽輻射主要是由太陽大氣輻射所構成，太陽輻射在射出太陽大氣后，已有部分的太陽輻射能為太陽大氣（主要是氫和氮）所吸收，使太陽輻射能量受到一部分損失。太陽輻射以電磁波的形式，通過宇宙空間到達地球表面（約1.5108km），全程時間約500s。地球擋在太陽輻射的路徑上，以半個球面承受太陽輻射。在地球表面上，各部分承受太陽輻射的強度是不相等的。當地球處于日地平均距離時，單位時間內投射到位于地球大氣上界，且垂直于太陽光射線的

25、單位面積上的太陽輻射能為1385士7Wm2，此數值稱為太陽常數。一般來說，垂直于太陽輻射線的地球單位面積上所接受到的輻射能量與太陽至地球距離的平方成反比。太陽常數不是恒定不變的，一年內約有7%的變動。太陽輻射先通過大氣圈，然后到達地面。由于大氣對太陽輻射有一定的吸收、散射和反射，所以投射到地表面上的太陽輻射強度有很大衰減（圖4-4）。圖4-4太陽光經過潔凈大氣前后的光譜輻照度（2）地球的電磁輻射地球輻射可分為兩個部分：短波（0.32.5）和長波（6以上）部分。地球表面平均溫度27（絕對溫度300K），地球輻射峰值波長為9.66。在910之間，地球輻射屬于遠紅外波段。圖4-4為太陽與地球輻射的電

26、磁波譜。圖中可見，右邊上方平滑曲線代表黑體輻射300K時的能量分布曲線，下方不規則曲線代表地球表面的實測輻射能量分布曲線，上方黑體輻射曲線包羅了地球表面輻射能量分布曲線。圖4-5左邊為太陽輻射波譜曲線該曲線與地球輻射的波譜曲線在波長5上方處相交。2人工輻射源（1）微波輻射源在微波遙感中常用的波段為0.830cm。由于微波波長比可見光、紅外線波長要長。在應用上微波遙感具有以下一系列特點：具有全天候全天時探測能力：雷達是主動式傳感器，它不依靠太陽輻射，因此能晝夜獲得同等質量的影像。由于微波波長長，受大氣干擾小，一般厚云層（除特別惡劣氣候條件外）微波都可以透過，故可全天候進行探測，這是可見光與紅外遙

27、感所不能相比的。微波對某些物質具有一定的穿透能力。微波能直接透過植被覆蓋，對于冰、雪和土壤等表層覆蓋物也有一定的穿透能力。某些物質的光譜在微波波段有較大的差異。在可見光與紅外遙感中不易區分的一些物體，在微波遙感中則容易區別。圖4-5太陽與地表輻射的電磁波譜（2）激光輻射源目前研究成功的激光器種類很多。按照工作物質的類型可分為：氣體激光器、液體激光器、固體激光器、半導體激光器和化學激光器等；按激光輸出方式可分為：連續輸出激光器和脈沖輸出激光器。激光器發射光譜的波長范圍較寬，短波波長可至0.24以下，長波波長可至1000，輸出功率低的僅幾微瓦，高的可達幾兆兆瓦以上。激光在遙感技術中逐漸得到應用，其

28、中應用較廣的為激光雷達。激光雷達使用脈沖激光器，它可精確測定衛星的位置、高度、速度等，也可測量地形、繪制地圖、記錄海面波浪情況，還可利用物體的散射性及熒光、吸收等性能監測污染和勘查資源。在遙感圖象處理中，采用激光輸出器和激光存儲器，可大大提高圖象處理的速度和精度。（三）地物的光譜特性地物的光譜特性是遙感技術的重要理論依據，因為它既為傳感器工作波段的選擇提供依據，又是遙感數據正確分析和判讀的理論基礎，同時也作為利用計算機進行數字圖象處理和分類時的參考標準。自然界任何地物都具有其自身的電磁輻射規律，如具有反射、吸收外來的紫外線、可見光、紅外線和微波的某些特性；它們又都具有發射某些紅外線、微波的特性

