第2章 遥感物理基础

1、第二部分第二部分 遥感基本原理遥感基本原理第一章第一章 遥感电磁辐射基础遥感电磁辐射基础第二章第二章 传感器传感器2022年5月7日2第一章第一章 遥感电磁辐射基础遥感电磁辐射基础n 第一节第一节 电磁波谱电磁波谱n 第二节第二节 辐射基本定律辐射基本定律n 第三节第三节 太阳辐射太阳辐射n 第四节第四节 太阳辐射与大气的相互作用太阳辐射与大气的相互作用n 第五节第五节 太阳辐射与地面的相互作用太阳辐射与地面的相互作用n 第六节第六节 三种遥感模式三种遥感模式第一章第一章 遥感电磁辐射基础遥感电磁辐射基础n 本章重点本章重点: :n 掌握电磁波谱，大气窗口，地物的反射光谱曲线掌握电磁波谱，大气

2、窗口，地物的反射光谱曲线。n 理解：理解：n 1 1、地物反射地物反射对遥感数据的影响？对遥感数据的影响？n 2 2、大气窗口大气窗口形成的原因及遥感数据进行校正的必要性。形成的原因及遥感数据进行校正的必要性。n遥感理论基础是遥感理论基础是电磁辐射电磁辐射n被动遥感主要辐射源是被动遥感主要辐射源是太阳太阳n温度高于绝对零度的物体都温度高于绝对零度的物体都能向外发射能向外发射电磁辐射电磁辐射。n因此因此, ,电磁辐射电磁辐射是传感器与远是传感器与远距离物体之间联系的环节。距离物体之间联系的环节。2022年5月7日5第一节第一节 电磁波谱电磁波谱一、电磁波一、电磁波二、电磁波谱二、电磁波谱 202

3、2年5月7日6一、电磁波一、电磁波波波振动在空间的传播。振动在空间的传播。1、电磁波：、电磁波：在在真空或物质真空或物质中中通过电磁场的振动而传输通过电磁场的振动而传输 电磁能量的波。电磁能量的波。 它不需要媒介，在真空中传播速度等于光速。它不需要媒介，在真空中传播速度等于光速。 c=频率频率波长波长2 2、描述电磁波特性的指标、描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅（电场振动强度）、位相等。波长、频率、振幅（电场振动强度）、位相等。n因早期光学实验者研究习惯不同，波在不同波段用不同的单因早期光学实验者研究习惯不同，波在不同波段用不同的单位描述。位描述。可见光和红外波段可见光和红外波段的波基本

4、以的波基本以波长波长来描述，来描述，微波微波波波段的波长以段的波长以频率频率为单位描述。二战时因雷达研发的保密性，为单位描述。二战时因雷达研发的保密性，微波频率常用微波频率常用字母字母来描述，如来描述，如C C频段（频段（5GHz5GHz）和）和K K频段频段（13.6GHz13.6GHz）。）。注：注：常用的频率单位有千赫常用的频率单位有千赫(KHz)(KHz)、兆赫、兆赫(MHz)(MHz)、吉赫、吉赫(GHz)(GHz)等等 二、电磁波谱：二、电磁波谱：重点重点 按电磁波在真空中传播的波按电磁波在真空中传播的波长或频率，长或频率，递增或递减递增或递减排列，排列，就构成了电磁波谱就构成了电

5、磁波谱。 依次为：依次为：n射线射线X X射线射线紫外线紫外线可可见光见光红外线红外线微波微波无线无线电波电波遥感中这遥感中这3种使用较多！种使用较多！电磁波谱使用分配情况：电磁波谱使用分配情况：n1 1、无线电波：、无线电波：n波长范围波长范围1010-3 -3 10104 4 m m之间，之间，是调幅是调幅（AMAM）调频（）调频（FMFM）、电视和移动电）、电视和移动电话的波段，遥感没有使用；话的波段，遥感没有使用；n2 2、微波：、微波：n波长范围为波长范围为1 mm1 m ，包含被动微包含被动微波遥感、主动微波遥感和大量商业、波遥感、主动微波遥感和大量商业、军用的通信和地面雷达业务；

6、军用的通信和地面雷达业务；电磁波谱使用分配情况：电磁波谱使用分配情况：n3 3、红外线：、红外线： 波长范围为波长范围为0.760.7610001000 m m m ，根据性质分为近红，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外、中红外、远红外和超远红外。外。2022年5月7日11红外线的划分：红外线的划分：近红外近红外：0.760.763.03.0m m，与可见光相似。，与可见光相似。中红外中红外：3.03.06.06.0m m，地面常温下的辐射波长，有热感，地面常温下的辐射波长，有热感， 又叫热红外。又叫热红外。远红外远红外：6.06.015.015.0m m，地面常温下的辐射波长，有热

7、感，地面常温下的辐射波长，有热感， 又叫热红外。又叫热红外。超远红外超远红外：15.015.010001000m m，多被大气吸收，遥感探测器一，多被大气吸收，遥感探测器一 般无法探测。般无法探测。电磁波谱使用分配情况：电磁波谱使用分配情况：n4 4、可见光、可见光n波长范围：波长范围：0.380.380.760.76 m m ，人眼对，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。用中的重要波段。n5 5、紫外线：、紫外线：n波长范围为波长范围为0.010.010.380.38 m m ，太阳光谱，太阳光谱中，只有中，只有0.30.30.380.38

