R S 3S/YNNU Dr.WJL 遥感原理与方法 教学目的 使学生了解 RS的发展概况和趋势，掌握 RS 的基本原理和有关基础理论，熟悉 RS在国民经 济各部门的应用，并初步具备解决 RS技术实际 应用基本问题的能力。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 主要参考教材 1 梅安新等编著 .《遥感导论》，高等教育出版社， 2001年 7月 主要参考书目 1.闾国楷等编著 . 《遥感概论》，高等教育出版社， 1995年 5 月（第二版） 2. 仇肇锐等编著 . 《遥感应用技术》，武汉测绘科技大学出 版社， 1998年 10月 3.孙家柄等著 .《遥感原理、方法和应用》，测绘出版社， 1997年 6月 4.章孝灿等编著 .《遥感数字图像处理》，浙江大学出版社 ， 1997年 9月 5.周成虎等编著 .遥感影像地学理解与分析，科学出版社， 1999年 12月 R S 3S/YNNU Dr.WJL 遥感原理与方法 ? 第 一章 遥感概述 ? 第二章 遥感的物理基础 ? 第三章 遥感图象获取原理 ? 第四章 航空遥感和航空像片 ? 第五章 航天遥感和卫星图像 ? 第六章 遥感数字图像处理 ? 第七章 遥感图像目视解译 ? 第八章 遥感图像的计算机解译 ? 第九章 遥感技术应用实例 目 录 R S 3S/YNNU Dr.WJL 1 遥感的基本概念 2 遥感技术系统 3 遥感的类型 4 遥感的特点 5 遥感技术的发展简史 6 中国遥感事业的发展 Chapter 1 绪论 7 21世纪遥感技术体系的发趋势 R S 3S/YNNU Dr.WJL 20世纪60年代发展起来的对地观测综 合性技术。 ? 遥感一词的英文为 Remote Sensing，意思是 遥远的感知。 60年代由美国人 Evelyn Pruitt 提出。 ? 通常有广义和狭义的理解。 1 遥感的基本概念 R S 3S/YNNU Dr.WJL ?狭义理解， 遥感是指从不同高度的平台（ Platform ）上，使用各种传感器（ Sensor），接收来自地球表 层的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理， 从而对不同的地物及其特性 进行远距离探测和识别的 综合技术。 ?广义理解， 遥感泛指一切无接触的远距离探测， 包括对电磁场、力场、机械波 (声波、地震波 )等的探 测。 实际工作中，重力、磁力、声波、地震波等的探 测被划为物探 (物理探测 )的范畴。因而，只有电磁波 探测属于遥感的范畴。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 传感器 ：接收、记录目标物电磁波特征的仪器（ 各种光学、无线电仪器），如扫描仪、雷达、摄 影机、摄像机、辐射计等。 遥感平台 ： 装载传感器的工具或设备，主要 有地面平台 (如遥感车、手提平台、地面观测台 等 )、空中平台 (如飞机、气球、其他航空器等 ) 、空间平台 (如火箭、人造卫星、宇宙飞船、空 间实验室、航天飞机等 ) R S 3S/YNNU Dr.WJL ?遥测 (Telemetry)是指对被测物体某些运动参 数和性质进行远距离测量的技术，分接触测量和 非接触测量。 ?遥控 (RemoteControl)是指远距离控制目标物 运动状态和过程的技术。 R S 3S/YNNU Dr.WJL （ 1）遥感技术 遥感技术主要解决获取地球表层信息的手段问题， 它包括传感器的设计与制造，传感器的扫描姿态，数据 传输以及原始数据的预处理等。 （2）遥感理论 遥感理论的主要任务是将数据（传感器所提供的可 测参数值）转化为有用的信息，即可被人类理解的关于 地球表层的某种物理的、几何的、生物学的及化学的参 数。 （3）遥感应用 遥感应用的任务是将信息转变为知识，所谓知识是 对地球表层系统的物理过程及内在变化规律的认识和表 达。遥感应用的特点是必须将由遥感手段获取的信息与 母学科知识紧密结合，才能对地球表层系统的现状作出 正确的描述，对它的发展作出准确的判断 遥感的基本内容 R S 3S/YNNU Dr.WJL 遥感 技术 ?? 根据电磁波理论，不与目标物接触 ，从远处用探测仪器接收来自目标物的 电磁波信息，通过对信息的处理和分析 研究，确定目标物的属性及目标物相互 间的关系的综合技术系统。 