29、，少數地物還具有透射電磁波的特性。電磁波輻射到任何一個物體上均會產生三個分量，即反射、吸收和透射。三分量之和等于入射電磁波的總能量，但三分量各占多少則取決于物體的性質。衡量物體的反射、吸收和透射能力通常采用反射率、吸收率及透射率。反射率：它反映物體對外來電磁波的反射能力，定義指物體反射電磁波的能量與入射電磁波的總能量之比。=反射能量入射總能量=2*GB3透射率：它反映物體對外來電磁波的透射能力，定義為物體透射電磁波的能量與入射總能量之比。透射能量入射總能量吸收率：它反映物體對外來電磁波的吸收能力，定義為物體吸收電磁波的能量與入射總能量之比。吸收能量入射總能量物體反射、透射和吸收電磁波輻射的能量

30、之和等于電磁波的總能量，反射率、吸收率及透射率之和為1。1地物反射電磁波的特性物體反射電磁波的性能通常用“反射率”或者“亮度系數”表示，而物體對電磁波的反射又可分為“鏡面反射”和“漫反射”兩種形式（圖4-6）。圖4-6反射類型（1）反射率和亮度系數地物反射率的大小與入射光的波長、入射角的大小以及地物表面顏色和粗糙度等有關。一般來說，反射入射光能力強的地物，反射率大，傳感器記錄的亮度值就大，在相片上呈現的色調就淺；反之則深。這些色調的差異是目視解譯的重要標志。亮度系數是指在相同光照條件下，物體的亮度值與標準反射面（常為硫酸鋇板）的亮度值的比值，常用百分數表示。（2）鏡面反射與漫反射物體表面是光滑

31、的還是粗糙的，取決于入射電磁波的波長與物體表面粗糙度之比，即物體表面的粗糙度（h）是入射電磁波波長的函數，并且遵循“瑞利準則”：式中是入射角。因此，對于物體而言，當入射波長滿足此方程時，物體表面為鏡面，否則為漫反射面。（3）物體的微波散射與其它電磁波的散射作用一樣，對于微波來說物體表面的性質，常用表面的垂直起伏高度或者表面粗糙度表示，這時，光滑表面和中等粗糙表面之間的理論邊界為：中等粗糙表面與粗糙表面之間的理論邊界為：式中：h為表面粗糙度；為雷達波長；為天線俯角。根據這些關系，就可對雷達成像和雷達圖象進行具體分析了。（4）地物的反射光譜曲線地物的反射率隨入射波長變化的規律，叫做反射光譜。按地物

32、反射率與波長之間關系繪制曲線圖（橫坐標為波長值，縱坐標為反射率）稱為地物反射光譜曲線，主要地物的反射光譜曲線如圖4-7所示。圖4-7主要地物的反射光譜曲線從所給的地物反射光譜曲線可以看出：=1*GB3不同地物對太陽的電磁輻射具有不同的波譜反射曲線，若測定了該地區內各種地物的波譜反射曲線，就有可能應用這些波譜曲線數據從遙感圖象上識別該地區內的地物。=2*GB3同一類地物例如植被，它們的波譜曲線雖然形狀相似，但在某些光譜段內它們的光譜反射率差別較大，利用這些差異，就有可能判別一些同類不同種的地物。同一種地物的波譜曲線，由于測試的時間、季節以及作物長勢、濕度等各種因素的影響，也會產生較大的差異，因此

33、在測量各種地物的波譜特性時，地面測量與空中遙感要在同一地區、同一時期內進行。（5）影響地物反射率變化的因素地物的光譜反射率與入射電磁波在各波段處的輻射通量及相應的發射通量有關，也就是與入射通量和地物本身性質有關。而很多因素會引起入射通量及地物性質的變化，如太陽位置、傳感器位置、地理位置、地形、季節、氣候變化、地面濕度變化、地物本身的變異、大氣狀況等。2地物的發射光譜特性根據近代物理學的基本理論，任何物質的溫度大于絕對零度時組成物質的原子、分子等微粒都在不停地做熱運動，都有向周圍空間輻射紅外線和微波的能力。通常地物發射電磁輻射的能力是以發射率作為衡量標準。地物的發射率以黑體輻射為基準。物體不斷輻

