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1、遥感导论课程教学大纲课程编号: 14122403课程名称：遥感导论 英文名称：Introduction to Remote Sensing 课程类型: 专业核心课程 总 学 时：48 讲课学时：48 实验学时：0学分：3适用对象: 地理科学类先修课程：相关基础课程执 笔 人：陈明文 审定人：张金萍一、课程性质、目的和任务遥感导论是资源环境、地理信息系统及地理科学专业的一门专业基础课。课程注重反映现代遥感技术的最新成果与应用内容，并结合经济建设实际，详细介绍了遥感的基本概念、电磁辐射与地物波谱、遥感成像原理、遥感图像特征、遥感图像分析的原理与方法、图像信息的提取与分类处理、遥感的应用及实例，3S

2、集成，以及新型遥感平台与传感器等。该课程的目的和任务：通过本课程学习，要求学生牢固掌握遥感技术的基本概念和基本原理；掌握运用遥感技术原理、方法解释和解决实际问题的能力；了解遥感技术的前沿动态和发展趋势。尤其注重培养学生的实际动手和应用能力，为学习专业课程、从事专业技术工作和进行科学研究打下基础。二、课程教学和教改基本要求1.本课程主讲授遥感基本理论。内容比较枯燥，所以在教学中应尽量采用通俗易懂和形象化语言表述，着重讲清地物电磁波谱的基本遥感理论问题。2.对于有关物理学公式，不须推导过程，重点理解其基本原理。3.根据课程进程的需要，适当的布置课外阅读文献报告和体会，以加深对所学理论知识的理解和了

3、解本学科的研究动态。三、课程各章重点与难点、教学要求与教学内容第一章 绪论 一、教学重点：遥感的定义（广义与狭义）、遥感技术过程、遥感技术的特点与分类。二、难点: 遥感技术的基本过程三、教学要求：(一) 从广义与狭义两方面掌握遥感的定义，了解遥感技术的基本过程；(二) 掌握遥感的分类；(三) 与常规方法相比，掌握遥感的主要特点；(四)了解遥感发展简史及我国遥感事业的成就。四、教学内容：第一节 遥感与遥感技术过程 1 遥感( Remote Sensing )概念遥感定义：遥感一词来源于英文 “ remote sensing” , 从字面上可理解为 “ 遥远的感知” 。 准确地说,遥感是指从高空或

4、外层空间, 通过飞机或卫星等运载工具所携带的传感器, “ 遥远” 地采集目标对象的数据, 并通过数据的处理、 分析,获取目标对象的属性、 空间分布特征或时空变化规律的一门科学和技术。广义：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。2 遥感技术过程遥感技术过程由数据获取, 数据传输、 接收和处理, 数据解译、 分析与应用三部分组成, 这三部分是遥感技术过程的相辅相成、 不可分割的三个阶段。第二节 遥感技术的特点与分类1遥感技术的特点(1) 宏观观测能力强(2) 动态监测优势明显(3) 探测手段多样, 数据量大(4) 数据具有综合性与可比性正是因为这些突出特点

5、, 使得遥感技术的应用可以节约大量的人力、 物力和财力, 也必然产生极高的经济效益和社会效益。2遥感的分类(1) 按遥感平台分类：宇航遥感、航天遥感、航空遥感、地面遥感(2) 按遥感所利用的电磁波谱段分类：子外遥感、可见光/反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感(3) 按传感器的工作原理分类：主动遥感、被动遥感(4) 按遥感资料的获取方式分类：成像方式遥感、非成像方式遥感(5) 按遥感应用领域分类：环境遥感、 城市遥感、 农业遥感、 林业遥感、 海洋遥感、 地质遥感、 气象遥感和军事遥感等。第三节 遥感技术的发展历史与展望1遥感技术的发展历史“ 遥感” 这一科学术语最早是 1960 年由美国学者艾

