《遙感物理》課程簡介本課程旨在幫助學(xué)生理解遙感技術(shù)的物理基礎(chǔ)，掌握遙感圖像的獲取、處理和分析方法。遙感技術(shù)的發(fā)展歷程早期階段19世紀末，人類開始利用氣球和熱氣球進行航空攝影，標志著遙感技術(shù)的雛形出現(xiàn)。第二次世界大戰(zhàn)二戰(zhàn)期間，軍事需求推動了遙感技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了航空偵察和空中攝影。太空時代20世紀60年代，隨著人類進入太空時代，衛(wèi)星遙感技術(shù)迅速發(fā)展，并得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字遙感時代20世紀80年代以后，計算機技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的進步，推動了數(shù)字遙感技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)代遙感近年來，遙感技術(shù)不斷創(chuàng)新，形成了以高分辨率、多光譜、高光譜、雷達、激光等為代表的新一代遙感技術(shù)。電磁波的基本特性波長和頻率電磁波的波長和頻率成反比。波長越短，頻率越高，能量越高。傳播速度電磁波在真空中以光速傳播，約為每秒30萬公里。偏振電磁波是橫波，其電場和磁場振動方向垂直于傳播方向，振動方向可以是線性的，也可以是圓形的。遙感系統(tǒng)的基本組成傳感器傳感器是遙感系統(tǒng)最關(guān)鍵的組成部分，負責接收來自目標物體的電磁輻射信號。不同的傳感器類型用于獲取不同波段的電磁輻射，例如可見光、紅外光、微波等。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負責將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼邮照?。該系統(tǒng)通常包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)、地面接收站、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負責對傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進行處理，包括輻射校正、幾何校正、圖像增強、信息提取等，最終生成可供分析和應(yīng)用的遙感數(shù)據(jù)。應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)是遙感系統(tǒng)最終的目標，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，將處理后的遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水文、地質(zhì)、環(huán)境、災(zāi)害等領(lǐng)域。遙感成像原理遙感成像過程涉及電磁輻射的傳輸、接收和處理。傳感器接收來自目標的電磁輻射信號，將其轉(zhuǎn)換成可識別的圖像。遙感成像原理是理解遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，并利用這些數(shù)據(jù)進行分析和應(yīng)用。1目標輻射目標物體的物理特性決定其電磁輻射性質(zhì)。2輻射傳輸電磁波從目標物體傳播至傳感器。3傳感器接收傳感器接收目標輻射的電磁波信號。4信號處理傳感器將接收的信號轉(zhuǎn)換為圖像。5圖像分析分析圖像以提取目標信息。光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器是利用電磁波譜中的可見光和近紅外波段來獲取地表信息。主要類型包括CCD、CMOS等，它們可以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過圖像處理技術(shù)生成遙感影像。紅外傳感器紅外傳感器是一種利用物體發(fā)射的紅外輻射來感知物體信息的技術(shù)。紅外傳感器通常用于夜間成像、熱成像、目標識別、溫度測量等。紅外傳感器可以分為熱電偶、熱電堆、熱敏電阻、紅外探測器等類型。雷達傳感器雷達傳感器是主動式遙感傳感器，通過發(fā)射電磁波并接收其反射信號來獲取信息。雷達傳感器不受天氣影響，可全天候工作，可用于地質(zhì)勘探、地形測量、海洋監(jiān)測等方面。雷達傳感器可分為側(cè)視雷達、合成孔徑雷達、干涉雷達等類型。高光譜傳感器高光譜傳感器能夠收集數(shù)百個連續(xù)的狹窄波段，從而提供比傳統(tǒng)多光譜傳感器更詳細的光譜信息。高光譜遙感在農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可以用于識別不同作物類型、礦物種類、水體污染等。遙感數(shù)據(jù)獲取1傳感器數(shù)據(jù)采集遙感傳感器接收目標物體的電磁輻射，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。