可见光与热红外遥感原理与应用

1、 原理与应用第一章遥感基本原理电磁波及电磁波谱电磁波根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场，并在更远的地方引起新的变化磁场。这种变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间传播的过程称为电磁波。电磁波的传播过程也就是能量的传递过程。电磁波遥感：一切物体，由于种类、特征和环境条件不同，而具有完全不同的电磁波的反射或者发射特征。遥感技术是建立在物体反射或发射电磁波的原理上。电磁波的存在是获取遥感图像的物理前提。电磁波在真空中传播的波长或者频率，按照递增或递减顺序排列成谱，就得到了电磁波谱。电磁波谱的范围表示方法：波长/频

2、率电磁波谱无0.*1Jtt;侯肚I1JXIfl1KKlflua0.呻3出1。呻3X1&*期汕切严如捫#iLQQpm|I(dI：fr护IWaaLIk)X1*|X|DnX|&a*1KJ*SKJfl1IMlOTxJMId*IKJflNkmIMlixi徨忆丄3M4JXti*彝卓/THz堆鬥ifi如扑帚1琲辰逬蚪IS电址外IQ1$SOi&Jl/|un3X10113Xid19jxlfl#/?HE克米诜243百丽SB2DMLdOl/cnj/GHz3I*fijw料:it1a40.47黑体辐射黑体（基尔霍夫1806年）是指在任何温度下，对所有波长的电磁辐射都能够完全吸收同时能够在热力学定律所允许的范围内最大限度

3、地把热能变成辐射能的理想辐射体。它是作为研究物体发射的计量标准。（黑色烟煤）电磁辐射的度量电磁辐射是具有能量的。辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）辐射通量：在单位时间内通过的辐射能量，单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）辐射出射度（辐射通量密度）：单位面积上的辐射通量，单位是瓦/米2（W/m2）物理定律电磁波发射遵循三个物理定律：普朗克定律、斯特潘-波尔曼定律、维恩位移定律普朗克辐射（plank）定律对于黑体辐射源，普朗克成功给出了辐射通量密度W入与温度T、波长入的关系：2jzhc21式中：W入为辐射出射度(辐射通量密度)，入是以m为单位的波长，T绝对温度(K),h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，

4、c是光速。在给定温度下，黑体的光谱辐射能力随波长而变化。温度愈高，W愈大，即光谱辐射能力越强。斯特潘-玻尔曼(Stefan-boltzmann)定律将普朗克公式从零到无穷大的波长范围内积分，得到从单位面积的黑体上辐射到半球空间里w=空冥門=dT4的总辐射出射度w。式中：o称为斯-波常数。黑体的发射能量随温度的升高而迅速增大。热红外遥感就是利用这一原理进行识别地物的。维恩位移(wiens)定律微分普朗克公式，并求极值，可得到黑体光谱出射率最大值所对应的波长，及峰值波长入max。Amax-|式中，入max的单位为umoT的为绝对温度。黑体的分支波长入max与其绝对温度成反比。当黑体的绝对温度增高时

5、，黑体出射率的极大值向短波长方向移动。太阳辐射是短波辐射；人、地面和大气辐射是长波辐射。遥感上常用这种方法来选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。亠畫-書雲*|翼畫理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。太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致。能量分布：大部分能量集中于近紫外-中红外区内，占全部能量的97.5%,其中可见光占43.5%,近红外占36.8%，中红外12%，近紫外5.32%。在这个区段内，太阳辐射的强度变化很小，可以当作稳定的光源。而X射线、y射线、远紫外线、微波波段的太阳辐射能小于1%。受到黑子以及耀斑的影响，强度

6、变化大。大气对电磁波的影响大气对电磁波的辐射影响：地球大气，大气对太阳辐射的吸收、散射作用，大气窗口及透射分析，大气衰减。地球大气它既是遥感的对象，又是从空间遥感地面时电磁辐射必须通过的介质。大气成分：有氮、氧（99%）和各种微量气体如二氧化碳、甲烷、氧化氮、氢、臭氧等。大气结构：大气在垂直地表方向上的分布可分为：对流层、平流层、电离层、外大气层。空中摄影二次通过大气层；红外辐射仪一次通过大气层；低空飞机几乎可忽略大气影响；星载遥感器需通过整个大气层；路径长度、电磁辐射能量信号的强弱、大气条件、以及波长等，对遥感图像和数据质量均有重要影响。LT%被地理大q吸妝.丈p】0匸r?K】D：哨丹油气戟

7、谢肚射到览而L3Xfta1-JS-7S大气散射大气散射是电磁辐射能受到大气中微粒（大气分子或气溶胶等）的影响，而改变传播方向的现象。散射的强度依赖于微粒的大小、含量、辐射波长、和能量传播穿过大气的厚度。散射的结果是改变辐射方向，产生天空散射光，其中一部分上行被空中的遥感器接收，下行的部分到达地表散射的方式随主要有米氏散射、瑞丽散射、和均匀散射。当入=r时，发生的散射称米氏散射：当r入时，发生的散射称均匀散射：当r入时，发生的散射称瑞利散射。（其中，r为引起散射的大气粒子的直径，入为入射电磁波的波长。）A瑞丽散射（r入）散射强度I与波长入的四次方成反比。大气中的气体分子氧气、氮气等对可见光的散射

8、属于此类。在一般大气条件下，瑞丽散射起主导作用。大气分子引起的瑞丽散射主要发生在可见光和近红外波段，对红外的影响很小，对微波基本没有多大影响。瑞丽散射是造成遥感影像辐射畸变、图像模糊的主要原因，它降低了图像的清晰度和对比度。应用举例：（1）天空呈现蓝色（2）日出出落时太阳呈现红色（3）红光作指示灯均匀散射（r入）大气中的云、雾、水滴、尘埃等散射属于此类，直径一般为5-100ym其反射强度与波长无关，大约同等的散射所有的可见光、近红外波段。因而，云、雾成白色、灰白色为什么阴天不利于可见光进行遥感探测呢？答：晴天时，可见光通过大气时发生瑞丽散射，蓝光比红光散射的多：当天空有云或者雨层时，满足均匀散

