2022年遥感导论思考题 .pdf

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1、绪论思考题1. 理解“遥感”是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，来探测、研究地面目标的科学。广义遥感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、机械波等的探测。狭义遥感指不与探测目标相接触，利用传感器，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。4. 结合个人的专业背景，试举例说明遥感的应用及前景。在卫星遥感应用方面，空间技术、信息技术和计算机技术的发展，推动了遥感技术的进步。遥感影像的空间分辩力和光谱分辩力的明显提高，扩展了它的应用领域；计算机运算速度和容量成数量级的增加、数据库技术和网络技术的发展和人工智能的应用为

2、分析处理大数据量的遥感和地理数据创造了条件。所有这些都为遥感信息系统的实用化奠定了技术基础。数学模型作为联系遥感、地理信息系统与实际应用之间的纽带，处于十分重要的位置，发挥了极为重要的作用。地理信息系统需要应用遥感资料更新其数据库中的数据；而遥感影像的识别需要在地理信息系统支持下改善其精度并在数学模型中得到应用。两者之间存在着密切的相互依存关系。但在目前的技术水平下，这种关系受到制约，主要有两方面的原因：一是受卫星分辨率和识别技术所限，遥感图像计算机识别的精度还不能满足更新较大比例尺专题图的要求；二是遥感图像与常用的地理信息系统的不同的数据结构妨碍了数据间的传输。展望今后十年，新一代卫星影像的

3、分辨力将有大幅度提高；在专家系统支持下，计算机识别精度也将有明显的改善；同时，从遥感图像具有的棚格数据结构向地理信息系统常用的矢量数据结构的转换已取得明显进展，新的数据结构不断出现，有的达到实用化水平。因此，遥感与地理信息系统一体化已是可以看到的前景。那时，再也不需要重复遥感图像一目视解译一编图一数字化进入地理信息系统的模式，整个过程将为计算机处理所代替，应用实时遥感数据的数学模型将得以运行。第一章思考题1. 掌握辐射出射度M 、辐射照度 E、辐射强度 I 、辐射亮度 L 的概念和物理意义辐射出射度 M 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射出的辐射通量，

4、单位为瓦 /平方米，表达为M=d/dA；辐射照度E，简称福照度，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/平方米，表达为 E=d/dA；辐射强度 I 指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，即点辐射源在某一方向上单位立体角（ d）内发出的辐射通量，单位为瓦/球面度，表达为I= d/d；辐射亮度L，简称辐亮度，指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积， Acos）上发射出的辐射能量， 即辐射源在单位投影面积上、 单位立体角内的辐射通量，单位为瓦 /（平方米 *球面度） ，表达为 L=d2/

5、(d*dAcos)。2. 试说明黑体的概念及黑体辐射的三大定律。黑体是一个完全的吸收体和完全的反射体，即吸收率和反射率均为1（无反射也无投射）；它是一个自然界并不存在的假设的理想辐射体；但可由人工方法制作，它的行为表现可被实验室设备所模拟。黑体辐射的三大定律是普朗克辐射定律、斯特藩 -玻耳兹曼辐射定律、 维恩位移定律。 普朗克辐射定律是热辐射理论中最基本的定律，给出了黑体辐射的辐射出射度（M ） ，与温度（ T）和波长（ ）的关系。其中 h 为普朗克常数， k 为玻耳兹曼常数， c 为光速， T 为绝对温度。斯特藩 -玻耳兹曼辐射定律：人一物体辐射能量的大小是物体温度的函数。黑体总辐射通量随温

6、度的增加而迅速增加，它与温度的四次方名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 成正比，可表示为，M为黑体表面发射的总能量，及总辐射出射度，为斯特藩-玻耳兹曼常数，T 为发射体的绝对温度。 维恩位移定律描述了物体辐射的峰值波长与温度的定量关系为：max=A/T ，max为最大辐射强度对应的波长，T 为绝对温度， A为常数。结论是黑体最大辐射强度所对应的波长与黑体的绝对温度成反比。3.被动遥感的主要能源是什么？试分析它们的特点

