第2讲 课 题： 遥感数字图像的获取和存储 目的要求：了解遥感图像的获取过程、遥感的应用及其发展趋势、遥感的物理基础

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1 第2讲 课 题： 遥感数字图像的获取和存储 目的要求：了解遥感图像的获取过程、遥感的应用及其发展趋势、遥感的物理基础
课 题： 遥感数字图像的获取和存储 目的要求：了解遥感图像的获取过程、遥感的应用及其发展趋势、遥感的物理基础 教学重点：遥感图像的获取过程 教学难点：遥感的物理基础 教学课时：2课时 教学方法：授课为主、鼓励课堂交流 本次课涉及的学术前沿：遥感技术的发展方向

2 一 什么是遥感 (REMOTE SENSING)
遥感即遥远感知，是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术 1 遥感系统：是一个从地面到空中乃至整个空间，从信息收集、存储、传输、处理到分析、判读、应用的技术体系，主要包括遥感试验、信息获取（传感器、遥感平台）、信息传输、信息处理、信息应用等5个部分。 2 遥感的过程

3 遥感的过程 信息提取 数据获取 数据处理 传感器 介质(大气) 应用 地物发射或反射电磁波

4 遥感的过程大致分为6个阶段： (1) 地物发射或反射电磁波 A:一般物体的发射辐射 实际物体的辐射依赖 波长 温度 构成物体材料表面状况等
(1) 地物发射或反射电磁波 A:一般物体的发射辐射 实际物体的辐射依赖 波长 温度 构成物体材料表面状况等

5 发射率ε= W′/ W 发射率ε 为实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比

6 物体温度的振幅取决于物体热惯量P,可以通过热红外影像、测量地物 的周日变化和辐射特性、借助热模型计算出来。

7 ① 用MODIS影像白天和夜间影像灰度----- 热惯量P----裸露土壤含水量-----干旱监测
应用: ① 用MODIS影像白天和夜间影像灰度 热惯量P----裸露土壤含水量-----干旱监测 ② 热红外影像-----城市热岛监测 ③NDVI=(热红外-红波段)/ (热红外+红波段) 植被检测

8 B:地物的反射辐射 物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。 物体对入射辐射的选择性作用受物体的组成成分、结构、表面状态以及物体所处环境的控制和影响。在漫反射的情况下，组成成分和结构是控制因素。

9 C: 地物波谱特性 ----同一地物的波谱特性相近 ----不同地物的波谱特性相差很大 应用 :
利用地物的波谱特性 ---波谱特性曲线--- 地物分类识别

10 (2) 介质(大气) 大气窗口 大气的影响 吸收 + 散射 + 反射
(2) 介质(大气) 大气的影响 吸收 散射 反射 大气窗口 通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利的电磁辐射 波段通常称为“大气窗口”.

11 研究大气对电磁波的影响 ② 卫星传感器波段设计的依据 作用： ① 确定大气窗口----波段选择(用户) 感兴趣目标
③不能透过的波段---大气研究(天气预报)

12 (3) 遥感平台及传感器(数据获取) 平台及及传感器特点 三高(高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率) 三多(多平台、多传感器、多角度)
5M以下 nm,600波段 d 空间分辨率：指遥感图像上能够详细区分的最小目标的尺寸或大小。 光谱分辨率：指传感器记录的电磁光谱中特定波长的范围和数量，波长范围越窄 光谱分辨率越高，波段数越多光谱分辨率越高。 时间分辨率：对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔称为时间分辨率。 三多(多平台、多传感器、多角度)

13 (4) 数据处理 A:遥感影像辐射处理 ①遥感图像的辐射误差主要包括： ---- 传感器本身的性能引起的辐射误差 ----地形影响和光照条件的变化引起的 辐射误差 ----大气的散射和吸收引起的辐射误差 ②辐射处理

14 ① 遥感图像构像方程 B: 遥感图像的几何处理 ②遥感图像的几何变形 ---传感器成像方式引起的图像变形 ---传感器外方位元素变化的影响
---地形起伏引起的像点位移 ---地球曲率引起的图像变形 ---地球自转的影响

15 ③ :遥感图像的几何处理 --- 遥感图像的粗加工处理 ---遥感图像的精纠正处理 ---图像间的自动配准和数字镶嵌

16 (5) 信息提取 特征----光谱特征、空间特征、时间特征和 极化特征 特征变换 特征选择 目标提取与分类

17 (6) 应用 在测绘中的应用 在环境和灾害监测中的应用 在地质调查中的应用 在农林牧等方面的应用

18 二 遥感的发展 1、发展过程 1962年 密执安大学第一届遥感讨论会 1971年第一届国际遥感讨论会
1972年ERTS-1（Landsat-1)发射成功 20世纪80年代第二代遥感卫星上天 Landsat-4/5 SPOT1

19 20世纪90年代至今第三代 Landsat-7 SPOT2-5 RadarSat CBERS IRS-1B/C/D IRS-P

20 2 为什么上世纪60年代迅速发展?

21 摄影: 紫外波段---可见光---近红外波段
2、20世纪60年代遥感技术迅速发展的原因 （1）传感器的发展 摄影: 紫外波段---可见光---近红外波段 黑白影像---多光谱影像 扫描仪:多光谱---中远红外---微波 雷达:微波 被动式---主动式

22 卫星---宇宙飞船(航天飞机)---空间站
（2） 空间技术的发展 卫星---宇宙飞船(航天飞机)---空间站 ---小卫星群 （3）计算机技术的发展 （4）数学、物理及专业理论的发展

23 3、 遥感技术的主要发展趋势 遥感技术从上世纪60年代提出至今，经历了40年的发展后，已成为一门集空间科学技术、通信技术、计算机技术等技术以及跨地球科学、电子科学、物理学等学科的新兴科学与技术。

24 (1). 概念的发展 a). 摄影测量（photogrammetry，150年前）→遥感（remote sensing，40年前）→ 摄影测量与遥感（remote sensing & photogrammetry，20年前） →遥感科学与技术（remote sensing science and technology，当代） b). 狭义地，遥感科学与技术属于对地观测（Earth observation）体系的组成部分

