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1、第一章 GIS 概述1.1 地理信息系统的产生与发展一、GIS产生的背景：地理学地图绘制（手工、计算机）世界上第一个地理信息系统：CGIS（1963年）二、GIS的发展1. 计算机技术的发展2. 空间技术的发展 卫星定位技术 卫星遥感技术现代GIS的相关技术:地理学、遥感技术、测量学、数学和统计学、制图技术、计算机科学、专家系统、计算机图形学、计算机辅助设计、数据库技术、软件工程1.2 GIS的相关概念1、数据：是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示，如数字、文字、符号、图形等。2、信息：是向人们或机器提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。它不随载体的物理形
2、式的变化而改变。 数据与信息的关系：数据是信息的载体；信息是数据的内涵；数据本身并没有意义，数据只有对实体行为产生影响时才能成为信息；数据只有通过解释、解算才能成为信息使用者的知识背景。 信息的特点：(1)信息的客观性：任何信息都是与客观事物紧密相关的信息正确性与精确度的保证。(2)信息的适用性：不同的信息适用于与之相关的领域。(3)信息的传输性：信息在传输时，其原始意义并不改变。(4)信息的共享性：信息的使用对其本身无损失。3、系统：具有特定功能的、相互有机联系的若干要素构成的一个整体。4、信息系统：具有处理、管理和分析数据功能的系统，它能为人们的决策提供正确、有用的信息。5、地图：是将地理
3、环境诸要素按照一定的数学法则，运用符号系统并经过制图综合缩绘于平面上的图形。a 由数学决定的结构b 特定的符号系统c 现象表示的取舍和概括6、地理信息：是指表示地理环境诸要素的数量、质量、分布特征及其相互联系和变化规律的数字、文字、图象和图形等的总称。 地理信息的特征： (1)定位特征：通过地理坐标实现空间位置的识别(2)多维结构的特征：除地理位置外，还有多个专题和属性(3)时序特征：随时间的变化而变化，需及时采集和更新 地图与地理信息的关系：地图是地理信息的载体地图是地理信息的传统数据源地图是GIS的查询与分析结果的表示方法1.3 地理信息系统的概念 地理信息系统是一门学科：是研究采集、管理
4、、分析地理数据和输出地理信息的理论和方法的新兴、交叉学科。 地理信息系统是一种决策支持系统：在计算机软、硬件系统的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据（或：地理空间数据），以提供管理、决策、规划等所需地理信息的技术系统。地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演绎出来的知识。地理信息系统的分类按功能分类：1. 专题地理信息系统(Thematic GIS)：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源
5、管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信息系统等。2. 区域地理信息系统(Regional GIS)：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。如国家级、地区级、市级或县级等。3. 地理信息系统工具(GIS Tools)：是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和输出等地理信息系统基本功能的软件包。 GIS与其它系统的区别：GIS与DBMS（数据库管理系统）的区别1 . DBMS缺乏空间实体定义能力2 . DBMS缺乏空间关系查询能力3 . GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必须包含DBMS。GIS与MIS（管理信息系统）的区别1. GIS要对图形数据和属性数据库共同
6、管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；2. MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。 GIS与其它系统的区别GIS与地图数据库的区别：地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。GIS与CAD系统的区别：1 . 二者虽然都有参考坐标系统，都能描述图形，但CAD系统主要处理几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。2. CAD的坐标无地理意义，不能进行地理坐标转换。1.4 GIS的发展历史一、国
7、外GIS的发展 二、我国GIS的发展 三、地理信息系统的发展趋势(1)GIS与遥感和全球定位系统进一步结合，构成地理学日趋完善的技术体系3S技术(2)空间数据结构与数据管理的研究更加深入(3)GIS应用模型开发日趋加强(4)GIS智能化与专家系统、神经网络的结合(5)GIS网络化Web GIS(6)三维GIS 三维数据结构（数字表面模型、断面、柱状实体等）、可视化技术第二章 遥感的基本原理及其应用2.1 遥感概述一、遥感的概念20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术。遥感一词的英文为Remote Sensing，意思是遥远的感知。60年代由美国人EvelynPruitt（美国海军研究局）提
