1、第 1 章 遥感概述 1.1 遥感的概念 遥感即遥远感知，是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术。 遥感的基本内容： （ 1）遥感技术 遥感技术主要解决获取地球表层信息的手段问题 ，它包括传感器的设计与制造，传感器的扫描姿态，数据传输以及原始数据的预处理等。 （ 2）遥感理论 遥感理论的主要任务是将数据（传感器所提供的可测参数值）转化为有用的信息 ，即可被人类理解的关于地球表层的某种物理的、几何的、生物学的及化学的参数。 （ 3）遥感应用 遥感应用的任务是将信息转变为知识，所谓知识是对地球 表层系统的物理过程及内在变化规律的认识和表达。 遥感应用的特点是必须将由遥感
2、手段获取的信息与母学科知识紧密结合，才能对地球表层系统的现状作出正确的描述，对它的发展作出准确的判断。 1.2 遥感技术系统 遥感技术系统： 是一个从地面到空中，乃至空间，从信息收集、存储、处理到判读分析和应用的完整技术体系。 遥感过程： 指遥感信息的获取、传输、处理及其判读分析和应用的全过程。 遥感平台： 装载传感器的工具或设备， 主要有地面平台 (如遥感车、手提平台、地面观测台等 )、空中平台 (如飞机、气球、其他航空器等 )、空间平台 (如火箭、人造卫星、宇宙飞船、空间实验室、航天飞机等 )。 传感器： 接收、记录目标物电磁波特征的仪器（各种光学、无线电仪器） ，如扫描仪、雷达、摄影机、
3、摄像机、辐射计等。 遥感探测的特点： （ 1） 宏观观测，大范围获取数据资料； （ 2） 动态监测、快速更新监控范围数据； （ 3） 技术手段多样，可获取海量信息 （ 4） 应用领域广泛，经济效益高 遥感的分类 （ 1）按遥感平台分 地面遥感：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：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等； 航天遥感：传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、火箭等； 宇航遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。 （ 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；
4、可见光遥感：探测波段在 0.38 一 0.76m之间； 红外遥感：探测波段在 0.76 一 1000m之间； 微波遥感：探测波段在 1mm 一 1m之间。 （ 3）按传感器的工作原理分 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：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。 （ 4）按遥感资料的获取方式分 成像遥感：将探测到的目标电磁辐射转换成可以显示为图像的遥感资料，如航空像片、卫星影像等； 非成像遥感：将所接收的目标电磁辐射数据输出或记录在磁带上而不产生图像。 （ 5）根据波段宽度及波谱的连续性分 高光谱遥感： 常规遥感：
5、又称为宽波段遥感 （ 5）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、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。 1.3 遥感技术的简史与发展 当前遥感发展的现状及趋势： （一） 多分辨率传感器的发展； （二） 多波段、多极化、多角度遥感并用； （三） 小卫星及卫星群的发展； 第 2 章 遥感电磁辐射基础 2.1 电磁波谱与黑体辐射 2.1.1 电磁波 与电磁波谱 变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由
6、近及远在空间内传播的过程称为电磁波。 按照电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列制成的图表，称为电磁波谱图。 电磁波谱区段的界限是渐变的，一般按产生电磁波的方法或测量电 磁波的方法来划分。 电磁波谱表 波段 波长 长波 中波和短波 超短波 大于 3000m 10 3000m 1 10m 微波 1mm 1m 红外波段 超远红外 远红外 中红外 近红外 0.76 1000m 15 1000m 6 15m 3 6m 0.76 3m 可见光 红 橙 黄 绿 青 0.38 0.76m 0.62 0.76m 0.59 0.62m 0.56 0.59m 0.50 0.56m 0.47 0.50m
7、蓝 紫 0.43 0.47m 0.38 0.43m 紫外线 10-3 3.810-1m X 射线 10-6 10-3m 射线 小于 10-6m 2.1.2 电磁辐射的有关概念 辐射源： 能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。 自然辐射源： -太阳辐射：可见光及近红外遥感的重要辐射源。 -地球电磁辐射：远红外遥感的辐射源。 人工辐射源： 人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）。 基本物理名词：辐射能量（ Q）、辐射通量 （辐射功率， ）、辐射出射度（辐射通量密度 W）、辐射照度（ E）、辐射强度（ I）、辐射亮度 (L) 辐射能量 Q：
8、 电磁辐射是具有能量的，它表现在： 使被辐照的物体温度升高 改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动 辐射能量（ Q）的单位是焦耳（ J） 辐射通量 (radiant flux) ： 在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量。 = Q/ t 辐射通量（ ）的单位是瓦特 =焦耳 /秒（ W=J/S） 辐射通量密度 (irradiance) E、 (radiant existence) M： 单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度。 E 辐照度 = / A M 辐射出射度 = / A 辐射通量密度的单位是瓦 /米 （ W/m） 图 1 辐射强度 (radiant intensity) I： 辐射强度是
9、描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量。 I = / 辐射强度（ I）的单位是瓦 /球面度（ W/Sr） 辐射强度辐射强度点点 辐射源辐射源辐射强度辐射强度点点 辐射源辐射源图 2 辐射亮度 (radiance) L： 单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度。 L= 3 / A 辐射亮度（ L）的单位是瓦 / 米 微米 球面度（ W/m m Sr） 亮量亮量 L面辐射源面辐射源立体角立体角A面辐射源面辐射源立体角立体角图 3 分谱辐射通量： 辐射通量是波长 的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射源辐射源辐照度辐照度 辐辐射射出出射射度度被被 辐照物
10、辐照物辐射体辐射体辐射源辐射源辐照度辐照度 辐辐射射出出射射度度被被 辐照物辐照物辐射体辐射体辐射通量： = / 分谱辐射通量的单位是瓦 /微米（ W/m） 辐辐射射通通量量波长波长图 4 分谱辐射通量 、分谱辐照度、分谱辐射出射度、分谱辐射强度 2.1.3 黑体辐射 1860 年，基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明了凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。 ),(, TEAF TT 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。 一个不透明的物体对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用，且
11、此物体的光谱吸收率 (,T)与光谱反射率 （ ， T）之和恒等于 1，实际上 对于一般物体而言，上述系数都与波长和温度有关，但绝对黑体的吸收率 (,T)1,反射率 （ ,T） 0；与之相反的绝对白体则能反射所有的入射光，即：反射率 （ ,T） 1，吸收率 (,T)0，与温度和波长无关。 1900 年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度 W和其温度的关系以及按波长 分布的辐射定律： 22 111, 552 ( 1 ) ( 1 )cchk T TT cchE E e 式中： T,E 分谱辐射通量密度，单位（ 21W m m ）； 波长，单位 m； h普朗克常数 =6.625610-34Js；
12、c 光速 3108 m/s； k玻耳兹曼常数 =1.3810-23 J / K； T绝对温度 K。 式中： 第一辐射常量，其值为 3.7418 ； 第二辐射常量，其值为 1.4388 。 图中 可直观地看出黑体辐射的三个特性： （ 1） 与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度 W是随温度 T 的增加而迅速增加。总辐射通量密度 W 可在从零到无穷大的波长范围内对普朗克公式进行积分得到，即： 54 44230 2( , ) 15b kM M T d T Tch 其中 称为斯忒藩玻 尔兹曼常量。 从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩玻耳兹曼公式。
13、对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度（ T）。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。 （ 2）分谱辐射能量密度的峰值波长 max 随温度的增加向短波方向移动。可微分普朗克公式，并求极值： 称为 维恩位移定律 。它表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。若知道了某物体温 度，就可以推算出它所辐射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。 （ 3）每根曲线彼此不相交，故温度 T 越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。 2.1.4 一般物体的发射辐射 黑体热辐射由普朗克定律
14、描述，它仅依赖于波长和温度。然而，自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。而且，实际物体的辐射不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。我们用发射率 来表示它们之间的关系： = W/ W 即：发射率 就是实际物体与同 温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。 依据光谱发射率随波长的变化形式，将实际物体分为两类：一类是选择性辐射体，在各波长处的光谱发射率 不同，即 =f()；另一类是灰体，在各波长处的光谱发射率 相等，即： =，与绝对黑体、绝对白体相比较列于下面： 绝对黑体 1 灰体 但 0 1 选择性辐射体 f() 理想反射体（绝对白体） 0 发射率是