9、射的条件，各个波长的可见光散射强度相同，此时散射比较大，可见光难以通过云层。米氏散射（入=r）大气中的悬浮颗粒霾、水滴、尘埃、烟等气溶胶的散射属于此类。米氏散射的影响到比瑞丽散射更长的波段，从近紫外到红外波段都有影响。米氏散射与大气中微粒的结构、数量有关系，其强度受到气候影响较大。在大气层的0-5km，微粒更大数量更多，散射最强。米氏散射能叠加与瑞利散射之上，使天空变得阴暗。散射对遥感的影响：降低了太阳光直射的方向，削弱了到达地面或地面向外的辐射。大气散射对遥感、遥感数据传输的影响极大。降低了遥感影像的反差，降低了图像的质量以及图像上空间信息的表达能力。大气对电磁辐射的作用吸收作用吸收电磁辐射

10、是物质的普通性质，是指电磁辐射与物体作用后，转化为物体的内能。根据吸收的强弱和随波长的变化，吸收分为两种：一般吸收。在电磁辐射的整个波段内都有吸收.且吸收率随波长的变化几乎不变的吸收。选择吸收。在一些波段上吸收很大.而一些波段上吸收很少，即吸收率随波长的变化有急剧变化的吸收。例如：石英在可见光范围内为一般吸收，在红外波段为选择吸收。吸收类型：水汽(H2O)吸收。水汽对电磁辐射的吸收最为显著，其吸收带集中在中红外波段。水汽吸收带很多，归纳起来为：2个宽的强吸收带：波长为2.273.57|im和4.97.8|im。.2个窄的强吸收带：其中心波长分别为1.38ym、1.86ym。1个弱的窄吸收带：波

11、长0.71.23ym。臭氧(O3)吸收。臭氧吸收集中在紫外波段，对波长0.3ym以下的波段全部吸收在9.6ym附近有一很窄的弱吸收收带。氧气(O2)吸收。氧气对电磁辐射的吸收发生在小于0.2ym、0.69ym、0.76ym几处，但都很弱。二氧化碳(CO2)吸收。CO2对电磁辐射的吸收主要发生在大于2ym的红外波段。1个宽的吸收带：波长大于13ym的超远红外线几乎全被吸收受。2个窄的强吸收带：2.62.8ym和4.14.45ym。诱射作用当电磁波入射到两种介质的分界面时，部份入射能穿越两介质的分界面的现象称为透射。自然界中，人们最熟悉的是水体的诱射能力。这是因为人们可以直接观察到可见光谱段辐射能

12、的诱射现象。然而，可见光以外的诱射，虽人眼看不见，但它是客观存在的，如植物叶子，对于可见光辐射是不诱明的，但它能诱射一定量的红外辐射。为传感器寻找最佳通道，给辐射校正提供基本资料。如对地面物体进行遥感时，一定要选用“大气窗口”；大气遥感，则应选择衰减系数大的波段，才能收集到有关大气成份、云高、气压分布和温度等方面的信息。大气窗口：电磁波通过大气层时，较少被反射、吸收和散射，而诱射率高的波段成为大气窗口。0.31.3um，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。例如，LandsatTM的14波段，SPOT卫星的HRV波段等。1.51.8um

13、,2.03.5um,即近、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段。例如，TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。3.55.5um，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。例：NOAA卫星的AVHRR传感器用3.553.93um探测海面温度，获得昼夜云图。814um，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。0.82.5cm,即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。其常用的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm。大气衰减电磁波在大气中传播时，

14、因大气的吸收和散射作用，使强度减弱，即为大气衰减。因此而引起的光线强度的衰减叫做消光。大气的吸收使电磁波强度减弱,使得遥感影像变得暗淡。大气衰减的数值取决于大气状况及电磁波的波长。电磁波与物体的相互作用电磁辐射能与地表的相互作用，主要有三种基本的物理过程反射、吸收、透射。其中，反射是最普遍最常用的性质。应用能量守恒原理，可将三者关系描述如下：EI（入）=ER（入）+EA（入）十Et（入）其中，EI为入射能量，ER为反射能，EA为吸收能，Et为透射能，它们均是波长的函数。能量反射R、吸收A、透射t的比例，及每个过程的性质对于不同的地表特征是变化的。依赖于地表特征的性质与状态。如物质组成、几何特征

15、、光照角度等。依赖于波长，不同波长表现出不同特点的相互作用过程。地物的反射辐射电磁辐射与物体作用后产生的次级波返回原来的介质，这种现象就称为反射，该次级波便称之为反射波（辐射）。在可见光与近红外波段（0.3-2.5ym）,地表物体自身的热辐射为零，地物波谱主要是以反射太阳辐射为主。地物的反射类别、光谱反射率、地物的反射光谱特性、影响地物光谱反射率变化的因素物体的反射（1）物体表面的划分物体的表面一般比较复杂，往往是粗糙不平的，根据它对反射的影响，分为两类：光滑表面和粗糙表面。L.Rayleigh提出表面为光滑或粗糙的标准为：d=入/8cos0式中：入是入射波的波长，0是入射角。如果物体表面的起

16、伏度hWd，则该表面为光滑表面；如果hd，则为粗糙表面。入射辐射的波长决定了反射表面的粗糙度，入射波长不一样，同一物体的表面可显示不同的粗糙度。一般情况下：凡物体表面的起伏度h入，该表面属光滑表面；当入射波的波长入h时，该表面就是粗糙表面。例如：土壤对无线电辐射是光滑的，而对可见光是粗糙的。入射角对表面的粗糙度也有影响，入射角越大，表面的粗糙度越小；反之，入射角越小，则粗糙度越大。（2）反射类型物体表面对电磁波的反射有三种形式：镜面反射(mirrorreflection)反射能量集中在一个方向，反射角=入射角。物体的反射满足反射定律。当入射能量全部或几乎全部按相反方向反射，且反射角等于入射角，