6、弗林普鲁伊特提出的, 之后于1961 年在美国密歇根大学召开的一次国际学术研讨会上得到了学者们的认同, 从此遥感这门新的学科就诞生了。 事实上, 在 “ 遥感” 一词出现以前, 就已经有了遥感技术, 遥感的渊源可以追溯到很久以前。(1) 遥感思想的萌芽阶段 ( 1610 1858 年)(2) 空中摄影阶段 ( 1858 1903 年)(3) 航空遥感阶段 ( 1903 1957 年)(4) 航天遥感阶段 ( 1957 年至今)2现代遥感技术发展展望遥感技术是一门多学科交叉的综合性应用学科。 随着空间科学、 信息科学等相关学科的发展, 21 世纪遥感技术的发展将呈现出许多新的特点, 主要表现在以

7、下五个方面。(1) 遥感数据获取手段趋向多样化(2) 微波遥感、 高光谱遥感是未来空间遥感发展的核心内容(3) 遥感数据的计算机处理更趋自动化和智能化(4) 全定量化遥感方法将走向实用(5) 遥感综合应用将不断深化 第二章 遥感电磁辐射基础 一、教学重点:电磁波谱、电磁辐射、黑体辐射及黑体辐射规律、实际物体辐射规律、太阳光谱、大气吸收、大气散射（瑞利散射、米氏散射、无选择性散射）、大气窗口及投射分析、地表自身的热辐射、反射率、反射的类型及地物电磁反射特性、地物电磁发射特性的测量。二、难点: 黑体辐射及黑体辐射规律、大气散射（瑞利散射、米氏散射、无选择性散射）、大气窗口、地物波谱特性的测量三、教

8、学要求（一）掌握什么是电磁波谱、电磁辐射，电磁辐射的度量；（二）掌握什么是黑体辐射、黑体辐射与实际物体辐射的规律；（三）了解太阳光谱的特点；（四）理解太阳辐射传播到地表面又返回到传感器的过程中所发生的物理现象；（五）掌握大气散射的类型与其特点；（六）掌握大气窗口的概念及大气窗口的主要光谱段；（七）掌握反射率及其类型；（八）理解太阳辐射与地表之间的相互作用；（九）掌握植被、土壤、水体及岩石的光谱特征；（十）地物波谱特性的测量。四 教学内容第一节 电磁波与电磁波谱1 电磁波的性质 电磁波：交互变化的电磁场在空间的传播。电磁波具有波动性和粒子性两种性质。电磁波有四个要素, 即频率 ( 或波长) 、

9、传播方向、 振幅、 偏振面。2 电磁波谱为了更好地认识和描述电磁波, 将各种电磁波按波长的大小 ( 或频率的高低) 依次排列并制成图表, 这个图表就是电磁波谱 ( electromagnetic spectrum) 。目前遥感应用的主要波段包括紫外线、 可见光、 红外线、 微波等。3 电磁辐射源凡是能够产生电磁辐射的物体都是辐射源。自然界的一切物体在一定的温度下都具有发射、 辐射电磁波的特性。电磁辐射源可分为自然辐射源和人工辐射源两大类。4 电磁辐射的度量遥感探测实际上是对物体辐射能量的测定与分析, 为此需要定义一些基本的概念和术语。辐射能量( radiant energy)、辐射通量 ( r

10、adiant flux) 、辐射出射度 ( radiant emittance) 、辐射照度 ( irradiance) 、辐射强度 ( radiant intensity)、辐射亮度 ( radiance)。第二节 物体的电磁波发射特性1黑体辐射黑体 ( blackbody) 是个假设的理想辐射体, 是指能全部吸收而毫无反射和透射能力的理想物体。斯特藩-玻尔兹曼定律维恩位移定律2 地物的发射特性表地物吸收太阳辐射后又向外发射电磁辐射, 但其辐射能力总是要比同温度下的黑体辐射能力低。 地物发射能力的大小, 通常用发射率来表示。地物的发射率 也称比辐射率或发射系数, 是指地物发射的辐射通量 W

