遥感的理论基础思维导图
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2023-04-10
遥感
遥感的理论基础
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遥感的理论基础
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电磁波与电磁辐射
电磁波与电磁辐射
电磁波
由振源发出的电磁振动(electromagnetic vibration)在空间的传播。
交变电场（alternating electric field）和交变磁场(alternating magnetic field)迅速向远方传播的过程叫做电磁波。
电磁辐射(Electromagnetic radiation)：能量的一种动态形式 即电磁波在空间中传播时与物质相互作用的过程。
入射（incidence）
发射(emission)
反射(reflection)
折射（refraction）
吸收（absorption）
透射（transmission）
散射（scattering）
干涉(interference)
同振幅 、频率和初相位的波的叠加，引起振幅重新分布。一般，单色波都是相干波
衍射(diffraction)
波在传播中遇到障碍物时在障碍物边缘一些波偏离直线路径，进入障碍物后面的“阴影区”产生亮斑，与图像空间分辨率有关。
偏振（polarization)
光矢量在一个固定平面内只沿一个固定方向振动的光为偏振光。
电磁波性质
电场矢量E和磁场矢量M互相垂直(perpendicular to each other)，
且都垂直于电磁波传播方向V，因此，电磁波是横波（transverse wave）
电磁波的几个主要参量
频率v（Frequency）
周期T：1/v
波长（wavelength）
振幅（Amplitude）
相位（phase）
偏振（polarization）
在真空中的传播速度：c=2.998×108m/s
波数：Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1)
波段(band)：两个波长之间的全体波长的集合
Maxwell方程
电磁波是以速度V在介质中传播的横波；随时间变化的磁场能激发电场，随时间变化的电场能激发磁场
电磁波在介质中的传播速度：V=c/√εμ，小于光速
电磁波具有波粒二象性（particle-wave duality ）
波动性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性
波函数：ψ=Asin[(ωt−kx)+φ]
干涉（interference）、衍射（diffraction）、偏振（polarization）
连续性，频率、波长是波动性的属性
粒子性：电磁波在与物质相互作用时，主要表现为粒子性
波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射能量越高，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射能量越低，波动特性愈明显。
电磁波的传播
电磁波可以采用频率、相位、能量、极化等物理参数来描述。
电磁波通过不同的介质时，其强度、相位、传播方向和偏振面等将发生变化， 这些变化可能是单一的，也可能是复合的。
电磁波在传播中遵循波的反射，折射，衍射，干涉，吸收，散射等传播规律
电磁辐射的度量
辐射测量（ radiometry ）：以整个波段范围为对象的物理辐射量的测定
光度测量（ photometry ）：
由人眼的视觉特性（标准光度观察）评价的物理辐射量的测定
辐射源(radiation source)：任何物体都是辐射源，不仅能够吸收或反
射其它物体对它的辐射，也能够向外发射能量（热辐射）。
辐射通量(radiant flux) ：单位时间内通过某一面积的辐射能量Ф=dQ/dt
辐射通量密度(radiant flux density) ：单位时间内通过单位面积的辐射能量， E=dФ/ds
辐照度(irradiance) ：面辐射源单位面积上接收的辐射通量， I=dФ/ds
辐射出射度(radiant exitance) ：面辐射源在单位面积上发出的辐射通量，M= dФ /ds。
辐射强度(radiant intensity) ：点辐射源在单位立体角内向某一方向发出的辐射通量
辐射亮度(radiance) ：面辐射源在单位投影面积上（垂直于辐射方向单位面积即法向）、单位立体角内的辐射通量。