2 遥感技术系统 R S 3S/YNNU Dr.WJL 传感器 能量来源 大气层 地物 接收系统 数字化分析 可视化分析 终极用户 R S 3S/YNNU Dr.WJL R S 3S/YNNU Dr.WJL 信息获取： 传感器接收到目标地物的电磁波信息，记录在数 字磁介质或胶片上。胶片是由人或回收舱送至地面回收，而数 字磁介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面 的卫星接收站。 信息纪录与传输： 地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息 ，记录在高密度的磁介质上 (如高密度磁带 HDDDT或光盘等 )， 并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、 投影变换等，再转换为用户可使用的通用数据格式，或转换成模 拟信号 (记录在胶片上 )，才能被用户使用。 信息处理： 地面站或用户还可根据需要进行精校正处理和专 题信息处理、分类等。 信息应用： 遥感获取信息的目的是应用。这项工作由各专业 人员按不同的应用目的进行。 信息源： 任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质 ，这是遥感的信息源 R S 3S/YNNU Dr.WJL （ 1）按遥感平台分 地面遥感 :传感器设置在地面平台上，如车载、船载、 手提、固定或活动高架平台等 ; 航空遥感 :传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球 等 ; 航天遥感 :传感器设置于环地球的航天器上，如人造地 球卫星、航天飞机、空间站、火箭等 ; 航宇遥感 :传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外 的目标的探测。 3 遥感的类型 R S 3S/YNNU Dr.WJL （ 2）按传感器的探测波段分 紫外遥感 :探测波段在 0.05一 0.38μm之间 ; 可见光遥感 :探测波段在 0.38一 0.76μm之间 ; 红外遥感 :探测波段在 0.76一 1000μm之间 ; 微波遥感 :探测波段在 1mm一 1m之间 ; 多波段遥感 :指探测波段在可见光波段和红外波段范 围内，再分成若干窄波段来探测目标。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 可见光 ·反射 红外遥感 热红外遥感 微波遥感 太阳 目标物 目标物 雷达 反射率 热辐射 (温度，辐射率 ) 微波辐射 后向散射 系数 太阳光的反射 遥感器 a b a 目标物的辐射 b 波长 0.5μm 3μm 10μm 紫外 可见光 反射红外 热红外 微波 0.4μm 0.7μm 1mm 0.3μm 0.9μm 14μm 1mm 30cm 摄影机 探测元件 微波 遥感器 遥感器 电磁波光谱 光谱辐射亮度 辐射源 目标物 根 据 波 段 把 遥 感 划 分 为 3 种 类 型 R S 3S/YNNU Dr.WJL 主动遥感和被动遥感 :主动遥感由探测器主动发射一 定电磁波能量并接收目标的后向散射值量 ;被动遥感 的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的 自身发射和对自然辐射源的反射能量。 (见下图 ) （ 3）按工作方式分 主动遥感和被动遥感 成像遥感与非成像遥感 R S 3S/YNNU Dr.WJL 被动传感器 主动传感器 太阳 折射 后向回波 ?微波 反射 热量发射 散射 直接辐射 反射回来的波 ?近红外 云层 主动遥感与被动遥感区别？ 云层 热辐射波 ?热红外 R S 3S/YNNU Dr.WJL Passive Sensors Active Sensors R S 3S/YNNU Dr.WJL 成像遥感与非成像遥感 : 前者传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成 (数字或模拟 )图像 ;后者传感器接收的目标电磁辐射 信号不能形成图像。 