17、称为镜面反射。镜面反射发生的条件：若表面相对于入射波长是光滑的，(入界面粗糙度)，则出现镜面反射。自然界中真正的镜面很少。对可见光而言，非常平静的水体表面可近似认为是镜面反射。漫反射(diffusereflection)整个表面都均匀地向各向反射入射光称为漫反射。当入射能量在所有方向均匀反射，即入射能量以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向同性的反射能量的现象(即散射辐射亮度不随观测角度而变)，称为漫反射。该物体为漫反射体，亦称朗伯体。朗伯体：它被假定为介质是均匀的、各向同性的。朗伯体在遥感中多用以作为近似的自然表面。自然界中只存在近似意义下的朗伯体。只有黑体才是真正的朗伯体。漫反射发生的

18、条件：若表面相对于入射波长是粗糙的，即当入射波长比地表高度小或比地表组成物质粒度小时，则表面发生漫反射。对可见光而言，土石路面、均一的草地表面均属漫射体。漫射体保留了反射表面的光谱信息(颜色或亮度)，因而在遥感领域被广泛应用。方向反射(directionalreflection)介于漫反射和镜面反射之间，各向都有反射，但各向反射强度不均一。但自然界大多数地表既不完全是粗糙朗伯表面，也不完全是光滑的“镜面”，而是介于两者之间的非朗伯表面，即非朗伯体。其反射具有明显的方向性，即方向反射。镜面反射也可认为是方向反射的一个特例。产生方向反射的物体在自然界中占绝大多数，即它们对太阳短波辐射的散射具有各向

19、异性性质。目前大部分应用还都采用朗伯近似。但描述方向反射不能简单用反射率表述，因为各方向的反射率都不一样。当遥感应用进入定量分析阶段，我们必须抛弃“目标是朗伯体”的假光谱反射率当电磁辐射能到达两种不同介质的分界面时，入射能量的一部分或全部返回原介质的现象，称之为反射。反射的特征可以通过反射率表示。光谱反射率P被定义为反射辐射通量与入射辐射通量之比：p=Ep/E，p取值在01之间。以太阳光作为入射光的反射率，称为反照率(albedo)不同性质的下垫面的反射率种类反射率()种类反射率(%)干的新雪8095棉花2022般雪面6070甜菜1825污秽雪面4050马铃薯1927干黑土14水稻田17-22

20、湿黑土8牧草田152517针廉林10-15冬小麦1523阖叶林1520深色土壤小于浅色土壤。潮湿土壤小于干燥土壤。新雪表面大于陈雪表面。由于物体自身成分和结构特点，对于不同波长的电磁波有选择性的反射。不同地物在不同波段有不同的反射率。不同波段地物反射率不同，使得人们容易利用多波段进行遥感探测。影响地物光谱反射率变化的因素：太阳位置(太阳高度角和方位角)、传感器位置、地理位置、地形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气状况、随机因素。反射波谱曲线物体的反射波谱常用曲线表示，称为反射波谱曲线。它以横轴代表波长，纵轴代表反射率的直角坐标系来表示。由于物体的反射波谱不同，便形成了物体的不

21、同颜色，在遥感影像上就显示为不同的色调灰度。地物的光谱特征一般随季节变化，这称为时间效应，处在不同地理区域的同种地物具有不同的光谱响应，这称为空间效应。几种地物的典型反射波谱曲线：1、植物的反射光谱特征入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮，蓝、红光波段被叶绿素吸收进行光合作用；绿光大部分也被吸收，仅有少部分被反射，所以叶子呈现绿色；近红外线则穿透叶绿素，被多孔薄壁细胞组织反射，因此在近红外波段上形成强反射。健康植物波谱曲线在可见光的0.55ym附近有一个反射率为10%20%的小反射峰。在0.45ym和0.65ym附近有两个明显的吸收谷。在0.70.8ym是一个陡坡，反射率急剧增高，是植被独有的特征

22、。在近红外波段0.81.3ym之间形成一个高的，反射率可达40%或更大的反射峰。在1.45um,1.95ym和2.62.7ym处有三个吸收谷。叶子眈I耙畫三抽胚驹电二念氏总-：j:iSK(urn)苛五遮直訂.二，一反驻錢料粧乔一和和护氓帀阿口抽嘯喘近红外破陽植被叶片中叶绿素和水分含量的变化，导致了植被在各波长上反射率的变化，在遥感影像上产生了差异。因此可以通过遥感影像上植被色调的差异来判断植被的长势、健康、类型等。植被虽具有相似的光谱特征，但是不同种属的植被在实际光谱曲线值上有差异。2、水体的光谱特性在可见光各波段的影像中，水呈现深色调；含水较多的物质也色调偏深；近红外影像上，水呈现黑色。光谱

23、吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关，而且还明显地受到各种水状态(泥沙、叶绿素等)的的影响。水体的反射主要在蓝绿光波段，在光谱的近红外和中红外波段，水几乎吸收了其全部的能量，反射率几乎为零,即纯净的自然水体在近红外波段更近似于一个“黑体”，因此，在1.12.5|im波段，较纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零。因此常用近红外波段确定水体的位置和轮廓。总体变化趋势：反射率从可见光的短波处随波长增加而逐渐降低，以至红外区几乎完全被吸收。3、土壤的反射光谱特征自然状态下，土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值。土壤反射光谱曲线与几个因素肥力有关：土壤类型、含水量、有机质含量、砂、土壤表面的粗糙度