15、一个介于 0 和 1 的数，用于比较此辐射源接近黑体的程度。各种不同的材料，表面磨光的程度 不一样，发射率也不一样，并且随着波长和材料的温度而变化。 2.2 太阳辐射和地球辐射 2.2.1 太阳辐射 地球上的能源主要来源于太阳，太阳是被动遥感最主要的辐射源。传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主要是来自太阳辐射的一种转换形式。 太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。 太阳光谱：太阳发射的电磁辐射在地球大气顶层随波长的分布称为太阳光谱。 2.2.2 地球辐射 地球辐射可分为：短波 0.3-2.5m，长波辐射 6
16、 m以上。 地球的短波辐射以地球表面对太阳的反射为主，地球自身的热辐射可以忽略。 地球的长波辐射只考虑地表物体自身的热辐射，这个区域太阳照度的影响很小。 中红外波段（ 2.5-6 m ）：太阳辐射和地球热辐射均有。 2.3 地球大气及其对太阳辐射的影响 2.3.1 地球大气 地球大气从垂直方向可划分成四层，对流层、平流层、电离层和外大气层。 大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体在 80km 以下的相对比例保持不变，称不变成分）、臭氧、水蒸气、液态和 固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变、称为可变成分）等。 2.3.2 大气对
17、太阳辐射的 衰减作用 在可见光波段，引起电磁波衰减的主要原因是分子散射。在紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收。引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等。 在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起衰减。电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开，称散射。散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大 小之间的相对关系而变 ， 主要有米氏 (Mie)散射、均匀散射、瑞利（ Rayleigh）散射等。如果介质中不均匀颗粒的直径 a 与入射波长同数量级，发生米氏散射；当不均匀颗粒的直径a 时，发生均匀散射；而瑞利散射的条件是介
18、质的不均匀程度 a 小于入射电磁波波长的十分之一。 2.3.3 大气窗口 太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分。不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因而遥感所能够使用的电 磁波是有限的。有些大气中电磁波透过率很小，甚至完全无法透过电磁波。这些区域就难于或不能被遥感所使用，称为 “大气屏障 ”；反之，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为 “大气窗口 ”。 简单来说，大气窗口表示了电磁波在大气传输过程中吸收和散射很小，透射率
19、很高的波段。 常用大气窗口： 0.30-1.3m。主要是反映地物对太阳光的反射。通常采用摄影或扫描的方式在白天感测、收集目标信息成像。 1.5-3.5m 大气窗口白天夜间都可应用，是以扫描的成像方式感测、收集目标信息，主要 应用于地质遥感。 3.55.5m大气窗口，包含地物反射及发射光谱，用来探测高温目标。 8-14m 热红外窗口，属于地物的发射波谱，是常温下地物热辐射能量最集中的波段，所探测的信息主要反映地物的发射率及温度。 1.0cm-1m微波窗口，分为毫米波、厘米波、分米波。遥感中常采用被动式遥感（微波辐射测量）和主动式遥感，前者主要测量地物热辐射，后者是用雷达发射一系列脉冲，然后记录分
20、析地物的回波信号。 2.3.4 辐射传输过程 传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括： 1、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； 2、地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器； 3、大气散射和辐射的能量等。 2.4 地物的反射辐射 2.3.1 地物的反射类别 物体对电磁波的反射有三种形式： (1) 镜面反射 是指物体的反射满足反射定律。当发生镜面反射时，对于不透明物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。 (2) 漫反射 如果入射电磁波波长 不变，表面粗糙度 h 逐渐增加，直到h 与 同数量级，这时整个表面均匀反射入射电磁波，入射到此表面 的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射。 (3) 方向反射 实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。是镜面反射和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续增大的情况下，这种反射没有规律可寻。