11、与同温度下黑体辐射通量 W 之比地物的光谱发射特征曲线基尔霍夫定律: 在任一给定温度下, 地物单位面积上的辐射通量密度和吸收率之比, 对于任何地物都是一个常数, 并等于该温度下同面积黑体辐射通量密度。第三节物体的电磁波反射特性1 物体反射电磁波的三种形式(1) 镜面反射(2) 漫反射(3) 方向反射2 地物的反射光谱特性(1) 光谱反射率反射率：地物的反射辐射通量 E 与入射辐射通量 E 之比。(2) 地物的反射光谱特性：地物的反射率随波长变化而变化的规律。严格地说, 地物的反射光谱曲线不应是一条线而应是呈带状, 这是因为在某一特定类型中, 光谱反射率也是有变化的。在可见光波段, 植物的光谱特

12、性主要受叶片中各种色素的支配, 其中叶绿素起着最重要的作用。在近红外波段, 植物的光谱特征取决于叶片内部的细胞结构。在短波红外波段，植物的光谱特性受叶片总含水量的控制。(3) 影响地物反射率的因素受多种因素的综合影响, 地物的光谱反射率并不是一成不变的。 概括起来, 影响地物反射率的主要因素有三方面：地物的结构与组分变化、太阳位置、环境因素。3 地物反射光谱的测量(1) 反射光谱测量的理论：二向性反射率分布函数、二向反射比因子(2) 地物光谱的测量方法：垂直测量和非垂直测量第四节 大气对电磁波传输过程的影响所有用于遥感的电磁辐射都要通过大气层, 经过大气传输才能被传感器接收。电磁辐射在传输过程

13、中与大气中的气体和微粒相互作用造成辐射能量的衰减,进而对遥感成像质量和遥感图像解译产生影响。这种相互作用主要表现在大气的散射、吸收和透射等方面。1 大气的组成与结构(1) 大气成分：“ 不可变气体成分”和“ 易变气体成分”(2) 大气层的结构：对流层、 平流层、 中间层、 热层和散逸层2 大气散射根据大气中微粒的直径大小与电磁波波长的对比关系, 通常把大气散射分为瑞利散射、米氏散射和非选择性散射三种主要类型。瑞利散射的强度与波长的四次方成反比,波长越短散射越强。瑞利散射降低了图像的“清晰度”或“对比度”。大气散射作用改变了太阳辐射的方向, 降低了太阳光直射的强度, 是太阳辐射能量衰减的主要因素

14、之一。3 大气吸收太阳辐射穿过大气时受到多种大气成分的吸收, 从而导致辐射能量的衰减。在紫外、 红外以及微波波段, 大气吸收是引起电磁辐射能量衰减的主要原因。 臭氧、 二氧化碳和水汽是三种最重要的吸收太阳辐射能量的大气成分。4 大气窗口受大气吸收作用影响相对较小、 大气透过率较高的电磁波段就成为遥感探测可以利用的有效电磁辐射波段, 称为大气窗口。第三章 传感器及其成像方式一、教学重点传感器及传感器的性能、摄影像片的几何特征、遥感图像的空间、时间、光谱、辐射分辨率。二、难点: 摄影像片的几何特征三、教学要求（一） 掌握传感器的组成及如何评价其性能；（二）了解摄影与扫描成像的基本原理，两者所形成的

15、图像有什么区别；（三）了解摄影像片的几何特征。掌握像片比例尺的计算方法；（四）掌握图像的空间分辨率、波谱分辨率、辐射分辨率与时间分辨率。（五）了解成像光谱技术。四、教学内容：第一节 传感器概述1 传感器的分类传感器的种类繁多, 分类方法也多种多样。 常见的分类方式有以下三种。(1 ) 按电磁波辐射来源：主动式传感器 ( active sensor ) 和被动式传感器 ( passive sensor)；(2) 按成像原理和所获取图像性质：摄影机、 扫描仪和雷达三种类型；(3) 按记录电磁波信息方式：成像方式 ( imaging method) 的传感器和非成像方式 ( non- imaging

