农业遥感

章节摘录

第1章 农业遥感概论1.1 遥感概述1.1.1 遥感概念遥感是20世纪60年代初在现代物理学（包括光学技术、红外技术、微波雷达技术、激光技术和信息技术等），电子计算机技术，数学方法和地球科学理论的基础上发展起来的一门新兴的、综合性的边缘学科。遥感源自航空摄影技术，开始为航空遥感，1972年美国发射了第一颗陆地卫星标志着航天遥感时代的开始。经过几十年的迅速发展，目前遥感技术已广泛应用于农业、地理、地质、海洋、水文、气象及环境监测，地球资源勘探和军事侦察等领域，成为一门实用的、先进的空间探测技术。遥感是指在远离目标和非接触目标物体条件下运用传感器/遥感器探测目标地物，获取其反射、辐射或散射的电磁波信息，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。也就是利用地面上空的飞机、飞船和卫星等飞行物上的遥感器收集地面数据资料，并从中获取信息，经记录、传送、分析和判读来识别地物，是目前空间科学的最好数据源。广义定义：遥远的感知，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场和机械波（声波和地震波）等的探测。自然现象中的遥感：蝙蝠、响尾蛇、人眼人耳……狭义定义：应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。目前，遥感的含义为狭义的定义。1.1.2 遥感的类型遥感技术可以从以下五个方面进行类型划分。根据工作平台层面区分：地面遥感、航空遥感、航天遥感。地面遥感，即把传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等；航空遥感，即把传感器设置在航空器上，如气球、航模、飞机及其他航空器等；航天遥感，即把传感器设置在航天器上，如人造卫星、宇宙飞船、空间实验室和火箭等。根据工作波段层面区分：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多波段遥感。紫外遥感，其探测波段在0.3～0.38mm；可见光遥感，其探测波段在0.38～0.76mm；红外遥感，其探测波段在0.76～14mm；微波遥感，其探测波段在1～1000mm。根据传感器类型层面区分：主动式遥感（微波雷达）、被动式遥感（航空航天、卫星）。主动式遥感，即由传感器主动地向被探测的目标物发射一定波长的电磁波，然后接收并记录从目标物反射回来的电磁波；被动式遥感，即传感器不向被探测的目标物发射电磁波，而是直接接收并记录目标物反射太阳辐射或目标物自身发射的电磁波。根据记录方式层面区分：成像遥感、非成像遥感。根据应用领域区分：环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感、林业遥感等。1.1.3 遥感系统的组成遥感是一门对地观测综合性技术，它的实现既需要一整套的技术装备，又需要多种学科的参与和配合，因此实施遥感是一项复杂的系统工程。根据遥感的定义，遥感系统主要由以下五大部分组成。（1）被测目标的信息特征任何目标物都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性，当目标物与电磁波发生相互作用时会形成目标物的电磁波特性，这就为遥感探测提供了获取信息的依据。（2）信息获取信息获取是运用遥感技术装备接收、记录目标物电磁波特性的探测过程。信息获取所采用的遥感技术装备主要包括遥感平台和传感器。其中，遥感平台是用来搭载传感器的运载工具，常用的有气球、飞机和人造卫星等；传感器是用来探测目标物电磁波特性的仪器设备，常用的有照相机、摄像机、扫描仪、辐射计和成像雷达等。（3）信息传输和记录传感器接收到目标地物的电磁波信息，记录在数字磁介质或胶片上。胶片是由人或回收舱送至地面回收，而数字磁介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面的卫星接收站。（4）信息处理信息处理是运用光学仪器和计算机设备对所获取的遥感信息进行校正、分析和解译处理的技术过程。