24、、粉砂相对百分含量、1.9mRfD2.栓覩柠含H3D賈目#*迥.O土壤反射波谱特征曲线较光滑，在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区不明显il,_t0.4Ot0&1.02I.+1.6IBIPn24體綁川i第二章可见光遥感2.1色彩基本原理光的色散：一束白光通过三棱镜，由于光的折射和波长的不同,被分散成七种不同色彩的光线。不能再被棱镜分解的、单一波长的光叫单色光。白色光是一种复合光。可见光谱与色感：不同波长的可见光入射眼睛后可引起不同的色感。人们感觉到光的颜色和亮度则是由人眼的生理结构特点造成的。可见光谱对色感呈单一的对应关系。色感对光谱的对应关系不是唯一的。光谱完全不同的光，可使人有相同的色感

25、。三原色：红、绿、蓝是一切色光组成的基本色光，称为三原色。19世纪初，科学家就提出了视觉三原色理论，认为人眼视网膜上可以分辨各种色彩的视觉锥体细胞中，含有与光谱中三种主要色相适应的三种感色单元，即感红单元、感绿单元、感蓝单元，分别感受红、绿、蓝三种色光。人的眼睛像一个三色接收器的体系，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。自然界中一切能够看到的色彩都是由三原色组成的。确定色光三原色的因素则在于人类自己。彩色合成原理加色法红绿蓝三原色中的两种以上色光按照不同的比例混合，产生其他颜色的方法称为加色法。红+绿=黄；红+蓝=品红；蓝+绿=青；红+蓝+绿=白（注意：等量）间色光：红绿

26、蓝三种颜色两两混合形成。互补色光：两种等量色光混合成为白色。复色光：两种间色光相加。减色法从白光中减去其中一种或两种原色而产生色彩的方法称为减色法。这种方法一般是用于颜料配色，多用于彩色印刷和相片冲印。颜料本身的色彩是因为能选择性吸收入射光光谱中的一定波长的色光，未吸收的部分被反射，从而形成了该颜料特有的彩色。当不同比例的颜料混合在一起的时候，它们吸收光谱的成分也随之改变，从而得到不同的彩色。物体有选择的吸收、反射或透射不同波长的光是物体固有的物理特性，它决定了物体呈现的颜色。色料三原色是黄、青、品红。色彩的分解与还原为了重新获得物体的天然色彩或者进行假彩色合成，必须首先对彩色进行分解，然后采

27、用加色法或减色法还原成原来的彩色。彩色分解：就是对同一目标（或图像）分别采用不同的滤光系统（通常为红、绿、蓝），获得不同分光（红、绿、蓝）黑白影像的过程。彩色还原：是彩色分解的逆过程，亦即将同一地区或同一彩色图像的不同分光图像，分别通过不同的滤光系统并使图像的相应影像准确套合，合成产生彩色图像的处理过程。多波段彩色合成多波段彩色合成处理是依照彩色合成原理，将同一地区或同一幅彩色图像不同波段的分光黑白图像，分别通过不同的滤光系统，并使各图像相应影像准确套合，生成彩色图像的技术处理。因此，要获得一个地区的彩色合成图像，必须首先取得该地区不同波段的分光黑白图像。然后根据彩色合成原理合成彩色图像。在进

28、行彩色还原合成时，要保持分解和还原过程中所采用的滤光系统波段的一一对应关系，此时还原得到的彩色与原物体或景观的色彩一样，则为真彩色合成。如果还原合成时破坏了滤光系统的这种对应关系，合成生成的彩色则与原物体或景观的色彩不一致，则为假彩色合成。假彩色合成方法很多，主要有光学法、电子光学法、染印法等.最常用的是利用根据加色法原理制成的彩色合成仪（加色观察器）来合成假彩色影像：将3张不同波段的黑白透明正片（如对应于绿、红和近红外波段）分别匹配以蓝、绿、红滤色镜，经投影合成于屏幕上，则显示出具有彩色红外影像效果的假彩色影像。陆地卫星专题制图仪TM图像，采用TM1、TM2和TM3三个不同波段（分光）图像,

29、按加色法分别通过蓝（0.43-0.47um）、绿（0.50-0.56）、红（0.62-0.76um）滤光系统（若按减色法则分别染以黄、品红、青）合成得到的彩色图像为近似真彩色图像。王I遥怅（曲菲IBand104-5-0M052-0Baren3牡邑罢EE063-049Prnd近红外D76-0METM4-Band31M-1T3Sana6=.10.4D-12.&0Bana7中亦h20215BandS0&2-D豹wavelength(pm)ResolutionspectralBands10.50-0.5910mgreen2061-0.6310mred30.79-0.8910rnNIR415&-1.75

30、20mSWiR051-0.735mor2.5mPanchromaticSpot5卫圮数据标准假彩色合成：在LANDSAT的TM图像中，对4、3、2波段分别赋予红、绿、蓝色合成的假彩色图像称为标准假彩色图像。在标准假彩色图像中，突出了植被、水体、城乡、山区、平原等特征，植被为红色、水体为黑色或蓝色、城镇为深色，地物类型信息丰富。标准假彩色图像上，为什么植被呈现红色，湖泊呈现蓝黑色，重盐碱地呈偏白色？答：1、根据标准假彩色的合成原理，植物在近红外波段反射率强，红色比例最大，因此植被在影像中大致呈红色。2、水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，吸收就更强。根据标准假彩色

31、合成原理，绿波段被赋蓝，因此呈蓝偏黑。3、重盐碱地对红、绿、蓝及红外等个波段的光均有较高的反射率。根据标准假彩色合成原理，绿波段赋蓝，红波段赋绿，红外波段赋红，红绿蓝三色等比例混合便成白色。假彩色合成选用的波段应该以地物的光谱特征作为出发点,不同的波段合成方式，用来突出不同的地物信息。22可见光遥感人的视觉过程需要借助光的作用才能实现。电磁辐射中能引起视觉反应的一定范围波长的光叫做可见光。可见光只占电磁波的一小部分，波长在0.38-0.76um之间。除此之外的紫外线、红外线以及其他射线，眼睛是看不见的，我们把它们叫做非可见光。太阳光谱包含全部可见光谱。可见光遥感定义：运用地表物体对0.380.

