农业信息技术 chapter4 农业遥感监测.ppt
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1、农业信息技术,第四章 农业遥感监测,3,遥感技术概述 电磁波谱与地物波谱特征 遥感影像获取、解译与处理 高光谱遥感与定量遥感基础 农业遥感监测应用 农业遥感监测实例,第一节 遥感技术概述,一、遥感技术的概念二、遥感技术系统三、遥感技术的类型四、遥感技术的特点五、遥感技术发展与展望,第一节 遥感技术概述,一、遥感技术的概念,遥感技术(Remote Sensing,RS)是指从不同高度的平台上,使用不同的传感器,收集地球表层各类地物的电磁波谱信息,并对这些信息进行分析处理,提取各类地物的特征,探测和识别各类地物的综合技术。,由于地面目标的种类及其所处环境条件的差异,地面目标具有反射或辐射不同波长电
2、磁波信息的特性,遥感正是利用地面目标反射或辐射电磁波的固有特性,通过观察目标的电磁波信息以达到获取目标的几何信息和物理属性的目的,遥感数据采集示意图,第一节 遥感技术概述,一、遥感技术的概念,遥感数据流程图,不同地面目标所固有的电磁波特性受到太阳及大气等环境条件的影响后,再通过传感器收集并经过数据加工处理,最终应用到各种领域的数据流程。,第一节 遥感技术概述,二、遥感技术系统,第一节 遥感技术概述,二、遥感技术系统,(一)空间信息获取系统,安放遥感仪器的载体,收与记录地表物体辐射、反射与散射信息的仪器,遥感摄影机光机扫描仪推帚式扫描仪成像光谱仪成像雷达,第一节 遥感技术概述,二、遥感技术系统,
3、(二)遥感数据传输与接收,这些数据通常用数字信号传送。遥感图像的模拟信号变换为数字信号时,经常采用二进制脉冲编码的PCM式(pulse code modulation:脉冲编码调制)。由于传送的数据量非常庞大,需要采用数据压缩技术。,遥感器接收到地物目标的电磁波信息,被记录在胶片或数字磁带上。从遥感卫星向地面接收站传输的空间数据中,除了卫星获取的图像数据以外,还包括卫星轨道参数、遥感器等辅助数据。,第一节 遥感技术概述,二、遥感技术系统,(二)遥感数据传输与接收,卫星地面接收站的主要任务是接收、处理、存档和分发各类地球资源卫星数据。,地面站接收的卫星数据通常被实时记录到HDDT(high de
4、nsity digital tape,高密度磁带)上,然后根据需要拷贝到CCT(computer compatible tape,计算机兼容磁带)、光盘、盒式磁带等其他载体上。CCT、光盘、盒式磁带等是记录、保存、分发卫星数据等最常用的载体。,第一节 遥感技术概述,二、遥感技术系统,(三)遥感图像处理,遥感图像处理是在计算机系统支持下对遥感图像加工的各种技术方法的统称。遥感图像处理依赖于一定的图像处理设备。对于数字图像处理系统来说,它包括硬件和软件系统两部分。,第一节 遥感技术概述,二、遥感技术系统,(四)遥感信息提取与分析,遥感信息分析指通过一定的方法或模型对遥感信息进行研究,判定目标物的性
5、质和特征或深入认识目标物的属性和环境之间的内在关系。,遥感信息提取是从遥感图像(包括数字遥感图像)等遥感信息中有针对性地提取感兴趣的专题信息,以便在具体领域应用或辅助用户决策。,第一节 遥感技术概述,二、遥感技术系统,遥感技术系统示意图,第一节 遥感技术概述,二、遥感技术系统,遥感系统信息处理流程,第一节 遥感技术概述,三、遥感技术的类型,(一)按遥感平台划分,第一节 遥感技术概述,三、遥感技术的类型,(二)按传感器的探测波段划分,第一节 遥感技术概述,三、遥感技术的类型,(三)按工作方式划分,第一节 遥感技术概述,三、遥感技术的类型,(四)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
6、、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。,第一节 遥感技术概述,三、遥感技术的类型,(五)按遥感光谱分辨率划分,第一节 遥感技术概述,四、遥感技术的特点,综合性 宏观性 时效性 经济性 客观性 局限性,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,1957年10月4日苏联,TIROS-1,NOAA-1,1960年美国,1960年美国人Evelyn Pruitt提出遥感一词,第一节 遥感技术概
7、述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,1972年美国发射ERTS-1(后改名为Landsat-1),装有MSS(多光谱扫描仪)传感器,分辨率79m,标志着遥感进入新阶段;,1982年美国发射Landsat-4,装有TM(主题成像仪)传感器,分辨率提高到30m;,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,1986年法国发射SPOT-1,装有PAN和XS遥感器,分辨率提高到10m,1988年中国发射的第一颗“风云1号”气象卫星,其主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感试验,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史
