可见光与热红外遥感原理与应用

可见光与热红外遥感原理与应用2第一章遥感基本原理1.1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/频率电磁波谱3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Wλ与温度T、波长λ的关系：4式中：Wλ为辐射出射度（辐射通量密度），λ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，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，Wλ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的总辐射出射度w。式中：σ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（wien’s）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λmax。式中，λmax的单位为μm。T的为绝对温度。黑体的分支波长λmax与其绝对温度成反比。当黑体的绝对温度增高时，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。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。5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，强度变化大。1.2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。6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。a.当λ=r时，发生的散射称米氏散射；b.当rλ时，发生的散射称均匀散射；c.当rλ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，λ为入射电磁波的波长。）A.瑞丽散射(rλ)散射强度I与波长λ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B.均匀散射（rλ）大气中的云、雾、水滴、尘埃等散射属于此类，直径一般为5-100μm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。C.米氏散射（λ=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。7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：a.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。b.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：a.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2.27～3.57μm和4.9～7.8μm。．2个窄的强吸收带：其中心波长分别为1.38μm、1.86μm。．1个弱的窄吸收带：波长0.7～1.23μm。b.臭氧(O3)吸收。臭氧吸收集中在紫外波段，对波长0.3μm以下的波段全部吸收．在9.6μm附近有一很窄的弱吸收收带。c.氧气(O2)吸收。氧气对电磁辐射的吸收发生在小于0.2μm、0.69μm、0.76μm几处，但都很弱。d.二氧化碳(CO2)吸收。CO2对电磁辐射的吸收主要发生在大于2μm的红外波段。．1个宽的吸收带：波长大于13μm的超远红外线几乎全被吸收受。．2个窄的强吸收带：2.6～2.8μm和4.1～4.45μm。8透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透射能力。这是因为人们可以直接观察到可见光谱段辐射能的透射现象。然而，可见光以外的透射，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透明的，但它能透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，而透射率高的波段成为大气窗口。（1）0.3～1.3μm，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1～4波段，SPOT卫星的HRV波段等。（2）1.5～1.8μm，2.0～3.5μm，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）3.5～5.5μm，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3.55～3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图。（4）8～14μm，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。（5）0.8～2.5cm，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，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。91.3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(λ)＝ER(λ)＋EA(λ)十Et(λ)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、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（0.3-2.5μm），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＝λ／８cosθ式中：λ是入射波的波长，θ是入射角。如果物体表面的起伏度ｈ≤d，则该表面为光滑表面；如果ｈ＞d，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hλ，该表面属光滑表面；当入射波的波长λh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：10•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，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，（λ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