黑体(black body)：绝对黑体，指能够将外来辐射能量全部吸收的物体
发射率(emissivity)：地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同面积黑体发射能量M黑之比值。
反射率(reflectance)：地物的反射能量与其表面辐照度之比，用百分数表示
透射率(transmittance)：地物的透射度与其表面的辐照度之比
吸收率(absorption rate)：地物的吸收度与其表面的辐照度之比
大气辐射
大气辐射(atmospheric radiation)
大气辐射
大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射、反射和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分有关
大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的
大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。
大气对地球辐射的作用，对遥感探测的影响
大气的垂直结构
对流层 (troposphere)<12
平流层（stratosphere）12~55
中气层（mesosphere）55~80
电离层(thermosphere)
大气外层(exosphere)>1000
大气的吸收作用（Absorption）
氧气
臭氧
水蒸气
二氧化碳
大气的散射作用
大气的散射作用（ Scattering）
改变电磁波传播方向，降低太阳辐射直射地面的强度，造成太阳辐射衰减
散射光下行增加了地面漫入射
散射光上行进入传感器，对地观测时干扰传感器的接收，噪声
降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读
散射程度与微粒大小与含量，波长，大气光学厚度（AOD, atmospheric optical depth）有关
集中在可见光区
散射系数：γ∝λ-Ψ，Ψ∈0-4，取决于λ和粒子直径r的关系，三类散射体
三种散射作用
瑞利散射（ Rayleigh Scatter ）：
当微粒的直径比辐射波长小得多时，散射称为瑞利散射，又称分子散射
大气分子的半径量级在10-4μm，可见光波长量级10-1μm，符合条件
散射率（scatterance）与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍
瑞利散射对紫外线、可见光、近红外的影响较大，对热红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计；传统多波段中遥感探测不使用蓝紫光
多在9-10km的晴朗高空发生
前向与后向散射强度相同，无明显散射峰
造成图像辐射畸变、模糊的主要原因
米氏散射（ Mie Scatter ）：
微粒直径与波长相当时发生
散射程度与波长的二次方成反比
方向性明显，前向散射大于后向散射
在大气低层，0-5km，散射最强
大气中的悬浮颗粒，如霾、小水滴、尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶的散射属于此类
云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对红外线的米氏散射不可忽视
无选择性散射（ Non-selective scatter ）：
当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射
散射程度与波长无关
水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶，对VI/NIR波段散射
方向性：明显的前向散射峰
粗粒散射
大气折射（Refraction）改变方向，不改变强度
绝对折射率 ：n = c/cn ，n=sini/sinr 相对折射率（两种介质）： n sinθ = n′sinθ′
大气的折射与大气密度有关，密度越大，折射率越大
离地面越高，空气稀薄，折射率越小
太阳垂直入射时，天顶角=0°，折射最小，90°时折射最大
大气反射（Reflection）
电磁波传播过程中，若通过两种介质的交界面，发生反射
反射主要发生在云层顶部，取决于云量
对各波段都有不同程度影响
由于反射的存在，削弱了电磁波到达地面的强度
大气窗口（atmospheric windows)
大气衰减（atmospheric attenuation）