8、,1991年欧空局(ESA)发射了第一颗雷达卫星ERS-1;,1992年日本发射了雷达卫星JERS-1,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,1995年加拿大发射了雷达卫星Radarsat,ESA发射了雷达卫星ERS-2,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,1999年美国发射IKNOS,空间分辨率提高到1m,中国发射中巴资源卫星1号(CBERS-1),美国发射LANDSAT-7,携带了增强型主题成像传感器(ETM+),CBERS-1,LANDSAT-7,IKNOS,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展
9、简史,2001年美国Digital Globe公司发射高分辨率卫星QuickBird,是当时世界上唯一能提供亚米级分辨率的商业卫星,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,2002年ESA发射了遥感卫星Envisat-1,中国发射CBERS-2卫星;2004年中国发射新一代地球静止轨道气象卫星风云二号C星;,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,2005年印度发射Cartosat-1(IRS-P5)高分辨率卫星,搭载的可见光全色波段摄像仪分辨率为2.5 m;2006年日本发射先进对地观测卫星ALOS,携带全色遥感立体测绘仪(PRIS
10、M)等3种传感器,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,2007年美国Digital Globe 公司发射了0.5m分辨率的商业卫星WorldView-1,意大利发射COSMO-SkyMed 1卫星,为全球第一颗分辨率高达1m的雷达卫星,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,2008年世界上规模最大的商业卫星遥感公司美国GeoEye公司发射商业卫星地球之眼GeoEye-1卫星,其黑白影像分辨率0.41m,彩色影像分辨率1.65m,定位精度3m;2009年美国Digital Globe公司成功发射新一代高分辨率商业卫星WorldVi
11、ew-2,多光谱影像分辨率1.8m,全色影像分辨率0.46m,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,20062009年中国相继发射“遥感卫星一号”“遥感卫星八号”等八颗卫星,用于空间科学试验、国土资源勘查、农作物估产及防灾减灾等领域,第一节 遥感技术概述,五、遥感技术发展与展望,(一)遥感技术发展简史,不同高度、不同用途的卫星构成了对地球和宇宙空间的多角度、多周期观测。传感器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。大容量、高速度的计算机与功能强大的专业图像处理软件的结合成为遥感信息处理的主流。,20世纪中期以来,全球已有5000余颗
12、人造卫星升空,有地球同步卫星、太阳同步卫星,还有一些低轨和高轨卫星。,第一节 遥感技术概述,(二)遥感技术发展趋势,五、遥感技术发展与展望,1.高光谱分辨率传感器是未来空间遥感发展的核心内容 2.遥感定量化3.微波遥感技术 4.小卫星群计划,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,一、电磁波谱二、大气窗口 三、物体的电磁波反射特性,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律,称为地物波谱。地物波谱是电磁辐射与地物相互作用的结果。不同的物质反射、透射、吸收、散射和发射电磁波的能量是不同的,它们都具有本身特有的变化规律,表现为地物波谱随波长而变的特性,这些特性叫做地物波
13、谱特性。地物的波谱特征是遥感识别地物的基础。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,一、电磁波谱,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,紫外线的波长在0.0l0.4m之间,主要源于太阳辐射。由于太阳辐射通过大气层时的被吸收现象,只有0.30.4m的紫外线能部分地穿过大气层,但散射严重。因此大多数地物在该波段的反差较小,仅部分地物如荧石和石油在此波段可以表现出来,除在石油普查勘探中紫外遥感可发挥一定作用外,在其他遥感应用领域较少使用。另外,由于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收与散射作用,紫外遥感通常在2000m高度以下范围进行。,一、电磁波谱,(一)紫外线,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,一、电磁波谱,(二)
