好 同学们 现在我上课
我给大家讲测绘学概论的第八章
题目是遥感科学与技术
首先讲讲遥感的概念
什么是遥感呢
20世纪随着航天技术的发展
特别是在60年代以后
就出现了遥感
它的意思是说
我们不接触物体
通过一个非接触的遥感器
来遥测物体的几何和物体特性
这样一种不接触物体的测量方法
叫做遥感 遥测
那么它根据什么原理呢
主要是因为电磁波可以反射 发射
将它们送到传感器里来
所以就可以进行遥感
就像大家都照过照片一样的
你不一定要去碰到那个对象
就可以把照片拍出来
那么我这里讲的主要是
航空航天遥感
那么什么是航空航天遥感呢
大家看下面这张图
我们通过各种类型传感器
对所研究的物体获取它的影像
对这个影像进行量测或解译
就可以获得这个自然物体
及它的环境的可靠信息
大家看这张图就知道
当能量来自于太阳
太阳把能量打到这个地表的物体上
物体就可以反射太阳的电磁波
当然呢 地表的物体
像这个植被庄稼我们人都有温度
这是绝对温度
它本身也可以辐射
这些辐射反射的能量
通过大气层到我们传感器以后
就把它记录下来
这就是我们讲的航空航天遥感
通过这种记录来
研究物体及其环境的特性
这门科学是非常重要的
因为我们生活在地球上
地球上的资源在变化 环境在变化
地球上的生物包括我们人类都在活动
对这样一个地球及其环境的
活动变化
那我们通过遥感
就是说做一个卫星
装上传感器发射上天之后呢
就要对它在轨道上的
位置和姿态进行测定
并获取遥感信息
这个定轨定姿和获取信息
与我们前面七章讲到的有很多关联
和后面讲到的导航卫星定位（前面已讲）
也有关系
那么这个信息传下来
就是信息有个传输
那么传输以后
就对这个成像的机理
要进行研究
之后呢
要对这些数据进行接收处理
最后获得我们需要的各种信息
这些信息需要把它们融合在一起 集成在一起
做成各种用户所需要的产品
把它分发或者给用户提供服务
这样子呢就能够做各种应用
回答我们地球表面的活动
人们关心的这些问题
这个工作是周而复始的
是没有止境的
地球有(46)亿年的历史
它至少还会活(46)亿年
所以遥感是一个
长久需要我们研究的科学
20世纪的一个重要的贡献就是
人们可以离开地球看地球
这就是遥感
那么遥感的作用是在哪儿呢
我从这几个方面
给大家作一个介绍
我们人类及其赖以生存的地球
正在面临着很多的挑战
把这些挑战概括起来讲
大家都知道
第一个就是灾害频繁
资源耗失
环境污染 生态破坏
遥感就可以帮助解决这些问题
比如说对环境的变化
遥感能做到实时监测
对于灾害的预报
我们希望做到及时而又准确
对资源的探测
希望完整而可靠
所以呢同学们需要学好遥感
来回答人类生存
所需要回答的这样一些问题
第二我们国家的国防建设
我们的国家安全
也需要遥感
在以前 上几个世纪的时候
先是有制海权的问题
造了船 到海上去
到后来有了飞机就出现了制空权
现在我们不仅仅有制海权 制空权
还有制天权的问题
我们的卫星要上天
这些加在一起
就是要掌握制信息权
这样才能搞好我们的国防
才能保证国家的安全
所以说遥感
现在是我们支撑军事信息化作战
夺取战场信息的优势
解决制约我军联合作战
和精确打击瓶颈问题的
一个重要技术手段
国家领导人多次强调
要发展以(航空)航天遥感为基础的
体系作战能力
这就是遥感对国防建设的作用
我们的经济社会要可持续发展
国家就要有一个信息基础设施
我们的遥感 我们的测绘
就能提供国家空间信息基础设施
我们的社会要信息化
我们的测绘 包括我们的遥感
就能提供空间信息服务的体系
所以说遥感信息技术
在我们国家里
在全世界每个国家里
都用于国土资源规划与管理
城市的发展 精准农业
就是现代化的种田
智能化的交通这些领域