7、主要能源是太阳辐射和地球辐射。太阳发射的短波辐射中， 30% 被大气里的云何其他大气成分反射回太空， 17% 被大气吸收， 22% 被散射和漫反射的形式到达地表，31% 直射到达地表。地面接收的太阳辐射照度与太阳天顶角 有关，在忽略大气损失的情况下，可近似认为地面辐照度与cos成正比。地面接收的太阳辐射照度还与大气的吸收及散射有关。到达地面的太阳入射辐射分为太阳直接辐射Es 和大气散射辐射 Ed。地面接收的太阳总入射辐射Et=Es+Ed=Q 。太阳总辐射 Q可利用气象台站得太阳直射辐射计及天空辐射计来获得；也可通过理论太阳辐射及日照率的计算获得。太阳总辐射Q是纬度、时间及云的函数。地球辐射主要

8、是长波辐射、短波辐射、中红外辐射。长波辐射（6m ），指地表物体自身的热辐射，此范围短波辐射可忽略不计；短波辐射（0.3-2.5 m ），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。中红外辐射（2.5-6 m ），此范围太阳辐射和热辐射的影像均有，均不能忽略。4. 试分析遥感在研究地表辐射平衡中的作用和局限性地表辐射平衡方程可表示为，是地表净辐射，指地表净得的短波辐射与长波辐射之和；是入射到地面的太阳短波辐射；地表反射的太阳短波辐射，及地表反射辐射；来自大气的长波辐射， 即大气逆辐射；指地表发射至大气的长波辐射，即地表发射辐射。作用：地表反射率可由VIS-NIR 遥感反演获得，地表温

9、度可由TIR、MW 遥感反演获得。局限：遥感所测得的数据和具有非连续、窄波段、窄视场、特定方向的特点，儿自然界地物的反射与发射具有全波段、半球视场、各向异性的特点，两者间的差异是影响遥感反演地表参数反照率与温度精度的重要原因，是定量遥感迫切需要解决的问题。5. 散射的概念及大气散射作用对遥感的影响散射指电磁波在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的“亮度”；使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息，使暗色物体表现地比它自身的要亮；降低了

10、遥感影像的反差（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，阻止兰紫散射光透过。6.大气纠正及其基本方法遥感图像中的大气影响主要来源于大气分子散射、气体吸收以及气溶胶散射和吸收三个部分，大气纠正就是消除这些大气效应的处理。主要有三种大气纠正模型：基于图像特征模型、地面线性回归经验模型、基于大气辐射传输理论模型。基于图像特征模型即通过简单的假设，不需要进行实际地面光谱及大气环境参数的测量，仅利用图像自身信息，对遥感数据进行“标定”。其又细分为暗目标法、回归分析法、直方图调整法、 图像波段间的数学变换。 基于图像特征方法往往假设地表朗伯提、

11、大气水平均一，不同时间、不同波段的图像间存在线性相关等，因此仅适用于较小范围，不能用于宽视场的图像。地面线性回归经验模型，建立遥感影像上特定地物灰度值及其成像时相应地面地物反射光谱测量值之间的线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 性回归方程。该模型简单实用，但需进行实地同步定标点的光谱测量，且对地面定标点的要求较严格。此法为考虑多次散射作用和临近效应，不适用于浑浊大气。大气辐射传输模型如第七题所说。7.大气纠正中的

12、大气辐射传输模型 主要描述了电磁波在大气中传输的哪几个物理过程，它们各取决于哪些因素过程： （1）太阳直接辐射（短波），指经大气的散射、吸收，能量衰减，即目标反射，此过程取决于入射亮度（即地面物体的反射、发射能量） 、吸收或散射物质的密度、光路长度等； （2）大气短波散射，指大气对太阳辐射的多次散射。其上行进入传感器的部分大气程辐射，使非目标物能量被吸收，能量增加，其取决于单次散射反照率、散射物质密度、入射方向立体角，散射方向立体角等；（3）其下行部分为天空辐射（天空光来自整个半球天空）；与地面相互作用 -多次散射，其取决于波长、大气路径、光学厚度，观测角度等；（4）大气长波辐射：大气自身发射