32、76um可见光波段的反射特征进行目标地物探测的遥感技术。可获取高空间分辨率遥感影像。依赖太阳作为光源,受太阳光照条件的极大限制，可见光遥感只能在白天工作,而且收到云雾、雨等气象条件影响很大。可见光遥感已把工作波段外延至近红外区。人们常常把可见光近红外谱段(0.38-0.9um)作为光学摄影谱段。光学遥感(可见光-近红外波段)是人们最早用来进行遥感观测的光谱段。可见光仍然是航天遥感的主要波段。可见光与近红外遥感的基本特征遥感所利用的电磁波波长范围选择在0.4um到2.5um之间，其中0.4um-0.74um波段范围正是人眼的色觉波段，因此在遥感应用的初级阶段，人们大量借助图象处理技术。凭借人眼对

33、现实世界的观察所获得的直观经验，去判断或理解遥感影象所传递的信息，故称之为“目视解译”或“目视判读”。这是这一波段遥感所特有的现象。依赖太阳作为光源，换言之，遥感器所接收的是来自于目标物对太阳短波辐射的反射，散射能量。辐射源自然辐射源太阳辐射:可见光和近红外的主要辐射源:常用5900K的黑体辐射来模拟；大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射；地球的电磁辐射：近似300K的黑体辐射。小于3um的波长主要是太阳辐射的能量；大于6um的波长主要是地物自身的热辐射；3-6um之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。人工辐射源微波辐射源:0.8-30cm；激光辐射源：激光雷达(测定卫星的位置、高度、速度、测量地形

34、等)。遥感系统的分类按工作方式分：主动和被动按照平台分：地面遥感(Groundplatforms)(气球、飞机)、航空遥感(Airbornesystems)(人造卫星、飞船)、航天遥感(Spacebornesystems)按波段分：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感2.3可见光遥感数据的采集传感器组成：吸收器9探测器9处理器9输出器收集器：收集来自目标地物的电磁波能量。不同的遥感器使用的收集元件不同，最基本的收集元件是透镜、反射镜或天线。探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。常用探测元件有感光胶片，光电敏感元件，固体敏感元件等。处理器：将探测后的化学能或电能等信号进行处理。输出器：输

35、出获得的图像、数据。传感器是遥感技术的核心部分。传感器的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。可见光遥感数据的采集方式可见光-近红外传感器记录的是地球表面对太阳能反射的反射辐射能。按照数据采集的方式，一般可分为:摄影系统和扫描成像系统。摄影系统：航天摄影系统(240km)航空摄影系统(100m-100km)一般来说，遥感摄影系统以航空摄影为主。为什么？答：摄影相机依赖于太阳辐射，胶片记录的是目标地物的太阳反射辐射，同时受到大气效应的影响。而航天平台高，大气层的干扰因素强，直接影响到摄影相片的质量。相比之下，航

36、空摄影精度高，实用性更强，优势明显。航空平台的飞行高度较低，机动灵活，而且不受地面条件限制，调查周期短资料回收方便，因此其应用十分广泛。摄影相机是摄影摄像是最古老和最常用的遥感仪器。航空摄影平台高空平台:（12km）如：高空气球,U-2侦察机等.中空平台:（2-6km）如：飞机低空平台：（2km）如：轻型飞机，遥控飞机（RPA）航空摄影机是空中对地面拍摄像片的仪器，它通过光学系统采用胶片或磁带记录地物的反射光谱能量。人们常常把可见光近红外波段（0.38-0.9um）作为光学摄影波段。空中摄影的类型按像片倾斜角分类（像片倾斜角是航空摄影机主光轴与通过透镜中心的地面铅垂线（主垂线）间的夹角），可分

37、为垂直摄影和倾斜摄影。遥感中一般用垂直摄影的像片。但并非绝对垂直，飞行过程中飞行高度、飞行姿态总不可避免地会有变化，造成相机的光轴的轻微倾斜，使像片也有微弱倾斜。一般凡倾斜角3的称垂直摄影。由垂直摄影获得的像片称为水平像片。（水平像片上地物的影像，一般与地面物物体顶部的形状基本相似，像片各部分的比例尺大致相同。水平像片能够用来判断各目标的位置关系和量测距离。）倾斜角3的，称为倾斜摄影，所获得的像片称为倾斜像片。中心投影摄影图像多为中心投影，即为反射光线通过固定点（相机物镜中心）透射到投影面上。航摄时，各地物点的光线都通过航摄仪物镜中心（投影中心）后与底片（投影面）相交（底片感光），产生地物点的

38、影像。中心投影构成的像有正负之分。如果物体和投影面位于投影中心两侧，其投影像为负像；物体和投影面位于同一侧时，得到正像。因此，航片是地面的中心投影正像。航空相片的几何性质像点位移：在中心投影情况下，当像片有倾斜，或地面有起伏时导致了航空摄影像片上构像相对于理想情况下的构像，产生了位置差异叫做像点位移。变化规律：以像主点为中心呈辐射状、越往边缘变形越大，地形起伏越大变形越大，正地形往外移，负地形外内移。位于主像点的物体，仅见其顶部，而位于其他部位的物体可以见到其顶和边部。像点位移是测量物体高度的基础，也是航空相片几何误差的主要来源。像点位移的造成影片倾斜：假设在同一摄影站对同一平坦地区拍摄了水平

39、像片和倾斜像片，若以水平像片为标准，将倾斜像片与之相比，就会发现同名像点在两张像片上的位置不同，这种像点位移称为倾斜误差。地形起伏：当地面起伏不平时，高于或低于基准面的地面点在像片上的投影位置与它们在基准面上的垂直投影的像点位置相比较就产生了位移。即高差越大，投影差越大；像点离像片中心越远，误差越大。物理因素：一些物理因素也会引起像点位移比如：摄影物镜的畸变差、大气折光、地球曲率以及底片变形等因素的影响，使地面点位置发生偏移，偏离了三点共线的条件。这是一种系统误差，可以通过数学模型进行改正。航空相片的比例尺像片比例尺：航空像片上某线段长度（ab）与地面相应线段长度之比（AB）,用1/M表示：1