25 (2). 平台与观测技术的发展 三多（多平台、多传感器、多角度）
三高（高空间分辨率、高光谱分辨率和 高时相分辨率） 民用空间分辨率可高达0.62m，军用的高 达10cm； 光谱分辨率可达nm级； 小卫星群的重访周期为1－3天； 机载、星载SAR卫星日益普及，提供全天 候、全天时的观测能力

26 (3). 定位技术的发展（ｗｈｅｒｅ） a)利用机载和地面GPS接收机进行载波相 位差分GPS定位以确定传感器的空间位 置，实现摄影测量与遥感定位。可大量 免除野外作业。 b) 利用DGPS(差分全球定位系统Differential Position System)与INS惯导系统，可以 获得航空航天影像传感器的位置与姿 态，实现定点摄影和无地面控制的高精 度对地观测和三维重建。

27 c) 将DGPS、INS和LIDAR集成，可实 现无地面控制的实时三维测量。

28 定位技术（无地面控制） a) Ｑｕｉｃｋｂｉｒｄ： 利用三轴稳定装置，星相仪，GPS等辅助下，无地面控制点的定位精度：17~23米
b) ＤＯＲＩＳ：法国在全球设54个站点（中国设在南京紫金山天文台），利用Doppler频移以精确解求卫星的空间坐标，对Topes/Poseidon卫星的高度测量，精度达±3cm，对SPOT－5直接进行无地面控制的正射影像制作，精度可以达到±15m，完全满足国家安全的要求。

29 (4). 处理技术的发展 a) 影像识别和分类不再限于统计分 类，基于结构和纹理的分析方法 正被引入； b) 目标识别从传统的目视判读到目前常用 的人机交互判读，正在向自动化和智能 化方向发展；

30 e) 大规模影像库的建设带来影像检索 技术和无缝影像库的发展；
d) 影像融合技术、数据压缩技术继续 成熟； e) 大规模影像库的建设带来影像检索 技术和无缝影像库的发展； f) 空间数据挖掘用于遥感图象解译．

31 (5). 遥感应用领域的拓展 a）利用多时相影像发现土地利用变化、农业作物估产、林业资源调查、自然灾害监测、全球和局部环境监测；
b）利用高分辨率影像提取城市信息(交通道路网络)；

32 c）军事应用越来越重要：重要目标定位与侦察、导航与武器制导、 打击效果评估、战场环境监测等等；
d）高光谱遥感在精准农业中的应用． e）在建设数字城市、数字省区和数字中国中的应用：ＤＯＭ，ＤＥＭ和ＤＬＧ。

33 (6).遥感基础理论的发展 a) 从影像的几何与物理方程出发，开展 全定量化，遥感反演遥感正经历着由 定性→定量的发展；

34 b) 研究成象机理、地物波谱特性、各大气层和气溶胶对电磁波谱的吸收和散射特征、不同地物对电磁波的吸收、发射和散射特征等

35 三、遥感的应用 测绘: 快速成图 地图修测 困难地区测图 农业: 作物长势监测(病虫害) 估产 林业: 森林火灾 森林调查、管理 森林病虫害
测绘: 快速成图 地图修测 困难地区测图 农业: 作物长势监测(病虫害) 估产 林业: 森林火灾 森林调查、管理 森林病虫害 水: 水灾 水资源 水土流失

36 海洋: 海岸带滩涂 海温、海流 导航 水产资源 赤潮 环境: 两极环境(冰雪融化、o3) 全球环境(大气、水、陆地污染) 气象: 台风、天气预报、大气环境

37 地质: 找矿 地震 考古: 古遗址 军事: 揭露伪装 卫星定位 情报快速获取

38 思考题: 1:什么是遥感及主动遥感?什么是遥感系统? 名词解释： 论述题：2:遥感的发展趋势.

39 四、电磁波 变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。
γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。 电磁波是一种横波

40 电磁波具有波动性与粒子性 波动性形成了光的干涉、衍射、偏振等现象
(1)干涉:由两个（或两个以上）频率、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。

41 微波遥感中的雷达也是应用了干涉原理成像的,其影像上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。

42 (2)衍射:光通过有限大小的障碍物时偏离直线 路径的现象
研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要意义。另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。

43 (3)偏振:指电磁波传播的方向性 电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，许多散射光、反射光、透射光都是部分偏振光。
偏振在微波技术中称为“极化”。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。

44 按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱
五、 电磁波谱 按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱 γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波 低 能量 高

45 红 ~ 0.76μm 可见光 绿 ~ 0.56μm 蓝 ~ 0.47μm 远红外处 6 ~ 15μm 红外波段 中红外 ~6μm 近红外 ~ 3μm 微波 mm~ 1m

46 六、 物体的发射辐射 （一）黑体辐射 1 绝对黑体: 对任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体 绝对黑体的吸收率α (λ,T)≡1
1 绝对黑体: 对任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体 　绝对黑体的吸收率α (λ,T)≡1 反射率ρ（λ,T）≡0 绝对白体则能反射所有的入射光 反射率ρ（λ,T）≡1，吸收率α(λ,T)≡0 与温度和波长无关

47 2黑体辐射定律 Wλ—— 分谱辐射通量密度 h —— 普朗克常数 C—— 光速 K —— 玻耳兹曼常数 T —— 绝对温度　

48 3 黑体辐射波谱曲线

49 黑体辐射的三个特性 : (1)总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加
斯忒藩－玻耳兹曼公式:单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比 (2）分谱辐射能量密度的峰值波长 随温度的增加向短波方向移动 维恩位移定律 :若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段 (3)每根曲线彼此不相交 温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大

50 （二）一般物体的发射辐射 发射率ε= W′/ W ε是一个介于0和1的数 即：发射率ε就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。 绝对黑体 ελ＝ε＝1 灰 体 ελ＝ε但0＜ε＜1 选择性辐射体 ε＝ｆ(λ) 理想反射体（绝对白体） ελ＝ε＝0