8、m m 波长的光到达波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m2000 m以下。以下。n射线多被大气层阻挡，射线多被大气层阻挡，X X射线主要用射线主要用于医学。于医学。第二节第二节 辐射的基本定律辐射的基本定律 一、黑体辐射一、黑体辐射二、普朗克二、普朗克 (Planck)辐射定律辐射定律三、斯特潘三、斯特潘- -玻耳兹曼玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann) 定律定律四、基尔霍夫四、基尔霍夫(Kirchhoff)辐射定律辐射定律五、维恩五、维恩(Wien)位移定律位移定律2022年5月7日14一、黑体辐射一、黑体辐射n黑体是绝对黑体的简称

9、，指在任何温度下，对黑体是绝对黑体的简称，指在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（100%）的物体。）的物体。n黑体的热辐射称为黑体辐射。黑体的热辐射称为黑体辐射。 黑体模型黑体模型2022年5月7日15二、普朗克二、普朗克(Planck)辐射定律辐射定律n普朗克定义了一个常数普朗克定义了一个常数(h)，给出了黑体辐射的能量，给出了黑体辐射的能量（Q）与频率（）与频率（）之间的关系：）之间的关系： n Q=h hc/n h 普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34 焦焦秒（秒（JS）n c 电磁波速率，电磁波速率，3108 m/sn辐射量与

10、其波长成反比，辐射量与其波长成反比，波长越长，辐射量越低波长越长，辐射量越低。c= =频率频率波长波长2022年5月7日16三、斯特藩三、斯特藩- -玻耳兹曼玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann) 定律定律n斯蒂藩玻尔兹曼定律：辐射通量密度随温度增加斯蒂藩玻尔兹曼定律：辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的而迅速增加，与温度的4 4次方成正比。次方成正比。4MT:斯蒂藩玻尔兹曼常数，斯蒂藩玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2 . K4) 红外装置测试温度的理论根据红外装置测试温度的理论根据2022年5月7日17四、基尔霍夫四、基尔霍夫(Kirchhoff)辐射定律辐射定律n给定

11、温度下，任何地物的辐射通量密给定温度下，任何地物的辐射通量密度度M与与吸收率吸收率之比是常数，即等于之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。同温度下黑体的辐射通量密度。44MMTT黑 发射率发射率等于吸收率等于吸收率。 好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。波，也不发射该波长的电磁波。MM黑是吸收率是吸收率是发射率是发射率2022年5月7日18五、维恩五、维恩(Wien)位移定律位移定律n黑体辐射光谱中最强辐射的波长黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与绝对温度与绝对温度T的的乘积是常量乘积是常量：m

12、axTbb b : : 常数，常数，2.897810-3 mK 随着温度的升高，辐射随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短最大值所对应的波长移向短波方向波方向。 若知物体温度可推算其若知物体温度可推算其波长，常用此法波长，常用此法确定遥感器确定遥感器及热红外遥感的最佳波段及热红外遥感的最佳波段。分分光光谱谱辐辐射射通通量量密密度度00.224681012900k800k700k600k500k波长（波长（m ）0.40.60.82022年5月7日19第三节第三节 太阳辐射太阳辐射n在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的平滑的连续的光谱光谱曲线，它

13、近似于曲线，它近似于6000K6000K的黑体辐射曲线。的黑体辐射曲线。 太阳辐射光谱及大气的作用太阳辐射光谱及大气的作用 2022年5月7日20太阳辐射能量分布太阳辐射能量分布波长/m 波段名称能量比例/%小于103x、射线0.021030.2远紫外0.200.31中紫外1.950.310.38近紫外5.320.380.76可见光43.500.763近红外36.8036中红外12.0061000远红外0.41大于1000微波 x x、射线、射线、远紫外及微波虽远紫外及微波虽少但变化大；少但变化大； 被动遥感主要被动遥感主要利用稳定的辐射，利用稳定的辐射，使太阳活动对遥使太阳活动对遥感的影响降

14、低到感的影响降低到最小。最小。2022年5月7日21太阳光谱曲线 (P27,图2.5)n1 1、太阳光谱相当于、太阳光谱相当于6000 K6000 K的黑体辐射；的黑体辐射；n2 2、太阳辐射的太阳辐射的能量主要集中在可见光能量主要集中在可见光, , 最大辐射度位于波长最大辐射度位于波长 0.470.47m m左右左右; ; n3 3、到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在0.30.33.03.0m m波段内波段内，包括，包括近紫外、可见光、近红外和中红外近紫外、可见光、近红外和中红外；n4 4、经过大气层的太阳辐射有很大衰减、经过大气层的太阳辐射有很大衰减; ;各波段的衰减

15、不均衡。各波段的衰减不均衡。被动遥感主要集中在被动遥感主要集中在可见光、可见光、红外红外等稳定辐射区，使太阳活等稳定辐射区，使太阳活动对遥感的影响减至最小。动对遥感的影响减至最小。2022年5月7日22第四节第四节 太阳辐射与大气的相互作用太阳辐射与大气的相互作用 一、大气概况一、大气概况二、大气的吸收作用二、大气的吸收作用三、大气的散射作用三、大气的散射作用四四、大气窗口大气窗口n1 1、大气层次：、大气层次：n大气厚度约大气厚度约1000km1000km，在垂直方向上，自下而上可分，在垂直方向上，自下而上可分为：对流层、平流层、电离层、外大气层。为：对流层、平流层、电离层、外大气层。n详述

16、如下：详述如下：一、大气概况：一、大气概况：n对流层对流层：高度在：高度在7 712km,12km,温度随高度而降低，空气明显垂直温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变化频繁，对流，天气变化频繁，航空遥感航空遥感主要在该层内。上界随纬度主要在该层内。上界随纬度和季节而变化。和季节而变化。n平流层平流层：高度在：高度在121250km50km，没有对流和天气现象。底部为同，没有对流和天气现象。底部为同温层（温层（航空遥感活动层航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由于臭），同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。n电离层电离层：高度在：高