16、 method) 的传感器。2 传感器的组成从结构上看,所有类型的传感器基本上都由收集器、探测器、处理器、输出器四部分组成。3 传感器的性能衡量传感器性能的指标很多, 其中最重要的就是传感器的分辨率。 分辨率是遥感技术中经常使用的概念, 是反映遥感数据质量的重要指标, 包括空间分辨率、 光谱分辨率、 辐射分辨率和时间分辨率。第二节摄影成像系统1 摄影类型的传感器：单镜头框幅式摄影机、缝隙摄影机、全景摄影机、多光谱摄影机2 航空摄影像片的几何特性垂直摄影：摄影机主光轴垂直于地面或偏离垂线在3以内。倾斜摄影：摄影机主光轴偏离垂线大于3。垂直像片的几何特征像片的投影中心投影与垂直投影的区别中心投影的

17、透视规律中心投影与垂直投影的区别投影距离的影响投影面倾斜的影响地形起伏的影响3 航空摄影像片的类型和特点黑白全色片与黑白红外片、天然彩色片与彩色红外片、多光谱摄影像片第三节扫描成像系统1多光谱扫描成像根据成像方式的不同, 多光谱扫描成像系统可分为光学机械扫描和推扫式扫描两种主要类型。概念结构工作原理多光谱扫描仪（MSS)：与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步记录相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。专题制图仪TM：专题制图仪TM的成像原理与MSS一致，与MSS相比，空间分辨率由80米提高到30米；探测波

18、段由4个增加到7个。2 热扫描成像：接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。3成像光谱技既能成像又能获取目标光谱曲线的 “ 图谱合一” 技术, 称为成像光谱技术。 按照这种技术原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。成像光谱技术的特点：高光谱分辨率、图-谱合一、图像立方体表达。第四章 遥感卫星及其运行特点一、教学重点遥感卫星的概念、遥感卫星的轨道类型和特点,以及遥感成像对卫星轨道的特殊要求。 区分掌握陆地卫星、 气象卫星和海洋卫星三个系列, 了解当今全球对地观测中发挥重要作用的遥感卫星有哪些。重点掌握 Landsat、 SPOT 等主要陆地卫星的成像特点和图像特征。二、难点: 遥感卫星的轨道参数和

19、轨道类型、遥感成像对卫星轨道的要求。三、教学要求（一） 了解遥感卫星的轨道参数（二） 理解卫星在轨道上的姿态（三） 掌握卫星轨道的类型（四） 理解遥感成像对卫星轨道的要求（五） 了解国内外主要气象卫星系列、类型及影像特点（六） 了解国内外主要陆地卫星系列、类型及影像特点（七） 了解国内外主要海洋卫星系列、类型及影像特点（八） 了解国内外遥感卫星的发展趋势四、教学内容：第一节 遥感卫星的轨道1 卫星的轨道参数卫星轨道的形状和卫星在绕地球的椭圆轨道上的空间位置可以用轨道长半径、 轨道偏心率、轨道面倾角、升交点赤经、近地点角距、卫星过近地点时刻和运行周期等6个轨道参数来描述。2卫星的姿态遥感卫星的姿

20、态一般可从三轴倾斜和振动两个方面来描述。三轴倾斜是指卫星在飞行过程中发生的滚动(rolling)、俯仰(pitching)和偏航(yawing)现象。3遥感卫星的轨道类型(1) 地球同步轨道也称 24 h 轨道, 即卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期, 且方向也与之一致。按照轨道倾角的不同, 地球同步轨道可分为极地轨道、 倾斜轨道和静止轨道。(2) 太阳同步轨道是指卫星的轨道面绕地球的自转轴旋转,旋转方向与地球的公转方向相同, 并且旋转的角速度等于地球公转的平均角速度, 即卫星的轨道面始终与当时的“地心日心连线”保持恒定的角度。4 遥感成像对卫星轨道的要求为了有效地实施对地观测, 获