51 大多数物体可以视为灰体 为了便于分析，常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度），写为T等效

52 式中 为实际物体的辐射温度     

53 七、 地物的反射辐射 （一）地物的反射类别(三种形式) 1:镜面反射 2:漫反射 3:方向反射
从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射； 对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。

54 （二）光谱反射率以及地物的反射光谱特性 1 光谱反射率: 物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比 物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。 一个物体的反射波谱的特征主要取决于该物体与入射辐射相互作用的波长选择

55 2 地物的反射波谱特性          四种地物的反射波谱特性曲线         四种地物的反射波谱特性曲线         四种地物的反射波谱特性曲线          四种植物的反射波谱特性曲线         

56 反射波谱特性曲线 反射波谱响应曲线

57 同一春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线

58 各种建筑物屋顶的波谱特性    

59 各种道路的波谱特性

60 几种岩石的反射波谱曲线

61 不同含水量的玉米叶子反射特性曲线

62 不同叶绿素含量的海水的反射特性曲线

63 三种低含水量土壤的反射特性曲线

64 （三）影响地物光谱反射率变化的因素 太阳位置、传感器位置、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、大气状况等

65 八、 地物波谱特性的测定 （一）地物波谱特性：指各种地物各自所具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）
（二）测定原理 :用光谱测定仪器（置于不同波长或波谱段）分别探测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段的反射率，其反射率的变化规律即为该地物的波谱特性。

66 （三）测定地物反射波谱特性的仪器分为: 分光光度计、光谱仪、摄谱仪等 302型野外分光光度计结构原理图

67 （四）测量的步骤： (1) 架设好光谱仪，接通电源并进行预热 (2) 安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝 宽度； (3)将照准器分别照准地物和标准板，并测量和记录地物、标准板在波长λ1 ，λ2，……λn处的观测值Iλ和Iλ0

68 A : 先测量地物的反射辐射通量密度 ——物体的光谱反射辐射通量密度 ——物体的光谱反射率 ——太阳入射在地物上的光谱照度
——大气光谱透射率 ——光度计视场角 ——光度计有效接收面积 ——单色光波长宽度                     (

69 经光电管转变为电流强度在电表上指示读数 ，它与 关系为：
B :测量标准板的反射辐射通量密度 标准板为一种理想的漫反射体，它一般由硫酸钡或石膏之类做成。

70 C :地物的电流强度与标准板的电流强度相比
               

71 (4)绘制出地物的反射特性曲线 根据所测结果，以ρλ为纵坐标轴，λ为横坐标轴画出地物反射波谱特性曲线 注:由于地物波谱特性的变化与太阳和测试仪器的位置、地理位置、时间环境（季节、气候、温度等）和地物本身有关，所以应记录观测时的地理位置、自然环境（季节、气温、温度等）和地物本身的状态，并且测定时要选择合适的光照角，正因为波谱特性受多种因素的影响，所测的反射率定量但不唯一

72 九、大气对辐射的影响 （一）地球大气 从垂直方向可划分成四层，对流层、平流层、电离层和外大气层. 大气成分主要有:
氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体在80km以下的相对比例保持不变，称不变成分） 臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变、称为可变成分）等。

73 （二）大气对太阳辐射的吸收、散射及反射作用
(分子散射) 紫外线、 可见光、 红外线、 微波 (大气吸收)

74 1 大气吸收 氧气(微波中0.253cm，0.5cm ) 臭氧(0.3μm以下的紫外区) 二氧化碳(红外区)
大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等 氧气(微波中0.253cm，0.5cm ) 臭氧(0.3μm以下的紫外区) 水 0.70~1.95μm ~ 3.0μm 4.9~8.7μm μm~1mm间的超远红外区 二氧化碳(红外区)

75 2 大气散射 电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开，称散射 (1) 米氏(Mie)散射
如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级，发生米氏散射；

76 (2)均匀散射 当不均匀颗粒的直径a>>λ时，发生均均匀散射； (3)瑞利（Rayleigh）散射 而瑞利散射的条件是介质的不均匀程度a小于入射电磁波波长的十分之一。散射强度与波长的四次方成反比

77 可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起衰减

78 3 大气窗口 通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利的电磁辐射 波段通常称为“大气窗口”.
（1）0.30 ~ 1.15μm大气窗口：是遥感技术应用最　　 主要的窗口之一。 　 其中 0.3~0.4μm近紫外窗口,透射率为70％ 0.4~0.7μm可见光窗口, 透射率约为95％ 0.7~1.10μm近红外窗口,透射率约为80％

79 （2）1.3~2.5μm大气窗口：属于近红外波段 1.3~1.9μm窗口,透射率为60％-95 ％ 1.55~1.75μm透射率高 2.0~2.5μm窗口,透射率为80％ （3）3.5~5.0μm大气窗口：属于中红外波段 　　透射率约为60~70％ （4）8~14μm热红外窗口, 透射率为80%左右 （5）1.0mm~1m微波窗口 ,透射率为35％ 　　　　　　　　　　　　　　　~100%

80 4 辐射传输方程 ——大气光谱透过率 ——太阳入射的光谱能量 ——太阳高度角 ——地物光谱反射率 ——地面温度时的黑体光谱辐射通量密度
     ——传感器光谱响应系数     ——大气光谱透过率     ——太阳入射的光谱能量    ——太阳高度角     ——地物光谱反射率          ——地面温度时的黑体光谱辐射通量密度     ——地物光谱发射率     ——大气散射和辐射的能量

81 习题： 1、名词解释：模拟图像、遥感、主动遥感、遥感系统、 2、大气对辐射的影响 ？ 3、大气对遥感有何影响?何为大气窗口?