按照中央的要求
形成新的信息产业链
成为我们国家
可持续发展中的新增长点
来保证经济社会的可持续发展
这就是我讲的第一节
什么是遥感
遥感对国家的作用
第二节我讲遥感的基本原理
从大家都知道的
由于电磁波的传播 我们才能遥感
大家知道这个电磁波
就相当于我们弹的那个钢琴
那个声谱
声音是从低到高
那就是波长频率在变化
所以我们把这整个电磁波的波谱
展开来看 这张图 是吧
先从这个波长短的数起
到0.38微米 这是紫外光
过来就进入可见光
从0.4~0.76微米是可见光
再过来 波长再长一点 就是近红外
再过来中红外 远红外
一直到一个毫米
波长从1毫米开始就进入微波波段
微波呢它有名字
不同的波段有名字
有K波段 X波段 C波段
L波段 P波段等等
都代表了不同的波长
要再过来 就是无线电波
我们听收音机的
就是无线电波
这就是从这个波长
频率来看电磁波谱
那么是不是每个波谱
都可以遥感呢
我们来看看
能用来遥感的不是全部
我们说 紫外线 可以做遥感
可见光0.4到0.76微米
可以做遥感
可见光又可以分成七种波长
紫蓝青绿黄橙红
另外呢 有红外 有微波
那么什么样的电磁波可以成像呢
它要透过大气
我们飞机和卫星在天上
这个透过大气的
能够从地面到达我们
传感器的电磁波谱
能通得过的这个
就相当于我们屋子的窗子一样
通过窗子 太阳光才进得来
就称之为大气窗口
因为是透过大气层
那么光学的窗口
是可以透过大气层的
这是一个窗子
波长就是刚才讲的
从紫外到可见光
第二个窗口是红外
第三个窗口是微波
所以这样一来呢
我们的遥感就分成光学遥感
红外遥感和微波遥感
那么看这张图就知道什么是窗口
这段电磁波可以透过大气
这是讲的透过率
电磁波在大气的透过率
这个红的很深的
就是透不过去的地方
这是透得过去的地方
这就是可见光
这就是红外
这边是微波
这就叫做大气窗口
所以大家要明确
不是每一个电磁波都可以成像
能够成像的电磁波的
那个波段就是个窗口
那么第三个 好了
我们知道可见光
红外 微波可以遥感
那么就做仪器来进行遥感
所以要把这个原理搞清楚
同学们要学好物理
特别是遥感物理
下面第三节就讲
遥感信息的获取
要做一个遥感传感器
去成像
去接收这个电磁波
这就是遥感信息的获取
那么成像的传感器呢
有多少种类型呢
分成两大类
第一类是被动式的
第二类是主动式的
被动式的就是
太阳的电磁波达到地表面
又再反射或者辐射到我们传感器来
这种被动式的有光学的 有光电的
主动式的就是说
从天上的传感器
发一个电磁波下来再收回来
这叫主动式的遥感
主动式的遥感有侧视雷达
和全景雷达
被动的有光学的 光电的
光学遥感又以扫描的方法不一样
有框幅式的
相当于你们的照相机
一照就是方方的一张
还有缝隙式的和全景的
还有多光谱的
所以大家要学好物理和电子工程
光电成像的有电视摄像机的
机电扫描仪的和光电扫描仪的
还有主要以现在用的叫电荷耦合器件CCD
CCD是电荷藕合器件英文的缩写
那么呢 主要靠这个
现在的数码相机都是CCD的
不管你是那种类型的传感器
我们总体上可以概括为
当电磁波能量过来
我要有个收集器
把电磁波能量收集过来
收集过来做一个探测
探测过之后要做一个信号处理
把它记录下来
记录下来以后
输出去
如果在天上马上就输回来的
这叫传输式的
如果记录在天上
日后在送回来的
那就不是传输式的
那是回收式的
这张图呢 大家看到
有三种常用的CCD传感器
这是法国SPOT做的
它有一条线阵
一条线阵原来是4096个像元
现在可以到18000多个像元
甚至几万个像元
那么当这个卫星在天上运动时
它就把地面扫描回来了
这叫推扫式的CCD的传感器
第二就是光机扫描的传感器
