第2章_遥感的概念、发展与应用_001_遥感的概念
# -*- 遥感原理与应用 -*- #
@author: SimbaWang
@time: 2020/02/21 9:50:00
@file_name: 第2章_遥感的概念、发展与应用_001_遥感的概念
一. 什么是遥感？===》
1. 英文: Remote Sensing(遥远的感知: 遥远的程度为只要不接触就是遥远)
2. 只要不直接接触物体本身就是"遥感"。
--(1). 从远处探测、感知物体或事物的技术。
--(2). 安装在平台上的传感器，借助于某种信息传播媒介来感测遥远事物的过程。
1st. 看是有多远 ===> 不同的高度平台(近到地面，远到宇宙);
2nd. 传感器Sensor核心 ===> 相机、雷达、扫描仪等;
3rd. 传播媒介的信号 ===> 一般来说是电磁波，然后再传输(transmit)到地面)
3. 根据5大感觉: 其中视觉、嗅觉、听觉可以归属于"遥感"。
4. 定义: 一种采集图像或者其他关于某个物体的数据——这些数据通过举例物体一定的距离测量而得，还有处理和分析数据。
二. 遥感的组成的要素 ===》
1. 感知的对象(Target observed): 平台、传感器、所用的波段...都会不同
--(1). 一般包括: 地球的表面、地下特征、大气中感兴趣的实物。
--(2). 自然资源环境包括: 植被、湿地、森林、大气...
--(3). 能被感知的原因: (1). 反射(reflect)太阳辐射; (2). 发射(emit)它自己的波
--(4). 为什么这么注意对象: 不同的对象(物理physical、生物biological、化学组成chemical...)反射和发射电磁波的能力不同，当然，环境不同也会影响物体的反射和发射电磁波的能力。
2. 传感器(Sensor): 相机... ---> 扫描仪、辐射计、雷达...
传感器的作用: 主要是采集记录来自物体的辐射信息，然后再传输数据，是遥感技术中最为重要的一环。
传感器法分类依据接收信息的方式可分为:
--(1). Passive Sensors被动传感器。就像借助于自然光(camera without using a flash)。
--(2). Active Sensors主动传感器。 就像借助于闪光灯来照相(camera equipped with a flash)。再比如雷达测速。
3. 信息传播的媒介(Energy source / media): 空气、电磁波。信息传播需要能量。
电磁波(Electromagnetic wave, EM):
--(1). three parameters(/ arguments)3个参数: 波长(wavelength)、频率(frequency)、波速(speed)，当时被动辐射的时候，我们主要关心wavelength；当时主动辐射的时候，我们关心frequency。
--(2). the main natural energy source主要的自然能量来源:
1st. 太阳辐射(solar radiation)，太阳发射出(emit)不同波长的电磁波，从而构成连续的电磁波谱(electromagnetic spetrum)。
2.nd 地球辐射(earth radiation)，地球上的物体吸收(absorb)了来自太阳辐射的能量后产生分子间的热运动，从而发出自己的电磁波。
4. 平台(Platform): 搭载传感器，保证传感器的正常工作。
主要有: 卫星(satellite)、太空站(space craft)、热气球(balloon)、无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAC)...