34、射具有能量和光譜分布的電磁波，而這種能量又依物體的反射率和溫度而變化。由于這種輻射依賴于溫度，因而叫做熱輻射。由于熱輻射根據構成物體的物質及條件不同而變化。所以確定了以黑體（blackbody）為基準的熱輻射的定量法則（見圖4-8）。圖4-8不同溫度的黑體輻射黑體是指入射的全部電磁波被完全吸收，既無反射也沒有透射的物體。根據基爾霍夫的輻射定律（Kirchhoffslawofradiation），處于熱力學平衡狀態的物體所發射的能量與吸收的能量之比與物體本身無關，僅與波長和溫度有關，所以，黑體是在一定溫度下，比其他任何物體的輻射能量都要大的物體，也叫完全輻射體。黑體輻射（blackbodyrad

35、iation）是指黑體的熱輻射，它是在一切方向上都均等的輻射。其輻射亮度是溫度和波長的函數，用普朗克的輻射定律（Plankslawofradiation）表示。以窄波段為對象的輻射溫度計就是利用了這一定律。3地物的透射特性有些地物（如水和冰），具有透射一定波長的電磁波能力，通常把這些地物叫做透明地物。地物的透射能力一般用透射率表示。透射率就是入射光透射過地物的能量與入射總能量的百分比。地物的透射率隨著電磁波的波長和地物的性質的不同而變化。例如水體對0.450.56的藍綠光具有一定的透射能力，較渾濁水體的透射深度為12m，一般水體的透射深度可達1020m。又如，波長大于lmm的微波對冰體具有透射

36、能力。一般情況下，絕大多數地物對可見光都沒有透射能力。紅外線只對具有半導體特征的地物，才有一定的透射能力。微波對地物具有明顯的透射能力，這種透射能力主要由入射波的波長而定。因此，在遙感技術中，可以根據它們的特性，選擇適當的傳感器來探測水下、冰下某些地物的信息。第二節目前常用衛星遙感數據（一）美國LandsatTM數據LANDSAT系列衛星是由美國國家航空和航天局（NASA）發射的，它是目前世界范圍內應用最廣泛的載有光學傳感器的民用對地觀測衛星。目前，該系列的5號和7號衛星正在運行，6號衛星因發射失敗而丟失。LANDSAT-5衛星于1984年4月發射上天，最初的設計壽命為5年。目前雖然有部分星上

37、儀器由于時間的原因已出現性能下降的現象，但衛星的總體情況尚屬良好，所獲取的數據仍被廣泛地應用。LANDSAT-5衛星軌道的基本情況如下：太陽同步軌道運行周期：98.9分鐘軌道的高度：705km軌道傾角：98.224小時繞地球:15圈下行經過赤道的時間：當地時間上午10：0015分鐘掃描帶寬度:185Km重訪周期：16天衛星繞行:233圈LANDSAT-5衛星的主要傳感器名為TM（ThematicMapper，專題制圖儀），是具有7個波段的左右掃描式光學成像儀器（見表4-1）。TM的成像寬度為185km，標準景為185km185km。除第6波段以外，其余6個波段分辯率均為30m。TM數據的特點是

38、覆蓋面大、信息量豐富，成圖比例尺為110萬到115萬，能夠滿足國家級和省級宏觀監測的要求。表4-1TM傳感器技術指標波段號波段頻譜范圍m分辨率mB1藍、綠0.450.5230B2綠0.52-0.6030B3紅0.63-0.6930B4近紅外0.76-0.9030B5短波紅外1.551.7530B6熱紅外10.4012.5120B7短波紅外2.08-2.3530（二）美國LandsatETM數據LANDSAT-7衛星于1999年4月發射上天。為保證LANDSAT系列衛星特性的一致性，LADSAT-7衛星軌道和重訪周期與5號星完全相同。LANDSAT-7衛星的主要傳感器名為ETM+（Enhance

39、dThematicMapperPlus），是具8個波段的左右掃描式光學成像儀器（見表4-2）。ETM+的成像寬度為185km。由表4-1、表4-2可見，LANDSAT-7與5號星相比最大的變化在于以下兩點：增加了分辨率為15m的全色波段；波段6的分辨率提高到60m，其成圖比例尺為15萬到110萬，能夠滿足國家級和省級監測的要求。表4-2ETM+傳感器技術指標波段號類型波譜范圍m地面分辨率mB1藍、綠0.450-0.51530B2綠0.525-0.60530B3紅0.630-0.6930B4近紅外0.775-0.9030B5短波紅外1.550-1.7530B6熱紅外10.40-12.560B7短