82 第3讲 课 题：遥感平台及运行特点 目的要求：了解遥感平台的种类、各类卫星轨道及运行特点 教学重点：陆地卫星及其轨道特征
课 题：遥感平台及运行特点 目的要求：了解遥感平台的种类、各类卫星轨道及运行特点 教学重点：陆地卫星及其轨道特征 教学难点：各类卫星轨道及运行特点 教学课时：2课时 教学方法：授课为主、鼓励课堂交流 本次课涉及的学术前沿：遥感平台的最新发展

83 一、 遥感平台的种类 遥感平台:遥感中搭载遥感器的工具
1、地面平台: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。在上放置地物波谱仪、辐射计、分光光度计等，可以测定各类地物的波谱特性。

84 2、航空平台:高度在100米-100km，用于各种调查、空中侦察、摄影测量的平台。
其中高度最高的要数气象卫星GMS所代表的静止卫星，它位于赤道上空36000km的高度上，Landsat、spot、MOS等地球卫星高度也在700km—900km之间。

85 二、卫星轨道及运行特点 （一 ）轨道参数 1 升交点赤经Ω 2 近地点角距ω 3 轨道倾角 4 卫星轨道的长半轴a
5 卫星轨道的偏心率（或称扁率） e=c/a 6 卫星过近地点时刻T

86 条件:六个卫星轨道参数和卫星在该瞬间的精确时间t
（二）卫星坐标的测定和解算 1 星历表法解算卫星坐标 条件:六个卫星轨道参数和卫星在该瞬间的精确时间t (1) 卫星在地心直角坐标系中的坐标 V为卫星的真近点角 E为偏近点角，其与卫星运行t的关系为： E-esinE=n(t-T)

87 坐标系X″Y″Z″绕Z″轴旋转ω X′Y′Z′
X′=r cosV cosω + sinV sinω Y′=-r cosV sinω + sinV cosω Z′=0 坐标系X′Y′Z′绕X′轴旋转i角，绕Z轴旋转Ω角至XYZ坐标系

88 (2) 卫星在大地地心直角坐标系中的坐标 大地地心直角坐标 轴与地心直角坐标X轴之间移位一个时角

89 (3) 卫星的地理坐标 式中：B—纬度； L—经度； N—卯酉圈半径； HD—卫星大地高程 编制成卫星星历表 卫星的时刻参数输入后就能输出星历坐标

90 2 用全球定位系统（GPS）测定卫星坐标 6个轨道平面，同一轨道平面内中有4颗工作卫星，彼此相距120°
系统组成 :地面控制部分+空间部分 +用户部分 6个轨道平面，同一轨道平面内中有4颗工作卫星，彼此相距120° 卫星离地高度为20200km，按圆形轨道运行

91 伪距法定位:在某一瞬间利用GPS接收机至少测定四颗卫星的伪距，根据已知的GPS卫星位置和伪距观测值，采用距离交会法即可求得接收机的二维坐标和时钟改正数。
=cΔt/2 式中：xi、yi、zi、为第I颗GPS卫星的坐标，是已知的                                              

92         为电离层延迟改正； 为对流层延迟改正； Vt i为GPS卫星的时钟改正数； Vt j为接收机观测瞬间的时钟改正数。 i=1,2,3,4。

93 （三）卫星姿态角 滚动------绕x轴旋转的姿态角 俯仰------绕y轴旋转的姿态角 航偏------绕z轴旋转的姿态角
1 红外姿态测量仪测定姿态角的方法 基本原理，是利用地球与太空温差达287K这一特点，以一定的角频率，周期地对太空和地球作圆锥扫描，根据热辐射能的相位变化来测定姿态角。一台这样的仪器只能测定一个姿态角 Landsat1上的AMS，测定姿态角的精度为±0.07°

94 一台这样的仪器只能测定一个姿态角

95 2 恒星摄影机测定姿态角的方法 是将恒星摄影机与对地摄影机组装在一起，两者的光轴交角在100°～120°之间的某一个角度上。 至少摄取3～5颗五等以上的恒星，并精确记录卫星运行时刻，再根据恒星星历表，摄影机标称光轴指向等数据解算姿态角 精度<15″，美国在Apollo上使用的恒星摄影机测定姿态的精度达5″。

96

97 恒星摄影机 对地摄影机

98 使用GPS的方法也能测定姿态 将三台GPS接收机装在摄影机组上，同时接收四颗以上GPS卫星的信号，反算出每台接收机上的三维坐标，进而解算出摄影机的三个姿态角。为了提高解算精度，GPS接收机之间要有一定距离要求。 陀螺仪测定姿态 一台这样的仪器只能测定一个姿态角

99 （四）其它一些常用参数 1、卫星速度 当轨道为圆形时，其平均速度为 G——万有引力常数； 星下点的平均速度（地速）为 M——地球质量；
R——平均地球半径； H——卫星平均离地高度。 星下点的平均速度（地速）为

100 指卫星绕地一圈所需要时间，即从升交点开始运行到下次过升交点时的时间间隔。
2、卫星运行周期T 指卫星绕地一圈所需要时间，即从升交点开始运行到下次过升交点时的时间间隔。 由开普勒第三定律得: 例如：高度H=915km的卫星，其运行周期T为 min。

101 3、卫星高度H H= 例如地球同步静止卫星的运行周期与地球自转周期一致，则代入上式解算出卫星的平均高度为35860km。

102 4、同一天相邻轨道间在赤道处的距离 式中，Ra为地球长轴半径。 例如Landsat-1 L= km，再减去卫星每天修正Ω=0.9863°（即进动角，为满足与太阳同步而作的修正），则L= km。

103 5、每天卫星绕地圈数 6、重复周期:指卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，回到该地空时所需要的天数。 d为偏移系数，某天某一轨道相对于上一天同号轨道偏移的轨道数，若向西偏移为负值，向东偏移为正值，d=±1时为顺序排列，∣d∣>1时为交错偏移。

104 三、陆地卫星及轨道特征 按综合分类为 陆地卫星（Landsat） 高分辨卫星 高光谱卫星 合成孔径雷达

105 （一）陆地卫星类 LANDSAT系列（美）、SPOT系列（法）、 IRS系列（印度）、ALOS系列（日）、 RESURSO1系列（俄）等 特点 多波段扫描、地面分辨率为<30m