40、/M=f/H一般在航空摄影时，焦距是固定的，比例尺主要随着航高而变化。地形起伏影响比例尺主比例尺是用航高仪记录的像主点航高计算的像片比例尺。对于平坦地区，摄影时像片处于水平状态（垂直摄影），则像片比例尺等于像机焦距（f）与航高（H）之比。地面起伏，由于地形起伏使得每一地物点的航高不同，使得一张像片不同像点的比例尺变化。空间分辨率与比例尺空间分辨率与像片分辨率、像片比例尺有关。像片分辨率包括镜头分辨率（与光学性能、尺寸有关）和胶片分辨率，用相机/胶片系统的综合解像力表示（我国摄影系统的综合解像力一般约为60线对/毫米）。对于一个摄影系统，系统分辨率固定后，空间分辨率则与比例尺（f/）有关，比例尺

41、越大，分辨率越高。1：25万一1:6万，分辨率约41m；1:5万1:3万，分辨率约0.80.5m；1:2.5万1:4000，分辨率约0.40.1m。因图像变形的不均匀，则一幅图像的比例尺也不均匀。航空立体成像机携带相机沿着飞行带（或条带）获取垂直航空相片。由于实际应用中多选用航空像片的立体像对，因而成功的飞行，航向重叠应为55%-65%，至少为50%，一般为60%。旁向重叠为30%左右。也就意味着在相隔一定距离的不同位置拍摄同意目标。存在时差可以构成立体像对，并可以进一步获得三维立体模型。航片的立体观测：用光学仪器或肉眼对一定重叠率的像对进行观察，获得地物和地形的光学立体模型，称为像片的立体观

42、察，它的原理是根据人对物体的双眼观察。瞳孔如同光圈，视网膜如同底片，接受物体的影像信息。生理视差的形成：人们是从眼基线的两个端点来观察物体（右眼从右边观察物体，左眼从左边观察物体），因此两眼的观察角度就不同，在两眼网膜上所产生的物体影像就有差别，即形成了生理视差。生理视差是产生立体视觉和判断景物远近的原因。立体观察是根据立体视觉原理进行的。像对的立体观测条件必须是由相邻的摄影站对同一地区所摄影的两张像片。两张像片的比例尺相差不得超过16%。两眼必须分别各看两张像片上的相应影像，即左眼看左像，右眼看右像。像片所安放的位置，必须能使相应视线成对相交，相应点的连线与眼基线平行。正射投影与中心投影摄影

43、图像存在误差，特别是像点位移。立体像对可以通过正射投影仪或者软件处理产生影像图的纠正形式：正射影像图。正射投影：光线平行且垂直投影面，无地形位移,顶视物体；中心投影：光线交于同一点，导致比例尺变化，图像变形。地形起伏导致地形位移：地形越高，航高越低变形越大，表现出的面积比地形低处相应面积大，物体顶部向外辐射状位移量大。主光轴：通过物镜中心并与主平面（或焦平面）垂直的直线像主点：主光轴与像平面的交点。航空相片的光学性质根据胶片的结构，航空像片可分为：黑白相片（黑白全色片和黑白红外片）彩色像片（天然彩色片和彩色红外片）多光谱摄影相片。黑白全色片：能感受光谱中的全部可见波段。黑白红外片：是在摄影时加

44、用滤光片后，仅对近红外波段的感光乳胶层有响应。天然彩色片：感光层是由三层乳胶层组成，片基上依次是感红、感绿、感蓝层。优点：能较好的现实景物的天然色彩且具有较高的空间分辨率，其信息量比黑白像片丰富得多。缺点：但由于蓝光在穿过大气时被严重散射，使彩色航片的色调存在着不饱和度、偏蓝绿色及波谱分辨率下降等缺陷。彩色红外片：彩红外胶片有3个感光乳胶层：感红层、感绿层、感红外层。相比一般的彩色像片，信息更丰富，识别地物的能力更强，地物对比明显，在航空遥感中颜色更鲜艳，得到了广泛应用。多光谱摄影：摄影系统里，除了利用多层乳胶剂实现光谱分离外，还采用多光谱技术，即用几台摄影相机的多透镜系统和不同的胶片-滤光片

45、组合实现光谱分离，同时成像，获得同一景物的多波段图像。扫描成像系统扫描成像是依靠探测元件和扫描镜头对目标地物以瞬时视场（FOV）为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的二维图像。光机扫描系统、推扫式扫描系统、成像光谱光-机扫描系统光学机械扫描成像仪是借助于遥感平台沿航向运动和旋转扫描镜对于平台的行进的垂直方向的地面（物面）进行扫描，获得二维遥感数据，又称为物面扫描系统。特点：行扫描、每条扫描线均有一个投影中心，所得的影像是多中心投影图像。在每一条扫描线上，因为中心投影和地面起伏会产生像点位移，离投影中心越远，像点位移量越大。MSS数据是一种多光谱段光机描仪所获

46、得的遥感数据。目前常用的有红外扫描仪和多光谱段扫描仪。光机扫描仪的工作波长范围比摄影机宽得多，可达0.314卩m（包括近紫外、可见光、近红外、中红外和远红外）。用光学系统接收来自目标地物的辐射，并分成几个不同的光谱段，使用探测仪器把光信号转变为电信号，同时发射信号回地面。光一机扫描系统：Landsat/TM、ASTER、AVHRR、风云卫星、MODIS多光谱扫描系统与多光谱摄影系统相比的优势：1）波谱范围：摄影系统仅局限在0.30.9um光学摄影谱段内；多波段扫描系统可感应0.314um谱段的微弱信息。2）记录方式：摄影系统是回收胶片方式，胶片/图像的转换由地面完成；扫描系统是数字记录、快速传