40、波紅外2.090-2.3530B8全色0.520-0.9015（三）法國SPOT數據通過對SPOT1、2和4號衛星的編程控制，比較容易接收到需要的數據。該數據有單波段全色和3個波段的多光譜兩類（見表4-3），其分辨率分別為10m和20m；對建設用地反映比較敏感；成圖比例尺為13萬到15萬。每景數據覆蓋范圍為60km60km。SPOT與TM數據是目前遙感監測常用的數據，兩者的融合是遙感監測技術過程中常用的組合方式，有助于非遙感專業人員的識圖。法國SPOT-4衛星軌道參數：軌道高度：832Km軌道傾角：98.721軌道周期：101.469分/圈重復周期：369圈/26天降交點時間：上午10：30分

41、掃描帶寬度：60Km兩側側視：+/-27o掃描帶寬：950Km表4-3法國SPOT衛星傳感器技術指標波段號類型波譜范圍m地面分辨率mB1綠0.500.5920B2紅0.610.6820B3近紅外0.780.8920全色0.780.8915（四）印度IRS數據IRS系列衛星是印度“國家自然資源管理系統”（NationalNaturalResourceManagementSystem）的組成部分。自1988年3月以來，共有7顆IRS系列的衛星（1A、1B、1E、P2、1C、P3、1D）相繼升空。其中，IRS系列中應用最廣的是IRS-1C衛星。IRS-IC衛星軌道的基本情況如下：太陽同步軌道軌道的高

42、度817km下行經過赤道時間：當地時間上10305分鐘軌道周期：24天IRS-1C具有三個光學傳感器：PAN、LISS-3和WiFS。IRS數據每景覆蓋范圍是70km70km。該數據只有1個波段，分辨率為5.8m，成圖比例尺是12.5萬。（五）美國IKONOS數據1999年9月，IKONS衛星發射成功。IKONOS在希臘語中是“圖象”的意思。IKONOS衛星帶給對地觀測最大的意義在于它高分辨率的圖象，這種最高可達1m分辨率的圖象為民用航天遙感事業的發展開創了一個新的領域。IKONOS衛星軌道的基本情況如下：太陽同步軌道軌道高度：680km軌道傾角：98.2下行經過赤道的時間：當地時間上午103

43、01400IKONOS數據每景覆蓋范圍是11km11km，有3個多光譜和1個全色波段（見表4-4），分辨率分別是4m和1m。數據分辨率高，成圖比例尺可達15000，能夠滿足微觀監測要求。表4-4IKONOS衛星傳感器技術指標波段號類型波譜范圍m地面分辨率mB1藍0.45-0534B2綠0.52-0.614B3紅0.64-0.724B4近紅外0.77-0.884全色0.45-0.901（六）加拿大RadarSat數據RADARSAT-1衛星是由加拿大航天局（CSA）于1995年發射的。它是目前世界范圍內性能最先進、應用最廣泛的載有SAR傳感器的民用對地觀測衛星。由于采用了商業化運行的模式和數據政

44、策，RADARSATSAR數據是目前最為可靠的星載SAR數據的來源。RADARSAT-1衛星軌道的基本情況如下：太陽同步軌道軌道高度：796km軌道傾角：98.6采用獨特的晨昏（Dawn-Dusk）軌道，避免和其它地球資源衛星過境時間的沖突。軌道周期24天RADARSAT-1衛星的主要傳感器是具有多模式、多波束特點的SAR，它的一般特性如下：頻率為5.3GHz（波長為C波段）極化方式HH右側視成像寬度50500km。圖象分辨率約8m100m（七）QuickBird(快鳥)數據QuickBird衛星是2001年10月18日在美國發射成功的目前世界上商業衛星中分辨率最高、性能較優的一顆衛星。它在空