106 1:LANDSAT系列 ---1 ---2 ---3 ---4 ---5 ---6 ---7 72.7 75.1 78.3 82.7
LANSAT ---1 ---2 ---3 ---4 ---5 ---6 ---7 发射时间 72.7 75.1 78.3 82.7 85.3 93.10 99.4 终止时间 78.1 82.2 83.3 87.7 运行 失败 探测器 RBV MSS TM ETM ETM+

107 RBV：反束光导摄像机 MSS：多光谱扫描仪 HRV：高分辨率成像仪 TM：专题制图仪 ETM：加强型专题制图仪

108 Landsat轨道参数 Landsat 系列卫星 Landsat1-3 Landsat4/5 Landsat7 轨道高度 H(km)
轨道倾角 I (°) 运行周期性T (min) 重复周期性 D 降交点时间 偏移系数 d 图像幅宽 915 99．125 103．26 18天251圈 9:42a.m. -1 185 705 98．22 98.9 16天233圈 9:30a.m. -7 16天（233圈） 10:00a.m.

109 Landsat1-3三颗卫星的星体形状

110 (1) 近圆形轨道 卫星轨道及其运行特点(landsat1-3)
实际轨道高度变化在905—918km之间，偏心率为0.0006。因此为近圆形轨道。 目的:A 是使在不同地区获取的图像比例尺一致。 B 近圆形轨道使得卫星的速度也近于匀速。便于扫描仪用固定扫描频率对地面扫描成像，避免造成扫描行之间不衔接的现象。

111 (2)近极地轨道 轨道倾角设计为99.125°，因此是近极地轨道 目的:可以观测到南北纬81°之间的广大地区

112 (3) 与太阳同步轨道 卫星轨道与太阳同步，是指卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角，不随地球绕太阳公转而改变。

113 地球对太阳的进动一年为360°。因此平均每天的进动角为0.9856°。为了使光照角保持固定不变，必须对卫星轨道加以修正，平均每圈的修正量为：
n为一天中卫星运行的轨道数

114 目的: A 使卫星以同一地方时通过地面上空 B有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测 C使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度

115 (4) 可重复轨道 目的:轨道的重复性有利于对地面地物或自然现象的变化作动态监测 一天24小时绕地13.944圈,重复周期18天,偏移系数 -1

116 18天总共绕地251圈，圈间的距离为159km，但图像的宽度为185km，在赤道处相邻轨道间的图像尚有26km（占14%）的重叠。

117 前后一天第一条轨道之间差0.056圈，在地面上赤道处为159km

118

119 Landsat-4/5卫星也近圆形、近极地、与太阳同步和可重复的轨道。
轨道高度下降为705km 地面分辨力为30m 运行周期也减为98.9min 重复周期为16天233圈 偏移系数为-7 一天24小时绕地14.56圈

120 31 234 30 191 16 45 103 1 Landsat4/5 16天的轨迹分布（赤道处）

121 landsat-4/5上的TM（Thematic Mapper）
具有更高的空间分辨力 更好的频谱选择性 更好的几何保真度 更高的辐射准确度

122 Landsat-7

123 2: SPOT系列卫星 SPOT卫星装载了2台相同探测器HRV（high resolution visible）或HRVLR(high resolution visible and infrared)成像仪 属于CCD线阵列推扫式成像 可以获取同轨或邻轨立体影像 SPOT5号卫星能同时获取120公里宽的全色和多光谱影像，而4号卫星相应的只有60公里

124

125 SPOT系列卫星发射时间如表 SPOT -1 -2 -3 -4 -5 发射日期 1993.9.26 2002.5 终止日期 90.12.31
2002.5 终止日期 运行 探测器 HRV HRVIR VI Poam3 HRVIR+

126 SPOT卫星HRV和VI探测器技术指标 探测器 HRV HRVIR VI HRVIR+ 卫星 SPOT1-3 SPOT4 SPOT4/5
波段um 分辨率m 分辨率km PAN PAN 20 10 1 5(2.5) 覆盖天数 26 5

127    SPOT1，2和SPOT3简介     SPOT1于1986年2月22日发射升空，1990年12月31日被回收；紧接着SPOT2于1990年1月22日投入运行，现在它仍在运行；SPOT3于1993年9月26日入轨，1997年11月14日发生故障，运行3年后被迫退役。由这3颗卫星构成的空间观测系统到目前为止已经在太空运行了10多年，获取了地面大约600万幅的影像，几乎覆盖了地球的全部。

128   SPOT1，2，3的性能指标大致相同 载有两部HRV（高分辩率）影像仪 在P（全色）模式和M（多光谱）模式下工作 HRV的反射镜可以在地面的控制下左右倾斜最大为27度，保证了SPOT影像的立体观测能力。

129 SPOT4 ----- SPOT4的一个重要特点是增加了一个SWIR（Short Wave Infrared，短波红外）波段。
 -----SPOT4将HRV在全色模式下的波段 μm改为波段B2( μm),其分辩率可为10m和20m ----- SPOT4的一个重要特点是增加了一个SWIR（Short Wave Infrared，短波红外）波段。

130 新的SWIR波段可使地面景观特征比以往得到最大的再现。它可以"看透"大气，极大地增强了影像纹理的清晰度；水域和湖泊的影像也因SWIR波段的高对比度而清晰可见。SWIR波段还对土壤和植被的湿度非常敏感，从而可以很容易地分辨土壤的类型和植被的生长期。      

131 这是一个广角的地面观测仪（ 带宽 200km） 大约1km的空间分辩率和高辐射率
      -----SPOT4载有新的植物探测器 这是一个广角的地面观测仪（ 带宽 200km） 大约1km的空间分辩率和高辐射率 采用与HRVIR摄像仪相同的波段（B1，B3和中IR），再加上一个B0（ μm）波段以适应海洋区域影像的应用要求和大气改正要求。

