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1、第1章 遥感概述 1.1 遥感的概念遥感即遥远感知，是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术。遥感的基本内容：（1）遥感技术遥感技术主要解决获取地球表层信息的手段问题，它包括传感器的设计与制造，传感器的扫描姿态，数据传输以及原始数据的预处理等。（2）遥感理论遥感理论的主要任务是将数据（传感器所提供的可测参数值）转化为有用的信息，即可被人类理解的关于地球表层的某种物理的、几何的、生物学的及化学的参数。（3）遥感应用遥感应用的任务是将信息转变为知识，所谓知识是对地球表层系统的物理过程及内在变化规律的认识和表达。遥感应用的特点是必须将由遥感手段获取的信息与母学科知识紧密结合
2、，才能对地球表层系统的现状作出正确的描述，对它的发展作出准确的判断。1.2 遥感技术系统遥感技术系统：是一个从地面到空中，乃至空间，从信息收集、存储、处理到判读分析和应用的完整技术体系。遥感过程：指遥感信息的获取、传输、处理及其判读分析和应用的全过程。遥感平台： 装载传感器的工具或设备，主要有地面平台(如遥感车、手提平台、地面观测台等)、空中平台(如飞机、气球、其他航空器等)、空间平台(如火箭、人造卫星、宇宙飞船、空间实验室、航天飞机等)。传感器：接收、记录目标物电磁波特征的仪器（各种光学、无线电仪器），如扫描仪、雷达、摄影机、摄像机、辐射计等。遥感探测的特点：（1） 宏观观测，大范围获取数据
3、资料；（2） 动态监测、快速更新监控范围数据；（3） 技术手段多样，可获取海量信息（4） 应用领域广泛，经济效益高遥感的分类（1）按遥感平台分地面遥感：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；航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等；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；宇航遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。（2）按传感器的探测波段分紫外遥感：探测波段在0.05一0.38m之间；可见光遥感：探测波段在0.38一0.76m之间；红外遥感：探测波段在0.76一1000m之间；微波遥感：探测波段在
4、1mm一1m之间。（3）按传感器的工作原理分主动遥感：由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射值量；被动遥感：传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。（4）按遥感资料的获取方式分成像遥感：将探测到的目标电磁辐射转换成可以显示为图像的遥感资料，如航空像片、卫星影像等；非成像遥感：将所接收的目标电磁辐射数据输出或记录在磁带上而不产生图像。（5）根据波段宽度及波谱的连续性分高光谱遥感：常规遥感：又称为宽波段遥感（5）按遥感的应用领域分从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等；从具体应用领域可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林
5、业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种专题应用。1.3 遥感技术的简史与发展当前遥感发展的现状及趋势：（一） 多分辨率传感器的发展；（二） 多波段、多极化、多角度遥感并用；（三） 小卫星及卫星群的发展；第2章 遥感电磁辐射基础 2.1 电磁波谱与黑体辐射2.1.1 电磁波与电磁波谱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内传播的过程称为电磁波。 按照电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列制成的图表，称为电磁波谱图。电磁波谱区段的界限是渐变的，一般按产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划分
6、。电磁波谱表波段波长长波中波和短波超短波大于3000m10 3000m1 10m微波1mm 1m红外波段超远红外远红外中红外近红外0.761000m15 1000m6 15m3 6m0.76 3m可见光红橙黄绿青蓝紫0.380.76m0.62 0.76m0.59 0.62m0.56 0.59m0.50 0.56m0.47 0.50m0.43 0.47m0.38 0.43m紫外线10-3 3.810-1mX射线10-6 10-3m射线小于10-6m2.1.2 电磁辐射的有关概念辐射源：能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。自然辐射源：-太阳辐射：可
7、见光及近红外遥感的重要辐射源。-地球电磁辐射：远红外遥感的辐射源。人工辐射源：人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）。基本物理名词：辐射能量（Q）、辐射通量（辐射功率，）、辐射出射度（辐射通量密度W）、辐射照度（E）、辐射强度（I）、辐射亮度(L)辐射能量 Q：电磁辐射是具有能量的，它表现在： 使被辐照的物体温度升高 改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）辐射通量 (radiant flux) ：在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量。 = Q/ t辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）辐射通量密度 (irradiance) E、(rad