17、度在50501000km1000km，大气中的，大气中的O O2 2、N N2 2受紫外线照射受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是而电离，对遥感波段是透明的，是气象卫星、陆地卫星、航气象卫星、陆地卫星、航天飞机、侦察卫星的天飞机、侦察卫星的活动空间。活动空间。n外大气层外大气层：80080035 000km ,35 000km ,空气极稀薄，只有空气极稀薄，只有静止气象卫静止气象卫星和通讯卫星星和通讯卫星活动。活动。n 大气是由大气是由多种气体、气溶胶、水蒸气、水滴多种气体、气溶胶、水蒸气、水滴等组成。等组成。n 气体气体：N N2 2，O O2 2，H H2 2O O，COCO2 2，

18、COCO，CHCH4 4，O O3 3等。等。n 气溶胶气溶胶：是一种固体、液体悬浮物，有固定的核心，：是一种固体、液体悬浮物，有固定的核心， 如尘埃、花粉、微生物等。如尘埃、花粉、微生物等。n 它们对电磁辐射具有吸收和散射作用。它们对电磁辐射具有吸收和散射作用。 2 2、大气成分、大气成分v气溶胶多集中在气溶胶多集中在0 04km4km范围之内。范围之内。v其来源主要有其来源主要有2 2种：种：n自然：自然：火山、沙尘暴、森林和草原火灾、活的陆地和火山、沙尘暴、森林和草原火灾、活的陆地和海洋植物、海水的飞沫等。海洋植物、海水的飞沫等。n人为：人为：工业，交通，取暖燃烧的石油和煤炭、土地覆工业

19、，交通，取暖燃烧的石油和煤炭、土地覆盖和土地利用变化，森林砍伐和沙漠化等。盖和土地利用变化，森林砍伐和沙漠化等。n气溶胶不仅是环境监测的指标，还是重要的军事指标气溶胶不仅是环境监测的指标，还是重要的军事指标（气溶胶直接决定大气能见度）。（气溶胶直接决定大气能见度）。 气溶胶简介气溶胶简介二、大气的吸收作用二、大气的吸收作用v太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。收作用，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。v如如水汽、二氧化碳、臭氧等水汽、二氧化碳、臭氧等，约约1717被大气吸收。被大气吸收。

20、潮湿地区水蒸气主要吸收红外光潮湿地区水蒸气主要吸收红外光CO2主要吸收中远红外光主要吸收中远红外光吸收量很小吸收量很小尘埃尘埃1.352.85m , 2.7m ,4.3m ,14.5m CO2吸收带吸收带0.50.9m , 0.952.85m ，6.25m H2O吸收带吸收带0.20.36m ，0.6m O3吸收带吸收带，如大气中的云、雾、水滴、尘埃，如大气中的云、雾、水滴、尘埃(直径直径5-100m )的散射，约同等地散射所有可见光、近红外光，故看到的云雾的散射，约同等地散射所有可见光、近红外光，故看到的云雾是白色或灰白色。是白色或灰白色。 （2）米氏散射：）米氏散射：d ，其散射强度受气象

21、条件影响大；，其散射强度受气象条件影响大；如大气中悬浮微粒如大气中悬浮微粒霾、水滴、尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、霾、水滴、尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶的散射。火山灰等气溶胶的散射。（1）瑞利散射：）瑞利散射：d 0.50.5m m 时，时，米氏散射米氏散射影响大。影响大。n微波微波的波长的波长 云中的小雨滴的直径，而散射强度与波长四云中的小雨滴的直径，而散射强度与波长四次方成反比，次方成反比，波长越长，散射强度越小波长越长，散射强度越小，因此，微波具有极，因此，微波具有极强的穿透云层的能力；强的穿透云层的能力；n红外辐射红外辐射穿透云层能力穿透云层能力 1010倍倍以

22、上。以上。n大气对太阳光的散射和吸收造成了遥感图像清晰度下降。大气对太阳光的散射和吸收造成了遥感图像清晰度下降。四、大气窗口四、大气窗口n通常把电磁波通过大气层时通常把电磁波通过大气层时衰减较少衰减较少而而透射率较高透射率较高的波段称的波段称为为大气窗口大气窗口。这是对地遥感要用的部分这是对地遥感要用的部分。透透射射率率近红外近红外可见光可见光中红外中红外远红外远红外2022年5月7日34v1 1、紫外线：、紫外线：0.010.010.40.4 mm，太阳辐射中，太阳辐射中0.30.30.40.4 mm波长的光波长的光能到达地面，探测碳酸盐岩的分布，监测油污染，探测高度常能到达地面，探测碳酸盐

23、岩的分布，监测油污染，探测高度常在在2000 m2000 m以下。以下。v2 2、可见光、可见光：0.380.380.760.76 mm，人眼对可见光有敏锐的感觉，是，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术中的重要波段。遥感技术中的重要波段。v3 3、红外线：、红外线：0.760.7610001000 mm，根据性质分为近红外、中红外、，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。远红外和超远红外。v4 4、微波、微波：1 1mmmm1m1m，穿透性好，不受云雾的影响，能全天，穿透性好，不受云雾的影响，能全天时全天候的遥感探测时全天候的遥感探测。遥感中常用的大气窗口遥感中常用的大气窗口2022

