(完整版)遥感应用分析原理与方法习题和答案

绪论思考题遥感—是一种远离目标，通过非直接接触而感知、测量、分析并判定目标性质，其空间展布、类型及其数量的探测技术。泛指一切不接触物体而进行的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波(声波、地震波)等的探测。指不与探测目标相接触，利用传感器(遥感器),把目标的电磁波特性记录下来，通过对数据的处理、综合分析，揭示出物体的特点及其变化规律的综合性探测技术。然界任何物体都具有反射、吸收、发射电磁波的能力，这是由于组成物质的最小微粒不同运动状态造成的；相异的电磁波谱特性，这是遥感识别目标的前提；地物波谱特征可通过各种光谱测量仪器测得。遥感的物理基础任何物体都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，物体与电磁波的相互作用，形成了物体的电磁波特性，这是遥感探测物体的依据。2.遥感的特点(优势)主要有哪些?遥感的特点(优势):经济：节约人力、物力、财力、时间?根据研究的目标选择合适的遥感数据源考虑空间分辨率、时间分辨率、光谱波段等因素，目标不同、尺度不同、时相要求不同、光谱特点不同?进行图像的(预)处理多时相图像配准、几何纠正、图像镶嵌、数据融合?建立分类系统各类及亚类分类指标(定性、定量)?专题信息提取(分类)与综合分析?结果检验与成果输出对结果进行验证(直接验证、间接验证),满足需要则输出结果，反遥感技术的发展趋势分辨率不断提高：空间、时间、辐射和光谱分辨率不断提高静态---动态：短周期、多时相(1)高空间分辨率2两全(1)全频段(全天时、全天候、多角度)(2)全方位(天、机、球)3一体化第一章思考题指单位时间内，通过某一表面的辐射能量。单位为瓦(w),即焦φ=dQ/dt辐射通量是波长的函数。φ(λ)=dφ/dλ=dQ/dt.dλ单位为瓦/微米(wμm-1)。光谱辐射通量辐射出射度M(radiantexitance),指面辐射源在单位时间内，从单位面积上发射出的辐射能量，即物体单位面积上发出的辐射通量，单位为瓦/米2(wm-2),表达简称辐照度，指面辐射体在单位时间内，单位面积上接收的辐射能量，即照射到物体单位面积上的辐射通量,单位为瓦/米2(wm-2),表达为：辐射亮度L:L=d²φ/dΩ·L=d²φ/dΩ·dAcos0为1的物体(无反射，也无透射);它是一个自然界并不存在的假设黑体辐射遵循普朗克辐射定律、斯特藩—玻耳兹曼辐射定律(Stefan—Boltzmann)和维恩位移定律三条基本的物理定律。17%:被大气吸收22%:被散射，以漫射的形式到达地表31%:直射到达地表地面接收的太阳辐照度还与大气的吸收及散射有关。(感觉不太对)·长波辐射(6μm以上):指地表物体自身的热辐射。此范围短波辐射可忽略不计。指地球表面对太阳的反射辐射。此范围长波辐射可忽略不计。太阳辐射和热辐射的影响均有，均不能忽略。a为地表反照率(半球反射率)(可由VIS—NIR遥感反演获得);T₈为地表温度(可由TIR、MW遥感反演获得);σ为斯特藩—玻耳兹曼常数为：⁴第一项表示入射的短波辐射能量和反射的短波辐射能量差，即收入的短波辐射；第二项为大气的热辐射部分，第三项为地物向上的热辐射部分，三项之和为地面的净收入。(参看书p432)需要说明几点：(反射太阳的短波辐射)和长波辐射R具有非连续(窄波段)、窄视场、特定方向的特点；而自然界地物的反射与发射具有全波段、半球视场、各向异性两者间的差异是影响遥感反演地表参数反照率与温度Ts精度的重要原因，是定量遥感迫切需解决的问题。目前的研究途径：①通过方向模型，把地表方向反射率p转换为地表光谱反照率α②通过野外(同步)试验，用遥感、地面、大气数据，建立宽波段辐射值(反射或发射),与窄波段遥感数据间的关系(多为统计模型)。3.散射的概念及大气散射作用对遥感的影响。非均匀或各向异性介质中传播时，改变原来传播方向的现象。大气散射对遥感的影响大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向；造成遥感图像辐射畸变、图像模糊。大气散射产生天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身“亮反差(对比度),降低了图像的质量(清晰度)及图像上空间信息的表达能力(灵敏度)。