8、iant existence) M：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度。E辐照度 = / A M辐射出射度 = / A辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）图2 辐射强度 (radiant intensity) I：辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量。I = / 辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）图3 辐射亮度 (radiance) L：单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度。L= 3 / A 辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米微米球面度（W/m m Sr）图4 分谱辐射通量：辐射通量是波长的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐
9、射通量： = / 分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/m）图5 分谱辐射通量、分谱辐照度、分谱辐射出射度、分谱辐射强度2.1.3 黑体辐射 1860年，基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明了凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。一个不透明的物体对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用，且此物体的光谱吸收率(,T)与光谱反射率（，T）之和恒等于1，实际上对于一般物体而言，上述系数都与波长和温度有关，但绝对黑体的吸收率(,T)1,反射率（,T）0；与
10、之相反的绝对白体则能反射所有的入射光，即：反射率（,T）1，吸收率(,T)0，与温度和波长无关。1900年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度W和其温度的关系以及按波长分布的辐射定律：式中：分谱辐射通量密度，单位（）；波长，单位m；h普朗克常数=6.625610-34Js；c 光速3108 m/s；k玻耳兹曼常数=1.3810-23 J / K；T绝对温度K。式中：第一辐射常量，其值为3.7418；第二辐射常量，其值为1.4388。图中可直观地看出黑体辐射的三个特性： （1）与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加。总辐射通量密度W可在从零到无穷大的波长范围内对普朗
11、克公式进行积分得到，即：其中称为斯忒藩玻尔兹曼常量。从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩玻耳兹曼公式。对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度（T）。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。（2）分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。可微分普朗克公式，并求极值：称为维恩位移定律。它表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。（3）
12、每根曲线彼此不相交，故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。2.1.4 一般物体的发射辐射黑体热辐射由普朗克定律描述，它仅依赖于波长和温度。然而，自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。而且，实际物体的辐射不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。我们用发射率来表示它们之间的关系：= W/ W 即：发射率就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。 依据光谱发射率随波长的变化形式，将实际物体分为两类：一类是选择性辐射体，在各波长处的光谱发射率不同，即=f()；另一类是灰体，在各波长处的光谱发射率相等，即：=，与绝对黑体、绝对白体相比
13、较列于下面： 绝对黑体1 灰体但01 选择性辐射体f() 理想反射体（绝对白体）0发射率是一个介于0和1的数，用于比较此辐射源接近黑体的程度。各种不同的材料，表面磨光的程度不一样，发射率也不一样，并且随着波长和材料的温度而变化。2.2 太阳辐射和地球辐射2.2.1 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。传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主要是来自太阳辐射的一种转换形式。 太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。太阳光谱：太阳发射的电磁辐射在地球大气顶层随波长的分布称为太阳光谱。2
14、.2.2 地球辐射地球辐射可分为：短波0.3-2.5m，长波辐射6 m以上。地球的短波辐射以地球表面对太阳的反射为主，地球自身的热辐射可以忽略。地球的长波辐射只考虑地表物体自身的热辐射，这个区域太阳照度的影响很小。中红外波段（2.5-6 m ）：太阳辐射和地球热辐射均有。2.3 地球大气及其对太阳辐射的影响 2.3.1 地球大气 地球大气从垂直方向可划分成四层，对流层、平流层、电离层和外大气层。 大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体在80km以下的相对比例保持不变，称不变成分）、臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变、称为可变成分）等。 2.3.2 大气对太阳辐射的衰减作用 在可见光波段，引起电磁波衰减的主要原因是分子散射。在紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收。引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等。 在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要