24、年5月7日35太阳辐射在地太阳辐射在地-气系统中的物理过程：气系统中的物理过程：n电磁波在大气中传播时，主要受大气的电磁波在大气中传播时，主要受大气的吸收、散射吸收、散射和和反射反射等物理过程的影响。等物理过程的影响。2022年5月7日36 第五节第五节 太阳辐射与地面的相互作用太阳辐射与地面的相互作用 一、反射作用一、反射作用二、反射率二、反射率三、反射光谱曲线三、反射光谱曲线四、常见地物的光谱曲线四、常见地物的光谱曲线五、吸收作用五、吸收作用六、透射作用六、透射作用n到达地面的太阳辐射能量反射能量到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量吸收能量透射能量n但多数地物对可见光没有透射能力

25、，吸但多数地物对可见光没有透射能力，吸收太阳辐射后，形成的辐射很弱可以忽收太阳辐射后，形成的辐射很弱可以忽略，因此，略，因此，在可见光和近红外波段的遥感，在可见光和近红外波段的遥感，主要以地面地物反射太阳辐射为主主要以地面地物反射太阳辐射为主2022年5月7日38一、反射作用一、反射作用镜面反射镜面反射 漫反射漫反射实际地面反射实际地面反射2022年5月7日39二、反射率二、反射率n地物在不同波段的反射率是不同的。它可以测定。地物在不同波段的反射率是不同的。它可以测定。n反射率与反射率与地物的表面颜色、粗糙度和湿度地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。等有关。n反射率大，影像上色调浅；反之，色调

26、深。反射率大，影像上色调浅；反之，色调深。n地物的反射光谱曲线地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。：反射率随波长变化的曲线。2022年5月7日40三、反射光谱曲线三、反射光谱曲线n地物反射率随波长是地物反射率随波长是变化的，以波长作为变化的，以波长作为横坐标，反射率作为横坐标，反射率作为纵坐标，将地物反射纵坐标，将地物反射率随波长的变化绘制率随波长的变化绘制成曲线成曲线n地物的地物的反射光谱曲线反射光谱曲线 地物的反射率随地物的反射率随波长变化的曲线波长变化的曲线。1 2453不同地物的反射波谱曲线不同不同地物的反射波谱曲线不同四、四、常见地物的光谱曲线常见地物的光谱曲线1）可见光区域

27、）可见光区域(0.4-0.76m )有一反射峰，在有一反射峰，在0.55m 绿光处绿光处， 2侧有侧有2个吸收带；个吸收带；2）近红外区域）近红外区域(0.76-1.3m )有一反射陡坡有一反射陡坡(0.74m )，至，至1.1m 附近有一峰值；附近有一峰值；3）在短波红外区域（）在短波红外区域（ 1.3-2.5m ），受植物含水量影响，吸收率增大），受植物含水量影响，吸收率增大,反射率降低，形反射率降低，形成以成以1.45m 、 1.95m 、 2.7m 为中心的吸收带。为中心的吸收带。1、植物的反射光谱曲线：、植物的反射光谱曲线：2022年5月7日42不同生长状况的植物反射波谱曲线不同生长

28、状况的植物反射波谱曲线 2022年5月7日43不同植被类型的反射光谱曲线比较不同植被类型的反射光谱曲线比较2022年5月7日442 2、水体的反射光谱曲线、水体的反射光谱曲线遥感影像上水体是遥感影像上水体是深色调或黑色，清深色调或黑色，清水在水在蓝绿光波段蓝绿光波段(0.43-0.56m )有较强有较强反射，在其它波段反射，在其它波段吸收很强。吸收很强。2022年5月7日453 3、三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线、三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线土壤的光谱曲线较平滑土壤的光谱曲线较平滑, ,在遥感影像上亮度区别不明显在遥感影像上亮度区别不明显土质越细反射率越高土质越细反射率越高有

29、机质含量越高反射率越低有机质含量越高反射率越低2022年5月7日464 4、岩石的光谱曲线、岩石的光谱曲线岩石在近红外波段区分能力较强，如岩石在近红外波段区分能力较强，如TM5(1.55-1.75m )和和TM7(2.08-2.35m )能较好区分岩性能较好区分岩性1.02022年5月7日47应用地物波谱特性时需要注意的问题：应用地物波谱特性时需要注意的问题：n地物存在地物存在“同物异谱同物异谱”和和“异物同谱异物同谱”现象现象（中低分（中低分辨率影像）辨率影像）。 n“同物异谱同物异谱”是指同一类型的地物，在某个波段上是指同一类型的地物，在某个波段上波谱特征不同；波谱特征不同；n“异物同谱异

30、物同谱”是指不同类型的地物具有相同的波谱是指不同类型的地物具有相同的波谱特征。特征。2022年5月7日48五、吸收作用五、吸收作用n（一）地表的辐射（一）地表的辐射n（二）发射率（二）发射率n（三）辐射温度（三）辐射温度2022年5月7日49（一）地表的辐射（一）地表的辐射n太阳辐射到达地面，一部分能量被地物吸收并且转换成热太阳辐射到达地面，一部分能量被地物吸收并且转换成热能，使地表具有一定温度再发射，被称为能，使地表具有一定温度再发射，被称为“热辐射热辐射”。n地表辐射：地球表面发出的电磁辐射。地表辐射：地球表面发出的电磁辐射。n地表温度为地表温度为300K300K，其最大辐射波长为其最大辐

