環(huán)境遙感與信息系統(tǒng)

環(huán)境遙感與信息系統(tǒng)報(bào)告人：張俊北京師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所01級(jí)本科第一部分：遙感概述遙感的定義遙感一詞來自英語(yǔ)

RemoteSensing，即“遙遠(yuǎn)的感知”。廣義理解，泛指一切無(wú)接觸的遠(yuǎn)距離探測(cè)，包括對(duì)電磁場(chǎng)、力場(chǎng)、機(jī)械波（聲波、地震波）等的探測(cè)。狹義的理解，遙感是應(yīng)用探測(cè)儀器，不與探測(cè)目標(biāo)相接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測(cè)技術(shù)。

遙感的構(gòu)成遙感系統(tǒng)

根據(jù)遙感的定義，遙感系統(tǒng)包括：被測(cè)目標(biāo)的信息特征、信息的獲取、信息的傳輸與記錄、信息的處理和信息的應(yīng)用五大部分

傳感器平臺(tái)衛(wèi)星地面站圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用目標(biāo)大氣信息源信息獲取信息傳輸信息處理信息應(yīng)用遙感的類型

(1)按遙感平臺(tái)地面遙感：傳感器設(shè)置在地面平臺(tái)上，如車載、船載、手提、固定或活動(dòng)高架平臺(tái)等；航空遙感：傳感器設(shè)置于航空器上，主要是飛機(jī)、汽球等；航天遙感：傳感器設(shè)置于環(huán)地球的航天器上，如人造地球衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間站、火箭等；航宇遙感：傳感器設(shè)置于星際飛船上，指對(duì)地月系統(tǒng)外的目標(biāo)的探測(cè)。

(2)按傳感器的探測(cè)波動(dòng)紫外遙感：探測(cè)波段在0.05～0.38之間；可見光遙感：探測(cè)波段在0.38～0.76之間；紅外遙感：探測(cè)波段在0.76～1000之間；微波遙感：探測(cè)波段在lmm～10m之間；多波段遙感：指探測(cè)波段在可見光波段和紅外波段范圍內(nèi)，再分成若干窄波段來探測(cè)目標(biāo)。高光譜遙感：指探測(cè)波段在可見光波段和紅外波段范圍內(nèi)，再分成若干連續(xù)窄波段來探測(cè)目標(biāo)。(3)按工作方式主動(dòng)遙感和被動(dòng)遙感：主動(dòng)遙感由探測(cè)器主動(dòng)發(fā)射一定電磁波能量并接收目標(biāo)的后向散射信號(hào)；被動(dòng)遙感的傳感器不向目標(biāo)發(fā)射電磁波，僅被動(dòng)接收目標(biāo)物的自身發(fā)射和對(duì)自然輻射源的反射能量。成像遙感與非成像遙感：前者傳感器接收的目標(biāo)電磁輻射信號(hào)可轉(zhuǎn)換成數(shù)字或模擬圖像；后者傳感器接收的目標(biāo)電磁輻射信號(hào)不能形成圖像。

（4）按遙感的應(yīng)用領(lǐng)域從大的研究領(lǐng)域可分為外層空間遙感、大氣層遙感、陸地遙感、海洋遙感等；從具體應(yīng)用領(lǐng)域可分為資源遙感、環(huán)境遙感、農(nóng)業(yè)遙感、林業(yè)遙感、漁業(yè)遙感、地質(zhì)遙感人象遙感、水文遙感、城市遙感、工程遙感及災(zāi)害遙感、軍事遙感等，還可以劃分為更細(xì)的研究對(duì)象進(jìn)行各種專題應(yīng)用。作為對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，遙感與常規(guī)手段相比有特點(diǎn):同步性時(shí)效性綜合性經(jīng)濟(jì)型

遙感的發(fā)展簡(jiǎn)史：空間時(shí)代始于1957年；60年代早期，第一顆氣象衛(wèi)星發(fā)射成功，預(yù)報(bào)3-5的天氣狀況；阿波羅飛船上天后更激起人們對(duì)環(huán)境的重視；70年代早期，

