遙感原理與應(yīng)用

RemoteSensingPrincipleandApplication遙感物理基礎(chǔ)遙感平臺(tái)特點(diǎn)遙感傳感器影像處理基礎(chǔ)影像幾何處理影像輻射處理遙感影像判讀影像識(shí)別分類遙感技術(shù)應(yīng)用遙感系統(tǒng)影像處理遙感應(yīng)用影像處理遙感遙感原理與應(yīng)用課程框架遙感物理基礎(chǔ)

遙感電磁輻射基礎(chǔ)

輻射傳輸基礎(chǔ)

地物波譜特性與遙感光學(xué)基礎(chǔ)

大氣對(duì)電磁輻射的影響

大氣窗口

輻射傳輸方程

電磁波與物體的交互作用輻射傳輸基礎(chǔ)地球被大氣圈包圍，大氣圈上界無明顯界線，離地面越高大氣越稀薄，逐步過渡到太陽系空間。大氣厚度約1千公里，且在垂直方向自下而上分為對(duì)流層、平流層、電離層、外大氣層。大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣結(jié)構(gòu)對(duì)流層：高度在7～12km，空氣作垂直運(yùn)動(dòng)而形成對(duì)流，熱量的傳遞產(chǎn)生天氣現(xiàn)象?？諝鉁囟入S高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在12～50km，底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，反射地面發(fā)射的無線電波，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。大氣外層：800～35000km，空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒有影響。大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣成分

不變成分：氮、氧、氬、二氧化碳、甲烷、氧化氮、氫；這些氣體在80km以上的相對(duì)比例保持不變，稱為不變氣體。

可變成分：臭氧、水蒸氣、液態(tài)和固態(tài)水（雨、霧、雪、冰等）、鹽粒、塵煙；這些氣體的含量隨高度、溫度、位置而變，稱為可變成分。

氣溶膠：固體或液體分散在氣體中的分散體系叫做氣溶膠。比如，煙、塵、霧、云等都是氣溶膠。氣溶膠是氣體和在重力場中具有一定穩(wěn)定性和較小沉降速度的物質(zhì)顆粒組成的混合系統(tǒng)。大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣對(duì)太陽輻射的衰減大氣對(duì)太陽輻射的衰減的三種形式：散射、吸收及反射大氣微粒引起電磁波散射臭氧、二氧化碳和水蒸氣吸收電磁波能量云層和霧等反射阻礙電磁波通過可見光波段：引起電磁波衰減的主要原因是分子散射。紫外、紅外與微波區(qū)：引起電磁波衰減的主要原因是大氣吸收。大氣對(duì)電磁輻射的影響引起大氣吸收的主要成分是氧氣、臭氧、水、二氧化碳等。臭氧：主要吸收0.3微米以下的紫外區(qū)的電磁波，另外，9.6微米處有弱吸收。因大氣對(duì)紫外線有很強(qiáng)的吸收作用，故現(xiàn)階段遙感中很少用到紫外線波段。二氧化碳：主要吸收帶分別為2.60~2.80微米，吸收峰為2.70微米；4.10~4.45微米吸收峰為4.3微米；9.10~10.9微米吸收峰為10.0微米；12.9~17.1微米吸收峰為14.4微米，全在紅外區(qū)。

吸收影響大氣對(duì)電磁輻射的影響水蒸氣：主要吸收帶在0.70~1.95微米間，最強(qiáng)處為1.38微米和1.87微米；2.5~3.0微米間吸收峰為2.7微米；4.9~8.7微米間吸收峰為6.3微米；15微米~1mm間的超遠(yuǎn)紅外區(qū)以及微波中0.164cm和1.348cm處。氧氣：微波中0.253cm及0.5cm處有吸收現(xiàn)象。大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣中的甲烷、氧化氮，工業(yè)集中區(qū)附近的高濃度一氧化碳、氨氣、硫化氫、氧化硫等都具有吸收電磁波的作用，但吸收率很低，可忽略不計(jì)。大氣中其他成分的氣體，由于都是對(duì)稱分子，無極性，因此對(duì)電磁波不存在吸收。在可見光波段范圍內(nèi)，大氣分子吸收的影響小，主要是散射引起衰減。大氣吸收造成遙感影像暗淡。大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣吸收造成遙感影像暗淡大氣對(duì)電磁輻射的影響