吸收和散射，减弱强度，消光作用
与大气状况和波长有关
可见光和近红外波段，吸收作用少（3%），主要是散射
衰减系数(消光系数）k, 单位m-1,，为吸收系数与散射系数的和
太阳辐射经大气衰减后到地面的辐照度：E’=E0 e^-kx
当辐射强度减为1/e时，光学厚度定义为1
大气透过率：τ=E’/E0=e^-kx
大气对太阳辐射的影响
大气衰减（消光）：太阳辐射经过大气的吸收和散射，信号强度被削弱
路径辐射：大气的散射光一部分经过地物反射进入传感器，增强了信号
程辐射：大气散射光向上通过大气层直接进入传感器，这部分辐射称为程辐射度，是大气组分、气溶胶的函数
大气对地面目标反射遥感探测的影响
大气以几种方式影响传感器记录的目标的辐射亮度
大气衰减（吸收和散射）：对太阳辐射和地面目标辐射的衰减
大气程辐射：信号增加，但不携带地面目标信息，为噪声
路径辐射：大气散射后到达地面又被反射到传感器
传感器记录的地面目标的总辐射亮度
大气校正
基于辐射传输方程的大气校正模型：已知大气参数
6S模型（Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum）
LOWTRAN模型（Low resolution Transmission）
MORTRAN模型（Moderate resolution Transmission）
ACTOR（A Spatially-Adaptive Fast Atmospheric Correction)
基于地面实测数据的校正：如线性回归模型
利用某些波段不受大气影响或影响较小的特性校正其他波段；暗目标法
电磁波谱
电磁波谱(electromagnetic spectrum)
宇宙射线
γ射线
X射线
紫外线
可见光
红外线
微波
其它无线电波
遥感中常用的电磁波段
紫外线（UV）：波长范围0.01 m～0.38m（1 m=10-6m）
<0.3 m的能量被大气层吸收，如臭氧（大气上层）
=0.3～0.38 m可穿过大气层，用感光胶片和光电探测器探测，受大气散射、吸收性气溶胶影响
由于紫外线在大气中传输时受到很大衰减，在传统RS探测中很少被应用
海面石油污染的范围和油膜厚度，以及测定碳酸盐岩分布；
紫外线从空中可探测的高度<2000m，对高空遥感不适用；
紫外遥感可探测大气密度（atmosphere density）、臭氧（ozone）、气溶胶（aerosol）等的三维分布。
气溶胶（aerosol）：0.001-100 m，雾、烟、霾、轻雾（霭）、微尘和烟雾等
可见光（VI）
波长范围0.38 m～0.76 m，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成；
摄影和光电扫描方式探测；
可以粗分为蓝、绿、红三色
目标反射的太阳辐射
高空间分辨率
主要地表覆盖的反射特征表达
可见光是RS中最早和最常使用的波段
天气晴朗的白天
红外线（IR）：波长是0.76 m～1000m
近红外（NIR）
中红外（MIR）
远红外（FIR）
微波
电磁辐射源
自然辐射源
太阳辐射
太阳辐射
辐射波长范围极大，光谱连续，从X射线延伸到无线电波
太阳表面的辐射出射度6.284×107 W•m^-2
与绝对黑体的辐射特性基本一致；常用5900K的黑体辐射模拟
被动遥感最主要的辐射源
能量集中于短波辐射，VI和NIR的主要辐射源，能量集中且稳定
大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射等作用
太阳到地球的总辐照度（不考虑大气影响）
天顶角θ (Zenith Angle)
光线入射方向和天顶方向的夹角
太阳高度角（Solar Elevation Angle）
太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，简称太阳高度。太阳高度角和太阳天顶角互为余角
太阳方位角（Solar Azimuth Angle）
太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角。即以目标物的正北方向（与中央子午线的北方向相同）为起算方向，按顺时针方向所测量的角度
太阳辐射（太阳光谱）的主要特征
太阳辐射到达大气层顶时与6000K黑体的辐射能特征基本相同：辐射能的强度特征、辐射能随波长的分布特征。
太阳辐射穿过大气层到达地面后，被大气反射、散射和吸收，强度有所减少，而且存在多个O3、CO2、H2O的吸收带
在0.6μｍ附近有一个O3的吸收带；在0.7、0.9、1.1μｍ附近有三个水汽的吸收带、在1.4和1.9μｍ附近太阳辐射能完全被吸收；CO2 的强吸收带在2.7和4.3μｍ附近。