大家可以看到这一张
当它高频震动起来
它就把这个地面扫描过来
还有一种是框幅式
做一个面阵相机
不是摆一条线
摆比如说4096×4096这么一个面阵
把它同时通过镜子曝光
这个叫做框幅式的
就是三种
什么叫主动什么叫被动呢
这是一个被动的 就是太阳
太阳的光打到地球的表面
从地球表面反射到
我们的传感器来
所以能量在于太阳
第二种 主动式的
从传感器
把能量发下来再收回去
这叫主动式的
那么
主动式遥感的能量是哪儿来的
你们能不能回答
卫星上不可能永远有那么多能量
大家看下这个卫星
它为什么这么长啊
为什么这么宽啊
有太阳能电池板 太阳能帆板
它的能量也是来自于太阳
储存在那 用完了
一边用 一边太阳给它充电
所以呢 这就是主动和被动
那么被动遥感有什么好处啊
被动遥感对能量的需求比较少
但是呢 如果阴天
如果这里面有阴天 有云的话
就没有了
所以阴天有云就不能被动遥感
主动呢 阴天也可以
有云也可以
所以这里讲
主动传感器
本身发射和接收电磁波
所以不受天气干扰
被动传感器
主要接收
地面反射的太阳光的能量
所以受天气的干扰比较大
但是呢 这个被动式的
就跟我们人眼睛看地球是一样的
比较好理解
所以呢被动的应用比较多
主动加被动一起用
这就是我们今天的遥感
下面这个遥感就比刚才那个复杂
我这个呢叫高光谱传感器
把这个电磁波波谱啊
比如说从0.38~0.76微米
我们把它细分成128个波段
这样就成128个图像
这种图像它的光谱分辨率很高
从而就做到
光谱分辨率很高的连续采样
128个波段对每一个地物采样
就形成了一个光谱记录
有光谱记录 还有这个图像记录
就叫成像光谱仪
好 按照这些原理
世界上发了很多很多的卫星
美国 欧洲 俄罗斯
中国 日本 印度 都发了卫星
这很多很多的卫星
大家看这个是个赤道面
在赤道面上的卫星
这种卫星称之为地球同步静止卫星
把它摆到三万六千多千米到
四万多千米之外去
然后的话呢
地球转 它也一起转
按照相对论
它跟地球转动速度相同
相对就静止
所以这叫地球同步静止卫星
另外呢 第二种呢 就是
在南北两极极轨
来回走的卫星
这种卫星有什么好处呢
它每次到达武汉的时间
都差不多
就像我们在武汉
每天早上什么时候出太阳
什么时候见太阳
所以这就是太阳同步卫星
分这两种
那么航空传感器呢
有很多 这里讲了好多
这个是面阵
大家一看就知道是面阵的
这个呢 是我们国家生产的
高光谱成像光谱仪 叫做OMIS
是128个波段的传感器
我们学校买的这个ADS40
是从莱卡公司买来的
看到它这有一条 两条 三条
这一条往下面扫描
这一条往前扫描
这一条往后面扫描
中间扫描的这个有四个波段
所以呢这就是有七个波段的
ADS40的航空扫描仪
这是我们学校买的这个仪器叫
莱卡激光扫描仪ALS50
这种仪器每台都是1100万元到1200万元
它是什么原理呢
它在飞机上装上GPS系统和惯导
来确定它的位置和姿态
再用激光扫往地上打激光点
来回扫
这个点上就可以从天上传到地上来
把地面点的位置测出来
所以这是通过回波来测距离
又通过这个GPS惯导又称之为POS系统
来定它的空间的位置姿态
有什么好处呢
有这个好处 大家可以看
当我们航空摄影的时候
它就一次回来了
这个呢 不一样
它一个下去以后呢
他这个激光呢有一个宽度
可以有四个反射回来
叫四个return
屋顶回来一个
在这儿（房檐）上回来一个
地面再回来一个
在树上也可以回来一个
同时测定地面 树高
屋顶 最高处 窗户台
都可以测下来
你看有几个
一般有四个 返回
这就是机载的
激光雷达的好处
所以 这就讲的传感器
平台
可以用什么可以作为遥感平台呢
有静止运行轨道（卫星）
在三万六千千米
