遥感基础知识

遥感原理与应用〔A〕第1章 绪论§1遥感的根本概念遥感的涵义Remotesensing，即遥远感知的意思。在肯定距离的空间，不与目标物接触，通过信息系统去猎取有关目标物的信息，经过对信息的分析争论，确定目标物的属性及目标物之间的相互关系。简言之，泛指一切无接触的远距离探测。广义遥感是指以现代工具为技术手段，对目标进展遥远感知的整个过程。从这一概念看，遥感技术的范围很广，由于没限定目标的空间范围。狭义遥感技术是指从远距离高空以至外层空间的平台上，利用紫外线、可见光、红外、微波等探测仪器，通过摄影或扫描方式，对目标电磁波辐射能量的感应、接收、传输、处理和分析，从而识别目标物性质和运动状态的现代化技术系统。2060年月蓬勃进展起来的一门综合性探测技术，属高技术领域范畴。§2遥感系统依据遥感的定义，遥感系统包括：被测目标的信息特征、信息的猎取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用五大局部§3遥感的分类和特点遥感的分类按遥感平台分●航宇遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。●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；●航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等；●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。按传感器的探测波段分●紫外遥感〔0.05—0.38μm〕●可见光遥感〔0.38—0.76μm〕●红外遥感〔0.76—1000μm〕●微波遥感〔1mm—10m〕●多波段遥感——指探测波段在可见光和红外波段范围内，再分成假设干个窄波段来探测目标。按工作方式分●主动遥感和被动遥感：前者是由探测器主动向目标放射肯定能量的电磁波，并接收目标的反射或散射信号。后者是被动接收目标物的自身放射和自然辐射源的反射能量。(数字或模拟)图像；后者传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。按遥感的应用领域分●从大的争论领域可以分为：外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等。●从具体应用领域可以分为：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、灾难遥感、军事遥感等。遥感的特点●视域广。居高俯视，如由卫星遥感获得的图像掩盖地面面积很大，达34385Km2,便●信息丰富。包括紫外线、可见光、红外、微波、多波段遥感，能供给超出人的视觉以外的地面信息。●定时、定位观测。能够周期性地监测地面同一目标的动态变化。●不受国界和地理条件的限制。可以遥感地球的任何角落。●效率高、速度快，精度高、本钱低。宏观同步性时效性综合性可比性经济性局限性§4遥感进展简史无记录的地面遥感阶段〔1608—1838年〕有记录的地面遥感阶段〔1839—1857年〕4.3空中摄影遥感阶段〔1858—1956年〕4.4航天遥感阶段〔1957—〕4.5遥感技术进展趋势把握放射技术和具备卫星放射力量的国家越来越多高区分率小型商业卫星成为重要的信息来源雷达卫星成为重要的信息来源高光谱区分率遥感〔成像光谱〕遥感、地理信息系统、全球定位系统的综合应用§5我国遥感技术的进展概况起步阶段〔205080年月中期〕试验应用阶段〔8090年月前期〕有用化和产业化阶段〔90年月后期以后〕2章遥感技术的物理根底§1电磁波与电磁波谱电磁涉及其特性由振源发出的电磁振荡在空间的传播叫做电磁波。在电磁波里，振荡的是空间电EMEM相互垂直，并且都垂直于电磁波传播V。电磁辐射的特性主要表现在以下两个方面：电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性主要表现为电磁波能产生干预、衍射、偏振和散射〔色散〕现象。