13、的能量，其取决于吸收物质的密度、大气的热力学温度、光路长度等。8.试分析电磁波与地表相互作用的基本物理过程及影响因素电磁波与地表的相互作用主要有三种基本的物理过程，即反射（Reflection） 、吸收（ Absorption ）和透射（ Transmission ） 。其中，能量反射、吸收、透射的比例及每个过程的性质，对不同的地表特征是变化的，它既依赖于地表特征的性质与状态（如物质组成、几何特征、光照角度等），又依赖于电磁波的波长。9.反射率的概念反 射 特 征 用 反 射 率 表 示 。 它 是 波 长 的 函 数 ， 又 称 光 谱 反 射 率 （ ） ， 被 定 义 为，以百分数表示，

14、其值在0-1 之间，为无量纲的量。反射率的大小依赖于物质类别、组成、结构、表面粗糙度、含水量、入射角、观测角、波长等，而与入射辐射强度无关。因此，任何物体的反射性质，最能揭示目标的本质。10.朗伯体的概念当入射波长比地表高度小或比地表组成物质粒度（直径）小时，入射能量均匀地向各方向反射，则为漫反射，即 L 在 2空间上各向同性。一个完全的漫射体称为朗伯体。第二章思考题1. 试说明遥感数据的空间、光谱、时间、辐射分辨率及其在遥感应用上的意义？空间分辨率是针对遥感或图像而言的，指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小。意义：空间分辨率高，则划分地物越细，识别地物细节的能力强；空间分辨率不是越高越

15、好，要根据应用的特定目的选择合适的空间分辨率。光谱分辨率主要是指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。意义：光谱信息丰富，可探测到地物光谱的细微变化、微小差异，多波段数据的利用是进行专题提取和定量分析的前提，可大大提高遥感应用分析的效果。时间分辨率指遥感器重复观测的最小时间间隔。意义：动态监测；时序分析，多时相遥感信息可用于地物目标变化分析，数据库更新，以及根据地物不同时期的不同特征，提高目标识别能力和精度。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，即探测器的灵敏度，辐射分辨名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

16、 - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 率一般用灰度的分级数来体现。意义：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，通过显示遥感图像可以获取以下信息：图像的外观、像元大小、量化等级、地理坐标、灰度值、直方图等。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？3. 如何理解地物的波谱反射与辐射特征研究是遥感研究的基础地物波普是遥感识别目标的前提，对它的研究与分析，是遥感重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

17、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础。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。植被： “红边”是指红光区外叶绿素吸收减少部位到近红外高反射区之间，健康植物的光谱响应陡然增加的这一窄条带区（约0.68 到 0.78 微米） 。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，则其光谱红边兰移。红移与兰移的幅度基本相似，大致7 到 10 纳米，在严重受压抑情况下，兰移可达40纳米。影响因素

18、：植物冠层得组分、形状结构；植物背景，主要指土壤；辐照及观测方向；大气状况、气候变化、大气透过率等。土壤：土壤对所有入射均能吸收或反射，透射少。土壤的反射率总体上是随着波长的增加而增加，并且此趋势在可见光和近红外波段尤为明显。在0.45 微米附近有一弱吸收带，在1.42 、1.97 、2.21 微米处有三个吸收带。这为遥感反演土壤水分含量奠定了理论基础。大部分粘土在1.4 微米、 2.2 微米处有较强的吸收带，这是区分土壤类型的依据之一。土壤反射率的影响因素：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。

19、水体：水的光谱特征主要是由水本身的物质组成决定，并受到各种水状态的影响。水德反射率总体比较低，且随着波长增大反射率降低。VIS0.6m的红光波段反射率降到2-3% 。影响因素为水面性质（表面粗糙度） 、水体质量、浮游生物大小等有关。NIR-MIR，水几乎吸收全部的入射能量。对清水而言，入水的透射光对水中为例产生瑞利散射，峰值位于蓝波段，对较大悬浮物质颗粒产生米氏反射，峰值位于黄橙波段，水中物质分子吸收光再反射，峰值位于橙红波段。5. 试说明光谱特性的时间效应与空间效应的含义，及在遥感中的应用。遥感研究时相变化主要反映在地物目标光谱特性的时间变化上。这种光谱特性随时间的变化，称为光谱特性的时间效