31、射波长为9.669.66m m 。因地表。因地表热辐射能量主要集中在远红外波段，因此远红外波段又叫热辐射能量主要集中在远红外波段，因此远红外波段又叫热红外波段热红外波段。n探测地物的热辐射一般选择探测地物的热辐射一般选择8 81414m m 的波段范围。的波段范围。n热红外探测一般选择在热红外探测一般选择在夜间夜间进行？进行？2022年5月7日50地表辐射的分段特性：地表辐射的分段特性：波段可见光近红外中红外热红外波长0.3-2.5m 2.5-6m 6m 辐射特性地表反射太阳辐射为主地表反射太阳辐射和自身的热辐射地表自身热辐射为主2022年5月7日51（二）发射率（二）发射率n发射率是地物的辐

32、射能量与相同温度下黑体辐射能量之比，发射率是地物的辐射能量与相同温度下黑体辐射能量之比，又叫又叫比辐射率比辐射率。地物发射率的差异是热红外遥感的解译基础。地物发射率的差异是热红外遥感的解译基础。n地物的发射率与其吸收率成正比，与地物的发射率与其吸收率成正比，与地表的粗糙度、颜色和地表的粗糙度、颜色和温度温度等有关，表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。等有关，表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。 n地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热大、热惯性大地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热大、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大

33、，白天就小。n因此，因此，探测地物热辐射特性的热红外遥感，在夜间和白天进探测地物热辐射特性的热红外遥感，在夜间和白天进行监测的结果是不同的行监测的结果是不同的。？。？2022年5月7日52利用利用热红外遥感热红外遥感探测地热、水体污染和城市热岛很有效探测地热、水体污染和城市热岛很有效2022年5月7日53水温的探测水温的探测 水体的热容量大，在热红外波段有明显特征。水体的热容量大，在热红外波段有明显特征。1 1、白天白天，水体将太阳辐射能大量地吸收储存，增温比陆地慢，水体将太阳辐射能大量地吸收储存，增温比陆地慢，在遥感影像上表现为在遥感影像上表现为热红外波段辐射低，热红外波段辐射低，呈暗色调呈

34、暗色调。2 2、夜间夜间，水温比周围地物温度高，发射辐射强，在热红外，水温比周围地物温度高，发射辐射强，在热红外影像影像上呈高辐射区，上呈高辐射区，为浅色调为浅色调。 因此，夜间热红外影像可用于寻找温泉。因此，夜间热红外影像可用于寻找温泉。 根据热红外传感器的温度定标，可在热红外影像上反演出水根据热红外传感器的温度定标，可在热红外影像上反演出水体的温度。体的温度。2022年5月7日54（三）辐射温度（三）辐射温度n地表的地表的辐射温度辐射温度，也叫，也叫亮度温度或表征温度亮度温度或表征温度，是指能辐射出，是指能辐射出与观测地物相等辐射能量的黑体温度。与观测地物相等辐射能量的黑体温度。n热红外遥

35、感探测的地物热辐射量用热红外遥感探测的地物热辐射量用辐射温度辐射温度表示，表示，微波遥感中常用微波遥感中常用亮度温度亮度温度表示，它们不是地面真实表示，它们不是地面真实温度，是接收的热辐射能量的转换值，在图像上表温度，是接收的热辐射能量的转换值，在图像上表示为亮度。示为亮度。 2022年5月7日55六、透射作用六、透射作用n太阳辐射到达地面时，能穿透地面一定深度，这种太阳辐射到达地面时，能穿透地面一定深度，这种现象叫现象叫透射透射。 n自然界绝大多数地物对可见光没有透射能力自然界绝大多数地物对可见光没有透射能力。 n红外线只对具有半导体特性的地物，才有一定的透红外线只对具有半导体特性的地物，才

36、有一定的透射能力。射能力。 n微波对地物具有明显的透射能力，其透射深度由入微波对地物具有明显的透射能力，其透射深度由入射微波的波长决定。射微波的波长决定。 n水体水体对可见光波段的电磁波透射能力较强对可见光波段的电磁波透射能力较强 。 2022年5月7日56第六节第六节 三种遥感模式三种遥感模式依据传感器探测能量的波长和研究的需要，依据传感器探测能量的波长和研究的需要，一般有三种基本的遥感模式：一般有三种基本的遥感模式： n可见光可见光/ /近红外遥感近红外遥感n热红外遥感热红外遥感n雷达遥感雷达遥感传感器记录地球表面反射太阳辐射的能量，传感器记录地球表面反射太阳辐射的能量，此类遥感主要集中在

37、可见光和近红外波段此类遥感主要集中在可见光和近红外波段 传感器记录地表自身所发射的辐射能量，传感器记录地表自身所发射的辐射能量，此类遥感主要集中在热红外波段此类遥感主要集中在热红外波段 传感器自身发射出能量，然后探测传感器自身发射出能量，然后探测并记录地表对该能量的反射并记录地表对该能量的反射 2022年5月7日57第二章第二章 传感器传感器第一节第一节 传感器概述传感器概述第二节第二节 摄影型传感器摄影型传感器第三节第三节 扫描型传感器扫描型传感器第四节第四节 微波成像类传感器微波成像类传感器 本章主要介绍传感器的组成、分类、本章主要介绍传感器的组成、分类、性能性能、各种传感器及、各种传感器

38、及其数据获取的成像原理和方式以及传感器未来的发展趋势。其数据获取的成像原理和方式以及传感器未来的发展趋势。第一节第一节 传感器概述传感器概述一、传感器类型一、传感器类型传感器传感器被动式被动式主动式主动式非扫描方式非扫描方式扫描方式扫描方式(成像方式成像方式)非成像方式：微波辐射计，地磁测量仪等非成像方式：微波辐射计，地磁测量仪等成像方式（照相机）成像方式（照相机） ：航空遥感图片：航空遥感图片像面扫描方式像面扫描方式 ：固体扫描仪、：固体扫描仪、TV摄像机摄像机物面扫描仪物面扫描仪 ：光机扫描仪、微波辐射计：光机扫描仪、微波辐射计非扫描方式（非成像）：微波散射计，微波高度计等非扫描方式（非成