到达地面的太阳辐射能43.5%集中在可见光波段，38.6%集中在近红外波段。
人工辐射源(artificial radiation)
微波辐射源(microwave radiation source)：0.8-100cm
激光辐射源(laser radiation source)：激光雷达—测定位置、高度、测量地形等
地物光谱特征
地物的光谱特性(spectral features of the targets)
含义：地物本身具有的辐射规律
任何地物具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波某些波段的特性
具有发射红外线、微波的特性（都能进行热辐射）
少数地物具有透射电磁波的特性
EI(λ)=ER(λ)+EA(λ)+ET(λ)
与波长、入射能量、目标特征等有关
意义：地物的光谱特性是RS技术的重要理论基础
传感器工作波段的选择
遥感应用选择数据和波段的依据
数据正确分析和判读的理论基础
数字图像处理和分类时的参考标准
地物的反射光谱特性(Reflection)
地物的反射率ρ：
地物的反射能量与入射的总能量之比
影响地物反射率大小的因素
入射电磁波的波长(wavelength)
入射角的大小(incidence angle)
目标表面粗糙度（roughness）
介电（permittivity ）特性,等等
物体表面粗糙度对反射的影响（effects of surface roughness on reflection）
物体表面粗糙度的划分——瑞利准则：
d=λ/（8cosθ
ℎ≤d, 光滑表面，即镜面
ℎ>d，粗糙表面
反射类型(reflection types)
镜面反射（specular reflection）：光滑表面产生的反射
漫反射（diffuse reflection）：若表面相对于入射波长是粗糙的，发生漫反射
方向反射(directional reflection)
二向性反射
二向性反射分布函数BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）：
来自方向地表辐照度的微增量与其入射方向上辐射亮度增量之间的比值
二向反射因子：BRF=[dLT(θ,φ,λ)]/[dLP(θ,φ,λ)]
地物反射光谱特性变化规律
特定地物在不同波段反射率的差异性：光谱响应特征，可探测可识别
不同地物反射率在不同波段的差异性和相似性：可分性与同谱异物
同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性：同物异谱
地物的光谱特性随时空的变化：物候差异、复杂性
地物的反射光谱曲线
不同地物有不同的波谱曲线
不同地物反射率在不同波段的差异性和相似性
同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性
时间特征
典型地物的光谱反射特征
水体
一般地，水的反射率很低，小于10%
纯净水反射率在蓝绿光波段最高，可见光其他波段反射率很低，红外波段反射率几乎为0，色调为均匀的暗色
传感器所接收的辐射包括水面反射光、悬浮物和水底反射光、天空散射光
不同水体的水面性质、水中悬浮物的性质和数量、水深和水底特性的不同，传感器上接收的反射光谱特性存在差异
土壤
土壤光谱特征受湿度、有机质、氧化铁含量、土壤结构、以及外部环境(气候、风化程度、植被盖度、落叶)等因素的影响
自然状态下，土壤表面的反射率曲线比较平滑，没有明显的峰值和谷值
干燥土壤土质越细反射率越高
有机质含量越高，反射率越低
含水量越高，反射率越低
地表植被稀少的情况下，土壤的光谱曲线与其组成和颜色密切相关
土壤表面有植被覆盖时,覆盖度小于15%,光谱特征与裸土相似;在15%-70%,表现为混合光谱
不透水表面
建筑：主要由屋顶、侧面的建筑材料的波谱特性决定
道路：铺面材料决定，水泥、沙地、沥青
岩石
可见光：岩石的反射率差别小；0.6-0.7um的红光波段，不同岩石反射率彼此很少交叉，信息丰富
近红外波段，反射率差异大
与岩石本身的矿物成分、矿物含量、物质结构、颜色密切相关；如岩石的风化程度、含水状况、颗粒大小、表面粗糙度等
覆盖于其上的土壤、植被对岩石波谱特性的影响
植被
蓝光波段（0.38～0.50μm）反射率低，0.45μm附近有一个吸收谷；
绿光波段（0.50～0.60μm）反射率高，0.55μm左右有一个反射峰
红光波段（0.60～0.76μm）反射率低，0.65μm达到一个低谷
在0.80～1.00μm反射率陡峭上升，到1.1μm附近达到一个峰值，形成植被的独特反射特征