R S 3S/YNNU Dr.WJL （ 4）按遥感的应用领域分 从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥 感、陆地遥感、海洋遥感等 ; 从具体应用领域可分为资源遥感、环境遥感、农 业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感 、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事 遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种专题 应用。 R S 3S/YNNU Dr.WJL （ 1）遥感范围大，可实施大面积的同步观测 （ 2）获取信息快，更新周期短，具有动态监测的特点 （时效性） （ 3）数据的综合性和可比性，具有手段多，技术先进 的特点 （ 4）经济效益高，用途十分广泛 （ 5）遥感技术的局限性 4 遥感的特点 R S 3S/YNNU Dr.WJL (1)无纪录的地面遥感阶段 (1608-1838年 ) 1608年，汉斯 ·李波尔赛制造了世界第一架望远镜， 1609年伽利略制作了放大倍数 3倍的科学望远镜，从而 为观测远距离目标开辟了先河。但望远镜观测不能把观 测到的事物用图像的方式记录下来。 (2) 有记录的地面遥感阶段 (1839-1857) 对探测目标的记录与成像始于摄影技术的发明，并与 望远镜相结合发展为远距离摄影。 1839年，达盖尔 (Daguame)发表了他和尼普斯 (Niepce)拍摄的照 ，第一次 成功地把拍摄到事物形象地记录在胶片上。 1849年，法国 人艾米 ·劳塞达特 (Aime Laussedat)制定了摄影测量计划， 成为有目的有记录的地面遥感发展阶段的标志。 5 遥感的发展简史 R S 3S/YNNU Dr.WJL (3)航空摄影遥感阶段 (1858-1956年 ) 1858年， G·F·陶纳乔 (GaspardFelixTournachon)用系留气球拍摄 了法国巴黎的 "鸟瞰 "像片。 1860年， J·W·布莱克 (Jmes Wallace Black)与 S·金 (Sam King)乘气 球升空至 603M成功地拍摄了美国波士顿 (Boston)市的照片 . 1903年， J·纽布朗纳 (Julius Nenbmnner)设计了一种捆绑在飞鸽身 上的微型相机。这些试验性的空间摄影，为后来的实用化航空摄影 遥感打下了基础。 同年， W·莱特和 O.莱特 (Wilbour Wright & Orvilke Wright)发明 了飞机，才真正地促进了航空遥感向实用化的迈进。 此外，还有人用风等拍摄空中照片 . 1909年， W·莱特在意大利的森托塞尔上空用飞机进行了空中摄影 ;1913年，利比亚班加西 (Bangashi)油田测量就应用航空摄影 . 在第一次世界大战期间，航空摄影成了军事侦察的重要手段，并 形成了一定的规模。 1924年，彩色胶片的出现 . 1935年彩色胶片投入市场初期 ,为后来的航空遥感打下了基础。 第二次世界大战前朝，德、英等国就充分认识到空中侦察和航空 摄影的重要 军事价值，并在侦察敌方军事态势、部署军事行动等 方面收到了实际效果。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 二战中，微波雷达的出现及红外技术应用于军事侦察，使遥感 探测的电磁波谱段得到了扩展。 二战及其以后，出版了一些著作，对航空遥感的方法和理论进 行了总结。如 1941年 A·J·厄德莱 (Eardey)的《航空像片 :应用与判读 》、 J·W·巴格莱 (Bagley)的《航空摄影与航空测量》等。前者讨论 了航空像片的地质学应用及某些地物，包括植被的物征。后者则侧 重于航空测量的方法探讨。 与此同时，人才培养与专业学术刊物的出版也是这一时期的特 点。美国在大学中开设了航空摄影与像片判读的课程 ;国际地理学 会于 1949年设立了航空像片应用专业委员会。 1945年，美国创刊了 《摄影测量工程》杂志 (1975年改为《摄影测量工程与遥感》，现 已成为国际著名的遥感专业刊物之一 )。这些均对遥感发展成为独 立的学科在理论方法上作了充分的准备，奠定了基础。 R S 3S/YNNU Dr.WJL (4) 航天遥感阶段 (1957-) 1957年 10月 4日，苏联第一颗人造地球卫星的发射成功，标志 着人类从空间观测地球和探索宇宙奥秘进大了新的纪元。 