21、取具有全球覆盖的遥感数据, 资源遥感卫星通常多采用近极地、 近圆形、 太阳同步准回归轨道。第二节 气象卫星气象卫星 ( meteorological satellite) 是对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星,是太空中的高级自动化气象站, 它能连续、 快速、 大面积地探测全球大气变化情况。气象卫星的发展经历了三个阶段: 20 世纪 60 年代发展了第一代气象卫星；1970-1977 年发展了第二代气象卫星；1978 年以后气象卫星进入了第三个发展阶段。我国早在 20 世纪 70 年代就开始发展气象卫星, 截至 2013 年10 月, 已先后发射了 13 颗风云气象卫星。气象卫星按轨道的

22、不同分为极地轨道象卫星和静止轨道气象卫星。1极地轨道气象卫星(1) NOAA 系列卫星(2) FY- 1 、 FY- 3 系列卫星2 静止轨道气象卫星(1) SMS / GOES 系列卫星(2) FY- 2 系列卫星第三节 陆地卫星1 Landsat 系列卫星 卫星的轨道特征 卫星的传感器：MSS 多光谱扫描仪、TM 专题制图仪、ETM+增强型专题制图仪、OLI 运营性陆地成像仪和 TIRS 热红外传感器、TIRS 热红外传感器 卫星的数据参数2 SPOT 系列卫星卫星的轨道特征 卫星的传感器：HRV、HRVIRHRS,VEGETATION, DORIS卫星的观测模式：垂直观测、倾斜观测数据应

23、用3 CBERS 系列卫星CBERS- 1 、 2 在许多方面和 Landsat、 SPOT 卫星有相似之处, 有些方面的性能指标甚至优于 Landsat、 SPOT 卫星。4高分辨率陆地卫星新一代高分辨卫星图像更适合于城市公用设施网和电信网的精确绘制、 道路设计、 设施管理、 国家安全, 以及需要高度详细、 精确的视觉和位置信息的其他应用。 当前最主要的高分辨率卫星有 IKONOS、QuickBird、WorldView、OrbView、GeoEye等。第四节 海 洋 卫 星1 海洋卫星的特点(1) 具备大面积、 连续、 同步或准同步探测的能力。(2) 可见光传感器要求波段多而窄, 灵敏度和

24、信噪比高 ( 高出陆地卫星一个数量级) 。(3) 为与海洋环境要素变化周期相匹配, 海洋卫星的地面覆盖周期要求 2 3 天, 空间分辨率为 250-1000 m。(4) 由于水体的辐射强度微弱, 而要使辐射强度均匀且具有可对比性, 则要求水色卫星的降交点地方时选择在正午前后。(5) 某些海洋要素的测量, 如海面粗糙的测量、 海面风场的测量, 除海洋卫星探测技术外, 尚无其他办法。2 海洋卫星的类型海洋卫星按用途可分为海洋水色卫星、 海洋动力环境卫星和海洋综合探测卫星。3 主要的海洋卫星(1) Radarsat 系列卫星(2) ERS 系列卫星(3) 中国海洋系列卫星中国的海洋卫星按海洋水色环境

25、卫星(海洋一号,HY-1)、海洋动力环境卫星(海洋二号, HY-2)、海洋雷达卫星(海洋三号,HY-3)三个系列逐步发展的。第五章 微波遥感一、教学重点微波遥感及其特点,微波遥感的成像方式,雷达成像的原理和雷达图像的几何特征。 雷达成像方式与可见光和红外遥感的差异，雷达图像与可见光和红外遥感影像的差异。二、难点：了解雷达成像的原理, 进一步掌握雷达图像的各种特征。三、教学要求（一） 了解微波遥感的概念及特点（二） 了解微波遥感的成像方式和原理（三） 掌握雷达图像的几何特征。（四） 理解雷达图像的距离分辨率、方位分辨率、地距分辨率、斜距分辨率（五） 理解真实孔径雷达和合成孔径雷达的区别（六） 理

