遥感导论期末考试复习重点Word格式.docx

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（4）按遥感的应用领域分，包括:

A、就较大研究领域看:

包括外层空间遥感\大气层遥感\陆地遥感\海洋遥感等。

B、就具体应用领域看:

包括资源遥感\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\灾害遥感\考古遥感\军事遥感等。

第二章电磁辐射与地物光谱特征

1.电磁波概念

所谓“电磁波”（ElectromagneticWave），是指由电磁振源所发出的电磁振荡在空间中的传播。

“电”（Electrical）和“磁”（Magnetic）是相互转化的，是电磁波的落脚点。

因此，又可将“电磁波”定义为“电磁振荡产生变化磁场，变化磁场产生蜗旋电场，蜗旋电场又产生变化磁场（或电磁振荡产生变化电场，变化电场产生蜗旋磁场，蜗旋磁场又产生变化电场）的磁场和电场（或电场和磁场）相互转化的连续的传播过程”，如下图示。

2.电磁波具有波粒二象性，其中波长与频率的关系？

电磁波具有波粒二象性（Thewave-particleduality）

即电磁波既有波动性，又有粒子性。

电磁波的波动性表现为：

电磁波传播过程中，Ψ=Asin[（ωt-kx）+φ]，可能发生反射、折射、吸收和透射等现象；

真空中，电磁波的传播速度等于光速，即C=λf=λ/T；

介质中，电磁波的传播速度小于光速，即v=C/（εμ）1/2，ε为介质相对介电常数，μ为介质相对磁导率。

电磁波的波粒二象性表现形式主要由电磁波的波长（λ）和频率（f）决定，波长和频率是电磁波固有的属性，波长越长，波动性越明显，频率越大，粒子性越明显；

对于既定电磁波而言，在其传播过程中，主要表现为波动性，当其与某些物质相互作用时，主要表现为粒子性。

3.电磁波谱顺序

（1）电磁波谱是指真空中，电磁波按其波长或频率、递增或递减，依次排列形成的序列。

（2）电磁波谱依频率由高到低或波长由短到长排列，依次可划分为宇宙射线（Cosmicrays）→γ射线→X射线→紫外线→可见光→红外波→微波→无线电波（Radiowaves）；

电磁波谱依频率由低到高或波长由长到短排列，依次可划分为无线电波→微波→红外波→可见光→紫外线→X射线→γ射线→宇宙射线

4.为什么电磁波谱中不同类别的电磁波的波长和频率不同，是因为其产生的波源或称电磁辐射源不同？

（即各电磁波成因）

无线电波→主要由电磁振荡发射；

微波→主要利用谐振腔及波导管激励与传输,通过微波天线向空中发射；

红外波→主要由分子振动和转动能级跃迁产生；

可见光与近紫外→主要由原子、分子外层电子跃迁产生；

紫外线、X射线、γ射线→主要由原子、分子内层电子跃迁以及原子核内状态变化产生；

宇宙射线→主要来自宇宙空间。

5.电磁辐射的测量单位（教材18页）（掌握辐射通量、辐照度、辐射出射度）

常用辐射能量（W）、辐射通量（Φ）、辐射通量密度（E）、辐照度（I）、辐射出射度（M）、辐射亮度（L）等参数测量电磁辐射

6.黑体辐射概念

黑体是指任何温度下，对各种波长电磁辐射，都完全吸收的物体，即任何温度下，对各种波长电磁辐射，吸收率恒为1（或100％）的物体。

理想黑体实验是用带小孔空腔做成的，如教材P19图2.6所示。

7.黑体辐射规律

普遍适用的规律是普朗克公式，即

普朗克公式描述出黑体辐射出射度与黑体温度及黑体辐射电磁波波长关系。

利用普朗克公式，可以计算出既定温度和既定波长下，黑体辐射出射度。

8、黑体辐射与实际物体发射光谱特征

a.黑体辐射出射度,随着辐射波长变化而连续变化,

而且每条辐射出射度曲线只有一个最大值;

b.黑体自身温度越高,黑体辐射出射度越大,

而且不同温度黑体辐射出射度曲线互不相交;

c.随着黑体自身温度升高,黑体辐射出射度最大值

向着辐射波长较短方向移动;

d.只要黑体自身温度稍微变化,其总辐射出射度就会发生较大变化;

e.辐射出射度峰值对应波长与黑体温度乘积为一常数.