14、可见光,可见光波长在0.40.7m之间,主要源于太阳辐射。尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用,它仍是遥感成像所使用的主要波段之一,利用可见光成像的手段有摄影和扫描两种方式。在此波段大部地物都具有良好的亮度反差特性,不同地物在此波段的图像易于区分。为进一步探测地物间的细微差别,可将此波段分为红(0.60.7m)、绿(0.50.6m)、蓝(0.40.5m)以及仅有十几埃差的二百多个不同波段分别对地物进行探测,这种分波段成像的方法一般称之为多光谱遥感。航空、航天遥感成像中均用到可见光波段。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,一、电磁波谱,(三)红外线,红外线波段较宽,在此波段地物间不同的反射持性和发
15、射特性都可以较好地表现出来,因此该波段在遥感成像中有重要的应用。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,一、电磁波谱,(四)微波,微波波长在0.00l1m之间,由于其波长比可见光、红外线要长,受大气层中云、雾的散射干扰要小,因此能全天候进行遥感。由于地物在微波波段的辐射能量较小,为了能够利用微波的优势进行遥感,一般由传感器主动向地面目标发射微波,然后记录地物反射回来的电磁波能量,因此这种遥感又称为主动遥感。由于微波遥感是采用主动方式进行的,不受光照等条件的限制,白天晚上均可进行地物的微波特性成像,因此微波遥感是一种全天时的遥感技术。微波波段在航空、航天遥感中均能应用。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征
16、,二、大气窗口,电磁波传播过程中,若通过两种介质的交界面,还会出现反射现象。气体、尘埃的反射作用很小,反射现象主要发生在云层顶部,因此应尽量选择无云的天气接收遥感信号。由于大气对电磁波散射和吸收等因素的影响,使一部分波段的太阳辐射在大气中的透过率很小或根本无法通过。电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。为了利用地面目标反射或辐射的电磁波信息成像,遥感中对地物特性进行探测的电磁波“通道”应选择在大气窗口内。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,二、大气窗口,目前在遥感中使用的一些大气窗口主要为:,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,目前遥感中传感器记录的主要是地物
17、本身发射的电磁波信息和地物反射太阳光中的电磁波信息,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(一)地物反射波谱特性,光谱反射率(spectral reflectance)p为:地物在某波段的反射通量与该波段的入射通量之比,即=Ep/E,也就是某个特定波长间隔下测定的物体反射率。连续波长测定的物体反射率曲线构成反射率波谱(reflectance spectrum)。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(一)地物反射波谱特性,地物波谱反射率随波长变化而改变的特性称之为地物反射波谱特性。将地物的波谱反射率与波长的关系在直角坐标系中描绘出的曲线称为地物反射特性
18、曲线。,不同地物有不同的光谱反射率,同一地物在不同波段有不同的光谱反射率。因此在同一幅图像上不同的地物会有不同的色调(彩);同一地物在不同的波段的图像也会有不同的色调(彩)。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(二)影响地物反射率变化的因素,地物的光谱反射率与入射电磁波在各波段处的辐射通量及相应的反射通量有关,也就是与入射通量和地物本身性质有关。而很多因素会引起人射通量及地物性质的变化,如太阳位置(太阳高度角和方位角)、遥感器位置(遥感器的观测角和方位角)、地理位置、地形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气形状等。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物
19、体的电磁波反射特性,(二)影响地物反射率变化的因素,地物本射的变异,会使其反射率有很大的变化。如植物的病虫害会造成反射率发生较大的变化。随着病虫害的加剧,光谱反射率变化有两个相反的区段,在0.580.7m间反射率增加,而在0.7m以上的近红外区反射率减小。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(二)影响地物反射率变化的因素,土壤的含水量也直接影响着土壤的光谱反射率如图绘出了同一种沙土在三种不同含水量情况下的光谱反射持性曲线,含水量越高,反射率越低,特别是在红外区更为明显。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(二)影响地物反射率变化的因素,由于时间的