对于卫星平台来说，有2个值得关注的地方:
--(1). Orbits轨道:
1st. Geostationary静止轨道(也称地球同步轨道): 36,000km的高度，有一个很形象的此描述: 凝视。
优点: 可以在不同时间上连续的观察同一个点的状态，可以对此点进行监测(monitor)和获取动态变化(dynamic changes)的信息。
2nd. Near polar / Sun Synchronous(Ascending / Desending)近极轨道 / 太阳同步轨道(升轨 / 降轨)
优点: 可以覆盖全球。相同地方观察的太阳时相同，保证了传感器接收到的相同物体发出的信号几乎相同(至少太阳辐射的强度是差不多的)，有利于动态监测和图片的镶嵌相邻的图片(mosaiking adjacent images)。
--(2). Swaths幅宽: 卫星扫描的一景的宽度。
5. 地面站(Ground station: for satellite remote sensing): 当我们对地观测的时候，传感器将数据记录下来，如果是地面或航空测量的时候，我们只需要将数据拿下就行；但是卫星的航天测量，这就需要传输数据到地面，由地面站来接收数据。所以，对于卫星遥感来说，地面站是重要的支撑。
func_1: 负责卫星传感器的测控 ===> 监测和控制卫星的运行状态，以及星上传感器的工作状态。
func_2: 负责数据的接收、处理和分发(充当我们和卫星之间的桥梁)。每一个地面站都是卫星的用户，对于我们来说地面站又是一个数据源。
三. 遥感技术体系 ===》
1. 概括: 数据源 ---> 数据获取 ---> 数据记录和传输(尤其是航天器上) ---> 数据处理 ---> 信息应用。
2. 数据源，重点解决遥感的理论，主要围绕3大辐射而展开: 太阳辐射、大气辐射和地球辐射
--(1). 太阳辐射: 太阳发射的电磁波
--(2). 大气辐射: 太阳辐射穿过大气层，然后地球上的地物反射的电磁波也需要经过大气层才能到达传感器；由地球地物发射的电磁波照样需要经过大气层才能到达传感器；由传感器向地物发射的电磁波也需要两次经过大气层才能到达传感器。在此期间，电磁波与大气层之间的相互作用就叫做"大气辐射"。
--(3). 地球辐射: 传感器、太阳辐射抵达地球后由地球地物反射、吸收后发射的电磁波都是地球辐射。
3. 重点: 三大辐射的性质 + 成像机理 + 数据的解译。
4. 传感器。类型、成像的原理(成像所有的介质，或者说数据怎样记录)、基本组成
5. 信息处理中的数据的预处理: (主要目的是改正误差，其次针对应用进行预处理) ===》
遥感探测中传感器记录下来的信息会有一些畸变，特别是在成像遥感的时候，从图像的空间特征，比如说几何上，它的形状、位置...等会存在一些畸变。这种畸变与很多因素有关，比如说跟地形的这种高低起伏、卫星所在的轨道、卫星在此时此刻的姿态...另外对于光谱产生的畸变主要是因为大气的影响(大气辐射)。所以我们就要将这些畸变消掉，这里有两类畸变:
--(1). 有一些参数是可以有一些系统所给出的参数来消除的，比如说卫星所在的轨道、卫星在此时此刻的姿态...这就只能给我们的地面站来做，因为只有地面站才了解这些参数。
--(2). 有一些是由地形的变化而导致的畸变，由于不同的用户所用的范围不一样，这些畸变参差不齐，所以这些畸变这能由人工精细的进行改正，也就是通常说的"几何的精矫正"。之后可能还会根据需要进行"图幅的拼接"、"图幅的裁剪"...
四. 遥感的过程 ===》
step_1: 上面也说了，遥感首先要有辐射源;
step_2: 然后辐射源辐射出的信号穿过大气层，这个时候电磁波与大气有一个作用，也就是大气辐射的作用;
step_3: 这时电磁波到达了地球表面，与地表作用，称为地球辐射，eg: 反射、吸收...；经地表反射那一部分电磁波与被地表吸收后，转换为地物自身能量再部分释放出来的电磁波一起，再次经过大气到达传感器;
step_4: 到达传感器之后，就涉及到传感器如何接受并记录这些信号，这就要求我们掌握传感器的基本组成;
step_5: 然后就要将这些数据传输到地面，这里有两种传输(transmission)方式:
--(1). 直接传输到地面站;
--(2). 通过中继站传输到地面站;
step_6: 数据到达地面站后，地面站要对这些信号进行一些初步的处理，然后交给我们做数据分析处理和解译的人员;
我们需要做的工作是数据分析处理和解译，所以我们首先要了解数据本身的特点，要了解这个那么就要了解电磁波从源到传感器的过程(也就是3大辐射)和传感器怎样记录数据的(传感器的组成原理)。