为何得到后两点结论，可从普朗克公式计算求证

关于普朗克公式的计算题

（1）如果对普朗克公式从零到无穷大波长范围内进行积分,则斯忒潘-玻尔兹曼定律（Stsdan-Boltamann`slaw）,即:

M=σT4

其中,σ为斯忒潘-玻尔兹曼常数,σ=5.67×

10-8

W.m-2.K-4。

黑体总辐射出射度与温度四次方成正比，随着温度增加而迅速增大.

（2）如果对普朗克公式从零到无穷大波长范围内进行积分,则斯忒潘-玻尔兹曼定律（Stsdan-Boltamann`slaw）,即:

维恩位移定律（Wien`sdisplacementlaw）

得到不同温度黑体与最大辐射所对应波长关系如下表所示。

如果黑体辐射最大出射度对应波长处于可见光波段，则随着黑体温度升高，黑体颜色逐渐向紫色过渡。

黑体辐射规律例题

例题：

1。

已知太阳常数,可以求得太阳表面辐射出射度M=6.284×

107W/m2.进而可求出:

太阳有效温度T和太阳光谱中辐射最强波长λmax.

解:

通常可以将太阳当作黑体看待.

因此,根据斯忒潘-玻尔兹曼定律M=σT4,可得:

T=（M/σ）1/4=[（6.284×

107W/m2）/5.67×

10-8W.m-2.K-4]1/4=5770K.

另外,根据维恩位移定律λmax·

T=b,可得:

λmax=b/T=（2.898×

10-3m.K）/5770K=0.50µ

m

答:

太阳有效温度为5700K,辐射最强波长为0.50µ

m.

2、如何将黑体辐射作为参照标准计算实际物体发射电磁辐射呢？

例如:

一般金属材料均可当作灰体看待.已知氧化铜表面温度为1000K,比辐射率ε（或吸收系数α）为0.7,求此时该物体总辐射出射度M.

根据斯忒潘-玻尔兹曼定律,可得温度为1000K黑体总辐射出射度为:

M0=σT4=5.67×

10-8W.m-2.K-4（1000K）4=5.67×

104W/m2

再根据基尔霍夫定律,可得:

M=αM0,α=ε,α与波长λ无关.

所以:

M=αM0=0.7×

5.67×

104W/m2=3.97×

此时该物体总辐射出射度M为3.97×

104W/m2.

补充黑体微波辐射规律

普遍适用的是瑞里-金斯微波辐射规律，即

黑体微波辐射与温度成正比，与波长平方成反比。

不同地物间微波发射率差异比红外发射率差异明显得多。

8.太阳辐射及大气对辐射的影响

（1）大气吸收成分

大气成分

吸收物质及成因

氧气（O2）

约占21%,主要吸收波长小于0.2µ

m太阳辐射;

尤其波长0.155µ

m处吸收最强烈;

另外,波长0.6µ

m、0.76µ

m附近也各有较窄吸收带.因此,低层大气中较少观测到0.2µ

m紫外线,高空遥感中较少使用紫外遥感.

臭氧（O3）

仅占0.01-0.1%,但对太阳辐射有较强吸收作用.一方面,吸收0.2-0.36µ

另一方面,吸收0.6µ

m附近太阳辐射.臭氧分布于30㎞左右高空,主要影响航天遥感.

二氧化碳（CO2）

仅占0.03%,主要吸收红外区内太阳辐射.例如:

波长1.35-2.85µ

m,有3个较宽弱吸收带;

另外,波长2.7µ

m、4.3µ

m、14.5µ

m处有较强吸收带.对太阳辐射而言,二氧化碳吸收影响并不强烈.

水（H2O）

水对太阳辐射吸收作用最强烈.从可见光、红外线到微波,都有水强烈吸收带,但水尤其对红外部分吸收强烈.例如:

波长0.5-0.9µ

m处有水4个较窄吸收带;

波长0.95-2.85µ

m处有水5个较宽吸收带;

另外,波长6.25µ

m处还有水1个较强吸收带.因此,水对红外遥感影响较大.

尘埃

尘埃对太阳辐射有一定吸收作用,但其吸收量相当少,只有产生火山、沙暴、烟雾等时,大气中尘埃含量急剧增加,才对遥感探测产生影响,但此时，其发射作用远大于吸收作用.

（2）大气散射类型

散射作用是指非均匀介质或各向异性介质中，电磁辐射遇到微粒时改变原来传播方向，并向各方向散开过程.大气散射可能削弱到达地面太阳辐射强度，也可能增强到达地面太阳辐射强度。

可将散射作用分为瑞利散射、米氏散射和无选择性散射.