電磁輻射在傳播過程中，遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個(gè)方向散開，即為散射。(區(qū)別大氣反射)散射影響：使原傳播方向的輻射強(qiáng)度減弱，而增加向其他各方向的輻射。盡管強(qiáng)度不大，但太陽輻射在照到地面又反射到傳感器的過程中，二次通過大氣，在照射地面時(shí)，由于增加了漫入射的成分，使地物反射的成分有所改變。對(duì)遙感圖像來說，增加了信號(hào)中的噪聲成分，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。

散射影響大氣對(duì)電磁輻射的影響散射類型瑞利（Rayleigh）散射、米氏(Mie)散射、非選擇性散射（均勻散射）等。瑞利散射：介質(zhì)的不均勻程度a小于入射電磁波波長的十分之一；(氣體分子)米氏散射：如果介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a與入射波長同數(shù)量級(jí)；(氣溶膠)非選擇性散射（均勻散射）：當(dāng)不均勻顆粒的直徑a>>λ時(shí)發(fā)生。(大粒子塵埃)大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣散射選擇性散射-散射強(qiáng)度與波長有關(guān)瑞利散射dp<λ/10米氏散射

dp

≈λ非選擇性散射-散射強(qiáng)度與波長無關(guān)非選擇性散射dp>>λ

大氣對(duì)電磁輻射的影響

光和粒子的相互作用（散射），按粒子同入射波波長(λ)的相對(duì)大小不同，可以采用不同的處理方法：當(dāng)粒子尺度比波長小得多時(shí)，可采用比較簡單的瑞利散射公式；當(dāng)粒子尺度與波長可相比擬時(shí)，要采用較復(fù)雜的米散射公式；當(dāng)粒子尺度比波長大得多時(shí)，則用幾何光學(xué)處理。大氣對(duì)電磁輻射的影響

一般考慮具有半徑r的均勻球狀粒子的理想散射時(shí)，常采用無量綱尺度參數(shù)x=2πr/λ作為判別標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)x<0.1時(shí)，可用瑞利散射；當(dāng)x≥0.1時(shí)，需用米散射；當(dāng)x>>50，可用幾何光學(xué)。

同一粒子對(duì)不同波長而言，往往采用不同的散射處理方法，如直徑1微米的云滴對(duì)可見光的散射是米散射；但對(duì)微波，卻可作瑞利散射處理。大氣對(duì)電磁輻射的影響瑞利散射的特點(diǎn)瑞利散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比主要是大氣中由比光波波長還要小的氣體分子質(zhì)點(diǎn)引起。大氣中的瑞利散射對(duì)可見光影響較大，而對(duì)紅外的影響很小，對(duì)微波基本沒有影響，微波具有穿透云霧的能力。晴朗的天空呈藍(lán)色，清晨太陽呈紅色？（d<λ/10）大氣對(duì)電磁輻射的影響米氏散射的特點(diǎn)主要是大氣中的氣溶膠引起的散射。云、霧等的懸浮粒子的直徑和0.76－15μm之間的紅外線波長差不多。米氏散射與大氣中微粒的結(jié)構(gòu)，數(shù)量有關(guān)，其強(qiáng)度受氣候影響較大。（d≈λ）大氣對(duì)電磁輻射的影響非選擇性散射的特點(diǎn)主要是大氣中的大粒子塵埃引起的散射?？吹降脑坪挽F是白色的，就是非選擇性散射的結(jié)果。（d>>λ）散射率與波長沒有關(guān)系大氣對(duì)電磁輻射的影響反射影響由于大氣中有云層，當(dāng)電磁波到達(dá)云層時(shí)，就像到達(dá)其他物體表面一樣，不可避免地要產(chǎn)生反射現(xiàn)象。各波段受到不同程度的影響，削弱了電磁波到達(dá)地面的程度。會(huì)使影像模糊。應(yīng)選擇無云的天氣接收遙感信號(hào)。地面目標(biāo)被部分遮蓋，空中云霧的反射也被遙感影像所記錄大氣對(duì)電磁輻射的影響云層遮擋嚴(yán)重的衛(wèi)星影像返回本節(jié)首頁大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣窗口——電磁波通過大氣時(shí)，衰減較小，而透過率較高的電磁波波段，稱為大氣窗口。吸收率透射率大氣窗口遙感大氣窗口(Atmosphericwindow)大氣窗口遙感可用的大氣窗口0.30