132  -----SPOT4上的POAM3（Polan Ozone and Aerosol Measurement，极地臭氧和烟雾测量仪）将保证SPOT3上的POAM2使命的延续，它用来测量极地区域上空的臭氧和烟雾水平。

133 -----提高了数据存储能力和数据可靠性。两部星载记录器的记录能力从22min提高到了40min，另外还增加了一个10Gbit的固体存储器，并且延长了设计寿命，增强了星载数据记录的整体可靠性。

134     -----实现卫星精确定位。SPOT4使用与SPOT2和3上相同的精确卫星轨道定位和广播星历软件包，这一系统经过在SPOT2上的运行证明是成功的，它可以使卫星在空间的位置计算经过地面数据处理后，精确到10cm。它还可以以同样的精度定位地面标志。对SPOT4还将实验采用另一种软件来确定卫星的实时位置，使其精确到几十米。这些位置数据将包含在辅助数据库中同影像数据一同传输到地面。

135 尺寸（不包括太阳能电池板）：3.4米x 3.1米x 6米 质量：3 000公斤 电池功率：2 400瓦
Spot5技术数据 卫星 尺寸（不包括太阳能电池板）：3.4米x 3.1米x 6米 质量：3 000公斤 电池功率：2 400瓦 主载 2个HRG高分辨率几何成像装置 1个HRS高分辨率立体成像装置 副载 VEGETATION植被宽角成像装置 DORIS精确轨道定位仪、定时器及雷达定位等 轨道 太阳同步，高度832公里，当地时间10点半降交点过赤道 星载数据处理 5个数字通道，数据压缩后50兆每秒的处理速率 HRS图像处理 10米立体图像，1个数字通道 数据记录存储 3个数字通道，50兆每秒速率,160景5米全色或多光谱图像 数据传输 2个数字通道，50兆每秒速率

136 SPOT5的设计特点. 地面分辩率在P模式下将从10m提高到5m和2
SPOT5的设计特点 地面分辩率在P模式下将从10m提高到5m和2.5m，在M模式下所有3个可见光波段（B1，B2，B3）的分辩率从20m提高到10m。SWIR波段保持20m的分辩率，这对于植被信息已足够了。      

137  -----SPOT5的M波段与基本SPOT4相同：
B1（ μm）,B2( μm),B3( μm)和SWIR( μm).不过其全色波段重用SPOT1和SPOT3的波段( μm),这是适应许多用户的要求,以保证SPOT1数据的连续性。

138 -----观测地面带宽保持60km，与 POT1，2，3相同。
   -----SPOT5决定搭载可获取同轨立体影像 的影像仪，这一方面已有了突破性 进展。    

139 当HRS 工作时，在T0 秒打开前向望远镜，沿轨道飞行90s钟后，关闭前向望远镜，同时打开后向望远镜 ，再飞行90s钟，即完成了120 x 600km条带的立体像对接收。
HRS 的地面采用间隔为5m（沿飞行方向） x 10m（垂直于飞行方向）。每天最大接收能力可达 km2。生成DEM 的高程相对精度为5－10m，绝对精度为10－15m。 

140

141 -----SPOT 5的定位精度较之SPOT 1－4提高了至少 3－5倍。平面精度指标为10m（rms），高程为5m（rms），这些指标可以满足1：5万地形图的要求。

142 在没有控制点的情况下，基于立体成像仪HRS 接收的像对所生成的DEM 平面定位精度和高程定位精度均能达到卫星平台本身的定位精度，即 10 －15m。
由于高分辨率几何成像仪HRG 中包含侧摆反射镜，因此HRG 的影像定位精度要低于卫星平台本身。在没有控制点的情况下，HRG 定位精度优于 50m。

143 利用SPOT 5的DEM 对其HRS 影像进行正射纠正，可以获得定位精度在15m左右的HRS 正射影像，利用HRS正射影像并结合DEM 对HRG 高分辨率影像进行纠正，就可在没有控制点的情况下， 得到10m，5m， 2.5m分辨率，定位精度在15m左右的高分辨率正射影像。

144 SPOT 5号卫星采用多组陀螺仪，对卫星姿态进行测算，利用恒星定位技术，测算卫星取向角的绝对值，并据此对卫星姿态进行调整，使卫星姿态参数始终保持高度准确。

145 SPOT卫星HRV和VI探测器技术指标 探测器 HRV HRVIR VI HRVIR+ 卫星 SPOT1-3 SPOT4 SPOT4/5
波段um 分辨率m 分辨率km PAN PAN 20 10 1 5(2.5) 覆盖天数 26 5

146 * Supermode成像处理技术 SPOT 5 采用了由法国国家空间技术研究中心（CNES）专利所有的全新概念的Supermode成像处理技术，利用两幅5m分辨率的影像处理生成了 2.5m分辨率的图像产品。 在HRG 成像仪的同一焦平面上放置两个12000个像元的线阵CCD 传感器。这两个线阵传感器的相对位置有严格的几何限定，即在沿卫星飞行方向和垂直于飞行方向均相互错开1/2个像元。这两个线阵CCD 传感器在同一地区，同时采集两幅 5m分辨率的影像（见图1，图2），从肉眼判断，这两幅影像似乎没有差别，但是，如果通过计算机处理就会发现，这两幅图像之间的差值恰恰突显了所有地物的轮廓边缘纹理信息（见图3）。

147

148 这种双线阵CCD同时错位半个像元成像，能够带来比单一传感器成像更多，更丰富的影像纹理信息。这就是全新概念的Supermode方法的数学和物理基础。SPOT 5采用了这种处理方法，通过数据的采集，迭加，复原等复杂但准确的计算处理过程，实现了从两幅同时采集的相对精确定位的5m分辨率影像生成 2.5m分辨率影像 （见图4）

149 3 : IRS系列卫星 印度在1979年6月和1981年11月发射的Bhaskara1和Bhaskara2两颗实验性卫星的基础上，制订了IRS系列计划，并于1988年3月发射了第一颗。 图2—3—9 IRS-1D外形图示意图