1959年 9 月美国发射的 “先驱者 2号 ”探测器拍摄了地球云图，同年 10月苏联 的《月球 3号 “航天器拍摄了月球背面的照片。真正从航天器上对地 球进行长期观测是从 1960年美国发射 TIROS-lO和 NOAA-1 太阳同 步气象卫星开始的。从此，航天遥感取得了重大进展。同时，航空 遥感仍继续发展。 ?1972年 ERTS-1(地球资源技术卫星 [美 ])发射（后改名为 Landsat-1 ） (地球资源技术卫星 [美 ];)，装有 MSS(多光谱扫描器 )传感器，分 辨率 79米标志着遥感进入新阶段 ?1982年 Landsat-4发射，装有 TM传感器，分辨率提高到 30米 ?1986年 SPOT-1发射，装有 PAN和 XS传感器，分辨率提高到 10米 ?1991ERS-1发射，装有 SAR ?1995年 RADARSAT发射，装有 SAR ?1999年 IKNOS发射，分辨率提高到 1米 ?2000年清华 1号发射，三波段相机， 40米分辨率 R S 3S/YNNU Dr.WJL Within hours President Eisenhower was viewing the first images First TIROS-1 Image April 1, 1960 R S 3S/YNNU Dr.WJL On April 1, 1960 the first U.S. weather satellite was launched from Cape Canaveral, FL R S 3S/YNNU Dr.WJL 这一时期遥感的发展主要表现在以下几个方面 : 遥感平台方面 :除航空遥感已成业务化外，航天平台也已成系列 ， 20世纪已有 5000余颗人造卫星升空。有飞出太阳系的 "旅行者 "1号 、 2号等宇航平台 ;也有以空间轨道卫星为主的航天平台，包括载人空 间站、空间实验室、返回式卫星，还有往返于空间与地面间的航天飞 机 (Spaceshuttle)。在空间轨道卫星中，有地球同步卫星、太阳同步卫 星，还有一些低轨和高轨卫星。有综合目标的较大型卫星，也有专题 目标明确的小卫星群。不同高度、不同用途的卫星构成了对地球和宇 宙空间的多度角、多周期观测。 传感器方面 :探测的波段范围不断延伸，波段的分割愈来愈精细 ，从单一谱段向多谱段发展。成像光谱技术的出现把感测波段从数百 测目标的电磁波特性更全面地反映出目标物的性质，它使本来在宽波 段遥感中不可探测的物质被探测出来。成像雷达所获取的信息也向多 频率、多角度、多极化、多分辨率的方向发展。激光测距与遥感成像 的结合使得三维实时成像成为可能 ;各种传感器空间分辨率的提高， 特别是像 IKONOS这样 lm级高空间分辨率航天图像的出现，使航天遥 感与航空遥感的界线变得模糊 ;数字成像技术的发展，打破了传统摄 影与扫描成像的界线。此外，多种探测技术的集成日趋成熟，如雷达 、多光谱成像与激光测高、 GPSO的集成可以同时取得经纬度坐标和 地面高程数据，用于实时测图，并且随着遥感技术的发展，集成度将 更高。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 遥感信息处理方面 :在摄影成像、胶片记录的年代，光学处理和光电子学 影像处理起着主导的作用。随着数字成像技术和计算机图像处理技术的迅速 发展。众多的传感器和日益增长的大量探测数据使得信息处理更为重要。光 存贮器的发展，使 "信息爆炸 "问题有所缓解。上容量、高速度计算机与功能 强大的专业图像处理软件的结合成为主流， PCI、 ERDAS、 ENVI、 ER- APPER和 IDRISI等商品化软件已为广大用户所熟知。这些软件本身也在不断 完善以适应遥感技术的发展，如可以读取多种数据格式，设置专门模块处理 雷达图像，具有三维显示、贯穿飞行等功能，并与多种 GIS软件和数据库兼容 。在信息提取、模式识别等方面也不 "引人相邻学科的信息处理方法，丰富了 遥感图像处理容 ,如分形理论、小波变换、人工神经网络等方法，逐步融入人 的知识，使信息处理更趋智能化 ;为适应高分辨率遥感图像和雷达图像处理的 要求，除了在光谱分类方面改善图像处理方法之外，结构信息的处理和多源 遥感数据及遥感与非遥感数据的融合也得到重视和发屡。 总之，遥感信息的处理，在全数字化、可视化、智能化和网络化方面有 了很的发展。今后遥感信息的处理将是制约遥感发展的关键之一。 遥感应用方面 :经过近 30多年的发展，遥感技术已广泛渗透到国民经济的 各个领域，对于推动经济建设、社会进步、环境的改善和国防建设起到重大 作用。 在外层空间探测方面，由遥感观测到的全球气候变化、厄尔尼诺现象及 影响、全球沙漠化、绿波 (指植被 )推移 ,海洋冰山漂流等的动态变化现象己经引 起人们广泛的重视 ;海洋渔业、海上交通、海洋生态等方面的研究中，遥感都 已成为重要角色。矿产资源、土地资源、森林草场资源、野生动物资源、水 资源的调查和农作物的估产都缺 OGPS为全球定位系统创。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 20世纪 30年代 ,于个别城市进行过航空摄影 ,20世纪 50年代开始系统 的航空摄影，主要应用于地形图的制图、更新，在铁路、地质、林业 等领域的调查、勘测、制图等方面起到重要的作用。 20世纪 70年代以来，遥感事业有了长足进步。航空摄影测绘已迸 人业务化阶段，全国范围内的地形图更新已普遍采用航空摄影测量， 并在此基础上开展了不同目标的航空专题遥感试验及应用研究，特别 在利用航空平台进行各种新型传感器试验和系统集成试验研究方面， 取得了成效。我国已经成功地研 了多种传感器。其中，成像光谱仪和 微波传感器备受关注。在研制新型传感器的同时，还注意到把其中几 种传感器组合为集成探测系统，如把航空摄影扫描、成像光谱仪、合 成孔径侧视雷达分别与激光高度计、 GPS集成，可以同时获得可见光 波段、近红外波段或雷达影像，及空间定位、高程数据等三维信息。 又如把合成孔径侧视雷达与 GPS集成，用于水灾灾情实时动态监测， 在抗洪救灾中发挥了作用。 6 中国遥感事业的发展 R S 3S/YNNU Dr.WJL 自 1970年 4月 24日发射 “东方红 1号 ”人造卫星以后，相继发射了 数十颗不同类型的人造地球卫星。太阳同步的 “风云 l号 ”(FY-lA， lE) 和地球同步轨道的 “风云 2号 ”(FY-2A,2B)的发射，返回式遥感卫星的 发射与回收，使我国开展宇宙探测、通讯、科学实验、气象观测等 研究有了自己的信息源， 1999年 10月 14日中国 -巴西地球资源遥感卫 星 CBERS-1的成功发射，使我国拥有了自己的资源卫星， “北斗 1,2” 定位导航卫星及 "清华 1号 "小卫星的成功发射，丰富了我国卫星的类 型。 1986年我国建成了遥感卫星地面站，逐步形成了接收 美国 Iandsat、法国 SPOT、加拿大 RADARSAT和中国 -巴 西 CBERS等 7颗遥感卫星数据的能力。 数十个分布于全国各地的气象卫星接收站，可以接 收地球同步 (静止轨道 )和太阳同步 (极轨 )气象卫星数据。 在遥感信息获取方面 在图像信息处理方面 在遥感应用方面 R S 3S/YNNU Dr.WJL （1）多分辨率传感器并存 不同的应用目的需要不同的分辨率。经三、四十 年的发展表明高分辨率的图象，如1米分辨率的IKONOS ，可以会有较快的发展，这是由于小卫星技术日趋成 熟，发射成本越来越低，它在军事侦察与城市测绘方 面有独突的作用（见图8），就民用而言，它有可能逐 步发展为一种产业。另一方面低空间分辨,例如1km 分 辨率的NOAA 系列，Seawief 系列，以及MODIS 系列， 将会得到较快的发展，因为实践表明这种尺度较适合 于全球变化的研究。 7 21 世纪遥感技术体系的发趋势 R S 3S/YNNU Dr.WJL （2）多波段、多角度及多极化遥感同时并用 四十年的遥感实践表明遥感技术系统基本上还只是处在实验 研究阶段，除NOAA 气象卫星系列进入了业务运行范畴，其他遥 感系统还只处在数据获取方法，遥感应用效果等方面的试验研究 阶段，而正反两方面的经验对知识的积累都有积极的作用。例如 自八十年代中期开始人们追求高空间分辨率及高光谱分辨率，很 快人们就设计出成象光谱仪，并多次进行飞行实验，所谓高光谱 。就是在0.4μm－2.5μm 之间设置了多达2 百多个波段，每一 波段通道很窄，只有几个到十几个毫微米nm。因此传感器在提供 图象的同时，对每一个象元可提供一条几乎是连续的光谱曲线。 人们期望这条近乎连续的光谱典线可以极大地提高对地物的判别 ，但实践表明，除了地物特有的具有标志性的吸收波段外，比如 叶绿素在0.625μm，液态水在1.9 及1.4μm 有强烈的吸收谷， 其他地方仍然存在同物异普现象。事实上对于非吸收波段，其反 射强度受多种因素干扰，尤其是混合象元的存在及地物二向性反 射特性的干扰。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 高光谱只是在一些特定的问题上显示出某些优越性，比如 便于滤除土壤背景干扰能较正确地估算出叶面积指数，叶绿素含 量等以及在地质上对岩性识别有较好的应用效果外，其他方面还 达不到人们的期望值，另一个突出的例子就是所谓的 “数据爆炸 与信息饥渴 ”矛盾十分显著，据NASA 的统计，到目前为止遥感所 积累的关于地球表层的图象数据中只有不到5％的数据被使用过 ，有的数据自获取后便存入档案，无人问津，这是什么原因呢？ 长期以来采集数据的手段太单一，只依靠像TM－类的多波段近垂 直视获取地表信息的方式，这种方有用信息被压抑，也就是说人 们过于强调了遥感应用，长期以来缺乏遥感的基础理论研究，人 们应该从电磁波与地物相互作用的机理出发去探讨获取地表信息 的新方法，由于九十年代在遥感基础理论方面的进展，人们已逐 渐认识到多角度遥感，多极化数据等加入会使有关地物的，物理 的，几何的，生物学的参数便于反演，因此二十一世纪的遥感将 是多种获取方式逢勃发的时代。 R S 3S/YNNU Dr.WJL （3）Rs、GPS 与GIS 的有机结合构成集成系统 遥感数据本质上是一种空间数据，如果失去了它的空间定位。 也许便是一堆毫无意义的数值，以往遥感数据的定位需要提供星体 的空间定位，通过人机对话找出图象与图形的同名点。并通过复杂 的几何纠正算法才能获得象元的空间定位，GPS 出现以后可以使遥 感数据空间定位问题大大地简化，GPS 是 “全球定位系统 ”的简称， 它有24－36 颗定时星体所组成的一个卫星网，对地球表面任一点， 只要同时获得三颗以上GPS 星的信号便可根据星体的轨道参数立刻 算得该点在地球表面的三维定位数据（经度、纬度及高度）GPS 星 的轨道高度都在20000km 以上，属于高轨卫星，相比之下，任何资 源环境卫星都处在低轨高度，因此只要在星体上装上GPS 接收器， 便可对遥感图象直接进行精确定位，GPS 不仅使遥感图象定位问题 大为简化，而且GPS 信号本身可以提供全球同步大气层结廓线，这 是一个最新的热门话题，其原理简述如下： R S 3S/YNNU Dr.WJL 在低层二、三百公里高度上，发射一组低轨卫星，构成网 。这些低轨卫星同时接收来自GPS 量的信号。当这些信号穿越 大气层时，（如图10 所示）则由于大气的温度和湿度变化将 使电磁波在大气中发生折射。使被接收的信息提前或滞后。通 过确定其定位误差可以反推出大气温度与湿度廊线。这种算法 的精度当然与低轨卫星网的设计及空间密度有关。据估计在全 球范围内可以获得几千条大气层结廓线。其可贵之处在于 “同 步 ”，其难点在于对低层大气温度，湿度的反演精度还难以满 足实用需要。 毫无疑问，二十一世纪的遥感数据将以几何级数迅速增长 。另一方面为了使用户能方便地获得这些数据。并按照自身的 需要自由地处理这些海量数据并与已有的数据及其他传统据从 中获益，最为可行的方法便是发展网络GIS。 所以RS、GPS 与GIS 的有机结合是使遥感具活力的关键问 题。 R S 3S/YNNU Dr.WJL （1） 多波段遥感 （2） 多极化遥感 （3） 相位差遥感 （4） 多角度遥感 （5） 多时相遥感 （6） 多象元信息综合遥感 至此我们可以概括为六种获取地表信息的遥感手段 R S 3S/YNNU Dr.WJL 目前 空间分辨率： 1m（最近 0.67m）（美国军方 15cm） 光谱分辨率： 5~6nm（美国高光谱 600多通道） 温度分辨率： 0.1~0.3K 时间分辨率： （重复周期） 1~3天 R S 3S/YNNU Dr.WJL 遥感理论体系及其关键问题 遥感的发展历史充其量不过四十年与物理学、数学、天 文学、地学的发历史相比，这只是一瞬间。遥感本身是一门新 兴的交叉学科，它基于经典物理学、数学、地学，大气科学， 海洋学等基础上发展起来。由于这些学科都已经建立了自己的 严格理论体系，那么遥感还需要发展自身的理论体系吗？答案 是肯定的。为什么？ R S 3S/YNNU Dr.WJL 4.1 寻找适合遥感对象的数学物理学规律 遥感凭借着电磁波实现了不接触物体 而达到获得物体状态参数的目的， 因而电磁波与物体相互作用的规律，对遥 感来说是基础性的重要课题，然 而这也是一个至今仍没有被人完全解决的 复杂问题，以可见光——近红外 波段遥感为例，我们依靠地物对太阳短波 辐射的反射特性来了解地物的物 理特性，化学特性甚至生物学特性，在经 典物理学中，只解决了光滑介面 对电磁波的反射，折射定律，对于粗糙表 面，经典物理学中只引入了漫反 射概念，即所谓绝对的粗糙面，它在自然界中是很少遇见的，几乎99％以 上的目标都是既非光滑又非完全粗糙，是 介于两个极端之间的一般粗糙面， 那么这种一般粗糙面在反射外来辐射时有 无规律可遵呢？它服从何种规律 的呢？这是经典物理学中所回避的，而遥 感中又必须解决的问题，因为这 是定量遥感所必须跨越的障碍，应该说植 被冠层（枝、干、花、果、茎、 叶的综称）对太阳辐射的反射是十分复杂 的。经过十余年的努力人们已经 发展了几何光学模型，辐射传输模型，M －C 模拟模型以及新近兴起的三 维真实模拟模型去描述，离散植被，连续 植被及一般植被对太阳短波辐射 的反射在2π空间中的分布规律。 至于植被对微波辐射的反射，需要用另 外一套理论去描述，总体上说有两种不同 出发点，一种完全从麦克斯电磁 理论出发去求解麦克斯的方程组一般称之 为波解析理论，另一种从能量守 衡出发，解辐射传输方程，不过由于极化 效应不可忽略，此时面对的是矢 量辐射传输方程，它比标量辐射传输方程要复杂得多。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 对于热辐射问题经典物理学中确定了普朗克定律，用它描述 黑体的热辐射亮度与黑体物理温度，电磁波长之间的函数关系， 对于非黑体，则靠引入比辐射率概念加以表述，研究表明物体的 比辐射率可以通过理论计算，亦可通过实验测量获得，虽然比辐 射率是靠两个物理量之比来定义，但是它是物体固有的物理特性， 所有关于热辐射的讨论在经典物理学中均以目标为均匀等温平面 体为前提条件，然而遥感中所遇到的陆面目标，90％以上属于非 同温混合象元。于是非同温混合象元的热辐射亮度在2π空间中的 分布有无规律可循？遵循何种规律？以及传感器所测得的辐射亮 度与混合象元的结构，温度分布有何关系等问题，需要遥感科学 家去回答。 凡如此种种说明，经典物理学所讨论的对象，往往被限定在 某个范围内，在某种实验室条件下，获得关于目标一般物理特性 的知识，然而遥感的对象在自然界，不仅目标复杂，而且环境多 变，因此往往需要把经典物理学中的定律进一步推广到复杂目标 及自然环境条件下，形成新的物理学规律，否则遥感将失去其稳 固的基础。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 4.2 混合象元的信息分解与融合 由于遥感获得的信息是以象元为基础的面状信息， 它与传统意义上的点状测量有本质上的区别。那么我 们能不能把遥感所获得的面状信息看成是象元内点状 信息的某种加权和呢？ 答案是否定的。例如一个物体的温度可以视为是 对该物体内能的某种度量，也可以说成是该物体分子 平均动能的一种度量，然而当我们段定一个混合象元 是由几个不同温度的黑体所组成，此时混合象元本身 已不是黑体了。因为混合象元本身作为一个整体已不 服从普朗克黑体定律了，如果非要给这个混合象元一 个平均温度值的活，那也只能是该混合象元热辐射亮 度值的某种等效亮度温度而已，它已不具备温度原有 的物理意义。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 又比如当混合象元是由数个朗伯体构成时，该混合象元也不 再是朗伯体，因为一般三维物体在外来光照条件下，可形成阴影， 各组分间亦存在多次散射，由此产生如下问题。 （1）如何理解混合象元测量值的物理含意？它与组分对应量 之间存在何种关系？这就是混合象元的信息分解。 （2）当象元尺度发生变化时，不同尺度所对应的同一物理量 之间该发生何种关联呢？这也就是我们所称的混合象元信息的尺 度融问题 除此以外，还有由于物理原因而造成遥感测得的物理量与传 统意义下的物理量，其内涵上的差别，例如遥感依靠热辐射，测 得物体表面几微米内的 “皮肤 ”温度，与传统意义下物体的体温度 是有区别的，例如传统的海面温度是指海表0.5 米或1 米深一层 水面的平均温度而使用分裂窗测得的海面温度是真正的 “皮肤 ”温 度，在水面几微米一薄层水面内存在着一个强烈的温度梯度。