相关自然现象

为何天空呈现蔚蓝色？

答：

首先属于瑞利散射，就可见光而言,从红光到蓝光,波长逐渐减小,瑞利散射效应增强.因此,无云的晴天,由于蓝光绝大部分被散射到四面八方,所以天空呈现蔚蓝色.

为何日出和日落呈现橘红色？

同样属于瑞利散射。

日出或日落时分,由于太阳高度角较小,阳光倾斜射到地表,可见光穿过大气层路径比太阳直射时长,较长传播过程中蓝光被散射殆尽,波长次短的绿光也部分被散射,只剩下波长最长的红光散射最弱,加之剩余的少量绿光,两者混合,使得朝霞和夕阳呈现橘红色.

为何微波具有强穿透性？

属于瑞利散射,微波瑞利散射强度与其波长4次方成反比,微波波长越长散射强度越小,所以微波具有最强穿透性.

瑞利散射、米氏散射、无选择性散射对比

散射类型

直径与波长关系

主要作用微粒

补充知识

瑞利散射

当散射微粒直径（d）比电磁辐射波长（λ）小很多时,产生瑞利散射,即:

d＜λ/10→γ∝1/λ4（φ=4）

大气中原子和分子,如氮、二氧化碳、臭氧和氧等分子引起。

由于散射系数与波长4次方成反比,当波长大于1µ

m时,瑞利散射可忽略不计.换句话说,红外线和微波可不考虑瑞利散射.但可见光必须考虑瑞利散射,而且大气散射主要表现为大气分子对可见光散射

米氏散射

当散射微粒直径（d）比电磁辐射波长（λ）相差不多时,产生米氏散射,即:

d≈λ→γ∝1/λ2（φ=2）

由大气微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。

由于0.76-15µ

m红外线波长与云、雾等悬浮微粒直径相差不多，主要产生米氏散射，所以潮湿天气对米氏散射影响较大.

无选择性散射

当散射微粒直径（d）比电磁辐射波长（λ）大很多时,产生无选择性散射,即:

d＞λ→γ∝1/λ0（φ=0）

由较大直径微粒对较短波长电磁辐射引起。

云、雾、水滴和烟尘等微粒直径比可见光波长大很多，产生无选择性散射，各种色光散射强度相同，所以人们看到云雾呈白色或灰白色。

（3）大气窗口概念

电磁辐射传输过程中，大气吸收、散射和反射都将引起到达地面电磁辐射强度变化，而且都是对一定波长电磁辐射产生作用，只有部分电磁辐射能够穿透大气到达地面。

我们将电磁辐射通过大气层时，较少被吸收、散射和反射，透过率较高的波段称为大气窗口。

常见的大气窗口有：

0.3~1.3µ

m即紫外线\可见光和近红外波段.既是最佳摄影成像波段,又是遥感常用扫描成像波段.例如:

美国LANDSAT卫星TM遥感器第1~4波段为可见光和近红外波段.

1.5~1.8µ

m及2.0~3.5µ

m即近红外和中红外波段.属白天常用扫描成像波段.例如:

美国LANDSAT卫星TM遥感器第5\第7波段为近红外\中红外波段,主要探测植物含水量等.

3.5~5.5µ

m即中红外波段.不仅通透反射光,而且通透热辐射.例如:

NOAA卫星AVHRR遥感器用3.55~3.93µ

m波段获取卫星遥感昼夜云图,探测海面温度.

8~14µ

m即远红外波段.通透来自地物热辐射能量,适于夜间成像.

0.8~2.5cm即微波波段.波长较长,具有较强穿透云雾能力,可以进行全天时\全天候遥感成像,是主动遥感常用波段.例如:

侧视雷达常用0.8cm,3.0cm,5.0cm,

10.0cm进行微波遥感探测.

9.地球的辐射及地物波谱

（1）太阳辐射与地球辐射各自集中波段

太阳辐射集中于0.3-2.5µ

m紫外、可见光到近红外区段，地球辐射集中于大于6µ

m热红外区段，而2.5-6µ

m中红外区段太阳辐射和地球辐射都有所体现。

（2）基尔霍夫定律

可见光近红外遥感主要探测实际物体反射太阳辐射特征（简称地物反射光谱特征）

到达地面太阳辐射=吸收能量+透射能量+反射能量，即

P0=Pα+Pτ+Pρ，

1=Pα/P0+Pτ/P0+Pρ/P0，

1=α+τ+ρ

（3）地物反射波谱特征

一般说，黑色物体对太阳光有较强吸收能力；

绝大多数物体对可见光不具备透射能力，不能透过可见光物体对5cm超长波有较强透射能力；

多数情况下，太阳辐射照到地物表面，仅只考虑吸收和反射作用，而且吸收和反射作用相互矛盾。

地物反射率不仅取决于辐射电磁波波长和入射角度，而且取决于地物自身性质，特别是表面粗糙程度。

根据地物表面状况，太阳辐射主要产生三种反射:

漫反射、镜面反射、实际物体反射。

镜面反射——满足镜面发射规律，自然界仅平静水面可能产生镜面发射。

漫反射——只有朗伯面满足漫反射规律，自然界中氧化镁、硫酸钡、碳酸镁等可近似看作朗伯面。

实际物体反射——实际多数反射介于镜面反射和漫反射之间，入射辐照度相同时，反射亮度既与入射方位角和天顶角有关，又与反射方位角和天顶角有关。

（4）地物反射光谱特征

通常将一定温度下，地物反射率随入射电磁波波长变化而变化规律称地物反射光谱特征，将入射电磁波波长为横轴，地物反射率为纵轴，所建立起来（或绘成）关系曲线称地物反射光谱曲线。

不同地物反射光谱特征和反射光谱曲线都有差异。

不仅表现出种类差异,而且表现出空间差异和时间差异。

植被：

共性——

可见光波段形成绿反射峰（0.55μm）及其两侧的蓝（0.45μm）、红（0.67μm）两个吸收带；

近红外0.74-1.3μm处形成高反射区；

近红外1.35-2.5μm处形成分别以1.45μm、1.95μm和2.7μm为中心的三个水吸收带

差异性——

种类、季节、病虫害、含水量

土壤：

土质越细反射率越高

有机质含量越高反射率越低

含水量越高反射率越低

土类和肥力不同反射率不同

不同波谱段影像区别不明显

水体：

水体的反射主要在蓝绿波段,其他波段吸收很强，特别是在近红外波段更强。

水中含泥沙时，由于泥沙的散射，可见光波段的反射率增加，峰值出现在黄红区。

水中含叶绿素时，近红外波段明显被抬升。

岩石：

矿物成分、矿物含量

风化程度、含水量

颗粒大小、表面光滑度、色泽

第三章遥感成像原理与遥感图像特征

1.遥感传感器的构成及评价参数

收集器探测器处理器输出器

遥感器自身性能深刻影响遥感构像质量:

（1）遥感器探测阵列单元尺寸决定遥感构像空间分辨率.构像空间分辨率指遥感器中探测阵列单元能把两个目标作为清晰实体纪录下来的两目标间最小距离,多用图像清晰度衡量.遥感器探测阵列单元越小,遥感构像空间分辨率越大.

（2）遥感器探测元件辐射灵敏度和有效量化级别决定遥感构像辐射分辨率.在此,辐射分辨率指遥感器探测元件接受电磁辐射信号时,能够分辨最小辐射度差.遥感器辐射灵敏度及有效量化级别越高,遥感构像辐射分辨率越大.

（3）另外,遥感器设计过程中,为了照顾遥感构像光谱分辨率,还必须考虑以下因素:

A.如何确定所用电磁波段数量.

B.如何确定所用波段跨度范围.

C.如何确定所用波段起始位置.光谱分辨率指遥感器接收地物电磁辐射信息时,所能分辨最小波长间隔.波长间隔越小,光谱分辨率越大.

随着遥感器制造工艺水平提高,遥感所用光谱段正迅速增加.例如:

成像光谱仪将可见光-红外波段分割成几百个狭窄波段等.

2.遥感成像方式

摄影成像扫描成像

3.摄影成像基本知识

摄影是指通过成像设备获取物体影像技术.

依据发展先后分:

（1）传统摄影：

依靠光学镜头及放在焦平面上的感光胶片来纪录物体影像。

（2）数码摄影：

通过放在焦平面上的光敏元件,经过光/电转换来纪录物体影像。

光敏电子器件,例如CCD（电荷耦合器件）.

依据探测波段分:

（1）近紫外摄影用近紫外波段摄影,记载地物近紫外波段光谱信息;

（2）可见光摄影用可见光波段摄影,记载地物可见光波段光谱信息;

（4）红外摄影用红外波段摄影,记载地物红外波段光谱信息;

（5）多光谱摄影用多光谱波段（可能包括可见光\近红外）摄影,记载地物多光谱波段光谱信息.

摄影机有哪些类型?