150 IRS-1系列卫星发射时间表

151 2003.5 运行 IRS-P系列卫星发射时间表

152 IRS卫星轨道参数

153 印度遥感卫星（IRS）系列共有了4个系列，即IRS-1、IRS-P、IRS-2和IRS-3等，其中IRS-2是海洋和气象卫星系列，IRS-3是SAR卫星系列，分别于2002年和2005年陆续发射。目前正在实施的是IRS-1和IRS-P等两个系列，IRS-1系列共发射了5颗，即IRS-1A～E，IRS-P系列共有6颗（IRS P2～P7），已发射了4颗。

154 IRS-1和IRS-P系列的11颗卫星中有8颗是陆地卫星，型号有IRS-1A，1B，1C，1D，ISR-P2，IRS-P5及IRS-P6等。IRS-1C和IRS-1D全色波段地面分辨率为5.8m,比Landsat-7(15m)和SPOT-4（10m）都要高得多。主要探测器是线性自扫CCD成像仪的4个型号。 3颗是海洋卫星。IRS-P3, IRS-P4, IRS-P7

155 目前在轨运行的IRS-1D是印度第2代遥感卫星，双星运行后重复观测周期达12天。
一是分辨率达5.6m，主要用于地质和地形 研究，较高的空间分辨率有利于地形研究和产生数字地面模型； 二是LISS-4相机，主要 用于农作物类型的鉴别、植物表层水分探测、森林树木种类的鉴别和岩石鉴别等； 三是宽视 场遥感器，它工作在2个特定谱段， 具有幅宽大（810m）、覆盖周期短（5天）等优点，适用 于植物研究。

156 4：中国资源一号卫星系列 中国与巴西合作 月发射了ZY-1（ CBERS-1）

157 ZY-1卫星轨道参数 卫星 ZY-1（CBERS-1） 类型 标称圆形太阳同步轨道 高度 778km 倾角 98.5° 降交点时
上午10时30分 周期 100.26min 重复周期 26d/相邻地面轨迹间隔时间3d 姿控 三轴 ZY-1卫星轨道参数

158 资源一号卫星01、02星主要技术指标 探测器 波段(μm) 空间 分辨率（m） 扫幅km 象元素 其他 CCD B1:0.45-0.52
19.5 113 5812 具有侧视功能-32°～+32° IRMSS B6: B7: B8: 77.8 119.5 　1536 红外扫描仪 B9: 156 768 WFI成像仪 B10: B11: 　256 　885 　 下行频道 X 数据率 113.23Mb/s

159 （二）高分辨率陆地卫星 特点－－－地面分辨率高， 全色波段分辨率≤5m 卫星 IKONOS Quick Bird-2 Orbview-3
公司 Space Imaging Earth watch Orbital Imaging 发射时间 2001 2003.6 轨道高度 680km 450km 470km 类型 太阳同步 倾角 98.1° 　98 ° 　97 ° 最大重访周期 14d 1～6d <3d 降交点时 10:30am

160 波段 PAN 同左 地面分辨率 0.82m(PAN) 0．61(PAN) 1m(PAN) 4m(MS) 2．44m(MS) 刈幅 11km 22KM 8km 量化 11bit 星上存贮 64GB 137gbits 4GB 测轨 GPS 注：1KONOS是三线阵CCD推扫成像，具有同轨立体的特点，可以构成准核线的立体图像，而且中间图像与前或后图像组成不同立体，提供三维同时测量的可能性

161 武汉大学信息学部QuickBird-2 影像

162 IKONOS

163 Quick Bird-2

164 Orbview-3

165 Orbview-4(失败）

166 Orbview-5 (2007)

167 （三）高光谱类卫星 特点－－－采用高分辨率成像光谱仪 －－－波段数为36—256个 －－－光谱分辨率为5—10nm －－－地面分辨率为30—1000m 目前这类卫星只有军方发射的，民用高光谱类卫星还没有，这类卫星主要用于大气、海洋和陆地探测。

168 高光谱类卫星 卫星 国家 探测器 光谱分辨率 发射时间（计划） EOS-AM1 EOS-PM1 美国 MODIS 0.42-14.24μm
min5-10nm 36Bands ASTER μm min 60nm 14Bands EO-1 Hyperion μm min 10nm Bands 2000 ARIES-1 澳大利亚 ARIES μm 64Bands Orbview4 HS μm (200Bands) MS μm (4Bands) 失败

169 EOS地球观测系统 美国航天局NASA把发展地球观测系统(Earth Observing System,EOS)看作是行星地球计划(Mission to Planet Earth)的基础。EOS系统是一多阶段的任务，要延续20年，它由下列部分组成： 　1. EOS-AM环境调查多任务卫星，共计3颗，EOS-AM1、EOS-AM 2、 EOS-AM3，分别于1999年2月、2004年和2010年发射； 　　2. EOS-PM卫星共计3颗，EOS-PM1、EOS-PM2和EOS-PM3，分别于2000年12月、2006年12月和2010年12月发射； 　

170 3. EOS-Color，海洋生物及其生产率监测，1998年发射； 4. EOS-Aero，大气层气溶胶监测，2000年发射； 5
　 EOS-Color，海洋生物及其生产率监测，1998年发射； 　　4. EOS-Aero，大气层气溶胶监测，2000年发射； 　　5. EOS-ALT，海洋环流、冰层监测，2002年发射； 　　6. EOS-Chem，大气化学物质及其转换监测，2002年发射。 　　上述卫星系列的前两个系列属于多任务大卫星，后四个系列属于单任务小卫星。 EOS名义上是科研实验卫星，但发射的卫星都是成系列化的，持续时间也相当长。

171 MODIS传感器

172 MODIS主要技术指标 MODIS主要技术指标 探测器 MODIS 卫星 EOS-AM1（1999） EOS-PM1（2000） 降交点时
空间分辨率 250m(Bands1-2) 500m(Bands3-7) 1000m(Bands8-36) 刈幅 2330km(变轨) 覆盖天数 1—2d 量化 12bit 波段 36（含陆地波段13个）