20、应。它可通过遥感来动态监测。充分认识地物的时间变化特性以及地物光谱的时间效应有利于选择有效时段的遥感数据，提高目标识别能力和遥感应用效果。同种地物在同一时刻、不同空间位置会具有不同的光谱响应。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，也可以几公里、几百公里较大地理范围。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？摄影系统： 选用光学摄影波段 （紫外近红外0.3-0.9 m ）的电磁辐射能量， 通过照相机直接成像。摄影系统是一种分幅成像系统。一幅像片为瞬间成像，多维中心投影。因地面常有起伏、多数物体有高度、像片又有倾斜，所以产生像点位移、图像

21、变形。变形规律：以像主点为中心呈辐射状，越往边缘变形越大，地形起伏越大变形越大，正地形向外移，负地形向内移。其空间分辨率与像片分辨率、像片比例尺有关。像片分辨率包括镜头分辨率和胶片分辨率，用相机/ 胶片系统的综合解像力表示。对于一个摄影系统，系统分辨率固定后，空间分辨率则与比例尺有关，比例尺越大，分辨率越高。因图像变形的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 不均匀，则一幅图像的比例尺也不均匀。优势：空间分辨率高、几何完

22、整性好；视场大，可达80，甚至更大；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。2. 试说明彩红外像片与标准假彩色影像的区别与影像色彩的相似性；并结合地物光谱特性，说明为什么在图像中植被呈现红色系列，水体、裸地或土壤、盐碱地、居民地等一般会呈现何种色彩？彩红外胶片有三个感光乳胶层：感红层、感绿层、感红外层。当目标反射0.5-0.9 m波长范围内的电磁波能量入射到胶片上时，红外分量在负片上为青色，在正片上是红色；绿光分量在负片上是黄色，在正片上是蓝色；红光分量在负片上是品红色，在正片上是绿色。彩红外航空像片呈现红绿蓝的不同组合色；各乳胶层感光度不同，色反差增大，色彩更鲜艳，层次

23、更丰富；滤去散射蓝光，图像更清晰；增加了 NIR的信息，信息更加丰富，识别地物的能力更强。彩红外摄影像片的色彩主要取决于地物对红、绿、红外光的反射特性。植被叶子反射绿光和近红外光，在彩红外像片上，健康绿色植物呈红色系列。水体强烈吸收红外光，并吸收红光而反射兰绿光，在正片上呈黑 +兰的兰黑色、兰灰色。当水体含泥沙或被污染时，便较多地反射红光、红外光，则影像色彩从兰到青到黄色变化。因此，彩红外像片对清水、浊水、污染水及土壤湿度等易于判别。裸地或土壤对红外、红、绿、兰光均有反射。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；弱湿度大些则呈不同的灰青色。盐碱地、沙地为白色、黄

24、白色。居民地，因多为水泥材料，青灰屋顶反射兰、绿光且反射率较低，而呈灰兰色，若为红瓦房反射较强的红光、红外光而呈淡黄色。3. 阐述高光谱遥感的概念？与传统遥感手段相比有何优势？高光谱遥感是用很窄的（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。优势：波段多，光谱分辨率高，光谱分辨率为纳米级。图谱合一，和地物的实际光谱更为接近，有更多的诊断波段，可进行地物的惊喜分类，获取更多的地物信息，提高分类精度。其他特点：高光谱数据的空间分辨率也在不断提高，波段间相关性强，数据冗余明显，数据量大，计算量大、复杂。第四章思考题1. 什么是比辐射率？地物

25、比辐射率受哪些主要因素影响？比辐射率是物体在温度T、波长处得辐射出射度Ms （T, ）与同温度、同波长下的黑体辐射出射度 MB（T，）的比值。即。比辐射率是一个无量纲的量，的取值在 0-1 之间。它是波长 的函数。影响因素：表面组成部分、表面状态（表面粗糙度等）、表面其他物理参数（介电常数、含水量等）、波长、观测角度。2. 热红外遥感中波段选择的依据是什么？地表物体的温度一般在 -40到 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9.26-12.43 m之间，正是在热红外波段8-14m的大气窗口内。地表高温名师资料总结 - - -精品资料欢