8、出。广义理解：遥感泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波(声波、地震波)等的探测。实际工作中，重力、磁力、声波、地震波等的探测被划为物探(物理探测)的范畴。因而，只有电磁波探测属于遥感的范畴。狭义理解：遥感是指从不同高度的平台上，使用各种传感器，接收来自地球表层的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而对不同的地物及其特性进行远距离探测和识别的综合技术。二、遥感技术系统根据电磁波理论，不与目标物接触，从远处用探测仪器接收来自目标物的电磁波信息，通过对信息的处理和分析研究，确定目标物的属性及目标物相互间的关系的综合技术系统，称为遥感技术系统。遥感技术系统包括：1. 遥感信息
9、源2. 空间信息获取3. 遥感数据传输与接收4. 遥感信息处理、提取与分析5. 遥感信息应用遥感信息源：任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感的信息源。目标物与电磁波的相互作用构成了目标物的电磁波特性，它是遥感探测的依据。空间信息获取：地物空间信息主要由搭载在遥感平台上的遥感器来获取。接收、记录目标物电磁波特征的仪器，称为遥感器。遥感数据传输与接收：传感器接收到目标地物的电磁波信息，被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，而数字记录信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面卫星接收站。遥感技术系统组成遥感信息处理、提取与分析：地面站对接收到的数字信息进行一系列的
10、处理：信息恢复辐射校正卫星姿态校正投影变换通用数据格式转换地面站或用户还可根据需要进行精校正处理和专题信息处理、分类等。遥感技术系统组成遥感信息应用：遥感获取信息的目的是应用。这项工作由各专业人员按不同的应用目的进行。遥感技术系统组成三、遥感的类型1.按遥感平台分地面遥感:遥感器设置在地面平台上，如车载、船载、固定或活动高架平台等;航空遥感:遥感器设置于航空器上，主要是飞机、气球、飞艇等;航天遥感:遥感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站等; 2.按传感器的探测波段分紫外遥感探测波段在0.05一0.38m之间;可见光遥感探测波段在0.38一0.76m之间;红外遥感探测波段
11、在0.76一1000m之间;微波遥感探测波段在1mm一1m之间;多波段遥感指探测波段在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干窄波段来探测目标。3.按工作方式分主动遥感和被动遥感:主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射值量;被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。成像遥感与非成像遥感:成像遥感传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成(数字或模拟)图像。非成像遥感传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。4.按遥感的应用领域分从大的研究领域：可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等;从具体应用领域：可分为资源遥感、环境遥感
12、、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种专题应用。四、遥感的特点1.大面积同步观测：遥感观测不受地形阻隔等限制，探测到的地面范围大，容易发现地球上一些重要目标物空间分布的宏观规律。2.时效性强：遥感探测可以在短时间内对向一地区进行重复探测，发现地球上许多事物的动态变化。这对于研究地球上不同周期的动态变化非常重要3.数据的综合性与可比性好：遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上的自然、人文信息。如地球资源卫星LANDSAT所获得的地物电磁波特性均可以较综合地反映地质、地貌、土壤、植被、水文等
13、特征。4.较高的经济与社会效益：与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。5.一定的局限性：所利用的电磁波波段有限、已经被利用的电磁波谱段对许多地物的某些特征还不能难确反映、地面调查和验证尚不可缺少。五、遥感的发展简史六、遥感技术的发展趋势1. 多分辨率传感器并存一方面，高分辨率的图象（如1m分辨率的IKONOS）可以会有较快的发展，这是由于小卫星技术日趋成熟，发射成本越来越低，它在军事侦察与城市测绘方面有独突的作用。另一方面，低空间分辨（如1km 分辨率的NOAA 系列）将会得到较快的发展，因为实践表明这种尺度较适合于全球变化的研究。2.高光谱遥感