因此，遥感器常利用滤光片，阻止蓝紫散射光透过。散射对低层大气尤为重要(约低于3km,湿度大、气溶胶集中。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐6.大气纠正及其基本方法。大气纠正:为了从遥感图像数据中提取真实地表信息，必须对传是消除这些大气效应(吸收、散射等)的处理。大气纠正模型主要有三种基本的物理过程：反射(Reflection)吸收特征、光照角度等),又依赖于电磁波的波长。反射能Ep吸收能E透射能E₇反射特征用反射率(Reflectivity)p表示。它是波长的函数，又称光谱反射率(),被定义为：pa)-F;)-pa)-F;)-反射能入射能以百分数表示，其值在0—1之间，为无量纲的量当入射波长比地表高度小或比地表组成物质粒度(直径)小(粗糙表面)时，入射能量均匀地向各方向反射，则为漫反射(朗伯反朗伯体。严格讲自然界只存在近似意义下的朗伯体。只有黑体才是真正的第二章思考题空间分辨率(地面分辨率)前者是针对遥感器或图像而言的，指图像上能够详细区分的最小(1)空间分辨率高——划分地物越细，识别地物细节能力强。(2)不一定是空间分辨率越高越好，要根据应用的特定目的选择合质；区域、全球)。光谱分辨率(答案不一定对)?遥感器所选用的波段数量的多少；?各波段的中心波长位置；?波长间隔的大小。因素直接相关(如：卫星测摆等)。辐射分辨率——指遥感器探测目标光谱信号强弱的敏感程度、区分能力(能分辨的最小辐射度差),即探测器的灵敏度。辐射分辨率一般用灰度的分级数来体现(量化级数)。图像的灰度级越多，视觉效果越好(分辨能力越强，但数据量越大)。2.遥感所利用的电磁波谱范围有哪些?它们各有哪些主要特性?光学波段----反射波段(0.3-5μm)、发射波段(3-15μm)发射波段：遥感器主要接收来自地面物体自身的发射辐射的能量，特征。物质的这种基本特征是由于组成物质的最小微粒——分子，原从高能向低能状态的转动，将释放(发射)能量；从低能向高能由于不同物质的分子结构、原子组成、运动方式不同，发出的光的频率也就不同，则具有不同的电磁波谱特性。地物的反射、吸收、发射电磁波的特征随波长而变化。人们以波谱曲线的形式表示地物波谱特性，即地物波谱。物波谱可以通过各种而定量遥感研究中需要通过大量地面样本分析，建立先验知识,确定要的基础性研究工作；地物波谱是遥感定量化的依据，是联系遥感基础研究与遥感应用的桥梁；是选择遥感仪器最佳探测波段，以及遥感图像分析与处理中最佳波段选择、专题信息提取等的重要依据；也是遥感应用分析的基4.简述植被、土壤、水体的反射波谱特征，并分析它们的影响因素。随着植物的生长、发育或水分亏缺等状态不同，植物叶片的组分、结构均会变化，使叶片光谱特性变化。(参看书§12.1p366)叶片光谱特性的变化在近红外区最为明显。这对于植物1非植物的区分、不同植被类型的识别、植物长势监测等是很有价值的。红边位移“红边”是指红光区外叶绿素吸收减少部位到近红外高反射肩之间,健康植物的光谱响应陡然增加(其亮度增加约10倍)的这一窄条带区(约0.68-0.78um)。它是植物敏感的特征光谱段。它的移动反映了叶绿素含量、物候期、健康状况及类别等多种信息实验证明：作物从生长发育到成熟，会发生光谱红边红移;而植物受地球化学元素异常的影响(诱发中毒性病变),则其光谱红边蓝移。红移与蓝移的幅度大致7—10nm在严重受压抑情况下，蓝移可达40nm(参看书p98)植物波谱特性的影响因素是因时因地在变化着，是一种综合作用的结果。植物冠层的组分、形状结构(与叶的类型、植物生长阶段等有关);辐照及观测方向(包括地形起伏改变辐照方向);,并且此趋势在可不同类型干土反射率水分含量、有机质含量、氧化铁的存在、土壤颜色、结构、表面粗糙度、植物残体或生长着的植被以及太阳——目标地物——遥感器三者的几何关系等。这些因素是复杂的、变化的和相关的。拔高度)、土壤母质、地下水状况(水深、水质)….的光谱特征主要是由水本身的物质组成决定，并受到?VIS<0.6μm,水的吸收?对清水而言，入水的透射光对水中微粒(水分子和溶解性物质)产生瑞利散射，峰值位于蓝波段(约0.48μm,清水呈蓝色);?对较大悬浮物质颗粒产生米氏散射，峰值位于黄橙波段(约0.58?