47、输、处理、实时显示。3）摄影系统的图像是由胶片光化学过程获得（光的辐射能量差，以影象密度差表示），辐射定标困难；扫描系统的数据是由电子产生（光电转换、模数变换），更适于定标，可给出定量的辐射数据。4）扫描系统中探测器的动态范围大，即电子格式可记录很宽范围的值；且在探测过程中，探测器并不损耗。5）多光谱摄影系统，用多个分离的光学系统独立采集各波段图像，各波段图像间存在着空间与辐射方面的可比性问题；多光谱扫描系统用同一光电系统同时采集整个光谱波段的数据,再经分光系统分解成不同波长的光。推扫式扫描系统推扫式扫描系统，又称为像面扫描系统。瞬间在像面上先形成一条线图像，甚至是一副二维图像，然后对影像进行

48、扫描成像。与光机扫描系统相似的是：利用飞行器的前向运动，通过飞行器与探测器成交方向的移动获取目标信息。二者对每行数据的记录方式有明显的差异。光机扫描：利用旋转扫描镜，一个个像元轮流采光，即沿扫描线逐点扫描成像。扫描扫描：探测器按扫描方向阵列式排列来感应地面响应，以替代机械的真扫描。如果探测器按照线性阵列排列，则可以得到整航数据，若呈面状阵列排列，则同时得到的是整幅图像。一般线性阵列由许多CCD电荷耦合器件组成。CCD是一种固态光电转换元件。每一个探测器元件感应相应“扫描”行上唯一的地面分辨单元的能量。图像上每行数据是由沿线性阵列的每个探测器元件采样得到的。探测器的大小决定了每个地面分辨单元的大

49、小。因此CCD被设计的很小，一个线性阵列可以包含上千、上万个分离的探测器。每个光谱波段都由它自己的线性阵列。推扫式扫描系统：SPOT、QuickBird、IKONOS、CBERS-1、BEIJING-1数抵类型波段范同fpm分辨率蓝：0.45-0.52244號：0.52-0.602.44纤“0.63-0.692.44近红卅0.76-0.002.440.45H1.900.61QuickBird数据的光谱段（Quickbird传感器为推扫式成像扫描仪）成像光谱利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据。它是在电磁波谱的紫外、可见、近红外和中红外区、热红外获取大量的（几十至上百个波段）、非常

50、窄（波段带宽约510nm）且光谱连续的图像数据的技术。属于多光谱扫描仪的范畴。它在结构和成像原理方面和光机扫描仪、推扫式扫描仪有不少相似之处。区别在于通道数目多，各通道的波段宽度很窄。成像光谱的特点：波段多，光谱分辨率高，光谱分辨率为纳米级。如AVIRIS在0.4-2.5um范围有224个波段，Hyperion有242个波段，“图谱合一”（和地物的实际光谱更为接近，有更多的“诊断”波段，可进行地物的精细分类，获取更多的地物信息，提高分类精度）；高光谱数据的空间分辨率也在不断提高:MODIS的空间分辨率250m-1000m）,Hyperion的空间分辨率30m；图谱合一:在获取数十、百个光谱图象

51、的同时，可以显示影像中每个像元的连续光谱，因而能够在空间和光谱维上快速识别目标。波段间相关性强，数据“冗余”明显（特征参数选择问题更为重要）；数据量大，计算量大、复杂（对算法、计算机软硬件提出新的要求）高光谱遥感的应用:地质填图、找矿、精准农业、城市遥感、水色遥感。第三章热红外遥感3.1热红外遥感原理热红外遥感是遥感科学的一个分支。热红外遥感的信息源来自物体本身，其基础是:只要其温度超过绝对零度，就会不断地向外发射红外能量，即地表热红外辐射特性。热红外遥感就是利用传感器收集、记录地物的热红外信息，并利用其来识别地物和反演地表参数（温度、湿度、热惯量等）的技术系统。opticalinfrared

52、Microwaveit.外近红中虹超述虹外”阿弭m615urn15-1000|jnn热辅射+反苗辎射疋热堆甜）热红外热红外遥感的复杂性（1）热红外遥感的大气影响更为复杂。（2）热红外信息还受地表层热状况的影响。（3）地物本身的热过程是复杂的。（4）热能的传递有多种方式。（5）探测器获得的物体发射辐射包含了两个重要信息：温度；比辐射率。二者分离非常困难。（6）空间分辨率一般较低，混合像元。辐射原理从理论上讲，自然界任何温度高于绝对温度的物体都不断地向外发射电磁波，即向外发射具有一定能量和波谱分布位置的电磁波。其辐射能量的强度和辐射波谱分布位置是物质类型和温度的函数。正因为这种辐射依赖于温度，因而

53、称“热辐射”热辐射也是一种电磁波振动。热红外遥感的实质是对地球热辐射场的研究黑体黑体是指在任何温度下，对所有波长的电磁辐射都能够完全吸收，同时能够在热力学定律所允许的范围内最大限度地把热能变成辐射能的理想辐射体。黑体指完全的辐射吸收体和完全的辐射发射体。自然界中并不存在这种绝对的黑体。由于黑体辐射不考虑目标性质只考虑目标温度，因此它就避开了具体物体而使问题简单化。在辐射研究中，常用黑体来讨论问题，并将其作为评价真实物体热辐射的一个计量标准。基尔霍夫定律+德国物理学家古斯塔夫基尔霍夫于値5勺年提出的传热学定律，它刑于猫述物体的发射率与吸收比之间的关系.在任一给定的温度下，地物单位面积上的波谱辐射