20、推移也会使同一种地物的光谱反射特性产生变化。如图,在0.8m以上的红外区新雪的反射率明显地比陈雪高。同样,随着时间的变化,植物在不同的生长期反射率也有很大差异,如小麦,在生长期和成熟期它的反射特性曲线有明显的不同。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(三)几种主要地物反射波谱曲线,1植被,由于色素吸收、近红外波段的多次散射,在可见光近红外波段植被有其独特的光谱持征,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(三)几种主要地物反射波谱曲线,2.土壤,自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值,一般来讲土质越细反射率越高,有机质含量越高和含水量越高反射率
21、越低,此外土类和肥力也会对反射率产生影响。由于土壤反射波谱曲线呈比较平滑的特征,所以在不同光谱段的遥感影像上,土壤的亮度区别不明显。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(三)几种主要地物反射波谱曲线,3水体,水体的反射主要在蓝绿光波段,其他波段吸收都很强,特别到了近红外波段,吸收就更强。在遥感影像上,特别是近红外影像上,水体呈黑色。但当水中含有其他物质时,反射光谱曲线会发生变化。水中含泥沙时,由于泥沙散射,可见光波段反射率会增加,峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时,近红外波段明显抬升,这些都成为影像分析的重要依据。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性
22、,(三)几种主要地物反射波谱曲线,4岩石,岩石的反射波谱曲线无统一的特征,矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽等都会对曲线形态产生影响。,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(四)地物反射波谱特性的测量,传感器波段选择、验证、评价的依据。这就要求在飞行前或卫星发射前,系统地测量地面各种地物的波谱特性;建立地面、航空和航天遥感数据的关系,为此地面测量最好与空中遥感同步进行;将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析并建立应用模型,建立地物的标准波谱数据,为计算机图像自动分类和识别提供光谱数据,为遥感图像的解译提供依据。,电磁波谱中,可见光和近红
23、外波段(0.32.5m)是地表反射的主要波段,多数传感器使用这一区间,其地物光谱的测试有三方面作用:,第二节 电磁波谱与地物波谱特征,三、物体的电磁波反射特性,(四)地物反射波谱特性的测量,地物反射波谱特性测量,实验室测量,野外测量,地面测量,航空测量,第三节 遥感影像获取、解译与处理,一、遥感影像获取二、遥感图像目视判读 三、遥感影像计算机处理,第三节 遥感影像获取、解译与处理,一、遥感影像获取,(一)遥感平台,1遥感平台的种类,遥感中搭载传感器的工具统称为遥感平台(Platform)。遥感平台的种类很多,按平台距地面的高度大体上可分为地面平台、航空平台、航天平台三类。选择遥感平台的主要依据
24、是遥感图像空间分辨率。,近地遥感地面分辨率高,但观测范围小航空遥感地面分辨率中等,其观测范围较广航天遥感地面分辨率低,但覆盖范围广,第三节 遥感影像获取、解译与处理,一、遥感影像获取,(一)遥感平台,1遥感平台的种类,地面遥感平台是指用于安置遥感器的三角架、遥感塔、遥感车等,高度在100m以下。通常三角架的放置高度在0.75m至2.0m之间,在三角架上放置地物波谱仪、辐射计、分光光度计等地物光波测试仪器,用以则定各类地物的野外波谱曲线。遥感车、遥感塔上的悬臂常安置在610m甚至更高的高度上,在这样的高度上对各类地物进行波谱测试,可测出地物的综合波谱待性。,第三节 遥感影像获取、解译与处理,一、
25、遥感影像获取,(一)遥感平台,1遥感平台的种类,航空遥感对飞机性能和飞行过程有特殊的要求,如航速不宜过快,稳定性能要好;续航能力强,有较大的实用升限;有足够宽敞的机舱容积;具备在简易机场起飞的能力及先进的导航设备等。,航空平台主要是指高度在30km以内的遥感飞机等。,第三节 遥感影像获取、解译与处理,一、遥感影像获取,(一)遥感平台,1遥感平台的种类,航天平台是指高度在150km以上的人造地球卫星、宇宙飞船、空间轨道站和航天飞机等,第三节 遥感影像获取、解译与处理,一、遥感影像获取,(一)遥感平台,1遥感平台的种类,目前对地观测中使用的航天平台主要是遥感卫星。根据航天遥感平台的服务内容,可以将
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