信息处理的作用是对遥感信息的信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正和投影变换等进行处理，有时地面站或用户还可根据需要进行精校正处理，掌握或清除遥感原始信息的误差，梳理、归纳出被探测目标物的影像特征，然后从遥感信息中识别并提取所需的专题信息。（5）信息应用信息应用是专业人员按不同的目的将遥感信息应用于各业务领域的使用过程。遥感的应用领域十分广泛，最主要的应用有：军事、地质矿产勘探、自然资源调查、自然灾害监测与预报、地图测绘、作物长势分析及估产、环境监测以及城市建设和管理等。1.1.4 遥感技术的特点（1）大面积的同步观测遥感探测能在较短的时间内，从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测，并从中获取有价值的遥感数据。这些数据拓展了人们的视觉空间，使宏观地掌握地面事物的状况成为可能，同时也为宏观地研究自然现象和规律提供了宝贵的第一手资料。这种先进的技术手段与传统的手工作业相比是不可替代的。遥感用航摄飞机飞行高度为10km左右，陆地卫星的卫星轨道高度达910km左右，可及时获取大范围的信息。例如，一幅陆地卫星图像，其覆盖面积可达3万多平方千米。这种展示宏观景象的图像，对地球资源和环境分析极为重要。（2）时效性强遥感探测获取信息的速度快，周期短。卫星围绕地球运转，从而能及时获取所经地区的各种自然现象的最新资料，以便更新原有资料，或根据新旧资料变化进行动态监测，这是人工实地测量和航空摄影测量无法比拟的。例如，陆地卫星每16～18天可覆盖地球一遍，美国国家海洋和大气管理局（National Oceanicand Atmospheric Administration，NOAA）气象卫星每天能收到两次图像。Me唱teosat每30min获得同一地区的图像。遥感探测能周期性、重复地对同一地区进行对地观测，人们通过所获取的遥感数据，发现并动态地跟踪地球上许多事物的变化。同时，研究自然界的变化规律，尤其是在监测天气状况、自然灾害、环境污染甚至军事目标等方面，遥感的运用就显得格外重要。（3）数据的综合性与可比性遥感探测所获取的是同一时段、覆盖大范围地区的遥感数据，这些数据综合地展现了地球上许多自然与人文现象，宏观地反映了地球上各种事物的形态与分布，真实地体现了地质、地貌、土壤、植被、水文和人工构筑物等地物的特征，全面地揭示了地理事物间的关联性。获取信息的手段多，信息量大。根据不同的任务，遥感技术可选用不同波段和遥感仪器来获取信息。例如，可采用可见光探测物体，也可采用紫外线、红外线和微波探测物体。利用特定波段对物体具有的穿透性，还可获取地物内部信息。例如，地面深层、水的下层、冰层下的水体和沙漠下面的地物特性等。微波波段还可以全天候地工作。（4）较高的经济与社会效益获取信息受条件限制少。在地球上有很多地方自然条件极为恶劣，人类难以到达，如沙漠、沼泽和高山峻岭等。采用不受地面条件限制的遥感技术，特别是航天遥感，可方便及时地获取各种宝贵资料。1.1.5 遥感技术的应用当前遥感形成了从地面到空中乃至空间，从信息数据收集、处理到判读分析和应用，对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系，成为获取地球资源与环境信息的重要手段。目前，遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事和环保等领域。在未来的十年中，预计遥感技术将步入一个能快速、及时提供多种对地观测数据的新阶段。遥感图像的空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率都会有极大的提高。其应用领域随着空间技术发展，尤其是地理信息系统和全球定位系统技术的发展及相互渗透，会越来越广泛。遥感技术系统是个完整的统一体。它是建筑在空间技术、电子技术、计算机技术以及生物学、地学等现代科学技术的基础上，是完成遥感过程的有力技术保证。（1）获取基础地理数据的重要手段遥感影像是地球表面的“相片”，真实地展现了地球表面物体的形状、大小、颜色等信息。这比传统的地图更容易被大众接受，影像地图已经成为重要的地图种类之一。（2）获取地球资源信息的最佳手段遥感影像具有丰富的信息，多光谱数据的波谱分辨率越来越高，可以获取红光波段、黄光波段等。高光谱传感器也发展迅速，我国的环境小卫星也搭载了高光谱传感器。从遥感影像上可以获取包括植被信息、土壤墒情、水质参数、地表温度和海水温度等丰富的信息。这些地球资源信息能在农业、林业、水利、海洋和生态环境等领域发挥重要作用。（3）为应急灾害提供第一手资料遥感技术具有在不接触目标情况下获取信息的能力。在遭遇灾害的情况下，遥感影像是我们能够立刻获取的地理信息。在地图缺乏的地区，遥感影像甚至是我们能够获取的唯一地理信息。在5・12汶川地震中，遥感影像在灾情信息获取、救灾决策和灾害重建中发挥了重要作用。海地发生强震后，有多家航天机构（20余颗卫星）参与了救援工作。（4）成为GIS系统核心组成遥感具有动态、多时相采集空间信息的能力，遥感信息已经成为GIS的主要信息源。1.1.6 遥感技术的发展趋势（1）光谱域在扩展随着热红外成像、机载多极化合成孔径雷达、高分辨率表层穿透雷达和星载合成孔径雷达技术的日益成熟，遥感波谱域从最早的可见光向近红外、短波红外、热红外和微波方向发展，波谱域的扩展将进一步适应各种物质反射、辐射波谱的特征峰值波长的宽域分布。（2）时间分辨率在提高大、中、小卫星相互协同，高、中、低轨道相结合，在时间分辨率上从几小时到18天不等，形成一个不同时间分辨率互补的系列。（3）空间分辨率在提高随着高空间分辨率新型传感器的应用，遥感图像空间分辨率从1km、500m、250m、80m、30m、20m、10m、5m发展到1m，军事侦察卫星传感器可达到15cm或者更高的分辨率。空间分辨率的提高，有利于分类精度的提高，但也增加了计算机分类的难度。（4）光谱分辨率在提高高光谱遥感的发展，使得遥感波段宽度从早期的黑白摄影、多光谱扫描到成像光谱仪，遥感器波段宽度窄化，针对性更强，可以突出特定地物反射峰值波长的微小差异；同时，成像光谱仪等的应用，提高了地物光谱分辨率，有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性。（5）2D测量发展到3D测量机载三维成像仪和干涉合成孔径雷达的发展和应用，将地面目标由二维测量为主发展到三维测量。（6）高效图像处理技术各种新型高效遥感图像处理方法和算法将被用来解决海量遥感数据的处理、校正、融合和遥感信息可视化。（7）遥感分析由定性到定量发展遥感分析技术从“定性”向“定量”转变，定量遥感成为遥感应用发展的热点。（8）智能化遥感信息提取技术建立适用于遥感图像自动解译的专家系统，逐步实现遥感图像专题信息提取自动化。①1.2 遥感数据应用流程遥感是利用传感器获取地表地物的电磁波信息，在计算机系统的支持下，通过数学或物理模型将获取的遥感信息与所观测的地表目标参量联系起来，定量地反演或推算出某些地学、生物学及大气科学等目标参量。遥感数据应用主要环节包括遥感器定标、大气校正、几何校正和定量遥感模型构建四部分。1.2.1 遥感器定标遥感器定标是指建立遥感器每个探测元件所输出信号的数值与该探测器对应像元内的实际地物辐射亮度值之间的定量关系，将遥感器记录的灰度值（DN值）转换为遥感器入瞳处/大气顶层（top of atmosphere，TOA）的辐射值。遥感器定标是遥感数据定量化处理中最基本的环节，其定标精度直接影响到遥感数据的可靠性，也直接关系到遥感应用产品的通用性。遥感器常用的定标技术包括实验室定标、星上定标和场地定标等。1.2.2 大气校正大气校正是消除光谱信号在大气辐射传输过程中由于大气的干扰引起信号退化的一种图像处理及光谱处理方法。由于遥感器在空中获取地表信息时，受到大气分子、气溶胶、云粒子、水汽等大气成分的吸收和散射的影响，而大气中水汽和气溶胶含量具有很大的时空变换特征，其结果是目标反射辐射能量被衰减，空间分布被改变，部分与目标物无关的大气散射辐射进入遥感器视场。因此，对于已经经过绝对辐射标定的遥感影像，还必须经过大气纠正才可以得到地表目标的真实信息。针对农业定量遥感，大气校正的目的是为了消除气溶胶、水汽等的影响，将星上/机载遥感器测量的入瞳处/大气顶层（TOA）的辐射值转换为农作物冠层顶部（top of canopy，TOC）的辐射/反射值。1.2.3 几何纠正卫星成像时因倾斜扫描、地形起伏及传感器姿态角的变化，往往会使遥感影像产生像点位移，造成影像变形。几何纠正就是利用一系列控制点，根据计算模型对遥感影像数据与标准图像或地形图进行几何配准的过程。其基本过程包括：地面控制点的选取、多项式纠正模型和重采样模型的确定等。