2數(shù)據(jù)傳輸采集到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星或飛機的通信系統(tǒng)傳送到地面接收站。3數(shù)據(jù)存儲與處理地面接收站將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并進行初步的處理和分析。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理1輻射校正消除傳感器和大氣影響2幾何校正消除幾何畸變，配準圖像3大氣校正去除大氣散射和吸收的影響4鑲嵌與裁剪將多個圖像拼接成更大范圍的圖像遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理是利用遙感數(shù)據(jù)進行分析和應(yīng)用的基礎(chǔ)，將原始遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可用于分析和應(yīng)用的數(shù)據(jù)。輻射校正輻射校正的目的消除傳感器、大氣和地表因素的影響，獲得真實的反射率或輻射亮度值。輻射校正的方法包括大氣校正、幾何校正和輻射定標等，以提高遙感數(shù)據(jù)的精度和可靠性。輻射校正的意義為后續(xù)的遙感圖像分析和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，如地表覆蓋分類、變化檢測和資源監(jiān)測等。大氣校正11.大氣散射大氣分子和氣溶膠對電磁輻射的散射，導(dǎo)致圖像亮度和對比度下降。22.大氣吸收大氣中的水蒸氣、二氧化碳等氣體對特定波長電磁輻射的吸收，影響遙感圖像的光譜特征。33.大氣路徑輻射大氣本身也會發(fā)射輻射，混雜到目標輻射中，需要去除。44.校正方法常用的方法包括暗目標法、輻射傳輸模型法等。幾何校正地理參考將圖像像素與地理坐標系進行配準。幾何畸變消除傳感器、地球曲率、地形起伏等因素帶來的幾何畸變。配準方法控制點法影像匹配法直接幾何校正遙感數(shù)據(jù)分類遙感數(shù)據(jù)分類是將遙感圖像中不同地物像素進行識別和歸類，形成不同地物類型的地圖。它可以有效地提取遙感圖像中的信息，為土地利用、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害評估等提供重要依據(jù)。1圖像分割將遙感圖像分割成多個區(qū)域，每個區(qū)域包含具有相同特征的像素。2特征提取從圖像中提取出能夠區(qū)分不同地物的特征，例如亮度、顏色、紋理等。3分類器訓(xùn)練使用已知地物類型的樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練分類器，以便識別不同地物類型。4分類結(jié)果根據(jù)訓(xùn)練好的分類器對圖像進行分類，生成不同地物類型的地圖。遙感數(shù)據(jù)分類方法主要分為監(jiān)督分類和無監(jiān)督分類。監(jiān)督分類需要用戶提供已知地物類型的樣本數(shù)據(jù)，而無監(jiān)督分類則不需要樣本數(shù)據(jù)，而是根據(jù)圖像數(shù)據(jù)本身的特征進行分類。監(jiān)督分類定義監(jiān)督分類是機器學(xué)習(xí)算法，它利用已知類別樣本，訓(xùn)練分類器模型，進而對未知樣本進行分類。過程首先，需要對樣本進行標注，并用這些標注樣本訓(xùn)練分類器模型。訓(xùn)練完成后，可以使用模型對新樣本進行分類。方法常見的監(jiān)督分類方法包括決策樹、支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。應(yīng)用監(jiān)督分類在遙感圖像分析中廣泛應(yīng)用，如土地覆蓋分類、植被識別、目標檢測等。無監(jiān)督分類聚類分析將遙感數(shù)據(jù)中具有相似特征的像素分組。無需人工標注樣本，根據(jù)像素特征自動分類。結(jié)果可視化生成分類圖，展示不同地物的空間分布。目標檢測識別目標通過遙感圖像識別特定目標，如建筑物、車輛、飛機等。目標定位確定目標在圖像中的位置和大小。目標分類將檢測到的目標分為不同的類別，例如不同類型的車輛、不同類型的建筑物等。變化檢測時間序列分析通過比較不同時間段的遙感數(shù)據(jù)，識別地表變化情況。土地利用變化監(jiān)測土地利用類型轉(zhuǎn)換，例如城市擴張、森林砍伐、農(nóng)業(yè)用地變化。災(zāi)害監(jiān)測監(jiān)測自然災(zāi)害，例如地震、洪水、火災(zāi)，并評估其影響。遙感應(yīng)用實例1農(nóng)業(yè)遙感遙感在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，例如監(jiān)測作物生長、估算產(chǎn)量、監(jiān)測病蟲害。2森林遙感遙感技術(shù)可以監(jiān)測森林覆蓋率、評估森林資源、監(jiān)測森林火災(zāi)。