到四万多千米那么远
有地球的圆轨道卫星
这个一般是在500千米到
1200千米的高度
那么还有呢航天飞机
是吧 这个航天飞机呢
它是在240到350千米的轨道上
再往下 有无线电探空仪
可测到100千米
有超高速的喷气式飞机
10000~12000米
也有普通的飞机
是从500米到8000米
有飞艇 有直升机
有牵引飞机 有气球
有索道 有吊车
有地面测量车
遥感可以从宇宙
从太空遥感
到这个对地球的遥感
从地球静止轨道
一直下来一直到地面
这个称为遥感平台
我们现在看看 这是飞机
这是航天飞机
这是一个吊车上可以放的遥感
这是世界上各个国家的卫星
这是加拿大的
这是美国的Landsat
这是法国的
这是NOAA
也是美国海洋与大气局的
JERS这是日本的
ERS E表示欧洲 就是欧洲的
SEASAT 是美国的
你看到名字就知道
它是不同的卫星
不同的国家
都有一个太阳能帆板
采集太阳能的能量
保证它的能源
刚才我给大家讲了
地球静止轨道 就是这个含义
在三万六千千米之外
地球转 它一样的转
在赤道面上是相对静止的
极轨就是这样一个轨道
它的好处
就是永远对着这个半球看
太阳同步卫星好处就是
看一个地方每天
都在同一个时间看
那么我们刚才讲了
我们遥感需要做一个传感器
需要放到一个平台上去
就可以得到我们的东西
得到的是什么东西呢
得到的是地表物体的描述
是这样的一个描述
我们称它为三大要素
（地物）三大属性
一个是空间属性
一个是辐射属性
一个是光谱属性
如果我们只有一个可见光成像
通过辐射强度变化
将它的空间位置记下来
就得到一张照片
可以从这个照片
来求出地物的空间位置
如果我们把光谱
辐射值记下来
就得到这个光谱辐射记录
如果呢又有它的空间成像
又有了光谱
就可以得到
叫做 这样一系列几十个上百个的
我们称之为影像立方体
这是一个影像构成的立方体
既有它的光谱特性
又具有它的影像成像特性
那么三个灰度
可以做成一个假彩色
所以这是一个彩色的
到后面有一系列的
这就是遥感获得的地物的三个特性
通过这三个特性 就可以研究
地物它在哪
它是什么
它发生了什么变化
这就是我们的遥感
要研究这个呢
就强调要讲一讲
遥感的一个基本的参数
叫做分辨率
有几个分辨率呢
这里讲了四种分辨率
第一个是空间分辨率
遥感的最小成像单元叫一个像素
它对应的地面有多大
就称之为遥感的图像的分辨率
这是一个地面分辨率
或者是一个空间分辨率
第二种呢 是光谱分辨率
就是在成像范围内的
波谱带的数目有多少
如果只有一个
就叫可见光
如果有四个就叫多光谱
如果有128个
那就叫做超光谱 高光谱
第三个分辨率是时间分辨率
能够重复获取
某一个地区图像的周期
是每天获取 还是三天获取
还是二十天获取一次
当然我们希望这越快越好
还多了一个分辨率
叫温度分辨率
如果你是用热红外遥感的话
那么它对温度的灵敏程度
可探测的温度的变化
幅度的灵敏度
相当于我们体温计的精度
用绝对温度来表示
1K或是0.1K
来决定
那么我们知道
这个地球表面温度的变化
属于全球变化
人们希望温度分辨率高
时间分辨率高 光谱分辨率高
空间分辨率高
就是这四个要素
同学们一定要掌握这个概念
看到一个遥感卫星你就问它
你这个卫星空间分辨率是多少呀
你的光谱分辨率是多少
你的时间分辨率是多少
只对热红外遥感
才有温度分辨率
遥感有各种应用需要
有不同的选择
它的分辨率
它的空间分辨率
光谱分辨率的选择
根据应用的需求不一样
资源调查
一般的空间分辨率呢
就是10~100m就可以了
但是我是找资源的 我是找矿的
要把它找出来金矿 铜矿 银矿
所以了就要求它的光谱分辨率高
最好是高光谱
那么如果我是测地形图的