26、迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 目标，如火燃等，其温度达600K以上，辐射峰值波长为4.8 m ，在红外谱段 3-5m的大气窗口内，据此选择探测不同温度范围物体的红外波段。3. 试说明分子动力学温度、辐射温度、亮度温度的含义，及研究地表真实温度的意义。分子动力学温度，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，是组成物体的分子均传递能量的内部表现形式。 辐射温度又称为表征温度， 它是物体向外辐射能量状态的一种外部表现形式，可用热遥感器（

27、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，京辐射定标，直接表征物体的辐射温度。亮度温度是指当一个物体的辐射亮度与某一黑体的辐射亮度相等时，该黑体的物理温度就被称之为该物体的亮度温度，即辐射出与观测物体相等的辐射能量的黑体的温度。从热遥感器输出的是物体辐射温度的量度。但许多热红外遥感应用中， 人们的兴趣在于物体的真实温度。它是地表物质的热红外辐射的综合定量形式，是地表热量平衡的结果。只有地表真实温度能与水热能量交换相联系，作为一个重要的基本参数，直接参与相关模型（全球环流模型、地表潜热、显热通量方程、土壤热流量方程等）的计算。4. 试说明地表温度反演的主要方法与

28、思路。单通道法、多通道法、单通道多角度法、多通道多角度法。单通道法选用卫星遥感的热红外单通道数据，借助于卫星遥感提供的大气垂直廓线数据（温度、湿度、压力等），结合大气辐射方程直接计算大气辐射和大气透过率等参数，并通过热辐射传输方程，反演地表温度。多通道法，也称分裂窗法，利用 10-13 m的大气窗口内，两个相邻通道（一般10.5-11.5 m 、11.5-12.5 m ）对大气吸收作用的不同（尤其对水汽吸收的差异） ，通过两个通道测量值的各种组合来消除大气的影响，反演地表温度。单通道多角度法建立在同一物体由于从不同角度观测时所经过的大气路径不同而产生的大气吸收不同的基础上，可以通过单通道在不同

29、角度观察下所获得的量度的线性组合来消除大气效应的影响。多通道多角度法，它的基本点在于，无论是多通道还是多角度分裂窗法，地表真实温度是一致的。所以利用不同通道不同角度对大气效应的不同反应，来消除大气的影响，反演地表温度。5. 试分析目前陆面温度遥感反演面临的主要问题。陆地表面比辐射率具有不确定性，它依赖于地表组分，并与物理状态和观测角等因素有关，在时刻能赶上变化大，且陆面一般非均质，像元尺度内比辐射率整体差异大，难以预先确定。温度与比辐射率的分离很复杂大气纠正中必须考虑大气的吸收和热发射等的影响建立非同温混合像元辐射方向性模型与经验表达式等；陆地表面多维非同温的混合像元，对于精确的地表温度反演而

30、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地表温度是由物质的热特性及几何结构共同决定的。同时它还受到微气象、生态环境，土壤物理参数等的影响。因此，要深入研究陆面温度反演的各种不确定性、热辐射方向性、测量值的物理解译等理论问题，不断提高反演的精度。热扩散率热扩散率是物体内部温度变化速率的量度，常用k 表示： k=K/(c ), 式中,K 为热导率， c 为比热，为物质的密度。热扩散率和热导率成正比，和物质的比热、密度成反比。热容量热容量是物质储热能力的度量。物质所吸收的热量是根据温度变化来计算的。热容量是在一定条件下，物体温度升高 1所需要吸收的热量，常用C表示，单位为卡 / 度。热容量是随温度变化的，所以必须指定测量温度，重用15。热惯量热惯量是一种综合指标。它是物质对温度变化的热反应的一种度量。即度量物质热惰性大小的物理量。热惯量打的物质，对温度的变化阻力较大。热惯量常用P表示， P=Kc ?，其中， K为热导率， c为比热，为密度。一般来说，物体在一个太阳日内，昼夜温度的变化与其热惯量成反比。热惯量P大，昼夜温差小。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -