1、第一章 绪 论 遥感的概念：(Remote Sensing)遥远感知事物的意思广义: 包括电磁波遥感：( 光、热、无线电)力场遥感： 重力、磁力声波遥感地震波遥感通常研究的遥感主要是指“电磁波遥感”,简称 “遥感”遥感定义：不接触被探测的目标，利用传感器获取目标数据，通过对数据进行分析来获取有关地物目标或地区、或现象的信息的一门科学和技术。遥感、遥测遥控遥测 ：telemetry,指对被测物体某些运动参数和性质进行远距离测量的技术。接触测量、非接触测量遥控 ：指远距离控制目标物运动状态和过程的技术。声控（超声波声频） 光控（可见光、红外、无线电遥控）遥感 : 特别是空间遥感过程的完成往往需要综
2、合运用遥测和遥控技术，如卫星遥感，必须对卫星运行参数的遥测和卫星工作状态的控制等。遥感数据获取的基本过程：遥感观测对象：主要是地球表层的各类地物。遥感的信息源（目标物：发射反射吸收的电磁波）遥感探测依据：目标物与电磁波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性。两种特征：空间几何特征；物理、化学、生物的属性特征遥感信息的获取：传感器 ：摄影机光机扫描仪成像光谱仪成像雷达等遥感平台 ：高塔长臂车飞机气球卫星等遥感信息的传输和记录：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。 （数据记录载体：胶片数字磁带光盘等）遥感信息的处理遥感信息应用：遥感分类：1、根据电磁波的光谱范围：可见光/反射红
3、外遥感：0.3-2.5 m热红外遥感：中红外（3-5m）远红外（8-14m ）微波遥感：1-1000mm共性：电磁波差别：方式不同：它们与地球表层介质相互作用时所服从的规律构成原理和方法大气效应及其校正信息不同：可见光-反射红外 -反射能量，太阳光-提高空间分辨率热红外- 发射(自身辐射),热状况 ,温度微波-极化 (偏振)相位差,地形高程信息2、根据遥感平台地面遥感 ：车载、搭载，一般用于发展传感器技术、研究传感器目标的交互作用以及算法的改进。航空遥感 ：飞机。进一步确认装置的合理性、还可用于对面积较小的地区进行调查和一些不需多次重复进行的任务。航天遥感 ：航天飞机、卫星。极地轨道-NOAA
4、、SPOT 、Landsat同步卫星（静止卫星）-风云 2 号根据特定的科学需要设置轨道路径（热带降雨测量 TRMM 卫星在赤道上下 35之间移动）3、根据工作方式主动遥感 ： 传感器自身提供光源，比如侧视雷达、激光雷达，或借外来光源接受和记录目标物信号；被动遥感 ：传感器仅接受和记录目标物自身发射的热辐射信号，热红外遥感、微波被动遥感。4、根据应用空间尺度全球遥感、区域遥感、城市遥感5、根据研究对象资源遥感、环境遥感、农业遥感等遥感的特点：手段多、获取原信息量大：波段的延长（可见光、红外、微波）使对地球的观测走向了全天候、全天时。宏观性、综合性：覆盖范围大、信息丰富时间周期短：重复探测，有利
5、于进行动态分析。遥感历史及发展趋势 遥感历史：1839 年，Daguerre 与 Niepce 首次摄影，此后巴黎观测站主任 Arago 专心于地貌摄影1849 年，法国一位军官 Laussadet 用摄影绘制地形图 1858 年，气球大面积摄影19 世纪 80 年代，风筝 19 世纪 90 年代早期，鸽子1909 年，意大利 Wright 驾驶的飞机首次航空摄影，在一、二次世界大战中作为侦察手段。 20 世纪 30 年代中期，彩色摄影1956 年，Colwell,特殊目的的航摄试验，分类并识别植被类型，探测病虫害及受灾植被20 世纪 60 年代中期，NASA 资助，大量红外及多光谱彩色摄影1
6、968 年圣诞期间 ，Apollo 8 经过月球表面拍摄到了地球照片1972 年，第一颗地球观测卫星 Landsat 发射成功。 （原名地球资源技术卫星 ERTS-1 后命名为陆地卫星，遥感一词迅速普及，卫星已超过 3000 颗（军用 60%）遥感发展趋势： 多分辨率传感器并存 多波段、多角度及多极化遥感同时并用 3S 的有机结合构成集成系统第二章 遥感物理基础 电磁波定义:是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传播电磁能量的波。电磁振荡的传播2.1.1 物质的电磁波特性遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。不同物体具有各自的电磁波辐射特性，遥感就是通过接收物体的电磁波信号，形成波谱曲线
7、或影像，各专业领域根据自己的专业需求提取相关信息。横波：电磁场的电场矢量和磁场矢量互相垂直，且都垂直于波的传播方向。电磁波示意图波动性：电磁辐射以波动的形式在空间传播。用波函数表示单色波的波动性 C = 粒子性：以电磁波形式传播出去的能量为辐射能，其传播表现即为光子组成的粒子流的运动。(Source: Center forBeam Physics, Lawrence Berkeley National)C = velocity of light; = frequency; = wavelengthA photon is a particle, but it can also be consid
8、ered a beam of EM wave when it is directed and focused.电磁波的波长不同，其波动性和粒子性所表现的程度也不同，一般来说，波长愈短，辐射的粒子特性愈明显，波长愈长，辐射波动特性愈明显。*紫外线、X 射线、 射线主要表现为 粒子性。*可见光/红外线同时具有粒子性 和波动性两重性；*微波和无线电波主要表现为波动性；叠加原理：当空间同时存在由两个或两个以上的波源产生的波时，每个波并不因其它的波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率（或波长）和振动方向，按照自己的传播方向继续前进，而空间相遇点的振动的物理量则等于各个独立波在该点激起的振动的物理量之
9、和。由于遥感信息记录的是物体的电磁波特性，而各种物体都有各自的电磁波谱，这样便可根据叠加的原理把各自的波谱从遥感信息中分离出来。 相干性与非相干性：由叠加原理可知，当两列频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波叠加时，在空间会出现某些地方的振动始终加强，另一些地方的振动始终减弱或完全抵消，这种现象叫电磁波的相干性。没有固定相位关系的两列电磁波叠加时，没有一定的规律可循，这种现象叫电磁波的非相干性。微波雷达图象就是利用电磁波的相干特性成像，正因为波的相干性，图像上会出现颗粒状或斑点状的特征。其它的遥感图象是非相干波所形成的图像。2.1.2 物质的电磁波谱自然界各种物质在光照条件下能反射出
10、辐射能，物质由于自身具有一定的温度，因而也能不断发射出辐射能，如果把这种反射和发射辐射能以波长为参数记录下来,就得到该物质的所谓“谱分布” 。 电磁波依据波长轴线的分布称为电磁波谱。由于产生电磁波的波源不同，因而它们的波长或频率也就不同，它们的性质（如传播的方向性、穿透性等）就有很大的差别。电磁波信号是遥感研究的对象，电磁波谱是遥感研究的基础。 目前遥感技术所使用的电磁波谱段仅占整个电磁波波谱的一小部分,主要是在紫外线、可见光、红外线到微波部分。表中列出了遥感技术使用的电磁波谱段的分类名称及其波长范围。 名 称 波长范围紫外线 100埃-0.38微米可见光 0.38-0.76微米红外线 反射红
11、外0.76-3.0微米中红外 3.0-6.0微米远红外 6-15微米超远红外15-1000微米微 波 毫米波 1-10毫米厘米波 10-100毫米分米波 100-1000毫米紫 0.38-0.43微米蓝 0.43-0.47微米青 0.47-0.50微米绿 0.50-0.56微米黄 0.56-0.59微米橙 0.59-0.62微米红 0.62-0.76微米336 345红橙黄绿青蓝紫遥感使用的电磁波范围 遥感常用的各光谱段的主要特征：紫外线：0.01-0.38m0.01-0.3 m 的紫外线几乎全部被大气层吸收；0.3-0.38 m 的紫外线部分能通过大气层到达地面；目前主要用于探测碳酸盐分布及
12、油污染的监测，但对高空遥感不宜采用（2000 米以下）。0.35m可见光：0.38-0.76m 反射波段由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见 光能够直接感觉，不 仅对可见光的全色光，而且对不同波段的 单色光，也都具有 这种能力。所以可见光是作为鉴别 物质特征的主要波段，是遥感中最常用的波段。蓝色: 渗水、土地利用、植被特性、泥沙等 TM 1绿色：健康植被、绿色反射峰 TM 2红色：红色叶绿素吸收、植被判别 TM 3 全色：土地利用、立体相片、制图等 ETM 8（pan）红外线：0.76-1000m 近红外（0.76-0.90m）： TM 4生物量、作物判别、土壤-作物、陆地-水域的
13、边界。短波红外： TM 5、 TM 71.5-1.75m : 干旱、云、雪-冰判别2.0-2.35m : 地质学、岩石形成中红外（3.0-6.0m）：火灾远红外（6.0-15.0m）：温度、含水量、 热惯性等超远红外（15.0-1000m）：发射波段，红外遥感采用热感应方式探测地物本身的 辐射，能全天 时遥感微波：1-1000mm毫米波、厘米波、分米波；具有全天候、全天时、穿透性强。0.1 - 5 cm : 积雪、雪深、植被含水量5 - 24 cm :融雪、土壤含水量、水陆边界、穿透植被2.1.3 遥感的基本概念 光线：描述光的传播方向的几何线（光在均匀媒质中沿直线方向传播，几何学上的直线 代
14、表光的传播方向） 几何光学：以光线来研究光的传播及在界面反射和折射的光学理论。若研究对象的几何尺寸远远大于光波长-几何光学 -光学遥感若研究对象的几何尺寸与光波长相近， 则衍射和干涉不可忽略，必须考虑光的波动性。-微波遥感几何光学的基本定律：光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线方向传播，可以用几何学上的直线代表光的传播方向，并把 这种描述光的传播方向的几何线称为“光线”。光的独立传播定律：沿不同方向传播的或由不同物体发出的光，即使相交也互不干涉。光的反射定律：当光从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，光的 传播方向发生了变化，一部分光又返回原来的介质。如果分界面是均匀光滑的，则
15、产生镜面反射，入射角和反射角在同一个平面上，并且相等。光的折射定律：光在两种均匀介质的表面，除反射外，透过分界面的光线方向发生了偏折的现象。 （水体表面）朗伯定律（漫反射）：当两种介质界面不光滑时，可能发生漫反射，或称朗伯反射。 波谱测量用的参考板。辐射源 任何物体电磁波传递 电磁能量的传递遥感探测 辐射能量的测定辐射能量（W ） 单位：J，电磁辐射的能量。辐射通量（） 单位：W(=J/s) ，单位时间内 通过某一面积的辐射能量。*=dW/dt辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或辐射通量的积分值。大部分传感器是以一定的方向来观测地球表面，理解角度的相关性是非常重要的。立体角（
16、） 一个半径为 r 的球面，从球心向球面做任意形状的锥面，锥面与球面相交的 面积与半径平方之比即为立体角 =S/R 2。用来描述辐亮度的方向性， 单位：sr（球面度，无量纲）。球心对全球面所 张立体角 =4经常用极坐标下的天顶角（）和方位角（）来表示。传感器的扫描角与观测天顶角不等。天顶角的范围 0-180，0-90 表示上半球， 90-180表示下半球。辐射强度（I ） 单位：W/sr，某一方向上的单位立体角所发出的辐射通量。I=d/d， 为立体角。辐射出射度（M） 单位：W/m 2，辐射源物体表面单位面积的辐射通量。M=d/dS ，S 为面积。辐照度（E） 单位： W/m2，被辐射的物体表
17、面单位面积的辐射通量。在半球空间上 总的立体角的积分。E=d/dS ，S 为面积。光学遥感中有以下辐照度参数：大气层外太阳辐照度地表入射辐照度（向下辐照度）总辐照度总辐照度：太阳直射辐照度 +天空漫射辐照度辐射亮度（L）：单位：W/ （sr m2） ，假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐 射方向而不同， 则 L 定义为辐射源在某一方向、单位投影表面 、单位立体角内的辐射通量，即：L 随波长变化，且具有方向性（接收辐射的观察者以不同的 角观察辐射源时，L 值不同）。d2/ ddScos)1(2),( 5 kThc 2b e chTM 辐射源面元很小时，可看作一个点：L=I 朗伯体，L 与 角
18、无关辐射亮度（L）:遥感的最重要的基本物理量 数字值：DN 购买的数据，不是一个物理量，是经过量化得到的整数。Q 是传感器的量化级数（bit） ，2Q 代表图像的灰度级。Q 值越大，辐射测量的精度越高。传感器 TM SPOT AVHRRIKNOSMODISQ 8 8 10 11 12数字值与辐亮度的关系：多数线性关系转换系数一般都包含在图像数据的头文件里，确定转换系数的过程称为“传感器定标” 。 2.1.4 黑体辐射 黑体是一个理想的辐射体，黑体也是一个可以与任何地物进行比较的最佳辐射体。所谓黑体是“绝对黑体”的简称，指在任何温度下，对于各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于 1 的物体（全部被吸
19、收，没有反射和透射 ） 。自然界中并不存在绝对黑体，实用的黑体是由人工方法制成的。 1. 黑体热辐射定律：黑体表面的辐射特性是唯一由其温度决定且是光谱连续的，是朗伯表面，且在热平衡的条件下，其发射的能量等于其吸收的能量。普朗克公式：描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系M 为辐射出射度, h-为普朗克常数，6.62610-34 （Js） ；c-为光速，3108 （ms-1） ； T-为绝对温度， （K） ；k-为波尔兹曼常数，1.3810-23（JK-1） ；-为波长（m）黑体辐射波长的分布特性，与温度密切相关。斯忒藩-波尔兹曼定律：对普朗克定律在全波段内积分，该定律阐明了黑体红外辐射能量
20、和温度的关系。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的 4 次方成正比。如果温度有微小的变化，就可以导致对应的辐射出射度发生很大的变化。红外测温仪的依据：斯蒂芬玻尔兹曼常数（5.66970.00297）10 12 Wcm-2K-4 维恩位移定律：所有的黑体辐射与辐射波长的对应关系都是双值的，且在某一波长上有最大值，最大值处的波长与黑体温度成反比，即温度越高，最大值对应的波长越短。 maxT=bb： 常数，2897.80.4 m K高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。应用：针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器黑体辐射的特
21、性：(1)辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值； (2)温度愈高，辐射通量密度也愈大，不同温度的曲线是不相交的；(3)随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。 2. 实际物体的辐射：热平衡状态下，物体的辐射出射度和吸收比的比值与物体的性质无关。仅与温度、波长有关基尔霍夫定律： 黑体向外发射和吸收的能量相等 0=1Mi 为辐射出射度， i 为吸收系数，I i 为辐照度。TbW 4发射率或比辐射率， 实际物体：吸收的能量相等仅与温度、波长有关2.石英的辐射曲线2.2.1 太阳辐射太阳辐射的大部分能量集中于近紫外-中红外（0.31-5.6m） ，地球大气层以外的太阳光谱辐照
22、度曲线为平滑的连续光谱曲线，近似于 6000K 的黑体辐射曲线。 地面接收的太阳辐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为： E=E0/Dcos 式中：E0 为太阳常数，描述太阳辐射能流密度的物理量。它指在日地平均距离处， 垂直于太阳射线的单位面积上，所接收的全部太阳辐射能（1.36*10 3Wm-2） 。大气圈外太阳光的光谱辐照度在全波段范围内的积分值。 为太阳天顶角，当 为当地正午时的太阳天顶角时，E 为到达某地的最大地面辐照度。D 以日地平均距离为单位的日地之间的距离。2.2.2 大气层次与成分1. 大气层次大气物理状况的物理量：气压、大气温度、大气湿度气压随
23、高度是以负指数形式递减。垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，所以在大气效应校正中大多假定大气具有水平均一、垂直分层结构。大气厚度约 1000km，可垂直分为 4 层：对流层：温度随高度的增加而降低，空气明显垂直对流，上界随季节和纬度而变化。 平流层（对流层顶50km）：包括下部的等温层和暖层，几乎没有对流和天气现象。中间层（5080km）：温度随高度增加而降低。电离层：包括下部的热层与上部的逸散层，温度极增。大气中的氧气和氮气等气体呈电离状态。 2. 大气成分多种气体、气溶胶 常定成份、可变成份气溶胶：悬浮于地球大气之中具有一定稳定性的，沉降速度小的，尺度在 3m 到 10m 的液态及固
24、体粒子。气溶胶大多集中在底层大气 1-4km 范围之内。由于地球重力作用，气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对光的散射作用属于米氏散射。由于来源的不同，构成成分有差别，其介电常数不尽相同，对电磁波的吸收散射作用差别较大，故大气气溶胶可分为不同类型。 气溶胶的来源：自然因素：火山、沙尘暴森林和草原火灾活的陆地与海洋植物、海水的飞沫人为因素：工业、交通、取暖燃烧的石油和煤炭土地覆盖和土地利用变化、森林砍伐和沙漠化 2.2.3 大气对太阳辐射的作用大气对太阳辐射的衰减作用主要考虑大气散射和吸收大气的吸收作用：太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太阳辐射产生选择性
25、吸收，使有些波段通过大气到达地面，而有一些波段则全部被吸收不能到达地面，因此造成了不同波段的大气吸收带。大气中各种成分对太阳辐射吸收的明显特点，是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了。大气吸收太阳辐射的主要波段有：氮（N 2）：对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内。氧（O 2）：对小于 0.2m 的电磁波有极强的吸收，由于氧的吸收，在低层大气内几乎观测不到小于 0.2m 的紫外线，在 0.6m 和 0.76m 附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。因此，在高空遥感中很少应用紫外线波段。真正对电
26、磁波起吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有：臭氧、二氧化碳、甲烷、水汽臭氧（O 3）主要分布在平流层大气中（ 10-50km） ，主要集中在 30km 高度附近，极大值出现在 20-25km 处，对流层中的臭氧含量不到总量的 10%。臭氧总含量分布有明显的地域分布特征及季节变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地区 60-70区域内达到极大值。对于高度小于 10k的航空遥感影响不大，而主要对航天遥感有影响。高空遥感不适宜采用紫外线两个吸收带： 0.6m 处的弱吸收带 9.6、处的较强吸收区， 其次 4.75、 14m二氧化碳（O ）CO2 含量较少，但它对红外波段，特别是以 1
27、5m 为中心形成了一个 13-17m 的强吸收波段。混合在大气中的 CO2 强烈地吸收着来自地表的热辐射，以比地表低的温度向太空辐射热量，这就构成了一个辐射能量的差距（吸收多、支出少） ，增加地-气系统的温度。由于 CO2 的相对含量近似恒定，该吸收的波段便构成为遥测大气温度垂直分布的主要手段。以 4.3m 为中心的吸收带以 1.4m、1.6m、2.0m、2.7m、4.8m 、5.2 m、9.4m、10.4m 为窄的弱吸收带，宽度约 0.1 m 而且由于太阳辐射在红外区能量很少，因此一般不予考虑。水（ O）： 大气中水汽含量在空间尺度和时间尺度变化都是极大的，地球上最湿润的地区与最干燥地区水汽
28、含量可以相差 5 个数量级，同一地点水汽含量的振动幅度与其平均值相当。水汽对可见光、红外以及微波波段都有其明显的吸收波段，因此水汽对电磁的吸收与发射是大气效应校正的重要内容，也是探测大气中水汽含量垂直分布的基本依据。水汽是吸收太阳辐射能量最强的介质。从可见光、红外直至微波波段，到处都有水的吸收带，主要吸收带处于红外和可见光中的红光波段，其中红外部分吸收最强。 2)( 1* 0.5-0.9m 有个窄吸收带* 0.95-2.85m 有 5 个宽吸收带* 6.25m 附近有个强吸收带液态水的吸收比水汽吸收更强，但主要集中在长波波段。尘埃：对太阳辐射有一定的吸收作用，但吸收量很少，当有沙尘暴、烟雾和火
29、山爆发等发生时，大气中尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较显著。大气的散射作用电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向的一种现象。不过大气散射不同于吸收，它不会将辐射能转变成质点本身的内能，而是只改变了电磁波传播的方向。由于改变辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。大气散射作用主要集中于太阳辐射能量较强的可见光区。散射强度用散射系数表示。根据辐射的波长与散射微粒的大小之间的关系，散射作用可分为三种：1瑞利散射：当微粒直径远小于辐射波长时的散射。小颗粒散射d 太阳光通过大气到达地面要发生散射和吸收，地物反射光在进入传感器前，还要再经过大气并
30、被散射和吸收，这将造成图像的清晰度下降。所以在选择遥感工作波段时，必须考虑到大气层的散射和吸收的影响。2.2.3 大气窗口通常把这些通过大气而较少被反射、吸收或散射的透过率较高的电磁辐射波段称为“大气窗口” 。因此遥感传感器选择的探测波段应包含在大气窗口内。遥感光谱通道：据地物的光谱特性以及传感器技术的发展，目前主要使用（或试用）的探测波段如下：0.31.4um： 包括全部可见光（95） ，部分紫外光（70） ，部分近红外光（80） 。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。1.42.5um：近红外窗口，60 95，扫描成像，白天记录3.5-5.5um：中红外窗口，6070，白
31、天夜间，扫描成像记录814 um： 远红外窗口，超过 80， 白天夜间，扫描记录1.4300mm：微波窗口， 白天夜间，扫描记录。2.3.1 太阳辐射与地表的相互作用地球短波辐射：反射太阳辐射为主，地球自身的热辐射可以忽略不计，主要集中在 0.3-2.5m 的紫外、可见光到近红外区段。就短波而言，地表反射的太阳辐射是地表的主要辐射来源。 4)( 1地球长波辐射：自身辐射，地球近似于温度为 300K 的黑体辐射，集中在 6.0m 以上的热红外区段。就长波段而言，太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，只考虑 3-6m 的中红外波段，地球对太阳辐射的反射 和地表物体自身的热辐射均不能忽略。 如何计算地表物
32、体自身的热辐射？地球辐射的分段特性意味着：可见光、近红外波段遥感图像上的信息体现地物的反射特性。中红外波段遥感图像上既有地表反射太阳辐射的信息，也有地表自身的热辐射(发射)信息。热红外波段遥感图像上的信息来自地物本身的热辐射(发射) 特性。2.3.2 地物的光谱特性地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波波长改变而变化的规律。地物波谱特性：电磁辐射与地物相互作用的表现特征。不同波谱段的地物波谱特性：可见光/近红外：反射、吸收中红外：反射+地物自身热辐射远红外：地物自身热辐射微波：主动遥感地物后向散射被动遥感地物微波辐射一、地物的反射光谱特性 不同地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，通常采用反射
33、率来表示。 它是地物对某一波段电磁波的反射能量与入射的总能量之比，其数值常用百分率表示。地物反射率的大小与入射电磁波的波长、入射角的大小、地物表面颜色、粗糙度等有关。物体的反射状况分为三种：镜面反射：光滑物体表面(例:非常平静的水面)物体的反射满足反射定律，入射波和反射波在同一平面内，入射角与反射角相等。 只有在反射波射出的方向上才能探测到电磁波。漫反射：非常粗糙的表面当入射辐照度 I 一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐射亮度是一个常数，这种反射面又称为朗伯面 氧化镁、硫酸钡、碳酸镁表面， 在反射天顶角45时可近似看成朗伯面。平面的总反射率 某一方向上的反射因子实际物体反射：介于镜面和朗伯
34、面之间的一种反射，自然界中绝大多数地物都属于这种类型。对太阳短波辐射的反射具有各向异性，即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。了解反射类型的意义：遥感器获取的辐射亮度与物体反射类型密切关联，辐射亮度既与辐射入射方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角与天顶角有关。在遥感器成像时间选择上，应避免中午成像，防止在遥感图像上形成镜面反射。地物反射波谱：地物的反射率随入射波长变化的规律；地物反射波谱曲线：按地物反射率与波长之间的关系绘成的曲线。 不同地物由于物质组成和结构不同具有不同的反射光谱特性，因而可以根据遥感传感器所接收到的电磁波谱特征的差异来识别不同的地物。遥感的基本出发点
35、雪、沙漠、湿地、小麦反射波谱曲线同类地物的光谱相似，但随着该地物的内在差异而有所变化。这种变化是由于多种因素造成的。如物质成分、内部结构、表面光滑程度、颗粒大小、几何形状、风化程度、表面含水量及色泽等差别。研究地物的光谱特性，还应考虑其时间特性和空间特性的变化。时间特性是指同一位置上的同一地物，由于时间的推移，该地物在一段时间内光谱特性的变化。空间特性是指同一类地物，由于其所处的地理位置不同，光谱特性可能存在的一些差异和变化。白橡树叶子不同时间的反射光谱变化遥感图像上集中反映出各种地物或现象的光谱特性，并体现出其光谱特性的空间特性和时间特性的变化。因此，在遥感图像中识别地物和现象的属性以及研究
36、它们之间的关系和演化变化规律时，必须首先了解和掌握地物的光谱特性，以及它们空间和时间特性的变化。地物光谱特性是进行判读、识别的基础和出发点。地物波谱特征的测量地物波谱（反射辐射）的测定原理：用光谱测定仪分别探测被测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段电磁波的反射率，其反射率的变化规律（可绘成波谱曲线）即为该地物的波谱特征（反射辐射） 。用来测量太阳反射辐射的仪器称为辐射光谱仪（简称光谱仪） 。为了测定目标的波谱，需要测定三类光谱辐射值：第一类：为暗光谱，即没有光线进入光谱仪时由仪器记录 的光谱，通常是系统本身的噪声值，取决于环境和仪器本身温度；第二类：为参考光谱或称标准板白光，实际上
37、是从较完美漫辐射体标准板测得的光谱；第三类：为样本光谱或目标光谱，是从感兴趣的目标物上测得的光谱，这是研究最终需要的光谱。感兴趣目标的反射光谱是在相同的光照条件下通过参考光谱辐射值除目标光谱辐射值得到，因此，目标反射光谱是个相对于参考光谱辐射的比值光谱反射率。常见地物的反射波谱特征植被可见光波段：0.45m 附近 吸收谷兰波段0.55m 附近 反射峰绿波段0.67m 附近 吸收谷红波段近红外波段：0.76m 处反射率迅速增大，形成一个爬升的 “陡坡”1.10m 附近有一个峰值，反射率最大可达 50%，形成 植被的独有特征中红外波段：1.5-1.9m 光谱区反射率增大1.45m、1.95m、2.
38、7m 为中心的水吸收带，受植物含水量影响植被波谱的影响因素：*植被类型*植被生长季节 *健康状况植被波谱特征大同小异，可以据此区分植被种类、生长状态 。土壤自然状态下土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷，一般土壤的反射率随波长的增大而增大。在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物和土壤有机质有关。土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4m 、1.9 m 、2.7m ） ，反射率的下降尤为明显。水体可见光：纯净水体的反射主要在蓝绿波段，其它波段反射很低；近红外和中红外：纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零；水中含有泥沙，可见光波段反射率会增加，峰
39、值出现在黄红区。水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射明显抬高。岩石岩石反射波谱与下列因素相关：*矿物成分*矿物含量*物质结构等岩石反射波谱影响因素：*岩石风化程度；*岩石含水状况；*矿物颗粒大小；*岩石表面光滑程度；*岩石色泽等。二 、地物的发射波谱特性 任何地物当温度高于绝对温度 0K 时，组成物质的原子、分子等微粒，在不停地做热运动，都有向周围空间辐射红外线和微波的能力。通常地物的发射电磁辐射的能力是以发射率作为衡量标准。地物的发射率是以黑体辐射作为基准。1.地物发射率：自然界中，黑体辐射是不存在的，一般地物辐射能量总要比黑体辐射能量小。如果利用黑体辐射公式，则需要增加一个因子，这个因
40、子就是发射率 “比辐射率” 。发射率是指地物的辐射出射度 W 与同温度的黑体的辐射出射度 W 黑 的比值，常用 表示地物的发射率与地物的性质、表面状况（如粗糙度、颜色等）有关，且是温度和波长的函数。同一地物，表面粗糙或颜色较深的，发射率往往较 高，表面光滑或颜色较浅的，发射率则较小；不同温度的同一物体，温度越高，其发射率越高。地物发射率的差异也是遥感的基础和出发点。依发射率与波长的关系，可将地物分为三种类型：黑体、灰体和选择性辐射体。在任一给定温度下，地物单位面积上的辐射通量密度 W 和吸收率 之比，对于任何地物都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量密度 W 黑 。基尔霍夫定律2. 地
41、物发射波谱地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光谱。按地物发射率与波长间的关系绘成的曲线，称为地物发射光谱曲线。典型地物的比辐射率曲线2.3.3 环境对地物波谱特性的影响地物的物理性状：表面颜色、粗糙度、风化状况及含水情况等。光源的辐射强度：同一地物的反射光谱强度，由于它所处的纬度和海拔高度不同有所差异。 太阳高度季节：同一地物，在同一地点的反射光谱强度，由于季节不同而有差异。太阳高度角探测时间：在进行地物光谱测试中，必须考虑“最佳时间” ，以避免由于光照几何条件的改变而产生的变异。气象条件：同一地物在不同天气条件下，其反射光谱曲线也不一样。总之，地物的光谱特性受到一系列环境因素的影响
42、和干扰，这在应用和分析时，光谱特性这些变化，应引起特别的注意。2.3.4 地物波谱的应用野外光谱仪在自然环境下测得的高光谱数据可用于不同的遥感领域。首先，野外光谱仪数据可供用来建立和测试描述表面方向性光谱反射和生物物理属性的关系。地表的辐射能抵达传感器是一个复杂的过程，受多种因素影响，包括地面的生物物理性质、地表的宏观微观糙度、观测和光线照射的几何角度、大气状态等因素的影响。因而这种模拟是必要的。其次，光谱测量学用来描述表面反射特性，以便为航空和航天传感器定标。 第三，物体的波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器获得的数据相对照，
43、可以识别遥感影象中同类地物。第四，当有些应用不需要图像数据时，光谱测量或低空测量不失为成本低廉、灵活的数据获取方法。第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.1.1 遥感平台地面平台： 车、船、塔等， 0-50m。航空平台： 低、中、高空飞机，飞艇，气球等，百米 -万米。航天平台： 150km以上静止卫星（赤道上空， 36000km）极轨卫星（ Landsat、 SPOT等， 700-900km）航天飞机（ 300km左右）基本概念航空遥感技术： 指利用各种传感器，借助航空飞行器(离地面 10km 高度以下)从空中获取地表影像，并进行处理、分析和应用的技术。航空摄影主要进行全覆盖垂直对地摄影，航向