45、間分辨率（0.61米），多光譜成像（1個全色通道、4個多光譜通道）成像擺角等方面具有顯著的優勢，能夠滿足更專業、更廣泛應用領域的遙感用戶。快鳥衛星軌道的基本情況如下：星下點成像：沿軌/橫軌跡方向（+/-25度）立體成像：沿軌/橫軌跡方向輻照寬度：以星下點軌跡為中心，左右各272Km成像模式：單景16.5Km16.5Km,條帶16.5Km165Km軌道高度：450Km傾角：98重訪周期：16天表4-5快鳥衛星傳感器技術指標波段號類型波譜范圍m地面分辨率mB1藍0.450-5202.44B2綠0.520-0.602.44B3紅0.630-0.6902.44B4近紅外0.760-0.9002.44全

46、色0.40-0.900.61（八）CBERS-1中巴資源衛星CBERS-1中巴資源衛星由中國與巴西于1999年10月14日合作發射，是我國的第一顆數字傳輸型資源衛星。星上搭載了CCD傳感器、IRMSS紅外掃描儀、廣角成像儀，由于提供了從20米256米分辨率的11個波段不同幅寬的遙感數據（見表4-6），成為資源衛星系列中有特色的一員。CBERS-1中巴資源衛星軌道的基本情況如下：軌道高度：778Km傾角:98.5重復周期：26天平均降交點地方時為上午10：30相鄰軌道間隔時間為4天掃描帶寬度:185Km表4-6CBERS-1中巴資源衛星傳感器技術指標紅外多光譜掃描儀：CCD相機：廣角成像儀：波段

47、數：4波譜范圍：B6：0.501.10(um)B7：1.551.75(um)B8：2.082.35(um)B9：10.412.5(um)覆蓋寬度：119.50Km空間分辨率：B6B8：77.8米B9：156米波段數：5波譜范圍：B1：0.450.52(um)B2：0.520.59(um)B3：0.630.69(um)B4：0.770.89(um)B5：0.510.73(um)覆蓋寬度：113Km空間分辨率：19.5米(天底點)側視能力：-32士32波段數：2波譜范圍：B10：0.630.69(um)B11：0.770.89(um)覆蓋寬度：890Km空間分辨率：256米（九）航空遙感數據航空遙

48、感數據有多種類型，根據任務的不同選用不同類型的數據。共同的特點是成像比例尺大，影像信息豐富，對地物的判斷比較容易，比衛片的判讀更直觀。常用的航空影像數據分為膠片式和數字（數碼）式兩類。處理過程也有光學和數字兩種，前者是用光學鏡頭放大印象、藥水沖洗等，膠影瞬間在每張膠片四周留下標記，以利于成像幾何關系解算。后者主要是在計算機中處理。常見的幾種航空遙感數據類型如下：（1）黑白膠片主要在可見光范圍內成像，反映地物反射可見太陽光的明暗關系。主要特點是清晰度高，幾何分辨能力強，成本相對較低。（2）真彩色膠片主要在可見光范圍成像，反映地物的顏色同人眼觀察效果一致。主要特點是視覺效果良好，直觀逼真，容易理解

49、，適于城市規劃等用途。（3）彩色紅外膠片成像光譜范圍除部分可見光（綠光和紅光）以外，還包含人眼無法感知的近紅外光，攝影時需要在鏡頭前加黃色濾光鏡，濾掉藍光。植被在近紅外光部分有強反射，是其顯著特征，像片上多以紅色表示紅外光，因而植物表現為紅色。主要特點是假彩色效果，色彩艷麗，反差大，對地表覆蓋類型敏感，適合于土壤侵蝕、地質礦產、水污染監測、軍事偵察等多種專業用途。為了方便不具備專業判讀知識的人員使用，可通過交換紅外、紅、綠波段的辦法生產模擬真彩色像片。（4）真彩色數碼近年來新興的數碼相機已經在航空攝影中取得長足的進步，通過線陣或面陣CCD（ChargeCoupledDevice，電磁耦合器）對

50、地掃描成像，直接形成數字圖象，可以方便計算機后處理，保證信息量不衰減。主要特點是沒有復雜、笨重、高耗的膠片傳動機構，相機可以做到非常輕便，能夠裝到小型飛機上使用，適合與小范圍機動靈活的航空攝影任務，在城市規劃、資源調查等領域有廣泛的應用，是今后發展的方向。第三節常見遙感處理軟件一、PCI（一）PCI基本概況PCI是加拿大PCI公司的產品，可進行遙感圖象的處理，也可應用于地球物理數據圖象、醫學圖象、雷達數據圖象、光學圖象的處理，并能夠進行分析、制圖等工作。它的應用領域包括石油天然氣勘探、礦產資源勘探、林業、農業、土地資源調查評估與管理、自然災害動態監測、測繪、環保、城市規劃、鐵路交通、大規模管道