在1.30～2.50μm(短波红外）受含水量影响反射率下降，在1.45μm、1.95μm、2.7μm为中心为水的吸收带，形成低谷
地物的发射光谱特性
任何地物当温度高于绝对温度0K（0K=273.15℃）时，就存在着分子运动，不断地向外发射电磁波，即热辐射特性。任何物体都有热辐射。
地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准
黑体热辐射定律 (Black Body Radiation )
由普朗克公式可以导出黑体辐射的两个定律
史蒂芬—玻尔兹曼辐射定律（Stefan-Boltzmann's law ）
维恩位移定律（Wien's displacement law ）
λmax ×T=b
基尔霍夫定律：
在一定的温度T和波长下，任何一个物体的发射度M(T)与其吸收率(T)之比都等于同一温度下的黑体的发射度M黑(T)
M (λ，T) /α (λ ，T)= M黑 (λ ，T)
黑体辐射的三个特性
辐射通量密度随波长连续变化，曲线只有一个最大值
温度愈高，辐射通量密度也愈大，不同温度的曲线不相交
随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向
四类发射体
绝对黑体：任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率恒等于100%的物体
灰体：任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率都小于100%，且不随波长而变化的物体。其光谱发射率是一个与波长无关的常数
选择性发射体：光谱发射率随波长而变化的物体
绝对白体：物体的光谱发射率和光谱透射率恒等于0，而反射率恒等于100%
黑体的微波辐射
任何物体在一定的温度下，不仅向外具有红外辐射，也具有微波辐射
微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。高空成像时分辨率受到限制
瑞里—金斯公式
在微波波段黑体的辐射出射度与温度成正比，与波长的平方成反比
地物的发射波谱特性影响因素
地物的发射率与地物表面的粗糙度、颜色、湿度、介电常数等有关
地物表面粗糙或颜色发暗，其发射率就高，反之则低
比热大、有保湿作用的地物，其发射率大；反之就小
与波长、观测角度有关
地物自身热辐射过程的复杂性
能量吸收（增温，热储存）→ 能量发射（降温，热释放）
与地物的热学性质（热传导、热容量、热惯量）、环境条件有关
热过程存在滞后效应，定量表达复杂
热辐射传输方程
地物的透射光谱特性
透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比
透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同
可见光、红外、微波的透射能力
可见光对大多数地物都没有透射能力
红外线只对半导体地物有一定的透射能力
微波对云、雾、冰、雪、干沙、干土和植被等具有较强的穿透能力，对岩石也能穿透一定深度，但不能穿透金属和水体。微波的波长越长，其透射率越大，透射深度也越深
环境对地物光谱特性的影响
地物的物理性状对反射、发射的影响
光源的辐射强度：纬度与海拔高度、季节和时间
季节：太阳高度不同
探测时间
气象条件
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地球表面的热辐射特征思维导图模板大纲
地球上的能源来自太阳辐射，含太阳直射和天空漫入射（天空光或天空散射光）
太阳辐射被地物吸收的能量有一部分变为热能使地物具有温度，进而发射电磁波
地面实际接收的太阳短波辐射能量Rs↓−Rs↑=(1−ρ) Rs↓
地表净辐射收入：
Rn=(1−ρ) Rs↓+RL↓-RL↑
地球表面的平均温度大约300K，与300K的黑体辐射相近
热辐射的波长范围是：2.5-50μｍ；能量集中于4-30μm的热红外波段
地球表面的热辐射与自身的发射率、波长、温度有关
地球表面的热辐射大部分被云体和大气层吸收，一小部分透过大气层直射太空
植被指数（Vegetation Index）思维导图模板大纲
利用植被在可见光和近红外波段的反射特性，将可见光和近红外波段进行组合，构造各种指数
反演植被生物物理、生物化学参数
反映植被在可见光、近红外波段反射与土壤等背景之间的差异
常用的植被指数
增强或提取有关植被类型、植被覆盖、生产力、健康、生物量、水分等多方面的特征信息
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