遙感廣泛用于土地覆蓋狀況的制圖。Landsat陸地衛(wèi)星是研究土地利用/土地覆蓋變化的基本工具；80年代，基于衛(wèi)星遙感的輻射平衡實(shí)驗(yàn)是地球能量平衡的第一個(gè)模型；70年代和80年代，臭氧光譜儀開始對(duì)臭氧聚集和分布的年變化進(jìn)行全球監(jiān)測(cè)；90年代證實(shí)臭氧層破壞是由與工業(yè)有關(guān)的化合物引起；90年代早期，第一張全球海洋環(huán)流圖開始模擬厄爾尼諾/拉尼娜的形成和消失，天氣預(yù)報(bào)延長(zhǎng)到12-18個(gè)月；90年代末，SeaWiFS觀測(cè)到“彩色海洋”（由于浮游植物聚集而形成）人們逐漸認(rèn)識(shí)到海洋吸收CO2的功能；熱帶雨林測(cè)量計(jì)劃第一次得到全球熱帶地區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)；理解氣候變化的關(guān)鍵在于地表、大氣、海洋、冰川及地球內(nèi)部的相互作用；21世紀(jì)，進(jìn)入地球觀測(cè)的新時(shí)代。遙感應(yīng)用狀況空間時(shí)代始于1957年；60年代：第一顆氣象衛(wèi)星發(fā)射成功70、80年代：遙感用于土地覆蓋狀況的制圖資源調(diào)查90年代初：衛(wèi)星遙感應(yīng)用于地球能量平衡研究證實(shí)臭氧層破壞與工業(yè)污染有關(guān)揭示厄爾尼諾的形成和消失21世紀(jì)：進(jìn)入多種信息源地球觀測(cè)的新時(shí)代揭示地球系統(tǒng)中C、N的循環(huán)過程趙濟(jì)教授、李天杰教授朱啟疆教授李小文院士地球?qū)?huì)如何變化？這種變化將會(huì)對(duì)人類帶來什么影響？ThisslideisadoptedfromNASAESEFile我們想知道......問題：地球系統(tǒng)是如何變化的？地球系統(tǒng)變化的主要驅(qū)動(dòng)力是什么？地球系統(tǒng)將如何響應(yīng)自然和人類活動(dòng)引起的變化？人類工業(yè)化對(duì)地球系統(tǒng)將造成何種影響？人類能預(yù)測(cè)地球系統(tǒng)的變化嗎？更好地理解地球系統(tǒng)及其對(duì)自然和人類活動(dòng)的反應(yīng)，從而提高人類對(duì)氣候、天氣、自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)。地球系統(tǒng)是如何變化的？全球降雨、蒸散、水循環(huán)是如何變化的？全球海洋循環(huán)的年內(nèi)、年際變化情況如何？平流層的臭氧是如何變化的？地球冰蓋是如何變化的？……

地球系統(tǒng)變化的主要驅(qū)動(dòng)力是什么？大氣成分和太陽(yáng)輻射中是什么趨勢(shì)在影響全球氣候變化？土地利用/土地覆蓋在發(fā)生什么變化，引起這些變化的原因是什么？地表是如何變化的？如何預(yù)測(cè)其未來變化？……地球系統(tǒng)將如何響應(yīng)自然和人類活動(dòng)引起的變化？云和地表水文過程對(duì)氣候變化有哪些影響？生態(tài)系統(tǒng)如何響應(yīng)并反過來影響全球環(huán)境變化和碳循環(huán)？氣候變化將如何影響全球海洋循環(huán)？區(qū)域污染對(duì)全球大氣有何影響？化學(xué)物質(zhì)和氣候變化對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量又有何影響？……

人類工業(yè)化對(duì)地球系統(tǒng)將造成何種影響？在全球氣候變化條件下，區(qū)域天氣、降雨、水資源將如何變化？土地利用/土地覆蓋的變化將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和生產(chǎn)力有何影響？氣候、海洋變化和日益增多的人類活動(dòng)將對(duì)海岸帶產(chǎn)生什么影響？……人類能預(yù)測(cè)地球系統(tǒng)未來的變化嗎？在空間觀測(cè)時(shí)代，海量數(shù)據(jù)和建模技術(shù)能否提高天氣預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)時(shí)間和可靠性？如何預(yù)測(cè)突然性的氣候變化？如何預(yù)測(cè)氣候的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)？如何預(yù)測(cè)大氣化學(xué)成分對(duì)臭氧和氣候的影響？如何通過地球系統(tǒng)建立碳循環(huán)模型？能否準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大氣中二氧化碳和甲烷的聚集量？三個(gè)熱點(diǎn)問題：大氣中二氧化碳含量的增加大氣中氮化物含量的增加土地利用/土地覆蓋的變化