51、工程設計、沙漠治理、工程建設、氣象預報、醫學等。PCI（V6.0）擁有最齊全的功能模塊，包括：常規處理模塊、幾何校正、大氣校正、多光譜分析、高光譜分析、攝影測量、雷達成像系統、雷達分析、極化雷達分析、干涉雷達分析、地形地貌分析、矢量應用、神經網絡分析、區域分析、GIS聯接、正射影像圖生成及DEM（DigitalEvolutionModel，數字高程模型）提取、三維圖象生成、豐富的可供二次開發調用的函數庫、制圖、數據輸人輸出等四百多個軟件包，組成了圖象處理軟件中非常全面和完美的系統。（二）PCI主要特點1編程性強，擴展靈活PCI開發較早，它給用戶的開發工具是一個函數庫，用戶需要用C、Fortra

52、n等第三代語言來開發應用程序，同時利用函數庫中提供的接口函數來與軟件系統進行集成，用戶必須對軟件的底層結構有比較深人的了解。2輸入輸出功能及文件管理PCI以PCIDSK數據庫的格式存儲所有相關的信息。PCIDSK源自加拿大遙感中心數據的UNIDSK數據庫格式，在這種格式下所有的圖象數據和所有的統計數據都存儲在同一個文件中。并且PCI在某種程度上對遙感處理軟件中的各種信息進行了一定程度的集成，即文件管理由面向數據轉變為面向空間信息。PCI支持的文件格式較多。3圖象的顯示與控制PCI的顯示結構是傳統的顯示方式即面向像元，圖象的放大以像元為單位。多幅圖象的鑲嵌必須要求像元大小一致，否則需手工重采樣到

53、同一大小。4圖象校正處理PCI提供了完整的校正處理，包括輻射校正、幾何精校正和正射校正。PCI提供了一個單獨的軟件包GCPWORKS，來實現包括鑲嵌改變在內的幾何校正。PCI提供了相應的流程幫助用戶一步一步完成所需的功能。5圖象增強處理PCI提供的對比度增強是在圖象顯示及控制部分實現的，提供了快速自動拉伸和交互式功能。PCI實現了與對比度增強類似的濾波處理，處理后的結果直接顯示，而且濾波的效果可以預覽。但PCI對于空間域增強處理的弱點是：若想永久保存濾波后的處理結果，必須重新存儲一個文件，而且濾波的方法必須自己記錄。PCI也可以實現任意多波段處理功能的組合，但是必須保存很多中間結果。6分類分類

54、是遙感圖象處理中非常重要的一部分，它是指將遙感數字圖象中的像元歸類到幾種地物類型中，從而提取出有用的專題信息為最終用戶所使用。非監督分類中最常用的是迭代自組織的數據分析算法，即ISODATA算法。除此之外，PCI還提供了K均值聚類、NarendraGoldberg聚類算法以及神經網絡分類器、模糊邏輯分類器和句法分類器。7矢量，GIS及制圖PCI支持兩種類型的矢量元素，點和線段，實現了矢量層的編輯功能。PCI在實現輔助信息與原圖象的覆蓋疊加方面是以像元為基本單位。在制圖方面，PCI支持的打印機種類較少，但是考慮打印機的特性較好，將打印機分為位圖和連續色調打印機。8DEM處理PCI提供了豐富的DE

55、M數據獲取手段，地形參數分析，三維透視圖的參數控制，三維漫游觀察能力。9高光譜分析PCI提供了比較多的光譜庫以及豐富的定量分析工具。10SAR處理對于單波段，單極化SAR圖象的處理有三個步驟：信號處理，圖象處理和應用信息提取。PCI在機載、星載雷達數據的幾何校正、天線方向圖校正、濾波、紋理分析等處理方面的質量非常好。二、ERDAS（一）ERDAS基本概況ERDAS是美國亞特蘭大ERDAS（EarthResourceDataAnalysisSystem）公司集遙感和GIS于一身的軟件包。ERDAS軟件分為三層，最里面的是DOS操作系統，中間的為ERDAS自身管理程序，最外層為ERDAS人機界面，