红的 测地形图
就需要它的空间分辨率高
大概就是说从0.1米 0.05米
5厘米 0.1米到1米
这一波段是我们喜欢的
把这个图可以测得很精确
遥感用于农业 森林 国防
城市 交通 环境
这就是我们总结出来的
根据不同的用途
来选择空间分辨率和光谱分辨率
武汉大学为了要支持
同学们学习和科学研究
买了一个MODIS地面接收站
MODIS是美国发的一个环境卫星
空间分辨率从250米到 1千米
我们在这个遥感学院的楼上
有一个这样的接收站
接收它一个叫Terra 一个叫Aqua
Terra是地 Aqua是水 海
这都是希腊水神海神的名字
这叫MODIS
这是接收到的图像
这是一景 这是第二景
三景就把中国覆盖完了
因为它的分辨率比较粗
时间分辨率就比较好
我们现在又做了一个地面站
这是专门用于测绘测图用的
叫做高分辨率地面站
能够追踪250~1000千米
之内的卫星捕捉
这个站花的钱就多了
刚才那个站花了350万
这个站就搞了这个天线
和这个主机房建设
这两点的钱加在一起4000万元
盖楼花了4000万
这是第一期工程
我们还有第二期工程
这个是跟诗琳通公主
一起做的
泰国的公主喜欢武汉大学
所以我们和她一起做的
这个地面站在光谷
东湖开发区里面
这就是它的天线
这个天线是中国目前最大的
13米口径
它能够下传数据的速度
是两个600Mb/s
算是1.2GB
这是国内目前最大的
上面刻着
武汉大学 中国光谷
八个字
我们看看这个遥感的扫描方式
这是法国的SPOT卫星
它上面有三个传感器
可以对不同的三个地方扫
也可以集中在一起扫一个宽扫
这是三个扫描仪
也可以在同一个轨道上
前面扫过了 后面再扫过来
产生重叠 产生立体成像
这是SPOT5
这就是它的图像
这个图像的分辨率是5米的
那么这个是把多光谱
跟这个全色片子
融合在一起
叫假彩色合成的
这是5米的
这是斯德哥尔摩
把它放大
做成2.5米的全色影像
美国的IKONOS卫星
分辨率是0.8~1.0米的
这是拍的华盛顿的1米图像
这就是林肯的纪念塔
呃 这边就是白宫
这个卫星拍的中国的天安门
拍的是毛主席纪念堂把这个剪出来
这是4米的不太清楚
还有1米的 1米和4米的
我们用软件把它融合在一起
就看到在毛主席纪念堂周边
有一个排队的人群在那排队
排完队看完了就出来了
一个小点点 就是一个人
这是画的这么一幅画
看得很清楚 这是1米的
这是美国的 0.6米分辨率的
拍的是罗马的梵蒂冈大教堂
这个大教堂大家以后可以去参观
米开朗其罗的杰作
这是广场 这有一个
测定它的精度
又从这里出来 这个是梵蒂冈
这是快鸟Quick Bird
拍的我们中国的三峡
看到三峡（大坝）上的排水管 在放水
这是大坝
这个分辨率也是非常高的
0.6米
成像光谱仪
刚才我已经给大家讲过
这个是影像立方体
如果我在这个道路交叉口上
读取几十个波段
等于我吃糖葫芦
穿进去
就穿出一条谱出来
就是白的
这边是块田
田里面是植被
植被的红外是红的
把它这么一串 就是这个红色的谱
田里面 又得到第三条谱
那么干什么用
马路上是混凝土
这是植被
这是田
根据这个谱
你看这三个谱有差别
如果白的谱跟绿的谱
在这儿比较差距很大
就能区分是两种东西
两个目标 两个矿物
两个地表的特性
一个是有污染 一个是没有污染
所以这个成像光谱
研究它的物理特性
找矿 找污染
找伪装 反伪装
这是成像光谱仪的作用
通过光谱反射曲线区分物体
光用眼睛看一个像片是看不出来的
所以呢 高光谱用来做什么呢
就这张图像来告诉大家
用来做农业 土壤 地矿
并能够起积极作用
这儿还有一张照片
这是美国奋进号航天飞机
装的是一个双天线的雷达
是一个主动遥感
从天上发信号下去