39、像）：微波散射计，微波高度计等扫描方式扫描方式(成像方式成像方式)像面扫描方式像面扫描方式 ：被动型相控阵雷达：被动型相控阵雷达物面扫描方式物面扫描方式 ：真实：真实/合成孔径雷达合成孔径雷达2022年5月7日59n1 1、按传感器工作方式、按传感器工作方式 n2 2、按传感器记录方式、按传感器记录方式 n3 3、按成像原理和所获取图像性质、按成像原理和所获取图像性质n4 4、按传感器响应波长不同、按传感器响应波长不同主动式传感器和被动式传感器主动式传感器和被动式传感器 成像方式的传感器和非成像方式的传感器成像方式的传感器和非成像方式的传感器 摄影机、扫描仪和雷达摄影机、扫描仪和雷达光场传感器

40、（可见光和近红外）、热场传感器、微波光场传感器（可见光和近红外）、热场传感器、微波2022年5月7日60二、传感器组成：二、传感器组成：传感器多由传感器多由收集器、探测器、处理器、输出器收集器、探测器、处理器、输出器等等4 4部分组成部分组成 收集器收集器：收集来自目标地物的电磁波能量。：收集来自目标地物的电磁波能量。 探测器探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。：将收集的辐射能转变成化学能或电能。 处理器处理器：将探测后的化学能或电能等信号进行处理：将探测后的化学能或电能等信号进行处理 输出器输出器：输出获得的图像、数据。：输出获得的图像、数据。2022-5-761三、传感器的性能三、传

41、感器的性能n遥感图像主要提供三方面的信息：遥感图像主要提供三方面的信息：n 1 1、目标地物的大小、形状及空间分布特点、目标地物的大小、形状及空间分布特点n 2 2、目标地物的属性特点、目标地物的属性特点n 3 3、目标地物的动态变化特点、目标地物的动态变化特点n 因此，可将遥感图像归纳为三方面的特征，即因此，可将遥感图像归纳为三方面的特征，即几何特征几何特征、物理物理特征特征 和和 时间特征时间特征。n 这几个特征的要通过传感器的这几个特征的要通过传感器的空间分辨率、光谱分辨率、空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率和时间分辨率辐射分辨率和时间分辨率来反映。来反映。2022-5-762（一）空间

42、分辨率（一）空间分辨率（Spatial resolution）n空间分辨率空间分辨率也叫也叫地面分辨率地面分辨率，前者是对记录的图像，后者针，前者是对记录的图像，后者针对地表。对地表。n地面分辨率地面分辨率: :可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小. .n空间分辨率空间分辨率：图像上能详细区分的最小单元的尺寸或大小，：图像上能详细区分的最小单元的尺寸或大小，或者指遥感器区分或者指遥感器区分2 2个目标的最小角度或线性距离的度量。个目标的最小角度或线性距离的度量。n它们都反映对它们都反映对2 2个非常靠近的目标物的识别、区分能力，有个非常靠近的目标物的

43、识别、区分能力，有时也称分辨力或解像力。时也称分辨力或解像力。2022-5-763n一般有以下表示方法：一般有以下表示方法： n1、像元、像元：指扫描图像的最小单元所对应的地面范：指扫描图像的最小单元所对应的地面范围，单位是米或公里。围，单位是米或公里。扫描成像扫描成像n2、像解率（线对数）、像解率（线对数）：指摄影成像中胶片每毫米：指摄影成像中胶片每毫米所包含的线对数。单位是线对所包含的线对数。单位是线对/mm。摄影成像摄影成像n“线对线对”指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的明暗条对。明暗条对。n3、瞬时视场角（、瞬时视场角（IFOV）：指电子传感器的瞬

44、时视：指电子传感器的瞬时视域（观测视野），用毫弧度表示，是传感器的空间域（观测视野），用毫弧度表示，是传感器的空间分辨率。分辨率。扫描成像扫描成像2022-5-764不同空间分辨率的图像不同空间分辨率的图像2022-5-765并非空间分辨率越高越好并非空间分辨率越高越好u不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，并不一定不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，并不一定是距离越近越好，观测越细微越好。是距离越近越好，观测越细微越好。u要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察。要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察。不同遥感目的，所要求的分辨率是不同的。不同遥感目的，所要求的分辨率是不同的

45、。空间分辨率空间分辨率是设置遥感器时必须重点考虑的因素；是设置遥感器时必须重点考虑的因素；2022-5-766（二）波谱分辨率（二）波谱分辨率（Spectral resolution）n遥感器所选用的遥感器所选用的波段数量的多少、各波段的波长位波段数量的多少、各波段的波长位置及波段间隔的大小置及波段间隔的大小等。等。n传感器的波段选择，要考虑目标物的光谱特征值。不同波传感器的波段选择，要考虑目标物的光谱特征值。不同波谱分辩率的传感器对同一地物探测效果有很大区别。谱分辩率的传感器对同一地物探测效果有很大区别。n如探测森林火灾时，宜选择如探测森林火灾时，宜选择3 35m5m的波长的波长。2022-