水中物质分子吸收光---再发射(浮游生物叶绿素光合作用所发出的荧光),峰值位于橙红波段(约0.68μm);水体的光谱特征(即水色)主要表现为体散射，即不仅反映一定的表面特征，且包含了一定厚度水体的信息(与陆地特征不同),且这个厚度及反映的光谱特性是随时空而变化的。水色主要决定于水体中浮游生物含量(叶绿素浓度)、悬浮泥沙含量(混浊度大小)、营养盐含量(黄色物质、溶解有机物质、盐度指标)以及其它污染物、水底部形态(水下地形)、水深等因素。叶绿素浓度大致在18米左右达到最大值，然后下降，在20米左右过程。同时，有些地物或自然现象在它发展的时间序列中表现出某种周期性重复的规律。如，植物生长的“季相节律”。遥感研究中，必须考虑研究对象的时相变化特性(农事历、物候期、耕作制度等),抓住合适的遥感信息获取时机，以达到专题应用目的。间变化上。这种光谱特性随时间的变化,称为光谱特性的时间效应。响应，这种光谱特性随地点的变化，称为光谱特性的空间效应。它的空间尺度可以只有几米(如作物行距或植物形态变化造成的变化)也可以几公里、几百公里较大地理范围(体现为地物的区域性，要区别对待)。(在遥感中的应用自己总结)第三章思考题1.试说明摄影成像与扫描成像的基本原理、各自优势?(一)摄影系统摄影系统选用光学摄影波段(紫外—近红外0.3--0.9μm)的电磁辐射能量，通过照相机直接成像。因为紫外(0.3--0.38μm)多被大气吸收与散射，目前较少被遥感利用。摄影系统是一种分幅成像系统。一幅像片为瞬间成像，多为中心投影。因地面常有起伏、多数物体具有高度、像片又有倾斜，所以会产生像点位移、图像变形。变形规律：以像主点(相片上框标连线的交点，或者相机主光轴对应相片上的点。)为中心呈辐射状，越往边缘变形越大，地形起伏越大变形越大。摄影系统的优势?空间分辨率高；?立体像对，利于精确地测量与分析；?高度的灵活性、实用性、成本低；因此，尽管摄影系统与多波段扫描系统相比，胶片的光谱响应范围要窄得多，但仍有很大的应用领域，被广泛应用，并派生出一门技术成熟的摄影测量学。进的垂直方向的地面(物平面)进行扫描，获得二维遥感数据，故又上图5通道光机扫描仪的成像过程。入射光束通过一个二色镜分离成可见光和红外能量。可见光部分再通过棱镜进一步分离成三个子波段，同时红外能量的分离成两个子波段。分离后的这5个较窄波段的光分别感应相应的探测器产生不同的电信号并被放大和记录在多优势在课本p76五条彩红外摄影像片的色彩?绿色植物叶子反射绿光(G)和近红外光(NIR)。在彩红外像片健康绿色植物呈红色系列(如水稻-暗红色、作物生长旺季呈鲜红色针叶林呈紫红色、阔叶林呈红色、幼林呈粉红色等)。枫叶、红果实等反射红光(呈绿)、红外光(呈红),在正片上植物病虫害时，其红光反射增强(呈绿),绿光、红外光反射大裸地或土壤对红外、红、绿、蓝光均有反射。随着水分和有机质含量的不同，颜色变化较大。若水分含量少，则呈淡黄、棕色；若湿度大些则呈不同的灰青色。盐碱地、沙地为白色、黄白色。云和雪均呈亮白色。居民地(城区),因多为水泥材料，青灰屋顶反射兰、绿光反射率较低，而呈灰蓝色，若为红瓦房反射较强的红光、红外光而呈淡黄3.了解高光谱遥感的概念，掌握其主要特点(与宽波段遥感相比)。高光谱遥感概念高光谱遥感—用很窄的(波段带宽约5—10nm)、大量的(可有几十至上百个波段)、近连续的光谱波段，对地面物体进行遥感成像。地物波谱研究表明，地表物质在0.4—2.45μm光谱区间内均有可以作为识别标志的光谱吸收带，其带宽约20—40nm。成像光谱的特点波段多，光谱分辨率高，光谱分辨率为纳米级。如AVIRIS在0.4-2.5um范围有224个波段，Hyperion有242个波段，“图谱合一”(和地物的实际光谱更为接近，有更多的“诊断”波段，可进行地物的精细分类，获取更多的地物信息，提高分类精度);高光谱数据的空间分辨率也在不断提高：MODI的空间分辨率250m-1000m,Hyperion的空间分辨率30m波段间相关性强，数据“冗余”明显(特征参数选择问题更为重要);数据量大，计算量大、复杂(对算法、计算机软硬件提出新的要求)1.什么是比辐射率?地物比辐射率受哪些主要因素影响?真实物体并非黑体。它的辐射出射度小于同温下黑体的辐射出射度。因而引出了“比辐射率”的概念，用(T,)表示。比辐射率(又称发射率)被定义为：物体在温度T、波长λ处的辐射出射度M(T,λ)与同温度、同波长下的黑体辐射出射它是波长λ的函数。由于ε是由材料性质决定的，通常在较大的温度变化范围内为常数，因而常不标注为温度的函数。?