44、与旁向都有重叠，常采用扫描式飞行轨迹。航空摄影一般要求严格的成像几何关系，能够用数学方程式精确解算。因此，对航空摄影相机的成像几何精度要求极高（几个微米） ，对飞机的飞行稳定性也有苛刻限制（6 度以内） 。数据获取与处理框图数据接收数据存储辐射校正几何粗校正几何精校正数据分发数据分发数据分发地球自转相片倾斜地球曲率背景知识和专业术语传感器 : 卫星上用于探测地面信息的仪器，收集地面反射的能量，并将该能量以适当的形式反应出来。星载的传感器可大致分为光学传感器与合成孔径雷达传感器两类。轨道 : 卫星在天空中飞行所经过的路径。下行轨道 卫星过境时的飞行方向近似为 由北向南。上行轨道 卫星过境时的飞行
45、方向近似为 由南向北。地面轨迹 将卫星轨道垂直投影在地面的踪迹。轨道倾角 卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角。全球参考系统 （WRS 或 GRS）人为制订的卫星地面索引系统，网格状，由 Path 和 Row 两个参数组成，对应于卫星图象的地面位置，类似于利用经、纬度说明地面某一点的位置。Path 对于卫星图象，该参数是指图象南北（经度）方向的中心线所在的位置。Row 对于卫星图象，该参数是指图象东西（纬度）方向的中心线所在的位置。景 一幅标准卫星图象的计量单位，通常用（Path，Row）表示像元 图象中的每一个点，是组成图象的基本单位，可以用 8 bit 的整数、16 bit 的实数表示其亮度。
46、图象分辨率 理论上指卫星成像系统所能够区分的地面物体的最小距离。像元尺寸 卫星图象每一个点所代表的地面的范围大小。波段 电磁波的某一个范围。对于光学传感器，每一个波段的图象是指该图象是传感器在不同的波长范围内获得的地面反射数据。对于 SAR 传感器是指雷达发射的电磁波的波长。重访周期 卫星连续两次经过同一地点的时间间隔。辐射校正 根据传感器的状态参数，对卫星原始图象数据的亮度进行校正的过程。系统几何校正 根据卫星所提供的轨道数据和姿态数据等参数，对卫星原始图象数据的空间位置进行校正的过程遥感数据的特征主要目标 ：3 W （What, Where, When）主要性能 ：4 全 （全天候、全天时
47、、全球、全电磁波段）发展趋势 ：3 高 （高空间、高光谱、高时间分辨率）综合集成 : 3 个结合 （大-小卫星，航空- 航天，技术-应用）其中 4 全是现代遥感对地观测技术发展的主要特征MODIS 数据特点它是新一代“图谱合一”的光学遥感仪器，也是EOS 卫星系列上的最主要的仪器。其显著特点表现在：高精度观测 多频次和宏观观测 多光谱、高光谱波段同时观测 用途广泛空间分辨率：250m、500m、1000m MODIS 数据有覆盖可见光-热红外 (0.414m)波谱范围的 36 个波段，其中包括 20 个反射波段，16 个热红外波段，具有较高的波谱分辨率。MODIS 数据的空间分辨率有三种：12
48、 波段为 250m、37 波段为500m、836 波段为 1000m。 MODIS 数据采用的数据格式为 HDF(Heirarchical Data Format)格式。HDF 是美国国家高级计算应用中心(NCSA)为满足各种领域研究需求而研制的一种高效存储和分发科学数据的新型数据格式。HDF 具有自述性、通用性、灵活性、扩展性、跨平台性等特点，它提供了 6 种基本数据类型：光栅图像、调色板、科学数据集、注释(Annotation) 、虚拟数据和虚拟组。LANDSAT-5 传感器 TM成像宽度:185km，标准景为:185km*185kmTM1:0.45-0.52m，蓝波段，水体衰减系数最小，散射最弱，可获得水下细节（ 清水可穿透 30m） 。判别水深、浅海水下地形等；位于叶绿素吸收区，对叶绿素浓度反映敏感。TM2:0.52-0.60m，绿波段，绿色反射峰，对植被反映敏感，用于识别植被类别和评价植物生产力。对水体有一定穿透力（10-20m） ，可研究水体浑浊度、沿岸泥沙流、水下地形等，对水体污染（金属、化学污染）研究效果好。TM3:0.63-0.69m，红波段，叶绿素的主要吸收带，可根据不同植物对叶绿素的吸收来区分植物类型、覆盖度，判断植物的生长状况、健康状况等；位于含沙浓度不同水体辐射峰值（0.58-0