46、5-767水稻水稻: 99-15水稻水稻: 武香武香5021水稻水稻: 99-1580 波段波段光谱波长间隔越小，波谱分辨率越高光谱波长间隔越小，波谱分辨率越高2022-5-7682022-5-769（三）时间分辨率（三）时间分辨率（Temporal resolution）定义：对同一地区重复获取图像所需要的时间间隔。定义：对同一地区重复获取图像所需要的时间间隔。( (重访周期重访周期) )2022-5-770（四）辐射分辨率（四）辐射分辨率（Radiometric resolution）n定义：定义：是指传感器接收波谱信号时能分辨的最是指传感器接收波谱信号时能分辨的最小辐射度差。小辐射度差。

47、（即传感器将截获的电磁辐射能够分出（即传感器将截获的电磁辐射能够分出的等级）的等级）n在遥感图像上表现为每一像元的在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级（最暗辐射量化级（最暗最最亮灰度值间分级的数目）亮灰度值间分级的数目）。 nMSS图像：图像： 6bit 6bit 量化级量化级为为64级。级。 nTMTM、SPOTSPOT等遥感图像：等遥感图像：8bit 8bit 量化级量化级256256nIKONOS IKONOS 和和QuickBird QuickBird ：11bit 11bit 量化级量化级 204820482022-5-771辐射分辨率辐射分辨率传感器的性能传感器的性能传感器的探测

48、灵敏精度传感器的探测灵敏精度2022年5月7日72第二节第二节 摄影型传感器摄影型传感器n遥感中常见的摄影机有遥感中常见的摄影机有单镜头框幅式摄影机单镜头框幅式摄影机、缝隙式摄影、缝隙式摄影机、全景式摄影机、多光谱摄影机机、全景式摄影机、多光谱摄影机。 航空摄影机结构示意图航空摄影机结构示意图 使用使用较多较多2022年5月7日73框幅式中心投影地面被拍地面被拍摄物体摄物体是其他遥感成像的基是其他遥感成像的基础（不包括雷达）础（不包括雷达）地面被地面被拍摄物拍摄物体体透镜透镜像平面像平面2022年5月7日74真彩色真彩色彩红外彩红外框幅式摄影航空遥感影像框幅式摄影航空遥感影像2022年5月7日

49、75数码摄影机n成像原理与一般摄影机同，为框幅式摄像机，结成像原理与一般摄影机同，为框幅式摄像机，结构也类似。构也类似。n不同的是：其记录介质不是感光胶片，而是光敏不同的是：其记录介质不是感光胶片，而是光敏电子器件，如电子器件，如CCD（电荷耦合器件（电荷耦合器件Charge Coupled Device的缩写）的缩写） 2022年5月7日76全景摄影机 全景摄影畸变：相片两端的地表景物被压缩。类似于垂直全景摄影畸变：相片两端的地表景物被压缩。类似于垂直于轨道的扫描仪的工作原理于轨道的扫描仪的工作原理 全景摄影机的特点是焦距长，可达全景摄影机的特点是焦距长，可达600 mm以上，可在长以上，可

50、在长约约23 cm，宽达，宽达128 cm的胶片上成像。它的精密透镜既小的胶片上成像。它的精密透镜既小又轻，又轻，扫描视场很大扫描视场很大，可达，可达180度。度。全景图片全景图片2022年5月7日78航天摄影机航天摄影机2022年5月7日79主要特点：主要特点：n摄影方式可以获得高空间分辨率图像，影像较清摄影方式可以获得高空间分辨率图像，影像较清晰，由于晰，由于不通过无线传输不通过无线传输，在军事上可保证信息，在军事上可保证信息的安全性。的安全性。n但摄影方式由于感光材料的局限，但摄影方式由于感光材料的局限，可感光的电磁可感光的电磁波波长很有限，通常只能在可见光及近红外范围波波长很有限，通常

51、只能在可见光及近红外范围内内，使得它的探测能力受到限制。，使得它的探测能力受到限制。2022年5月7日80第三节第三节 扫描型传感器扫描型传感器n一、光机扫描仪一、光机扫描仪 n二、二、CCDCCD固体自扫描仪（推帚式扫描仪）固体自扫描仪（推帚式扫描仪） n三、高光谱传感器（成像光谱仪）三、高光谱传感器（成像光谱仪）2022年5月7日81一、光机扫描仪一、光机扫描仪1 1、光学、光学/ /机械扫描成像系统：机械扫描成像系统：n在扫描仪前方安装在扫描仪前方安装光学镜头光学镜头，依靠依靠机械传动装置机械传动装置使镜头摆动，使镜头摆动，形成对目标物的形成对目标物的逐点逐行扫描逐点逐行扫描。2 2、扫

52、描仪：由四方棱镜、若干、扫描仪：由四方棱镜、若干反射镜和探测器组成。反射镜和探测器组成。 n探测器探测器: :把电磁波能量转换成电把电磁波能量转换成电信号信号, ,再经电光转换成光能量再经电光转换成光能量, ,形成影像。形成影像。2022年5月7日82决定光机扫描仪决定光机扫描仪几何特征几何特征的指标：的指标：n 1 1、瞬时视场角、瞬时视场角：在某一很短：在某一很短时间内时间内, ,假定飞行器静止时，假定飞行器静止时，遥感仪器所观测到的地面面积；遥感仪器所观测到的地面面积；即扫描仪的即扫描仪的空间分辨率空间分辨率。n其范围也叫像元其范围也叫像元, ,图像由多个像图像由多个像元组成。元组成。n