书籍目录

前言第1章 农业遥感概论1.1 遥感概述1.2 遥感数据应用流程1.3 农业遥感概述1.4 农业遥感的发展简史参考文献第2章 农业遥感理论基础2.1 植被遥感概况2.2 农作物遥感原理2.3 植被指数及其应用2.4 植被指数的影响因素2.5 植被指数与生物物理参数的关系2.6 植被指数与地表生态环境参数的关系参考文献第3章 农业资源遥感3.1 农业资源遥感概况3.2 土地资源遥感3.3 土地利用/覆盖遥感调查与制图3.4 土地利用动态变化遥感监测3.5 土地资源评价3.6 土地退化遥感监测3.7 土地利用景观格局分析方法参考文献第4章 农作物遥感4.1 农作物长势遥感监测4.2 农作物遥感估产4.3 大面积农作物遥感估产应用实例参考文献第5章 农业灾害遥感5.1 干旱的遥感监测5.2 洪涝灾害的遥感监测5.3 雪灾的遥感监测5.4 林火遥感监测5.5 病虫害的遥感监测5.6 水土流失的遥感监测5.7 其他农业灾害的遥感监测参考文献第6章 农业生态与环境遥感调查6.1 农田地表参数遥感反演6.2 农田污染遥感监测参考文献第7章 精准农业与遥感7.1 精准农业概述7.2 精准农业的基础理论7.3 精准农业的技术体系7.4 3S技术与精准农业7.5 精准农业模式的实现7.6 北京小汤山国家精准农业示范7.7 应用实例——基于远程监控的农业气象自动采集系统设计参考文献

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白淑英、徐永明编写的这本《农业遥感》分7个部分，系统地论述了遥感科学与技术在农业各个方面应用的原理、方法和实践案例。第1章概论部分重点介绍遥感、农业遥感的概念及理论基础和发展简史；第2章以植被遥感理论基础和植被指数模型为理论基础，介绍农作物遥感的原理；第3章以土地资源遥感为核心，介绍遥感在农业资源调查及评价、土地退化遥感监测中的应用；第4章介绍了农作物长势分析及估产的原理及方法；第5章从干旱、洪涝、雪灾、林火、病虫害、水土流失、沙尘暴等方面介绍了遥感在农业灾害中的应用；第6章农业生态与环境遥感调查，重点介绍地表反照率、地表温度、农田地表蒸散量等农田地表参数的遥感反演理论与方法，以及农田重金属污染遥感监测和水污染的遥感监测等；第7章介绍了精准农业概念、技术体系及其与3S技术的关系。除第1章以外，每一章都附有具体应用实例，是一本理论与实践紧密结合的教材。

作者简介

《农业遥感》是在作者多年从事农业遥感教学及科学研究工作的基础上，参阅了国内外大量相关论著、专业刊物的优秀论文完成的。《农业遥感》系统、全面地阐述了遥感科学与技术在农业研究中的应用。主要内容包括农业遥感的相关概念及理论基础，遥感科学与技术在农业资源调查、农作物长势分析及农作物估产、农业灾害、农业生态与环境、精准农业等方面的应用。《农业遥感》力求理论系统，叙述深入浅出，应用方法贴近实际，具有一定的前瞻性。

《农业遥感》作为与农业及遥感有关的高等院校本科生及研究生的专业课程教材，可供从事农业信息技术、3S技术应用、信息资源管理，特别是现代农林业等学科领域的科研及管理工作者参考，也可作为遥感科学与技术、测绘科学、地图学与地理信息系统相关专业学校师生的教学科研参考书。

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