摄影机分为分幅式摄影机和全景式摄影机，其中全景式摄影机又分为缝隙式摄影机

和镜头转动式摄影机

4、摄影相片的几何特性

（1）像片投影包括垂直投影和中心投影

（2）中心投影与垂直投影的区别

A.投影距离影响

投影距离包括焦距和航高.垂直投影像面不受投影距离影响.

中心投影存在规律:

焦距一定,航高越小,获得像面面积越大,地面细节越清晰;

航高一定,焦距越大,获得像面面积越大,地面细节越清晰.

B.投影面倾斜影响

垂直投影仅表现为像

面比例尺有所放大.

像点ao、bo相对位置

保持不变,但ao/AO

＞a′o′/AO.

中心投影像点ao、bo比例

关系显著变化.

各点相对位置和形状都不

保持原来模样.地面AO=BO,像

面ao＞bo.

因像面倾斜引起像点位移

称倾斜误差.

C.地形起伏影响

对于垂直投影:

地形起伏变化,投影点间距离与实际地面水平距离成比例缩小,相对位置不变

对于中心投影:

地形起伏变化越大,像上投影点水平距离位移越大,产生像点位移称作地形起伏引起投影误差.不变.

（3）地形起伏引起的像点位移计算推导（即地形起伏是如何引起像点位移的？

）

像点位移规律证明过程:

地形起伏引起中心投影像点位移规律

投影误差计算公式δ=hr/H中,δ为位移量或误差值,h为地面高差（可正\可负）,H航高,r像点到像主点距离.不难看出:

A.位移量与高差成正比.即高差越大像点位移量越大.当高差为正值时,像点位移量为正值,像点背离像主点方向移动;

当高差为负值时,像点位移量为负值,像点向着像主点方向移动.

B.位移量与像点到像主点距离成正比.即距离像主点距离越远,像点位移量越大;

像片中心部位像点位移量较小;

像主点处r=0,δ=0,没有像点位移.

C.位移量与航高成反比.即摄影高度越大,地形起伏引起像点位移量越小.例如,当地球卫星轨道高度H=700m,像片大小为18*18cm,像片边缘某点地面高差为1000m时,像点位移量仅约0.13mm.

5.摄影胶片的物理特性

（1）

摄影胶片的组成结构

一般摄影胶片

组成结构如右

图示:

真彩色摄影胶

片组成结构如

右图示:

假彩色摄影胶

片（或称彩红外

胶片）组成结构

如右图示:

6.扫描成像基本知识

（1）扫描成像概念：

指依靠扫描型传感器以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成对应谱段图像的遥感成像技术。

瞬时视场概念：

指扫描成像过程中，一个探测元件一次成像时，通过望远镜系统投影到地面的直径或边长。

（2）对物面扫描的成像仪

TM专题制图仪-性能

Landsat-4／5上的TM（ThematicMapper）是一个高级的多波段扫描型地球资源敏感仪器，与多波段扫描仪MSS性能相比，它具有更高的空间分辨率、更好的频谱选择性、更好的几何保真度、更高的辐射准确度和分辨率。

ETM+增强型专题制图仪-改进

ETM+与TM相比改进包括：

（改进度比较）

（1）增加PAN（全色）波段，分辨率为15m，因而使数据速率增加；

（2）采用双增益技术，使远红外波段（6波段）分辨率提高到60m，也增加了数据量；

（3）改进后的太阳定标器使卫星的辐射定标误差小于5﹪，精度比Landsat-5约提高l倍，辐射校正有了很大改进。

（3）对像面扫描的传感器

HRV的结构和成像原理

HRV是一种线阵列推帚式扫描仪。

仪器中有一个平面反射镜，将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组，然后聚焦在CCD阵列元件上，CCD的输出端以一路时序视频信号输出。

CCD（ChargeCoupledDevice）称电荷耦合器件，是一种由硅等半导体材料制成的固体器件，受光或电激发产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，达到一路时序输出信号。

（4）成像光谱仪的概念

成像光谱仪是以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。

通过将传统的空间成像技术与地物光谱技术有机地结合在一起，可以实现对同—地区同时获取几十个到几百个波段的地物反射光谱图像。

其主要特点是通道数多，各通道的波段宽度很窄。

7.微波遥感相关知识

（1）微波遥感概念：

指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。

（2）微波遥感特点

a能全天候、全天时工作。

b对某些地物具有特殊的波谱特征。

c对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力。

d对海洋遥感具有特殊意义。

e分辨率较低，但特性明显。

8.主要的卫星遥感系统

（1）遥感平台分类

搭载传感器的工具统称为遥感平台。

按平台距地面的高度大体上可分为三类：

地面平台、航空平台、航天平台。