主讲人：陈颖彪 E-mail:chenyingb@21cn TEL:020-31878078( 小灵通 )/36230186( 家 ) 广州大学地理科学学院

1. 地理信息系统概论 主讲人：陈颖彪 E-mail:chenyingb@21cn.com TEL:020-31878078(小灵通)/36230186(家) 广州大学地理科学学院

2. 第五讲 GIS/RS/GPS 1、遥感（Remote Sensing，RS) 2、全球定位系统 （Global Position System，GPS） 3、3S集成（3S Integration）

3. 1、遥感（Remote Sensing) • 遥感的基本概念和基础 • 遥感平台 • 遥感成像与遥感图像特征 • 遥感信息的获取和监测系统 • 遥感图像的处理

4. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 所谓遥感，通常指的是通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。 遥感是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术。其概念出现于1962年，但其迅速发展与广泛应用则是在1972年美国第一颗地球资源技术卫星（Landsat-1）发射并获取大量卫星图像之后。

5. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 • 遥感的物理基础是电磁学。其中几个重要的概念就是： • 电磁波：当电磁振荡进入空间，在空间中传播时，就形成了电磁波。 • 电磁波谱：将电磁波在真空中传播的波长或频率，按递增或递减的顺序排列，就构成了电磁波谱。 • 电磁辐射：一切物体都能产生电磁波并发射出去，是辐射源。同时也能够吸收和反射其他物体的辐射。 • 黑体：能够吸收全部入射辐射能量的物体称绝对黑体。 • 黑体辐射：绝对黑体是最有效的辐射体，其辐射度随温度T的增加而迅速加大；辐射度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动，如图。

6. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 电磁波谱

7. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 不同温度的黑体辐射

8. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 遥感技术就是通过观测电磁波，从而判断和分析地表的目标以及现象。这当中最重要的一个基础就是地物的电磁波特性，即“一切物体，由于其种类和环境条件不同，因而具有反射和辐射不同波长的电磁波的特性”。换句话说，遥感是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测电磁波、识别物体以及物体存在环境条件的技术。 观测电磁波的装置是传感器。

9. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 太阳辐射（即太阳光）和地球辐射是遥感过程地物反射电磁波的主要来源。 太阳光通过大气照射到地面，经过地物反射后返回，再经过大气到达传感器。这时传感器探测到的辐射强调与太阳光到达地球大气上空的辐射强度相比，已经有了很大的变化（大气吸收、大气散射、大气窗口及折射等）。因此，在分析识别地物及其环境时需要考虑这些因素。 同样，地球作为辐射源的辐射特性和地球作为太阳辐射的接收者的反射特性，都是分析识别地物及其环境时需要考虑的因素。

10. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 • 不同的地物对不同波长的电磁波的反射率是不同的，由此形成了地物的反射波谱。地物的反射率随波长变化是有规律可循的，这为遥感影像的判读提供了依据。如： • 植被：对可见光波段有一个小的反射峰，在绿光处（这是由于叶绿素的影响）；在蓝光和红光处则有两个吸收带。 • 土壤：没有明显的峰值和谷值，一般土质月细反射率越高，有机质含量越高和含水量越高反射率越低。 • 水体：主要在蓝绿光波段反射率高，其他波段吸收都很强。 • 岩石：无统一特性，矿物成分和含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑度和色泽等都有影响。

11. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 四种地物的反射光谱特性曲线

12. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 四种植物的反射光谱特性曲线

13. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 地物反射和辐射不同波长的电磁波的特性称为地物波谱特性。其测量是由传感器（如分光光度计、光谱仪、摄谱仪等）来完成的，其工作原理就是测量地物的反射辐射度，经光电管转化为电流强度读出。 反射辐射度由三部分组成：太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量；地面物体本身发射辐射的能量经大气后进入传感器；大气散射和辐射的能量。

14. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 影响地物波谱特性的因素包括： • 太阳位置：太阳高度角和方位角； • 传感器位置：传感器的观测角和方位角； • 地理位置：太阳高度角和方位角；地理景观；海拔高度；大气透明度等都不同； • 地物本身的变异：如植物病害，如图； • 地物的含水量，如图 • 时间的变化，如图 • 植物生长期的变化，如图 • 各种随机因素的影响，如图

15. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 不同健康状况的松树反射特性曲线

16. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 不同含水量（湿度）的砂土的反射波谱特性曲线

17. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 新雪和陈雪的反射特性曲线

18. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 白橡树在不同生长期的反射特性曲线

19. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 在一分钟间隔内两次测定同一麦田的反射率曲线

20. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感的基本概念和基础 • 在了解了遥感的基本概念和基础之后，我们来看看遥感的分类： • 按遥感平台分（按传感器放置的位置）：地面遥感（如车、船、手提、台架）、航空遥感（如飞机、气球）、航天遥感（如卫星、航天飞机、空间站）、宇航遥感（如星际飞船）。 • 按传感器的探测波段分：紫外、红外、微波、可见光以及多波段遥感。 • 按工作方式分：主动遥感（传感器主动发射电磁波并接收目标的反射信号）和被动遥感（只接收目标自身的辐射及对自然辐射的反射信号）；成像遥感和非成像遥感。 • 按应用领域分：如外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等。还可以更加细分，如环境，农、林、渔等。

21. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感平台 • 遥感平台是搭载传感器的工具，根据运载工具的类型，可分为宇航平台、航天平台、航空平台和地面平台。 • 宇航平台：主要是利用星际飞船，对地月之外的目标进行探测； • 航天平台：高度在150km以上，如静止卫星（位于赤道上空36000km）、地球观测卫星（约700～900km）、航天飞机（高300km左右）； • 航空平台：包括低、中、高空飞机和飞艇、气球等，高度在百米至十余千米不等； • 地面平台：包括车、船、塔、手提等，高度在0～50m。 • 航天平台是目前发展最快、应用最广的平台，根据其服务内容，可分为气象卫星系列、陆地卫星系列和海洋卫星系列。

22. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感平台 • 气象卫星主要用于天气分析、气象预报、气候研究、气候变迁以及其他资源环境研究。 • 气象卫星分极地太阳同步轨道和地球同步轨道两种。前者每天由南向北绕地球运转，对整个地球进行观测；后者则对某一固定地区观测。 • 气象卫星具有短周期重复观测、成像面积大、连续、实时性强和成本低等特点。 • 全球气象卫星主要有： • 静止卫星：日本（GMS）、美国（SMS/GOES）、欧洲空间局（Meteosat）、俄罗斯（COMS）、中国（风云1号，1988、1990年） • 极地卫星：美国（NOAA系列）、俄罗斯（Meteop系列）、中国（风云2号，1997年）

23. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感平台 • 航天遥感中应用最广、最深入的就是陆地卫星，其应用几乎涉及地学和国民经济的各个领域。 • 主要的陆地卫星包括： • 美国的陆地卫星系列（Landsat） • 法国的SPOT卫星 • 中国的资源一号卫星 • 其他陆地卫星

24. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感平台 • Landsat系列卫星 • 1972年7月23日美国发射第一颗地球资源卫星ERTS-1； • 1975年发射ERTS-2，改名Landsat-2； • 1978年发射Landsat-3； • 1982年在Landsat1-3的基础上改进设计并发射Landsat-4； • 1984年发射Landsat-5； • 1993年发射Landsat-6卫星，上天后由于故障陨落； • 1999年发射Landsat-7。 • Landsat系列卫星的运行特点是近圆形、近极地、与太阳同步、可重复轨道等。目前，只有Landsat-5和Landsat-7仍在运转工作。

25. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感平台 Landsat卫星外观

26. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感平台 • SPOT系列卫星：由瑞典、比利时等国参加，由法国国家空间研究中心设计制造。 • 1986年发射第一颗SPOT-1； • 1989年发射SPOT-2； • 1993年发射SPOT-3； • 1996年发射SPOT-4； SPOT系列卫星的轨道是太阳同步圆形近极地轨道， 轨道高度832km、运行周期101.4min、轨道倾角98.7、重复周期26天(369圈)。

27. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感平台 SPOT卫星外观

28. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感平台 1999年10月14日，我国第一颗地球资源遥感卫星——资源一号卫星（又称中巴地球资源卫星， China-Brazil Earth Resource Satellite，CBERS）在太原卫星发射中心成功发射。 资源一号卫星的轨道是太阳同步极地轨道，高度778km，倾角98.5；运行周期100.26min；重复时间26天（373圈）。所携带的传感器最高空间分辨率是19.5m。

29. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感平台 • 海洋卫星主要用于观察海况，研究海面形态、海面温度、风场、海冰、大气含水量等。1978年6月26日美国发射了世界上第一颗海洋卫星Seasat 1。虽然这颗卫星因为电源故障只工作了105天，但却开创了海洋遥感和微波遥感的新阶段。 • 由于海洋具有面积大、反射强、海水透明差异明显、海面特殊等特点，使得海洋遥感需要高空和空间平台、以微波为主，同时结合激光、声波等。主要的海洋卫星包括： • 美国的Seasat 1、 “雨云”7号（Nimbus-7） • 日本的海洋观测卫星MOS1 • 欧洲空间局的ERS系列 • 加拿大的雷达卫星RADARSAT

30. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感成像与遥感图像特征 遥感成像主要分为两种，即摄影成像和扫描成像。 摄影成像：摄影是通过成像设备获取物体的影像技术。传统摄影是依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像。数字摄影则通过放置的焦平面的光敏元件，经光/电转换，以数字信号来记录物体的影像。依据探测波长的不同，又可分近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影等。 扫描成像：依靠探测元件和扫描镜对目标物体以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标物的电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。其探测波段可包括紫外、红外、可见光和微波波段等。成像方式有光/机扫描成像、固体自扫描成像和高光谱成像光谱扫描三种。

31. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感成像与遥感图像特征 • 遥感图像是各种传感器所获信息的产物，是遥感探测目标的信息载体。通过遥感图像，人们希望获得三个方面的信息：目标地物的大小、形状及空间分布特点；目地物的属性特点；目标地物的变化动态特点。为此，可将遥感图像归纳为三个方面的特征，即几何特征、物理特征和时间特征，其表现参数为： • 空间分辨率：象素所代表的地面范围。 • 波谱分辨率：传感器在接收目标辐射的波谱时能分辩的最小波长间隔，间隔越小，分辨率越高。 • 辐射分辨率：传感器在接收波谱信号时能分辩的最小辐射度差。 • 时间分辨率：对同一地点进行遥感采样的时间间隔。

32. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 • 遥感信息的获取和监测系统主要包括五个部分： • 控制中心 • 跟踪站 • 地面接收站 • 数据处理中心 • 遥感基础研究中心

33. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统

34. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 控制中心 • 是整个卫星系统的大脑，监测和指挥卫星的运行； • 制定卫星及传感器每天的日程； • 控制和协调全系统的正常工作。 • 美国陆地卫星控制中心位于东海岸马里兰州。 • 法国SPOT卫星的控制中心设在法国南部城市图鲁兹市郊国家空间研究中心。 • 我国卫星控制中心设在西昌地区。

35. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 跟踪站 • 跟踪星体，不断对星体进行观测； • 将测得的卫星轨道数据及时提供给控制中心，以计算星体空间轨道及其变化，控制星体的运行； • 固定跟踪站。 • 流动跟踪站。 • 目前多配置GPS用户终端。

36. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 地面接收站 • 接收卫星发送的遥感图像信息及卫星姿态、星历参数等； • 将信息记录在高密度数字磁带上，然后送往数据处理中心； • 接收美国陆地卫星的地面接收站，如表； • 我国卫星遥感地面接收站在北京，可接收除新疆、西藏、云南部分地区以外的约80%地域的多波段扫描仪（Multispectral Scanner，MSS）、专题成像仪（Thematic Mapper，TM）图像信息，如图； • 我国空缺地带可由泰国接收站弥补，如图；

37. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 返回

38. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 北京接收站陆地卫星图像覆盖范围

39. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 泰国曼谷接收站陆地卫星图像覆盖范围

40. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 数据处理中心 • 对地面接收站送来高密度数字磁带进行数据转换，生产可供用户使用的计算机兼容磁带CCT(Computer Compatible Tape)和70mm的胶片等。 • 我国卫星图像接收站的数据处理中心设在北京，包括： • 计算机处理系统 • 照相处理系统

41. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 遥感基础研究中心 • 对星体、传感器、发射、测控、通讯等进行基础研究； • 进行卫星和航空遥感的模拟试验； • 试验遥感仪器设备的性能； • 研究地物的波谱特性； • 遥感图像解译理论和应用理论的研究。

42. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感图像的处理 • 为了使得遥感图像能够符合人们的使用，通常需要对它进行各种处理： • 光学处理：用光学的方法处理遥感图像，使其有用信息更加突出，更加适合判读。 • 纠正处理：主要是消除图像的畸变，包括辐射纠正和几何纠正。前者是由于太阳位置、大气吸收和散射等引起；后者则是由于遥感平台的速度、姿态、传感器、地形起伏等引起，需要通过采集地面控制点进行纠正。 • 增强处理：主要用于改善目视效果，使有用的信息更加突出。通常的方法包括对比度变换、空间滤波、彩色变换图像运算和多光谱变换等。

43. 1、遥感（Remote Sensing) ——遥感信息的获取和监测系统 • 多源信息的复合：将多种遥感平台、多时相遥感数据之间以及遥感数据和非遥感数据之间的信息进行组合和匹配，使得复合后的图像数据更加有利于综合分析。 • 图像解译：是从遥感图像上获得目标地物信息的过程。一般分为两种： • 目视解译，由专业人员通过直接观察或借助判读仪器在遥感图像上获取特定目标地物信息。 • 计算机解译，以计算机系统为支撑环境，利用模式识别技术和人工智能技术，根据遥感图像中目标地物的各种影像特征（颜色、形状、纹理与空间位置），结合专家知识库中对目标地物的解译经验和规律等进行分析和推理，实现对遥感图像的理解。

44. 2、GPS（Global Position System） • GPS的基本概念 • GPS的系统组成 • GPS的定位原理 • GPS误差和纠正 • 其他卫星定位导航系统

45. 2、GPS（Global Position System） ——GPS的基本概念 全球定位系统（GPS）是利用卫星进行点位测量和导航技术的一种，其全称是导航卫星测时和测距/全球定位系统（ Navigation Satellite Timing and Ranging/ Global Position System ）。它是由美国军方组织研制建立，从1973年开始实施，到1994年完成，可实现地球上任何地方，任何时刻的自动定位。

46. 2、GPS（Global Position System） ——GPS的系统组成 • GPS系统包括三大部分： • 空间部分——GPS卫星星座 • 地面控制部分——地面监控系统 • 用户设备部分——GPS信号接收机

47. 2、GPS（Global Position System） ——GPS的系统组成 空间部分：卫星分布 • 21颗工作卫星，3颗备用卫星； • 每4颗卫星工作在同一轨道平面内，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面，彼此夹角为60； • 轨道平面相对于赤道的倾角为55 ； • 卫星离地面高度20200km； • 12恒星时(11hr58min2.05s)绕地球一周； • 地球上任何地方任何时刻同时可收到4颗以上GPS卫星的信号。

48. 2、GPS（Global Position System） ——GPS的系统组成 GPS卫星分布

49. 2、GPS（Global Position System） ——GPS的系统组成 空间部分：卫星运行 • 每颗卫星连续发射两种频率的电磁波 • L1载波：f1=1575.42 MHZ; 1=19.0cm • L2载波：f2=1227.60MHZ; 2=24.4cm • 每种载波有2类调制信号 • 导航信号 • 电文信号

50. 2、GPS（Global Position System） ——GPS的系统组成 空间部分：卫星运行——导航信号 • 粗码（C/A码）：面向民间用户 • 1ms重复一次，容易用来捕获导航信号； • 仅调制在L1载波上； • f = 1.023Mb/s; =300m;精度3m; • 精码（P码）：面向美国军方及其他特许部门 • 7天重复一次，不易捕获； • 可用于精密定位； • 可调制在L1、L2上； • f =10.23Mb/s；  = 30m;精度0.3m; • P码和C/A码用于实时测定卫星和接收机的直接距离。