1.15μm

：主要反映地物對(duì)太陽光的反射。通常采用攝影或掃描的方式在白天感測、收集目標(biāo)信息成像。1.3

2.5μm

：白天夜間都可應(yīng)用，是以掃描的成像方式感測、收集目標(biāo)信息，主要應(yīng)用于地質(zhì)遙感。3.5

5.0μm

：含地物反射及發(fā)射光譜，探測高溫目標(biāo)。大氣窗口8

14μm熱紅外窗口：屬地物發(fā)射波譜，是常溫下地物熱輻射能量最集中的波段，所探測的信息主要反映地物的發(fā)射率及溫度。1.0mm

1m微波窗口：分為毫米波、厘米波、分米波。常采用被動(dòng)式遙感(微波輻射測量)和主動(dòng)式遙感，前者主要測量地物熱輻射，后者是用雷達(dá)發(fā)射系列脈沖，然后記錄地物的回波信號(hào)。返回本節(jié)首頁

傳感器從高空探測地面物體時(shí)，所接收到的電磁波能量包括：

太陽經(jīng)大氣衰減后照射地面，經(jīng)地物反射后，又經(jīng)大氣第二次衰減進(jìn)入傳感器的能量；

地面物體本身輻射的能量經(jīng)大氣后進(jìn)入傳感器；

大氣散射和輻射的能量等。輻射傳輸方程Radiance(LT)frompaths1,3,and5containsintrinsicvaluablespectralinformationaboutthetargetofinterest.Conversely,thepathradiance(Lp)frompaths2and4includesdiffuseskyirradianceorradiancefromneighboringareasontheground.Thispathradiancegenerallyintroducesunwantedradiometricnoiseintheremotelysenseddataandcomplicatestheimageinterpretationprocess.輻射傳輸方程到達(dá)地面的輻照度

太陽直射輻照度

天空漫反射輻照度

地表與大氣之間的多次散射漫反射輻照度輻射傳輸方程均勻一致朗伯體地物的地表與大氣信號(hào)

觀測像元經(jīng)大氣光束衰減后的地表反射信號(hào)

大氣對(duì)太陽光的散射信號(hào)

周圍像元的信號(hào)貢獻(xiàn)返回本節(jié)首頁輻射傳輸方程太陽輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即

到達(dá)地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量絕大多數(shù)物體對(duì)可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)10～20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。電磁波與物體交互作用太陽輻射地表吸收太陽輻射后具有約300K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為9.66μm，主要集中在長波，即6μm以上的熱紅外區(qū)段。就短波而言，地表反射的太陽輻射稱為地表的主要輻射來源，而地表自身的輻射可以忽略不計(jì)。

地表反射的太陽輻射成為可見光和近紅外遙感記錄的主要輻射能量。電磁波與物體交互作用

根據(jù)界面（反射面）的粗糙程度和反射的方向性分：鏡面反射：界面起伏高度相對(duì)入射電磁波波長而言很小（即界面光滑）時(shí)產(chǎn)生鏡面反射。漫反射：界面起伏高度相對(duì)于入射電磁波波長而言比較大（即界面粗糙）時(shí)，產(chǎn)生漫反射。均勻的漫反射面稱為朗伯面，朗伯面反射的電磁波在各個(gè)方向上輻射亮度值相同。電磁波與物體交互作用地物的反射方向反射(混合反射)：當(dāng)界面起伏高度介于上述兩種情況之間（中等粗糙），產(chǎn)生方向反射。實(shí)際地物表面由于地形起伏，在某個(gè)方向上反射最強(qiáng)烈，而在其他方向反射較弱，這種現(xiàn)象稱為方向反射。是鏡面反射和漫反射的結(jié)合。從空間對(duì)地面觀察時(shí)，對(duì)于平坦地區(qū)，并且地面物體均勻分布，可以看成漫反射；對(duì)于地形起伏和地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，為方向反射。電磁波與物體交互作用表面粗糙度及瑞利準(zhǔn)則

地物表面的粗糙度(SurfaceRoughness)：地物表面起伏高差的均方根值。電磁波與物體交互作用

其中：為粗糙度；為光的入射角；為光波長。兩波差相位為完全抵消，差0為完全相重合，介乎之間差

粗糙度推導(dǎo)示意圖（光程差）（相位差）電磁波與物體交互作用瑞利準(zhǔn)則當(dāng)相位差小于即，兩波偏于相重合，則呈反射為主、光滑表面。

增大，增大，有利于形成光滑表面。減小，減小，有利于形成粗糙表面。

對(duì)于可見光，在范圍內(nèi)，所有地物都是粗糙面，而對(duì)于微波，在cm到m之間，地物表面呈粗糙與光滑臨界狀態(tài)。電磁波與物體交互作用反射系數(shù)（反射率）——反射輻射通量/入射輻射通量*100%。它是波長、入射角、地物的質(zhì)地及朝向、粗糙度、地物介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等的函數(shù)。假設(shè)地物是漫反射作為前