再收回来的
航天飞机上伸出一个杆子出来
这个杆子长达60米
只相当于一只眼睛
信号打下去 收回来
这等于我们的两个眼睛看地面
可以看到三维
就把这个很快 花了不到十天
把从北半球的北纬60°
到南半球55°都扫过来
构成了地球的模型
地形的起伏 山顶起伏
影像不是它的 是TM图像的
两个一融合就得到了地形
这叫做合成孔径雷达
遥感的历史发展有多久呢
并不是很长
如果我们说的最远一点
从伽利略算起
1609年伽利略做天文望远镜
观测到太阳上有斑点
月球表面不是平原
打破了地心说
也是遥远的非接触月球和太阳的观测
这是我们遥感最开始
1859年法国一个摄影师 气球爱好者
叫Nadar
他就想上天去用气球拍照片
但是没有拍成功
1862年 美国教授
又想用气球观测天气
他从俄亥俄州放上去
气球一直 吹到南加利福利亚
这是当时他的结果
直到1909年
就是在怀特兄弟发明飞机之后
就有了航空摄影
这架飞机在怀特兄弟博物馆
在Ohio大学旁边
我去参观了两次
这个飞机每天表演两次
还能飞得起来
真正的遥感是从这算起
刚才都是先行者 试探者
那么真正的遥感是从1957年
前苏联做了第一颗人造卫星
使卫星搞摄影成为可能
1959年
人造卫星发回第一张地球照片
1960年
美国的“泰罗斯”与“雨云”气象卫星成功
取得全球的云图
1971年 阿波罗把月球拍了照片
1972年 美国陆地卫星上天
其多光谱扫描仪MSS用来观测地球
我们把各种对地观测的卫星分类
分这样几类
第一类是气象卫星
刚才我讲的地球同步的是静止的
我们中国发射的这个卫星
叫风云二号 四号
偶数就是静止的
另外有一种与太阳同步的
极轨气象卫星
我们叫它风云一号 三号卫星
这叫气象卫星
这个地球同步静止卫星
搞气象的不光是中国人发
欧洲发了一个 它放在哪了呢
因为是静止的
是在赤道面上哪个经度上
欧洲静止气象卫星的经度是0°
美国的GOES-8/9
西经75°一个
西经135°一个
日本的放在东经135°
印度的放在东经75°
中国风云二号放在东经105°
正好跟武汉差不多
正好看着我们
太阳同步运行的卫星是南北极走的
中国有风云1A 1C 1B 1D
还有风云三号
中国的气象卫星做得相当的好
得到全世界的认可
第二类是资源卫星
资源卫星就是用CCD获取
20~100m 用于资源探测的卫星
包括资源探测 森林 农业 地质
这张表我就不细说了
这是各个国家的资源卫星
变化还是很大的
还有雷达卫星
也用来做资源的
雷达卫星这是主动的
美国发的不多
美国发的最早叫Seasat
海洋卫星
上去了以后呢只工作了不到半年
另外呢欧洲做得比较好
日本 加拿大做得比较好
所以了美国的航空航天局局长后来挨了批评
因为这个雷达做得不够好
测图卫星可以生产1:10万 1:5万
1:2.5万 1:1万的测图卫星
跟我们武汉大学的测绘专业关系很大
最近竞争也很大
这张表大家可以去看书上
但是我可以告诉大家
现在最好的
0.41米的GeoEye-1地球的眼睛
0.46米 已经在天上了WorldView-2
那么GeoEye-2号要达到0.25米
我们中国现在天上有多少个呢
有两米的 有1米的
最近又发了一个
叫做遥感14号 是0.8米的
我们以前的空间一号
对接有一个0.5米的 中国赶得很快
这些卫星
都是武汉大学 我们的研究生去处理的
用的是我们的软件
有15个卫星用了武汉大学的软件
测绘卫星系列包括
高分辨率立体测图 干涉雷达测图
包括激光测高 重力卫星
和导航定位卫星
现在第一个高分辨率立体测图卫星
资源卫星三号已经上去
导航定位北斗
已经发了十三颗了
中国还在努力加油
这样呢
我把卫星传感器这一组讲完了
谢谢同学们