53、 2 2、总视场角、总视场角：扫描带对应的：扫描带对应的地面宽度。地面宽度。n扫描仪的扫描角固定，遥感平台扫描仪的扫描角固定，遥感平台高度越高，其地面总视场越大。高度越高，其地面总视场越大。2022年5月7日83二、二、 CCDCCD固体自扫描仪（推帚式扫描）固体自扫描仪（推帚式扫描）n推帚式扫描仪是把多推帚式扫描仪是把多CCDCCD探测元件按探测元件按线性排列线性排列方式方式装置，并与卫星前进方向装置，并与卫星前进方向垂直，而且垂直，而且探测元件的数探测元件的数目等于扫描线上的像元数目等于扫描线上的像元数，沿卫星前进方向推帚式扫沿卫星前进方向推帚式扫描成像。描成像。推帚式扫描仪的数据采集推帚

54、式扫描仪的数据采集(Campbell, 2003) 2022年5月7日84CCDCCD固体自扫描仪（固体自扫描仪（推帚式扫描仪）推帚式扫描仪）n1 1、固体自扫描、固体自扫描：n是用固定的探测元件，通是用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的一种成像地物进行扫描的一种成像方式。方式。n2 2、常用的探测元件是、常用的探测元件是CCDCCD（电荷耦合器件）（电荷耦合器件）：n优点：能自扫描、感受波优点：能自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、小、重量轻、系统噪声低、动耗小、寿命长、可靠性动耗小、寿命长、可靠性高等。

55、高等。n 自扫描自扫描比光机扫描先进。比光机扫描先进。2022年5月7日85主要特点：主要特点：n扫描方式可获取比摄影方式波段宽得多的电磁波扫描方式可获取比摄影方式波段宽得多的电磁波信息，特别是红外波段的信息，由于采用了光电信息，特别是红外波段的信息，由于采用了光电技术，所获取的数据有利于通过无线方式进行传技术，所获取的数据有利于通过无线方式进行传输，这有利于遥感图象的输，这有利于遥感图象的实时传输实时传输。n但扫描方式成像技术复杂，增加了图象受干扰的但扫描方式成像技术复杂，增加了图象受干扰的因素，增加了几何变形的复杂性，空间分辨率也因素，增加了几何变形的复杂性，空间分辨率也没有摄影方式的高。

56、没有摄影方式的高。2022年5月7日86三、高光谱传感器三、高光谱传感器( (成像光谱仪成像光谱仪) ) n1 1、成像光谱技术、成像光谱技术：通常的多波段扫描仪将可见光和红外波段：通常的多波段扫描仪将可见光和红外波段分割成分割成几个到十几个几个到十几个波段。对遥感而言，在一定波长范围内，波段。对遥感而言，在一定波长范围内，被分割波段数愈多，即波谱取样点愈多愈接近于连续波谱曲被分割波段数愈多，即波谱取样点愈多愈接近于连续波谱曲线，因此可以使得扫描仪在线，因此可以使得扫描仪在取得目标地物图像取得目标地物图像的同时也的同时也能获能获取该地物的光谱组成取该地物的光谱组成。这种既能成像又能获取目标曲线

57、的。这种既能成像又能获取目标曲线的“谱像合一谱像合一”的技术，称为的技术，称为成像光谱技术成像光谱技术。n按该原理制成的扫描仪称为按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪成像光谱仪。 2 2、高光谱成像技术简介、高光谱成像技术简介n遥感进展中的新技术，其图像由多达数百个波段的非常窄的连续光谱遥感进展中的新技术，其图像由多达数百个波段的非常窄的连续光谱段组成（常用的多光谱扫描仪只有几个段组成（常用的多光谱扫描仪只有几个十几个波段），光谱覆盖了十几个波段），光谱覆盖了可见光、近红外、中红外、远红外区域全部光谱段，其光谱仪成像多可见光、近红外、中红外、远红外区域全部光谱段，其光谱仪成像多采用采用扫描式或推

58、扫式扫描式或推扫式，可以收集，可以收集200200以上波段的数据，所以图像中每以上波段的数据，所以图像中每一个像元均能得到连续的反射率曲线（而传统的光谱仪在波段之间存一个像元均能得到连续的反射率曲线（而传统的光谱仪在波段之间存在间隔）。在间隔）。3 3、 高光谱成像光谱仪工作方式高光谱成像光谱仪工作方式n线阵列（光线阵列（光/ /机）扫描机）扫描：主要用于航空遥感中，较慢的飞行速：主要用于航空遥感中，较慢的飞行速度使空间分辨率的提高成为可能。度使空间分辨率的提高成为可能。n面阵列推扫式面阵列推扫式：有多少个波段就有多少个探测元件。：有多少个波段就有多少个探测元件。n成像光谱仪重在提高光谱分辨率

59、，多用于地物的光谱分析和成像光谱仪重在提高光谱分辨率，多用于地物的光谱分析和识别，对特殊矿产探测和海洋水色调查有效。识别，对特殊矿产探测和海洋水色调查有效。2022年5月7日88高光谱成像2022-5-789第四节第四节 微波成像类传感器微波成像类传感器一、微波遥感的特点一、微波遥感的特点二、微波遥感方式和成像类传感器二、微波遥感方式和成像类传感器 2022-5-790n电磁波谱中波长在电磁波谱中波长在1 11000mm1000mm的波段范围叫的波段范围叫微波。微波。n分为：毫米波（分为：毫米波（1 110mm10mm）、厘米波（）、厘米波（1 110cm10cm）、分米波）、分米波（1010100cm100cm）和米波（）和米波（100cm100cm）。）。n微波遥感微波遥感是指通过是指通过获取从目标地物发射或反射的获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。2022-5-791一、一、 微波遥感的特点微波遥感的特点n1