26、解透视收缩和叠掩现象（七） 了解影响雷达图像色调的主要因素四、教学内容：第一节 概述微波(microwave)是指频率为300MHz-300GHz的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,即波长在1mm -1m的电磁波,是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁波”。微波遥感 ( microwave remote sensing) 是指在微波电磁波段内, 通过接收地面目标物辐射的微波能量, 或接收传感器本身发射出的电磁波束的回波信号, 判别目标物的性质、 特征和状态的遥感技术。1 微波遥感的类型微波遥感可分为主动微波遥感(active mi

27、crowave remote sensing)和被动微波遥感(passive microwave remote sensing)两大类型。最常见的主动式成像微波传感器是雷达。“radar”(雷达)一词,是“radio detection and ranging” 的缩写,意为无线电探测与定位。2 微波遥感的特点(1) 具有全天候、 全天时工作的能力(2) 对地物有一定的穿透能力(3) 能获得可见光和红外遥感所不能提供的某些信息(4) 微波波段可以覆盖更多的倍频程3 微波遥感的发展20世纪50年代早期,美国军方发展了侧视机载雷达(side-looking airborne radar,SLAR)

28、；1978 年美国航天飞机成像雷达 ( shuttle image radar, SIR) 计划，标志着航天雷达遥感的开始；20世纪90年代以来,各国相继发射了一系列的星载雷达, 如前苏联的Almaz-1 、 欧洲空间局的 ERS-1、日本的JERS-1以及加拿大的Radarsat-1等, 微波遥感得到了快速发展。21世纪以来,微波遥感进入一个新时代。第二节 雷达系统的成像原理航空、航天遥感中使用的雷达均属于侧视雷达(side- looking radar,SLR),这是一种视野方向和飞行器前进方向垂直,用来探测飞行器两侧地带的雷达系统,该系统由发射机、接收机、传感器、数据存储和处理装置等部分

29、组成。侧视雷达按照成像机理可分为真实孔径雷达(real aperture radar, RAR) 和合成孔径雷达( synthetic aperture radar, SAR)。1 真实孔径雷达(1) 真实孔径雷达的成像原理：侧视雷达成像是通过连续的二维扫描, 即距离方向扫描和航线方向扫描共同实现的。雷达图像有斜距图像(slant rangeimage)和地距图像(ground rangeimage)两种不同的显示方式。(2) 真实孔径雷达的分辨率分辨率有距离分辨率和方位分辨率之分。距离分辨率(range resolution)是指在雷达脉冲发射的方向上,能分辨的两个目标之间的最小距离。脉冲宽

30、度越短,距离分辨率越高；俯角越小,分辨率越高；距离分辨率的大小与遥感平台的高度无关。方位分辨率(azimuth resolution)是指在雷达飞行方向上能分辨的两点之间的最小距离。2 合成孔径雷达合成孔径雷达的成像原理合成孔径雷达的分辨率第三节 雷达图像的几何特征雷达的成像原理决定了雷达图像的几何特征以及由此而引起的变形特点, 与摄影成像和扫描成像有着本质的不同, 了解并掌握这些几何特征和变形特点, 对分析和解译雷达图像具有重要意义。1 斜距图像的比例失真等距离的地面点在斜距图像上彼此间的距离都被压缩了,而且离雷达天线越近,压缩的程度越大, 这种现象称为斜距图像的近距离压缩或斜距图像的比例失真(scale distortion)。近距离压缩现象造成了雷达图像在距离方向上比例尺的变化, 从而导致了图像的几何失真。2 透视收缩现象山区和丘陵地区的雷达图像上,面向雷达一侧的山坡长度与其实际长度相比,明显变小了,这种图像被压缩的现象称为透视收缩(foreshortening)。3叠掩现象在雷达图像上,山体顶部和底部的位置被颠倒,形成倒像,这就是叠掩(layover)现象。4 雷达阴影雷达阴影是指后坡雷达波束不能到达的坡面上,因为没有回波信号,在图像上形成的亮度暗区。第四节 雷达图像的信息特点1