遙感技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能應(yīng)用高空間分辨率、高光譜分辨率和高時(shí)間頻度數(shù)據(jù)反演地表物質(zhì)、能量因子及其轉(zhuǎn)換過程，遙感技術(shù)是獲取非均勻下墊面、非均勻介質(zhì)參數(shù)最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法，是監(jiān)測(cè)大尺度區(qū)域土壤水分的有力武器。

遙感:是工具還是科學(xué)？第二部分遙感基礎(chǔ)知識(shí)

遙感技術(shù)是建立在物體電磁波輻射理論基礎(chǔ)上的。不同物體具有各自的電磁輻射特性，才有可能應(yīng)用遙感技術(shù)探測(cè)和研究遠(yuǎn)距離的物體。

光波、熱輻射、微波、無(wú)線電波等都是由振源發(fā)出的電磁振蕩在空間的傳播，這些波叫做電磁波。

光波、熱輻射、微波、無(wú)線電波等都是由振源發(fā)出的電磁振蕩在空間的傳播，這些波叫做電磁波。

電磁能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射等）稱為電磁輻射遙感常用的各光譜段

紫外線：波長(zhǎng)范圍為0.01—0.4。太陽(yáng)輻射含有紫外線．通過大氣層時(shí)，波長(zhǎng)小于0.3的紫外線幾乎都被吸收，只有0.3一0.4波長(zhǎng)的紫外線部分能穿過大氣層到達(dá)地面，且能量很少。紫外波段在遙感中應(yīng)用比其它波段晚，目前，主要用于探測(cè)碳酸鹽巖分布。

可見光：可見光在電磁波譜中，只占一個(gè)狹窄的區(qū)間，波長(zhǎng)范圍0.4一0.76，它由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫色光組成?？梢姽馐沁b感中最常用的波段。

紅外線：紅外線波長(zhǎng)范圍為0.76—1000，為了實(shí)際應(yīng)用方便，又將其劃分為：近紅外（0.76—3.0），中紅外（3.0—6.0），遠(yuǎn)紅外（6.0—15.0）和超遠(yuǎn)紅外（15一1000）。

微波：微波的波長(zhǎng)范圍lmm—lm。微波又可分為：毫米波、厘米波和分米波。微波對(duì)某些物質(zhì)具有一定的穿透能力，能直接透過植被、冰雪、土壤等表層覆蓋物。因此，微波在遙感技術(shù)中是一個(gè)很有發(fā)展?jié)摿Φ倪b感波段。

太陽(yáng)輻射

地球的電磁輻射

地物的光譜特性

電磁波輻射到任何一個(gè)物體上均會(huì)產(chǎn)生三個(gè)分量，即反射、吸收和透射。三分量之和等于人射電磁波的總能量，但三分量各占多少則取決于物體的性質(zhì)。衡量物體的反射、吸收和透射能力通常采用反射率、吸收率及透射率。①反射率：即指物體反射電磁波的能量與入射電磁波的總能量之比：=反射能量／入射總能量③透射率：它反映物體對(duì)外來電磁波的透射能力，定義為物體透射電磁波的能量與入射總能量之比：＝透射能量／入射總能量③吸收率：它反映物體對(duì)外來電磁波的透射能力，定義為物體透射電磁波的能量與入射總能量之比：＝吸收能量／入射總能量，

（1）反射率和亮度系數(shù)地物反射率的大小，與人射光的波長(zhǎng)、人射角的大小以及地物表面顏色和粗糙度等有關(guān)。一般來說，反射人射光能力強(qiáng)的地物，反射率大，傳感器記錄的亮度值就大，在相片上呈現(xiàn)的色調(diào)就淺；反之則深。這些色調(diào)的差異是目視解譯的重要標(biāo)志。亮度系數(shù)是指在相同光照條件下，物體的亮度值與標(biāo)準(zhǔn)反射面（常為硫酸鋇板）的亮度值的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。

（2）鏡面反射與漫反射物體表面是光滑的還是粗糙，這取決于人射電磁波的波長(zhǎng)與物體表面粗糙度之比，即為物體表面的粗糙度（h）是人射電磁波波長(zhǎng)的函數(shù)。

地物的反射光譜曲線

地物的反射率隨人射波長(zhǎng)變化的規(guī)律，叫做反射光譜。按地物反射率與波長(zhǎng)之間關(guān)系繪制曲線圖（橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)值，縱坐標(biāo)為反射率）稱為地物反射光譜曲線

影響地物反射率變化的因素

地物的光譜反射率與入射電磁波在各波段處的輻射通量及相應(yīng)的發(fā)射通量有關(guān)，也就是與入射通量和地物本身性質(zhì)有關(guān)。而很多