这 个梯度的大小与海面风速，贴水层气温和含水量以及深层水温有 密切的关系。换言之，皮肤温度与传统的海面平均温度之差是随 环境状态的变化而变化的，如何处理这个差值是一个还未被解决 的难题，但它对全球变化研究至关重要。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 4.3 建模与反演 装置在星体上的传感器，它的可测参数一般为电磁 波的属性参数。也就是电磁辐射强度，偏振度，位相差 等，而我们的目的是要从这些可测参数中获得有关目标 的物理的，地理的，化学的，甚至生物学的状态参数， 所以在可测参数与目标状态参数间建立某种函数关系是 实现目标参数反演的关键一步我们称它为建模。 建模的方法大体上有两种，一种基于大量实验数据 基础上，应用统计方法归纳而成一般称它为统计模型， 另一种是基础已知的物理规律基础上，通过演绎而获得 解析表达式。一般称它为解析模型，这两种模型各有其 自身的优缺点，统计模型比较简单，便于反演但物理机 R S 3S/YNNU Dr.WJL 制不清，适用性受实验条件限制，而解析模型，物 理机制较清楚，适用性较强，便于误差传播分析， 但公式一般较复杂，不便于反演。 建模与反演是两个不同的问题，建模是指就某 种物理过程，建立与之对应的数学方程或议程组的 问题，而反演就好像是解方程或解方程组的问题， 显然建立方程与解方程是两个不同性质的，而又密 切相关的问题。所谓反演就是基于模型知识基础上， 依据可测参数值去反推目标的实时状态参数，要实 现反演一般需要获得足够的信息量，数学语言可表 达为独立方程数必须等于或大于未知参数数目。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 4.4 大气效应纠正与大气参数反演 介于目标与传感器之间的大气是电磁波媒体的 必经之路，大气对遥感信号将施加影响。对之种影 响，对这种影响的修正方法称之为大气效应纠正， 大气效应概括起来有两类，一个为吸收，另一个为 散射。 大气效应纠正及大气参数反演是实现地表参数反 演所必须跨越的障碍，它已成为定量遥感理论的重 要组成部分。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 遥感发展前沿——卫星及小卫星 R S 3S/YNNU Dr.WJL 卫星的发展：大型、综合化与微小型 专业化 的融合 ? EOS－ AM1、 PM1、 ENVISAT 大型平台 特点：价高、周期长、风险大 ? “快、好、省 ”— 微小卫星的准则 －卫星进入寻常高校和科研机构的实验室 －卫星成为发展中国家进入空间的捷径 R S 3S/YNNU Dr.WJL IRSA CAS 2002．５．４发射 R S 3S/YNNU Dr.WJL 关于卫星的分类 大卫星 (>1000kg) TERRA ，AQUA 多遥感器 ADEOS 能力综合 ENVISAT 价格高 CBERS 中卫星 (500-1000kg) LightSAR (960kg) 单一遥感器 多模式 小卫星 (100-500kg) LEWIS(385kg) (高光谱) EO-1(425kg) (高光谱) Early Bird (>300kg) (高分辩) Quick Bird Orbview-4 (~200kg) (高分辨+高光谱) 微卫星 (<100kg) SunSAT TMSAT 清华-1 纳卫星 (1-10kg) R S 3S/YNNU Dr.WJL IRSA CAS 欧洲空间局（ ESA）的环境卫星 ENVISAT 全球变暖 臭氧破坏 厄尔尼诺 世界森林 海面上升 大气污染 自然灾害 R S 3S/YNNU Dr.WJL 微小卫星为发展中国家提供了一条进入空间 的捷径，泰国、马来西亚、韩国、阿尔及利亚、 尼日利亚、土耳其、越南等均已有所行动。 － 清华－1已在轨运行 泰国TM－SAT 英、新合作Uo12 韩国KOMSAT － DMC计划正在行动 － 小卫星也正向着高分辨率、全 天候、组成星座的方 向发展。 地震预报卫星、雷达卫星、高光谱卫星和 2.5m-1m高 分辨 率 卫星均在酝酿中。 R S 3S/YNNU Dr.WJL 清华 -- 1 图像 R S 3S/YNNU Dr.WJL Thank you for your attention！