电磁辐射的这些波动特性在遥感技术中具有重要的实际意义。电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性，是指电磁波是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射实质上是光子微粒流的有规律运动，波是光子微粒流的宏观统计平均，而粒子是波的微观量子化。当电磁辐射与物质相互作用时，主要表现为粒子性。电磁波谱不同辐射源产生的电磁波的波长各不一样，其变化也很大。人们把各种电磁波按波长或频率的大小，依次排列成图表，这个图表就叫做电磁波谱图。在整个电磁波谱中可划分出假设干个波段。宇宙射线：能量大，穿透性强，人工无法产生。γ射线：能量高，穿透性较强，放射性之的矿物，辐射出γ射线。〔3〕X射线：人工可以产生。从宇宙中来的X射线，被大气全部吸取。紫外线：0.01—0.38μ波长﹤0.28μ的紫外线，在通过大气层时，被臭氧层吸取。0.28—0.38μ的紫外线，局部能穿过大气层，但散射严峻，只有局部到达地面，可作为遥感的辐射源，称为摄影紫外。可见光：0.38—0.76μ，是人视觉能见到的电磁波，可以用棱镜分为红、橙、橙、7种色光。可用于摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。红外线：0.76—1000μ。其中可细分为：0.76—3μ，是地球表层反射太阳的红外辐射，故称为反射红外。可用于摄影。●中红外3—6μ是地球表层反射太阳的红外辐射和地球表层自身辐射的混合辐射红外，可用于摄影和扫描。●热红外6—15μ是地球自身放射的红外线，故称为热红外。热红外只能用于扫描方式，经过光电信号的转换才能成像。微波0.1—100cm，它实际上是无线电波的一局部。其中可分为毫米波、厘米波和分米波。微波能穿透大气层，可用于主动遥感和被动遥感。无线电波：这个波区不能用于遥感。由于它不能通过大气层。无线电波中的短波可被大气层中的电离层吸取严峻。因此，无线电波只能用于远距离通讯或无线电播送。综合上述各波谱段的根本特点可以看出，遥感技术应用的波谱段主要是从紫外—微波。§2电磁辐射但凡能够产生电磁辐射的物体都是辐射源。不仅能够吸取其它物体对它的辐射，也能够向外辐射。因此，对辐射源的生疏不仅限于太阳、炉子等发光发热的物体。能发出紫外线、X射线、红外线、微波辐射等的物体也是辐射源，只是辐射强度和波长不同而已。电磁波传递就是能量的传递。因此，遥感探测实际上就是辐射能量的测定。辐射测量●辐射能量J●辐射通量〔φW●辐射通量密度〔：单位时间内通过单位面积的辐射能量，φ=dW/d。单位：W/m，S为面积。●辐照度l=/dW/mS积。●辐射出射度M=/dW/mS为面积。●辐射亮度：单位立体角、单位时间内，从外外表的单位面积上辐射出的L=〔co立体角定义为：Ω=S/R2；S 是与球半径垂直的某小面元的面积；R 是小辐射面元中心与球面上面元S的距离，即球半径；立体角单位是球面度，无量纲；球心对全球面所张立体角Ω=4π。黑体辐射确定黑体为了便于争论热辐射性质，需要有一个抱负的标准热辐射体作为参考源，这个参考源就是黑体。确定黑体的定义：在任何温度下，对任何波长的入射辐射的吸取系数〔率〕α=〔λ，T〕1，即α=〔λ，T〕=1的物体称为确定黑体〔简称黑体。确定黑体是用不透亮材料制成的带有小孔的空腔体。空腔内壁对于辐射只有吸取和反射，从小孔进入的辐射照耀到内壁上时，经过假设干次吸取和反射后，其入射能量接近全部吸取。黑体辐射定律普朗克定律1900年普朗克为了描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。用量子理论概念推导出热辐射定律，其解析式为：普朗克公式图示：变化特点：辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；随温度上升，辐射最大值向短波方向移动。斯忒藩-玻尔兹曼定律确定黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。