五. 遥感的特性 ===》
1. 空间特性(一般情况下，目视就可以分辨):
--(1). 千里眼，感测距离远，视域范围大(distance from the target observed)。所以RS具有宏观性、综合性: 覆盖范围大、信息丰富(range observed)
--(2). 空间分辨率(spatial resolution): 高分、中分、低分(low/coarse resolution)。
每一个格网(像元)接收对应地块所释放的电磁波信号，然后计算成一个数值。所有的这些像元一起组成整个景。
--(3). 多角度探测(Multiple Angular): 一开始是垂直的，只能获得顶面信息，没有侧脸和高度特征 ---> 后来有角度，获得侧面的信息。(vertical observation to oblique observation: 垂直观察到倾斜摄影)，主要手段有: 机载的倾斜摄影(Oblique Photogrammetry)、多角度传感器。
--(4). 2D影响到3D信息(微波雷达、激光雷达、飞机搭载的倾斜摄影、多角度卫星、搭载CCD的卫星(前视后视和向下: ZY-3号)): 被动 ---> 主动(微波雷达、激光雷达)
2. 光谱(Spectral)特征:
--(1). 探测波段从可见光向两侧延伸: Microwave(微波) ---> IR(红外) ---> VI(可见光) ---> UV(紫外光)
--(2). 不同光谱分辨率: 高光谱(Hyperspectral)与多光谱(Multispectral)(光谱与光谱之间的间距)
1st. 在一定光谱的范围内，选取的相邻的两个波段之间间隔的大小叫做光谱的分辨率;
2nd. 光谱信号是每个像元的辐射特征的记录，但是光谱分辨率是指传感器感知时可以把光谱分成多少个不同的波段进行记录;
3rd. 传感器具有色散分光的能力，将得到的光谱信号分成不同的波段分辨记录成单独的图像，即光谱波段的多少决定了得到的图像有多少幅不同波段的灰度图像;
4th. 多光谱是相对于单一的全色波段而言的，全色波段是指在VI内无法再分解为很多个小波段，所以直接选取整个VI，记录一个值，得到一幅灰度图像(Gray Image)。
--(3). 地物的光谱特性: 相似性与差异性。
3. 时相(Temporal)特性:
--(1). 穿越时空: 在不同的时间，对特定的区域、对象进行感知，从而得到有关探测对象本身的动态变化(动态监测: dynamic monitoring)的发展变化规律;
--(2). 平台运行快，周期短。(dynamic monitoring)
--(3). 地物的光谱、空间特征可能随时间变化: 可以用于识别地物。
4. 辐射分辨率(Radiation resolution)
是指传感器区分地物辐射能量细微变化的能力，即传感器的灵敏度。传感器的辐射分辨率越高，其对地物辐射能量的微小变化的探测能力越强。在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。
之前说过，遥感数字图像是由一个一个的像元组成的，传感器在接收每一个像元内地物辐射的电磁波信号的时候有强有弱、有高有低，这个高低的范围就是辐射分辨率。
总结 ===》
1st. 首先，遥感图像是由很多个像元组成的，每一个像元所表示地球表面实际的大小称为空间分辨率，这就相当于在画板上刻上了许多许多网格，每一个网格就是一个像元;
2nd. 其次，从感测对象上射出来的电磁波是连续的波段，但是一个像元只能记录一个波段，想要记录的更精确，就需要将波段分成很多个小的波段，就相当于要画画了，你所拥有的彩色笔有多少类;
3rd. 然后，传感器在记录每一个波段的数据时，记录数值是不同的，但是都有一个范围，这个范围就是辐射分辨率。这个范围越大，那么表示记录这个波段在每一个像元中的强弱详细程度越高。就像画画时的落笔是的轻重，下笔时越轻，强度越低，对应辐射的强度越低;
4th. 最后便是时相分辨率，两幅图之间相隔的时间，或者说一幅图制成的周期;
六. 遥感的优势 ===》
1. 信息量大(看得到的 && 看不到的);
2. 受地面条件限制少: 可用于自然条件更恶劣，地面工作困难的地区(空对地的探测);
3. 空间覆盖范围大，遥感成图;
4. 经济效益好: 降低成本，特别是灾害预报、资源探测、资源清查...;
5. 用途广(有关于地球资源环境方面获得数据，都需要通过遥感);
6. 发展迅速;