54、通董密度和对应波谱吸收率之比，对任何地物都是一个常教，并等于该温度下黑体对应的波谱辐射通量密度:詈二叫（黒体）式中，Mj.为物体对波杲入的光滅出射率，也为物俸对波氏入时唳收率。好的吸收体也是好的发射体,和畅体肘更一波覧的电磁辐射吸收能力强，则该物体发射这一波长的电磁辎射能力也强比辐射率的影响因素地表比辐射率是物体发射能力的表征，它的值取决于：地表物体的组成成分：常温下，不同地表物质在8-14谱段内的比辐射率可以变化很大。地表比辐射率&一般在0.85-0.99之间。各岩浆岩的发射率：随着岩石中的二氧化硅的含量降低，发射光谱曲线的谷值向长波方向移动。2表面状态（粗糙度等）:常温度下，白云石一一表面

55、光滑的=0.929；粗糙表面=0.958。3物理性质（介电常数，温度、含水量等）：20C的土壤一一含水量低的干土=0.92；湿土=0.95。落叶树一一单叶子=0.96；整个树冠=0.98。4.波长，观测角度：温度不具有方向性，物体热辐射的方向性主要由比辐射率的方向性引起的。方向性不仅受到物体本身的性质的影响，还受到表面粗糙度的影响。实验证明：随着粗糙度增加:比辐射率随观测角度e变化要小些。比辐射率的计算比辐射率的影响因素很多，对它的计算与测量至今尚未找到完善的数值解法和模型。具体测量“比辐射率”，采用以下3种方法：1）主动法根据比辐射率与反射率的关系,通过测量方向-半球反照率（2n空间各方向上

56、二向反射率的半球积分值）来测比辐射率。入=1-缺点：由于一般物体为非朗伯体，反射辐射在2ts空间的分布状况很难用有限的测点来退近，导致半球反射率p的测量误差较大，从而影响比辐射率精度。（2）传感器测得的辐射亮度值包括目标物的自身热辐射与目标物对外辐射源的反射辐射两部分。被动法曲4)込9运用黑体辐射公式，通过测定目标表面温度和热辐射，求得比辐射率。;缺点：此方法测得值中包含自身发射、环境辐射以及反射辐射部分，很难将其区分。如“双温度法”根据不同温度下的比辐射率基本不变的前提，通过测“白天”与“黑夜”两个不同温度条件下的观测数据来求算比辐射率，此法对岩石和干土壤有效，但不适合含水量变化的目标。主动

57、被动法用“双通道双温度法”测温，用主动法测量二向性反射分布函数BRDF,再改变环境辐照度将两者分开。真实物体的辐射通常，考虑到比辐射率的大小及与波长的关系把物体的热辐射分为3类：接近于黑体的物体，发射率近于1。许多物质在某个特定波长范围内的辐射似黑体，如水在614ym辐射特征很接近黑体，为0.98-0.99。灰体(发射率与波长无关)，发射率小于1。自然界大多数物体为接近于黑体的灰体。发射率随波长变化的物体，即称为选择性辐射体，发射率0入1。黑体不一定是黑色的物体，而要看它的发射率是否最大。电磁辐射能与地表的相互作用，主要有三种基本的物理过程反射、吸收、透射。其中，反射是最普遍最常用的性质。+E

58、l(A)EA(A)+tA)+El関扎射粗量口。)+皿入)即:規Ht半*皮射丰*遇射半门对于以蚌射我们关心的是轴悴轴发射转舟叩九部冷几射能童再发射。A)=f(A)撒軽虹OJ标被僵定为对镇牺册是不透叨障印咻=4网+如1F在执赵射址廉”物体圧射丰尊尢发射*盘小；底之拆鶴，可逋过测量反非申来洌豎丸舟率*ER溥成射畑，EA寿嶼.杜fife.Et沟谡射堤”它加畸蛋爲盘的函駁-El)EA(A)EREtg.十十.rEl()EI(A)ElfX)曰何玄Aa(A)=音藩咖=罟辭朋岀罰弟逬入h“Gh毗入)：肘刖层示氐曲冈于的呢忒車，.辰射単卜谁射4。ff(A)+p+T(X)=1*址庠上叫便源亜漁于犬阳轴射，包桔丈也宜

59、射傩1：(filt光)+天空漫人咐即能丘(At)：入冉驳世间时土阳轉波輻时能莹L中的一部孑就地出圧射RstJ抱曲銮益嗷枚的Jt阳旳ii播耐陀董药:Rjj-RjW)Rj|戈中,a刃也底也屈冲崔或收农阳船前的卩苗.抱友也向外龙射代垃椅射览遂凤I而大毛的辰直掠聊用禺地我也有丈弑，SJtJiMWi松护:氐三”对匹*阳-阳能量的分配：辐射净收入能量不全用于加热地表，其中一部分能量以传导和对流的方式使大气加热，一部分能量供给水在物态转换时所需的潜热。另外，地面有植被还需考虑光合作用吸收的能量。扣除这几部分的能量，才是使地表温度变化的能量。热辐射传输过程太阳是地表发射能量主要来源。在热红外遥感的地-气辐射传

60、输中，地面与大气都是热红外辐射源，辐射能多次通过大气层，被大气吸收、散射和发射。因此，研究地面热红外辐蹩收餐議射需要对大气干扰进行纠正。大气对长波辐射的散射削弱极小；大气的吸收和放射同时考虑。地聂搜焙北经过天吒爱城后就遽总丑毬故时苦越封总摩热红夕卜遥感波段的选择二鸟（耳）耳庐畝+厶*+（1-町）厶月尬厶：遥感器所接覚的渡畏入的热辎射强度戲忆）：地*_黒偉輻射强度E:波悬入的地耒此耦射率%:从地面到遥感器时犬乞遴:过率:漩隹入的丸毛上行热耦射强廈:渡侄入的丸行热辐射强亶I丸吃了吁報射儿城光气抚减三九丄T的弱寻菴良（王电圭喪蒸箱#!两个大气窗口：3-5ym和8-14ym。地表物体的温度在-40C-