M=σT4σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W.m-2.K-4维恩位移定律黑体辐射光谱中最大辐射的峰值波长λmax与黑体确定温度T成反比，即随着温度的增加，最大辐射的峰值波长λmax向短波方向移动：λmax=b/Tb为常数，b=2.898×10-3基尔霍夫定律在争论电磁辐射传输过程中，基尔霍夫觉察：在给定的温度下，物体辐射出射度和吸取率之比，对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射出射度。这就是基尔霍夫定律。其表达式为：′/α=MM′为真实物体的辐射出射度；α为吸取率。实际物体的辐射前述4个辐射定律都是说明黑体辐射规律的。实际上，自然界中的物体都不是黑体。这时〔放射率或放射本领，以符号ε表示。ε是实际物体辐射出射度与同温度下黑体辐射出射度之比，即：ε=M′/M太阳和地球的电磁辐射前已述及，但凡能产生电磁辐射的物体都是辐射源。辐射源可分为自然辐射源和人工辐射源。在地球环境中，最大的自然辐射源是太阳，其次是地球。在遥感技术中，被动遥感是依靠自然辐射源进展遥感探测目标的；主动遥感则是接收人工辐射源发出的电磁辐射的回波信号来探测目标的。太阳辐射5900°K左右。这个极大的辐射源每时每刻都在不断地向宇宙空间辐射出巨大的能量。但是它辐射出来的能量到达地球外表仅仅是总能量的1/2219.5卡/cm.分。〔6.0μ，0.47μ四周。因此，太阳辐射的光谱是以可见光为85%以上。近年来随着对地物反射光谱的深入争论，觉察在1.55μ2.10μ四周各类岩石有明显的区分。因此，1.4—2.5μ波段成为极其重要的遥感波段。地球辐射地球辐射的能量主要来源于太阳的短波辐射和地球内部的热能。地球辐射的波谱可分为三个局部：3—6μ：为反射太阳光和地球自身辐射，属混合辐射。8—14μ：为地球外表物体自身的热辐射，其峰值波段在9—10μ处，属远红外或称热红外。15—30μ：属超远红外〔近年来正在加紧争论用于遥感的可能性。§3大气对电磁波的衰减与大气窗口大气对电磁波的散射散射的实质是电磁波在大气传输过程中遇到各种微粒〔气体分子、尘埃、水滴、工业废气等〕所引起的一种衍射现象。争论大气对电磁波的散射主要有两种理论：瑞利散射〔λ4〕成反比，即波长越长，散射强度越弱，波长越短，散射强度越强。米氏散射是指比波长大得多的大气粒子〔如水滴、烟尘、气溶胶等〕引起的散射。●粒子直径与波长相等时，散射强度与波长的二次方〔λ2〕成反比。1.5倍时，散射强度与波长成反比。22倍以上时，散射强度与波长无关。大气对电磁波的吸取大气成分主要是水蒸气、二氧化碳、臭氧等。它们对不同波长的电磁辐射有不同程度的吸取。●水汽的吸取:水汽吸取的波长很广,0.7-3.0μm波段是强吸取带;●二氧化碳的吸取:14.5μm、4.3μm、2.7μm、0.017μm、1.0μm●臭氧〔O3〕的吸取:0.3μm以下的短波全部吸取。●氧〔O2〕0.2的紫外线。大气对电磁波的反射大气对电磁波的反射主要是云层的反射。当云层的厚度大于50m时，反射量大于50%；云层厚度为500m时，反射量大于80%。另外，大气中直径大于10-6m的微粒也会产生反射作用。大气窗口由于大气对电磁波的散射、吸取和反射作用，使得能够穿透地球大气的辐射局限于某些波段范围内，通常将这些透过率较高的电磁辐射波段称为大气窗口。遥感器使用的波段范围都在大气窗口范围内。遥感常用的大气窗口有以下五个：●可摄影窗口0.3-1.μ90%和扫描成像,但只能在强光照(白天)条件下作业。●近红外窗口1.5-2.μ：属地物反射红外，透过率约80能在强光照(白天)条件下作业。●中红外窗口〔3.5-4.μ；4.5-5.μ：属地物反射和地物自身放射的混合辐射，透过率为50-90%，仅用于扫描成像，但可全天候作业。●远〔热〕红外窗口8-1μ：属地物自身热辐射，透过率为70-80但可全天候作业。●微波窗口〔8mm-1：属人工辐射源，透过率100候作业。