14、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力，有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性。3. 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。4. 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。5. RS与GPS、GIS 的有机结合构成“3S”集成系统2.2 遥感平台及遥感器一、遥感平台遥感平台:遥感中搭载遥感器的工具。1.遥感平台的种类地面平台地面遥感航空平台航空遥感航天平台航天遥感按遥感平台的高度和运行方式分为：（1）地面平台：高度在0100m范围内，包括三脚架、车、船
15、、遥感塔等。在平台上放置地物波谱仪、辐射计、分光光度计等，可以测定各类地物的波谱特性。对地观测研究中应用较少。主要目的：对地物进行波谱测量，近距离摄影测量，大气辐射纠正等。（2）航空平台：飞机高度在百米10几km，包括低、中、高空飞机，以及飞艇、气球等。航空平台历史悠久，主要目的是航空摄影。低空：2000米，摄影测量、大比例尺航片、地面调查； 中空：2000米2万米，军事侦察、资源环境调查、摄影测量；高空：2万3万米，无人飞机军事侦察和资源环境调查；气球：高空气球1240公里。（3）航天平台：卫星高度在150km以上。低轨卫星：150300km，获取大比例尺、高分辨率图象，寿命短，几天到几周（
16、由于地心引力、大气摩擦），用于军事侦察；中轨卫星：7001000km，资源与环境遥感。NOAA气象卫星：833/870km，Landsat1-3 ：915km，Landsat4-5：705km，SPOT：832km。高轨卫星：35800km，地球静止卫星，用于通信、气象。航天飞机：240350km。n 卫星轨道参数1）轨道形状和高度轨道形状：固定的椭圆轨道，绕地球周期性的运行。焦距c长半轴a短半轴b偏心率e= c/a人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行时，其运行速度是变化的，在远地点时最低，在近地点时最高。速度的变化服从面积守恒规律，即卫星的向径（卫星至地球的连线）在相同的时间内扫过的面积相等。
17、轨道高度：卫星离地面的平均距离。低轨卫星：150300KM，寿命13周，举例:多数是军事卫星卫星。中轨卫星：7001000KM，寿命1年以上，举例: 陆地卫星、气象卫星、海洋卫星。高轨卫星：35800KM, 寿命很长，举例：通信卫星， GPS卫星（22000km）。2）轨道倾角定义：卫星轨道平面与赤道面之间的夹角。度量算法：卫星经过升交点方向的轨道面，顺时针转到赤道面的夹角。升交点：北上 ；降交点：南下 ； 升交点时：通过升交点的时刻 ； 降交点时：通过降交点的时刻。l 极轨卫星和近极轨卫星：极轨卫星：轨道倾角90度；近极轨卫星：轨道倾角接近90度。轨道倾角越大，覆盖地球表面的面积越大。一般的
18、，资源卫星都是近极轨卫星。3）与太阳同步轨道指卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角，不随地球绕太阳公转而改变。卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道的倾角（轨道平面与赤道平面的夹角）接近90，轨道平面每天平均向地球公转方向（自西向东）转动0.9856（即360年）。 太阳同步：光照角不随地球绕太阳公转而改变。 光照角变化对遥感其观测地面时的太阳光照角度有关。 太阳同步轨道对于轨道的精度要求较高，为了较长时间都能与太阳“同步”，卫星需要设有轨道控制系统。太阳同步卫星的特点：卫星与太阳同步，光照角保持不变化，卫星轨道上每一点的平均太阳时保持不变（卫星通过不同的纬度时具有相同的地方
19、太阳时），有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测，为遥感资料处理带来方便。LANDSAT-4/5：经过赤道9:45AM左右, 经北京：10:00AM左右4）卫星运行周期和覆盖周期（1）卫星运行周期卫星绕地球运行一周所需要的时间，称为卫星周期（T）。（2）卫星覆盖周期卫星覆盖全球一次的天数。对遥感动态监测更重要。LANDSAT覆盖周期：16 天，SPOT覆盖周期：26 天，NOVA覆盖周期：12天Landsat运行特征: (1)近极地、近圆形轨道(2)运行周期：4-5号99分钟/圈，14.5圈/天(3)轨道与太阳同步扫描与覆盖：扫幅185km。二、遥感器安装在各种遥感平台上，远距离测地物辐射
20、特性的传感器或仪器。遥感器的组成：(1)收集系统： 元件是透镜、反射镜或天线。 波段分波束的元件：滤光片、棱镜、光栅等。 (2)探测系统： 元件：感光胶片，光电敏感元件，固体敏感元件(3)信号转化系统： 电光转化(4)记录系统： 直接记录在摄影胶片或磁带上遥感器的分类：(1)按电磁波辐射来源分类： 主动式传感器和被动式传感器(2)按成像原理和所获取图像的性质不同分类： 摄影机、扫描仪和雷达三种 扫描仪：光机扫描仪和推帚式扫描仪(3)按传感器对电磁波信息的记录方式分类： 成像传感器和非成像传感器几种典型的扫描类型传感器：1） RBV Return Beam Vidicon 反束光道摄像机2） M
21、SS MultispectralScanner System 多光谱扫描系统3） TM Thmetic Mapper 专题制图仪器4） ETM Ehance Thmetic MapperPlus 增强型专题制图仪器5） HRV高分辨率可见光成像装置6） HRVIR 高分辨率可见光及短波红外成像装置7） HRG高分辨率几何装置ETM（未能成功入轨）LANDSAT6传感器卫星SPOT5SPOT4SPOT1、2、3LANDSAT7LANDSAT4、5LANDSAT1、2、3HRGHRVIRHRVSPOT系列ETM+MSS、TMRBV 、MSSLANDSAT系列遥感器的特性：光谱分辨率、空间分辨率、时