3水文遙感利用遙感技術(shù)可以監(jiān)測水體面積、水質(zhì)變化、水資源管理。農(nóng)業(yè)遙感作物生長監(jiān)測利用多光譜數(shù)據(jù)，分析植被指數(shù)，評估作物生長狀況、產(chǎn)量預(yù)測。灌溉管理監(jiān)測土壤水分含量，評估灌溉需求，優(yōu)化灌溉策略，節(jié)約水資源。病蟲害監(jiān)測識別作物病蟲害癥狀，及時采取防控措施，減少農(nóng)作物損失。森林遙感森林資源監(jiān)測森林覆蓋率、森林面積、林種組成等，及時了解森林資源變化情況。森林火災(zāi)監(jiān)測火點識別、火勢蔓延預(yù)測，及時預(yù)防和撲滅森林火災(zāi)。森林病蟲害監(jiān)測病蟲害發(fā)生區(qū)域、發(fā)生程度等，及時控制病蟲害蔓延。水文遙感水資源監(jiān)測水文遙感可以幫助我們監(jiān)測水資源的數(shù)量、分布和變化，例如水庫水位、河流流量和地下水儲量。洪水監(jiān)測利用遙感技術(shù)可以及時準確地監(jiān)測洪水災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展和演變過程，為防洪減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。水質(zhì)監(jiān)測通過分析水體的光譜特征，可以判斷水體的污染程度，例如藻類生長、水體富營養(yǎng)化和石油泄漏。海岸帶監(jiān)測水文遙感可以監(jiān)測海岸線的變化，例如海灘侵蝕、海平面上升和海岸帶生態(tài)環(huán)境的變化。地質(zhì)遙感地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測利用遙感技術(shù)監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害，例如滑坡、泥石流和地震?？梢钥焖僮R別災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，評估災(zāi)害程度，為應(yīng)急救援提供決策支持。礦產(chǎn)資源勘探遙感技術(shù)可用于探測地表巖石和礦物信息，幫助識別礦產(chǎn)資源分布區(qū)域，提高勘探效率。城市遙感城市規(guī)劃與管理城市遙感可以監(jiān)測城市擴張，評估土地利用變化，優(yōu)化城市規(guī)劃。交通流量監(jiān)測利用遙感技術(shù)監(jiān)測城市交通流量，識別交通擁堵區(qū)域，優(yōu)化交通管理。環(huán)境監(jiān)測與評估通過遙感數(shù)據(jù)分析城市空氣質(zhì)量、水質(zhì)、噪聲等環(huán)境指標，評估城市環(huán)境質(zhì)量。建筑物監(jiān)測利用遙感技術(shù)監(jiān)測城市建筑物數(shù)量、高度、面積等信息，為城市發(fā)展提供參考。環(huán)境遙感11.監(jiān)測空氣質(zhì)量利用遙感技術(shù)監(jiān)測大氣污染物濃度和分布情況，為大氣環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。22.評估水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測水體污染物濃度、水質(zhì)變化以及水體富營養(yǎng)化程度，為水資源保護提供重要信息。33.評估土壤環(huán)境質(zhì)量利用遙感技術(shù)監(jiān)測土壤重金屬含量、土壤有機質(zhì)含量以及土壤鹽堿化程度，為土壤環(huán)境保護提供參考。44.監(jiān)測生態(tài)環(huán)境變化遙感技術(shù)可以監(jiān)測植被覆蓋度、土地利用變化、生物多樣性變化等，為生態(tài)環(huán)境保護提供數(shù)據(jù)支撐。災(zāi)害遙感洪水監(jiān)測利用遙感技術(shù)監(jiān)測洪水泛濫區(qū)域，評估災(zāi)害程度，輔助救援工作。地震監(jiān)測遙感技術(shù)可用于監(jiān)測地震災(zāi)區(qū)，評估災(zāi)害損失，規(guī)劃災(zāi)后重建工作。森林火災(zāi)監(jiān)測通過衛(wèi)星影像識別森林火災(zāi)，及時預(yù)警，有效控制火勢蔓延。火山監(jiān)測遙感技術(shù)可監(jiān)測火山活動，預(yù)測火山爆發(fā)，保障人民安全。遙感數(shù)據(jù)共享與交換數(shù)據(jù)標準化數(shù)據(jù)格式、元數(shù)據(jù)和質(zhì)量控制標準的統(tǒng)一，確保數(shù)據(jù)可互操作性。數(shù)據(jù)平臺建設(shè)構(gòu)建共享平臺，提供數(shù)據(jù)存儲、檢索、瀏覽、下載等功能，方便用戶訪問。數(shù)據(jù)訪問權(quán)限根據(jù)數(shù)據(jù)來源、用途和版權(quán)等因素，設(shè)置數(shù)據(jù)訪問權(quán)限，保障數(shù)據(jù)安全。