§4地物波谱特性任何地物都有肯定的电磁辐射〔包括反射、吸取、透射和放射〕特征。不同性质的地物，其反射、吸取、透射和放射电磁波的波长和频率不同，存在肯定的差异。这种差异是遥感识别地物属性的根底。由于遥感器接收到的电磁辐射能量主要是反射和放射辐射能量，因此争论地物的波谱特性主要是反射特性和放射特性。地物反射或放射波谱特性是指地物反射率或放射率随波长变化的规律。地物反射波谱特征反射率与反射波谱●反射率〔ρ：地物反射的辐射能量〔〕占总入射能量〔P〕的百分比。ρ=Pρ/P0×100%●反射波谱：指地物反射率随波长变化的规律。常用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。同一地物的波谱曲线反映不同波段的不同反射率，将此与遥感器接收波段对应的辐射数据比照，可以得到遥感数据与对应地物的识别规律。植被的反射波谱特征不同植物的反射波谱曲线形态大体一样，但在反射峰的高度或吸取谷的深度上有所差0.55μ四周有一个10-20%的反射峰，0.74-1.3μ间有一个50-60%的强反射峰；至3.0μ以上局部呈衰减曲线。在0.45u、0.67μ、1.5μ、1.9μ处有三个猛烈的吸取谷。水体的反射波谱曲线特征水体的反射率在各波段内都较低〔镜面反射除外〕一般都在30%以下，在近红外更低。不同杂质或成分的水，其反射波谱有肯定差异。●清水随波长的增加反射率渐渐降低，至近红外区，接近全部吸取；●浑水和浊水的波谱形态相近，但反射峰的高度和吸取谷的深度与对应的波长位置不同。土壤的反射波谱特征自然状态下，土壤外表的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土质越细反射率越高，有机质和含水量越高反射率越低。另外土壤类型和土壤肥力也会对反射率产生影响。在不同光谱段的遥感影象上，土壤的亮度区分不明显。岩石的反射波谱特征●矿物呈有规律变化的岩石〔岩浆岩，其反射波谱也呈有规律变化，即反射率随sio2的降低而降低。●矿物成分简单，无规律变化的岩石，如沉积岩和变质岩，其反射波谱随机性很大。●具有区分岩石意义的反射波谱，往往消灭在近红外波段范围内。为了提高遥感对岩石的区分力量，在陆地卫星TM遥感器上增设了1.55-1.75μ，2.08-2.35μ两个岩石探测波段。●影响岩石反射率变化的主要因素除物质成格外，还与岩石构造构造产出部位的自然环境、风化程度、含水状况、颜色、外表光滑程度等因素有关。地物放射波谱特性任何地物，只要它的温度大于确定零度°K=-273.1°3-5μ，8-14μ的波段范围内。物体放射波谱特征常用放射率、热辐射强度〔亮度温度、辐射温度〕随波长变化的规律来刻画。放射率〔ε：ε=M0/MM为黑体辐射出射度，M=σT4；σ=5.67×10-8W.m-2.K-4M0为实际物体辐射出射度；由于上述公式中的变量都与地物外表温度〔T〕和波长〔λ〕有关，因此上述公式又可写作：ε〔λ，T〕=MO〔λ，T〕/M〔λ，T〕热辐射强度〔TB〕在远〔热〕红外〔8-14〕遥感中常用热辐射强度的概念来表示地物放射波谱特征。热辐射强度是指物体的放射率与其实际温度的乘积，即：TB=εT4从今式可以看出：物体之间有较小温度差就会造成热辐射强度较大的差异。不同物体因其热学性质及其所处环境的不同，往往存在肯定的温差，因此热红外遥感比较简洁检测到物体的热辐射强度信息。从长期的争论觉察，地物的热辐射强度〔8—14μ〕与热贯量有关。●物体的热惯量热惯量〔P〕是物体对环境温度变化的热反响灵敏性的一种度量，是描述物体热特性的一个宏观物理量。热惯量的大小与物体的密度及热学参量的关系如下：P=〔k·p·c〕1/2Pcm2·s1/2·oCk为热集中系数，单位：cm2/s，表示物体内温度变化的速率；p为密度，单位：g/cm3；c为比热，单位：J/g·oc当物体吸取或损失的热能一样时，物体温度变化的幅度与热惯量的大小成反比。热惯量大的物体温度变化的幅度小，热惯量小的物体温度变化的幅度则大。