22、间分辨率1） 遥感器的光谱分辨率：指传感器接收目标辐射的波谱时能够分辨的最小波长间隔。间隔越小，分辨率越大。2） 遥感器的空间分辨率：指象素所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能够分辨的最小单元。3） 遥感器的时间分辨率：指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样时间频率。又称重访周期。三、遥感器成像机理任何地物均有发射、吸收和反射电磁波的特性。把地物与电磁波相互作用形成的波谱用一定的传感设备记录下来，经数模转换就形成了遥感影像。可见光与近红外成像机理：记录地物在可见光与近红外波段的反射特性热红外成像机理：记录地物的热辐射特性微波成像机理：记录地物对微波的后向散射特性2.3
23、遥感的物理基础一、遥感的电磁波电磁波：交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标：波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性：电磁波是横波，传播速度为3108m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。电磁波谱：按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱（下表）。电磁波各波谱段的特性：紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面，对油污染敏感。可见光：波长范围：0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。人眼能区别出0.0010.002 m的波长变化彩色图像能表现更丰
24、富的信息量。红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微 波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。二、太阳辐射太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源。太阳辐射的光谱是连续光谱。太阳辐射特性：太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的43.5%，最大辐射强度位于波长0.47 m左右（兰青）；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 3.0 m波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。太阳辐射各波段的百分比：三、太阳辐射与大气的作用1.大气结构从地面
25、到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在012 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在1280 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在801000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：80035000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。2.大气成分大气主要组成：气体分子（N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3）电离层（80km）以下不改变：不变成分。水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰）、悬浮微粒（尘埃、盐粒）可变
26、成分。3.大气的吸收作用吸收量很小尘埃1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 mCO2吸收带0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mH2O吸收带0.20.36 m，0.6 mO3吸收带特征波段数+1（注意：初始类别数可远大于期望类别数，进行试分）；、搜索特征空间中多维直方图的极大值；、按预分类别数系统自动归并极大值，并确定方差范围。、分类，得到初步结果。监督分类(1) 概念: 监督是指人为干预下的训练样本选取过程。依据训练样本的亮度特征建立“判别函数”，进行预分类；再依据预分类结果，调整训练样本，取得好的分类结果的过程，称为监督分类。(2) 训练区的实际意义: 获得建立判别函数所必须的统计量。这些统计参数包括-均值、方差、协方差。(3) 监督分类的关键-训练样本的选取 非监督分类与监督分类的结合：通常非监督分类做为监督分类的前导；如果监督分类的最终结果要类，那么做非监督分类时致少要12类。以此保证分类的纯度，因为方差小，错分的可能性也小。2.7 遥感图像地学分析与应用地学分析基础：遥感影像反映的是某一区域特定地理环境中的综合信息，它综合地反映了地球系统各要素的相关性。遥感地学相关分析，指的是充分认识地物间的相关性，在遥感图像上寻找目标识别的相关因子，建