173 MODIS －－波段不连续（光谱范围 μm) 波段36个 －－地面分辨率较低（星下点离间分辨率为 m,500m,1000m） －－每1—2天可覆盖全球一遍。 MODIS-N扫描宽度2300公里。用于观测地表温度、海洋水色、叶绿素、植被、火灾、雪盖、云等。

174 2个通道(可见光0.62-0.67、近红外0.841-0.876 mm)的空间分辨率为250米 5个可见光、远红外通道空间分辨率为500米
29个通道空间分辨率为1公里。 MODIS-N扫描宽度2300公里。MODIS将用于观测地表温度、海洋水色、叶绿素、植被、火灾、雪盖、云等。

175 （四）SAR（合成孔径雷达）类卫星 国家 星载SAR 发射时间 美国 Seasat SIR-A SIR-B SIR-C Light SAR
1978.6 （航天飞机） （航天飞机） 1994.9（航天飞机） （计划） 俄罗斯 KOSMOS 1870 A1maz-1 A1maz-1A PRIRODA SAR A1maz-1B A1maz-2 1987 1991.3 1993 1996.4（失败） 1997 1999（计划） ESA（欧空局） ERS-1 ERS-2 Envisat-1 1991.7 1995.4 2005.5（计划） 日本 JERS-1 ALOS(Hiros) 1992.2 2002（计划） 加拿大 Radarsat-1 Radarsat-2 2003(计划) 印度 IRS-P7

176 　 1 ：Radarsat系列卫星 加拿大的Radarsat-1是世界上第一个商业化的SAR运行系统，由加拿大太空署、美国政府、加拿大私有企业于1995年11月4日合作发射。 地面分辨率8.5m，卫星高度790—800km，倾角98.5°,重复周期24天，与太阳同步，SAR在C波段（波长5.6cm），采用HH极化，波长入射角在0—60°范围可调。

177 　Radarsat-1 卫星

178 特点为: ---具有50km、75km、100km、150km、 300km和500km多种扫描宽度和从10—100m的不同分辨率。 2 ---带宽分别为11.6MHz、17.3MHz和30MHz，使分辨率可调。 3 ---每天可覆盖73°N至北极全部地区，三天可覆盖加拿大及北欧地区，24天覆盖全球一次；

179

180 Radarsat-1星载雷达工作模式

181 2：ERS系列 ERS-1与ERS-2是欧洲空间局分别于1991的1994年发射的，ERS-2与ERS-1基本一致，但增加了ATSR的可视通道，以及GOME，高度增加到824km可获得臭氧层变化的资料，主要性能参数见表。ERS系列卫星主要用于海洋、极地冰层、陆地生态、地区学、森林学、大气物理、气象学等研究。 ERS-1轨道倾角98.52°，高785km，辐照宽度80km（100km）。星上载有的传感器有源微波仪（AMI）、雷达高度计（RA）、沿轨扫描辐射计/微波探测器（ATSR/M）、激光测距设备（LRR）、精确测距测速设备（PRARE）。

182 ERS-1卫星

183

184 3 ：日本JERS-1卫星 JERS-1日本宇宙开发事业团于1992年发射。用于国土调查、农林渔业、环境保护、灾害监测。星上传感器SAR。
卫星参数： 太阳同步轨道 赤道上空高度： 公里 半长轴： 公里 轨道倾角：97.662o 周期：96.146分钟 轨道重复周期：44天 经过降交点的当地时间：10：30-11：00 空间分辨率：方位方向18米 距离方向18米 幅宽：75公里

185 JERS-1卫星

186 A1maz-1

187 （五）小卫星 小卫星指目前设计质量小于500kg的小型近地轨道卫星，其空间分辨为1—3m（全色）和4—15m（多波段），为满足制图的需要，均采用在轨道GPS定位系统，水平精度为12m，高程精度为8m，若提供地面控制点，水平精度可达2m，高程精度可达3m，能满足1:24000甚至1:10000比例尺的制图精度要求。卫星可在30°—45°范围内，任意方向多角度成像，可获得较大的基/高比，能进行立体测图。

188 1、小卫星的主要特点 （1）重量轻、体积小 大多数小卫星的体积不超过1m3,重量最轻的仅几十公斤，最重的在500kg以下，非常便于储运和发射。 轻型材料和新器件 超大规模的集成电路 有效载荷与卫星平台一体化的设 计技术

189 （2）研制同期短，成本低 由于采用成熟的先进技术，对以小卫星二座编队飞行，还有批量生产的条件。廉价的运载工具（如搭载或一箭多星等），使小卫星的研制同期大大缩短（仅2年左右），成本下降。通常小卫星每千克成本只有大卫星的1/2～1/10。这样偶然失败的风险压力相对于大卫星要小得多。

190 (3) 发射灵活，启用速度快，抗毁性强 现代小卫星可采用多种形式的运载和发射工具，从准备到发射乃至启用仅需短短的几天时间，而且组成星座的小卫星可以以备份的形式，代替被损坏的某颗小卫星，抗毁性大大增强。 (4)技术性能高 这主要体现在卫星各分系统本身和有效载荷两方面。

191 2、国内外同类技术发展现状和水平 国际上，高分辨率的对地观测小卫星，已进入了蓬勃发展的时期，预计2000—2005年小卫星发射将占卫星总量的70%

192 国内在“九五”期间已开始了“实践5号”(SJ-5)和海洋水色小卫星计划，其中“实践5号”已于2001.5.10在太原发射成功。
清华大学与英国萨瑞(Surrey)大学合作研制的“航天清华一号”实验500kg重三轴稳定微小卫星也于 号发射成 台湾委托美国TRW公司研制发射了“中华一号” 小卫星。

193 习题: 1、名词解释:光谱分辨率、时间分辨率、空间分辨率 2、什么是元数据？遥感图像中元数据的参数有哪些？