56、ERDAS的設計體現了高度的模塊化，主要模塊有核心模塊、圖象處理模塊、地形分析模塊、數字化模塊、掃描儀模塊、柵格模塊、硬拷貝模塊、磁帶機模塊，其中圖象處理模塊又包括增強模塊、預分類模塊、分類模塊、分類后處理模塊、輻射度糾正模塊、幾何糾正模塊。（二）ERDAS主要特點1顯示雙屏幕操作，菜單清晰易讀，用戶界面良好除了一些特殊情況外，人機對話幾乎都含有缺省值，這樣便于操作，操作的過程也就成了學習提高的過程。2包含多種數據接口如與世界著名的GIS軟件ARC/INFO、計算機輔助設計軟件AutoCAD、大眾數據庫Dbase及Minitab、SAS各種統計軟件等有著良好的接口。這樣，ERDAS的數據文件就

57、能與其它軟件進行交流與共享，擴大了ERDAS的應用面。3別具特色的柵格地理信息系統具有GIS專題的迭加、復合、搜索、分析等諸多功能，方便易用。4包含圖象處理領域內諸多最新的算法軟件版本不斷更新，更適應于各種各樣的新應用。5圖象文件分兩種LAN文件和GIS文件，便于管理、分析。三、ENVI（一）ENVI基本概況ENVI（TheENvionmentForVisualizingImages）是由美國BetterSolutionsConsultingLimitedLiabilityCompany開發的一套功能齊全的遙感圖象處理系統，是處理分析并顯示多光譜數據、高光譜數據和雷達數據的高級工具。ENVI是

58、完全由IDL（InteractiveDataLanguage）寫成。ENVI的許多特性與IDL語言的特性緊密相關。IDL是一個用于交互式數據分析和數據可視化的完整計算環境，將大量數學設計分析和圖形顯示技術與功能強大的面向數組的結構化語言結合在一起。各種處理功能均通過菜單調用，參數的選擇一般通過對話框實現。由于IDL的開放性，用戶可以很容易的進行二次開發，方便靈活，可擴展性強。圖象處理是基于波段的，當多個文件被同時打開時，用戶可以選擇不同文件中的多個波段同時進行處理，直觀且功能強大。ENVI將圖象處理功能分為交互式功能（顯示控制與分析）和通用功能（其它圖象處理）。ENVI的主菜單和交互式菜單已經

59、標準化，直觀方便，符合用戶習慣。ENVI包含所有基本的遙感影像處理功能，如：校正、定標、波段運算、分類、對比增強、濾波、變換、邊緣檢測及制圖輸出功能，從3.2版本起還可以加注漢字。ENVI具有對遙感影像進行配準和正射校正的功能，可以給影像添加地圖投影，并與各種GIS數據套合。對于要處理的圖象波段數沒有限制，可以處理最先進的衛星格式，如Landsat7、SPOT、RADARSA、NOAA、EROS和TERRA，并準備接受未來所有傳感器的信息。ENVI的矢量工具可以進行屏幕數字化，柵格和矢量疊合，建立新的矢量層，編輯點、線、多邊形數據，進行緩沖區分析，創建并編輯屬性進行相關矢量層的屬性查詢，能夠進

60、行地物目標識別。ENVI擁有世界上最先進的高光譜和多光譜分析工具，用戶可以識別出圖象中純度最高的像元，通過與已知波譜庫的比較確定未知波譜的組分。用戶不但可以使用ENVI自帶的波譜庫，也可以自定義波譜庫，甚至可以組合使用線性波譜分離和匹配濾波技術進行亞像元分解，以消除匹配誤差，獲得更精確的結果。用ENVI完整的集成式雷達分析工具可以快速處理雷達數據。（二）ENVI主要特點1豐富的數據輸入輸出格式ENVI數據的輸入輸出格式包括通用數據格式、矢量格式、遙感數據格式、其他遙感軟件格式和其他數據格式。2交互式分析（1）感興趣區（ROI，RegionofIntersting）ENVI可以交互定義ROI，允