表面组成成分?表面状态(表面粗糙度等)?表面其它物理参数(介电常?波长、观测角度等?组成成分变化：随着各种岩浆岩中氧化硅sio₂含量的降低，岩石发射光谱曲线的吸收峰值向长波方向移动；?比辐射率随表面状态不同而变化，常温下白云石的磨光面的比辐射率为0.929、粗糙面为0.958(粗糙表面比辐射率高);落叶树的单叶?土壤的比辐射率随着土壤水分含量而变化，如20℃时沙地为0.90、浅色的、湿度低的比辐射率低);对于中红外谱段(3—5μm)白天地表反射太阳辐射能量与地物自身发射的中红外波段热辐射能量在数量级上相当，要从遥感器所接受的辐射能量中把这两部区分出来是困难的。的应用比较复杂。(对么?)地表物体的温度一般在+40℃—-40℃之间，平均环境温度为27℃(相当于300K)。根据维恩位移定律，地面物体的辐射峰值波长在地表高温目标，如火燃等，其温度达600K以上，辐射峰值波长?地球环境地物的热辐射谱段主要集中在热红很弱(低于TIR许多数量级),但微波遥感器的测量敏感度高于热红外光谱仪，因而利用微波辐射计也可测量目标温度，只是它们与地物?大量观测表明被地球表层系统所吸收的短波辐射能量，与地球自身4.试说明分子动力学温度、辐射温度、亮度温度的含义，及研究地表分子运动温度---动力学温度(Tim),又称为真实温度。它是物质内部分子不规则运动的平均热能，是组成物体的分子平均传递能量的“内部”表现形式。一般通过仪器(如温度计)直接放置在被测物体上或埋于被测物体中来获得。但是，接触测温法，往往因测温感应元件接触物体表面辐射能量状态的一种“外部”表现形式,可用热遥感器(如热辐射计、热扫描仪等)来探测。大多数热红外遥感系统记录的是物体的辐射亮度(单位时间、单位立体角、单位法向面积上发射出的辐射能量),经辐射定标，直?T₀是衡量物体温度的一个指标，但不是物体的真实温度；?亮度温度等同于辐射温度、表征温度(T₀=Tad),但物理意义更4.试说明地表温度反演的主要方法与思路。?单通道法?多通道法——分裂窗法?单通道多角度法?多通道多角度法(课件第四章p36)5试分析目前陆面温度遥感反演面临的主要问题。由于陆地表面温度(LST)变化大，难于满足均匀、同温的要求，温度的反演相当复杂。其原因在于：①陆地表面比辐射率具不确定性。②温度与比辐射率的分离很复杂。③大气纠正中必须考虑大气的吸收和热发射等的影响。④建立非同温混合像元辐射方向性模型与经验表达式等；陆地表面多为非同温的混合像元，对于精确的地表温度反演而言，像元尺度的平均温度已意义不大，需要反演像元内的组分温度才更有实用价值。⑤地表温度是由物质的热特性及几何结构共同决定的。第五章思考题1.试分析雷达遥感与光学遥感相比的主要特点(或优势)。与传统的光学遥感相比，微波遥感的独特优势：?全天时(不依赖日光)、全天候(受大气影响小);?穿透性(可提供一定深度表面以下的地物信息)?对地表粗糙度、地物几何形状、介电性质(土壤水分等)敏感；?反映多波段、多极化的散射特征；2.试分析雷达回波强度(后向散射系数)的主要影响因素。雷达回波(即雷达后向散射-RadarBackscatter)的强度，可简单地理解为雷达图像的亮度值。它取决于以下两方面因素：?雷达遥感系统参数：波长/频率、入射角、极化方式/探测方向等；?地表特性：物理特性--介电常数、表面粗糙度、散射特点(表面散射与体散射);几何特性---即雷达图像获得时的几何关系，坡度、形状、局地入射角等(雷达波束与实际地面法线间的夹角)其中任何一个参数的变化都可能影响到后向散射的强度，即造成雷达信号的穿透深度与地物(介质)的介电常数ε成反比，与雷射角越小、穿透能力越大。因此，雷达图像上，穿深能力近射程点最微波穿透植物层的深度，取决于植物的含水量、密度、微波波长被区而到达地面。因此，若波长较短，只能获得植被层顶部的信息，若波长较长，则可以获得植被层底层甚至地表以下的信息。1.掌握地学相关分析的概念，并说明在遥感应用中为什么要进行地学相关分析?遥感地学相关分析---指的是充分认识地物之间以及地物与遥感信息之间的相关性，并借助这种相关性，在遥感图像上寻找识别目标的相关因子即间接解译标志，通过图像处理与分析，提取出这些相关因子，从而推断和识别目标本身。选择的相关因子必须具备以下条件：a与目标的相关性明显；b在图像上有明显的显示或通过图像分析处理可以提取和识别。2.分层分类法的概念及特