例如：P=0.0962P=0.0765P=0.0593以上三种岩石的热惯量大小挨次为：P白云岩＞P石灰岩＞P花岗岩，它们在一个太阳日内的温度变化有明显的差异。昼夜最大温差的挨次为：△T白云岩＜△T石灰岩＜△T花岗岩。由此可以看出：●拂晓前后，地物的热辐射强度与热惯量的大小成正比，且温差到达最大；●午后，地物的热辐射强度与热惯量成反比，且温差到达最大；●热红外遥感的最正确探测时间是拂晓前后和午后；●热红外遥感所获得的目标热辐射强度信息，在拂晓前后和午后的图像上，其色调特征正好相反。地物的放射波谱特征可归纳为以下几个方面：●物体的放射率或热辐射强度与其外表的粗造度和颜色有关。粗造的外表有较强的放射率，光滑外表放射率较低；暗色物体放射率较大，浅色物体放射率较低。●物体的放射率和它的温度有亲热关系。一般温度越高，放射率越大，温度越低，放射率越小。只要温度有较小的差异，热辐射强度就有较大的差异。●不同性质的物体有不同的放射波谱曲线形态，所以可以依据其波谱形态特征来区分不同的地物。§5彩色原理彩色和色觉颜色的产生在日常生活中，人们可以看到自然界各种各样的颜色，但是在黑夜什么颜色都看不见〔如太阳、电灯等〕的入射光作有选择性的吸取和反射造成的。例如：①海水为什么呈兰色？是由于海水选择性反射蓝光，吸取其余色光造成的。②绿色的植物，是由于有选择性的反射绿光，吸取其它色光造成的。此外，物体的颜色还取决于入射光源的颜色〔波长。例如白纸、白色的大理石、可以被各种色光〔波长〕的灯照耀出各种颜色，红色光照白纸成红色纸。这就是所谓有光才有色，无光便无色。色觉色觉是指肯定波长的电磁波在人眼中引起的视觉反映。我们知道人眼的视网膜内有视觉细胞和与之相连的视神经。视觉细胞按其外形可分为：①杆状细胞：呈杆状，感光度高，能够区分光的强弱，但不能区分光的颜色。②锥状细胞：呈圆锥形，能区分光的颜色，但对光的强弱不敏感，只能在强光下工作。所以人们在光线很弱时，不易区分各种颜色。锥状细胞可进一步分为三种：感蓝单元：对0.4—0.5μ波长的刺激感觉灵敏，产生蓝色感觉。感绿单元：对波长为0.5—0.6μ的绿光刺激感觉灵敏，产生绿色感觉。C.感红单元：对波长为0.6—0.7μ的红光刺激感觉灵敏，产生红色感觉。以上三种感色细胞受到刺激后，将会通过视神经系统传送到大脑而得到色觉。其结果如下：当三种感色细胞受到同等程度的刺激，便得到消色感觉。受到猛烈刺激时，便得到白色感觉。受到弱刺激时，便得到黑色感觉。受到中等程度刺激时，得到灰色感觉。当三种感色细胞分别受到不同程度的刺激，则可混合构成彩色感觉。彩色三要素色别〔色调的颜色取决于辐射源的光谱组成和地物外表反射各波长辐射量的比例。饱和度：指颜色的纯洁程度，取决于物体反射光谱的选择性。如物体对某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或无反射，则说明它有很高的光谱选择性，其颜色的饱和度就越高。明度〔强度超群度越大，否则则相反。由于颜色具有上述三个特征，这就使得人眼对颜色区分的数量大大增加，为我们对遥感图象的解译供给了格外丰富的颜色信息。三原色原理人们通常把红、绿、蓝三种颜色光称为三原〔基〕色。从三原色视觉原理可知，任何一种颜色，都可以由三原色按肯定比例组合而成，因此，任何一种颜色，都可以用三原色的比例来表示。下面我们争论三原色等量相加或等量相减的原理：●红、绿、蓝两两相加得三间色光：红+绿=黄；绿+蓝=青；蓝+红=品；黄、品、青为三间色光。●两色光相加为白光的，这两种色光为互补色光。红青白〔红与青为互补色光；蓝黄白〔蓝与黄为互补色光绿+品=白〔绿与品为互补色光〕互补色光也可以由白光中减去三原色得到：白红青〔红与青互补；白绿品〔绿与品互补白-蓝=黄〔蓝与黄互补。●三间色光两两相加为复色光黄+品=红；黄+青=绿；青+品=蓝，此时，红、绿、蓝为复色光。消色和彩色的相互转化消色体是指物体对太阳光无选择性反射或吸取，而呈现出黑白系列的物体。如雪、黑土地、水泥路、白色大理岩等。彩色体是指物体对太阳光有选择性反射或吸取，而呈现出有颜色的物体。如各种颜色的岩石、绿叶、红花等。消色和彩色的相互转化消色体是指物体对太阳光无选择性反射