遥感图像处理_第1讲(遥感机理)

地物反射波谱特征
概述 对于一般不能透过可见光的地面物体对 波长 5 cm的电磁波则有透射能力，例如， cm 超长波的透过能力就很强，可以透过地 面岩石、土壤。 利用这一特性制作成功的超长波探测装 置探测地下的超长波辐射，可以不破坏 地面物体而探测地下层面情况，在遥感 界和石油地质界取得了令人瞩目的成果。
ρ=πρ’
ρ’为常数，与方向角或高度角无关。自然界中真正 的朗伯面也很少，新鲜的氧化镁（MgO）、硫酸钡 （BaSO4）、碳酸镁（MgCO3）表面，在反射天顶角 ≤45o时，可以近似看成朗伯面。
实际物体反射
多数都处于两种理想模型之间，即介于镜 面和朗伯面（漫反射面）之间。一般讲， 实际物体表面在有入射波时各个方向都有 反射能量，但大小不同。在入射辐照度相 同时，反射辐射亮度的大小既与入射方位 角和天顶角有关，也与反射方向的方位角 与天顶角有关。
地物波谱特征的测量
地物反射波谱测量理论
–双向反射分布函数（BRDF） 对于给定的入射角和反射角，这一 函数值表示在给定方向上每单位立体 角内的反射率。fr还是波长的函数。 BRDF完全描述了反射空间分布特性的 规律。但是由于BRDF函数值本身是两 个无穷小量的比，且实际想要测量 dIi也十分困难，因此实际测量中很 少采用。
度大小与入射角度无关。
地物反射波谱特征
反射率和反射光谱
–反射波谱——地物反射率随波长的变化规 律。 通常用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长 λ，纵坐标表示反射率ρ。同一物体的波 谱曲线反映出不同波段的不同反射率，将 此与遥感传感器的对应波段接收的辐射数 据相对照，可以得到遥感数据与对应地物 的识别规律。
信息的接收
传感器接收到目标地物的电磁波信息，记录在数字磁 介质或胶片上。胶片是由人或回收舱送至地面回收， 而数字磁介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天 线传输给地面的卫星接收站。
遥感系统
信息的处理
地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息， 记录在高密度的磁介质上（如高密度磁带 HDDT或光盘等），并进行一系列的处理，如 信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影 变换等，再转换为用户可使用的通用数据格 式，或转换成模拟信号（记录在胶片上）才 能被用户使用。 地面站或用户还可根据需要进行精校正处 理和专题信息处理、分类等。
漫反射
指不论入射方向如何，虽然反射率ρ与镜面反射一 样，但反射方向却是“四面八方”。也就是把反射 出来的能量分散到各个方向，因此从某一方向看反 射面，其亮度一定小于镜面反射的亮度。严格说， 对漫反射面，当入射辐照度I一定时，从任何角度 观察反射面，其反射辐射亮度是一个常数，这种反 射面又叫朗伯面。设平面的总反射率为ρ，某一方 向上的反射因子为ρ’，则：
地物反射波谱特征
概述 在物体反射、吸收、透射等物理性质中， 使用最普遍最常用的仍是反射这一性质， 也是本节的主要内容。
地物反射波谱特征
反射率和反射光谱
–反射率 物体反射的辐射能量Pρ 占总入射能量P0 的 百分比，称为反射率ρ ：
ρ=
Pρ P 0
×100%
不同物体的反射率也不同，这主要取决于 物体本身的性质（表面状况），以及入射 电磁波的波长和入射角度。反射率的范围 总是≤1，利用反射率可以判断物体的性质。
遥感系统
信息的应用
遥感获取信息的目的是应用。这项工作由各 专业人员按不同的应用目的进行。在应用过 程中，也需要大量的信息处理和分析，如不 同遥感信息的融合及遥感与非遥感信息的复 合等。
遥感系统
总之，遥感技术是一个综合性的系统， 它涉及到航空、航天、光电、物理、计 算机和信息科学以及诸多的应用领域， 它的发展与这些学科紧密相关。
水体的反射主要在蓝绿 光波段，其他波段吸收 都很强，特别到了近红 外波段，吸收就更强， 所以水体在遥感影像上 常呈黑色。但当水中含 有其他物质时，反射光 谱曲线会发生变化。水 中含泥沙时，由于泥沙 散射，可见光波段反射 率会增加，峰值出现在 黄红区。水中含叶绿素 时，近红外波段明显抬 升，这些都成为影像分 析的重要依据。
不同叶绿素浓度的海水反射光谱曲线
（3）岩石反射波谱曲线 岩石的反射波谱 曲线无统一的特 征，矿物成分、 矿物含量、风化 程度、含水状况、 颗粒大小、表面 光滑程度、色泽 等都会对曲线形 态产生影响。
几种岩石的反射波谱曲线
地物波谱特征的测量
电磁波谱中，可见光和近红外波 段（0.3~2.5μm）是地表反射的主 要波段，多数传感器使用这一区间。 地物波谱特征测量的作用
–传感器波段选择、验证、评价的依据 –建立地面、航空和航天遥感数据的关系 –将地物光谱数据直接与地物特征进行相关 分析并建立应用模型
地物波谱特征的测量
地物反射波谱测量理论
–双向反射分布函数 （BRDF） 对于地物表面dA，入射时 辐照度为dIi(φi,θi)， 在φr和θr方向上，由dIi 产生的反射亮度为dLr， 随着入射方向和反射方向 的不同，产生一个函数fr， 称双向反射分布函数，简 dLr (ϕiθi ,ϕrθr ) 称BRDF，表示为： fr = dI i (ϕi ,θi )
自然状态下土壤表面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 质含量越高和含水量越高反射率越低，此外土 类和肥力也会对反射率产生影响。由于土壤反 射波谱曲线呈比较 平滑的特征，所以 在不同光谱段的遥 感影像上，土壤的 亮度区别不明显。
不同质地土壤反射光谱曲线
（3）水体反射波谱曲线
（1）植被反射波谱曲线
植物波谱具有上述的基本特征，但仍有 细部差别，这种差别与植物种类、季节、 病虫害影响、含水量多少等有关系。为 了区分植被种类，需要对植被波谱进行 研究。
（1）植被反射波谱曲线
9月20日玉米、大豆
5月20日小麦、油菜
（1）植被反射波谱曲线
不 同 树 种
（2）土壤反射波谱曲线
地物反射波谱特征
反射率和反射光谱
–物体的反射 物体的反射状况根据其表面状况的不同分 为三种：
镜面反射 漫反射 实际物体反射
镜面反射
是指物体的反射满足反射定律。入射 波和反射波在同一平面内，入射角与 反射角相等。当镜面反射时，如果入 射波为平行入射，只有在反射波射出 的方向上才能探测到电磁波，而其他 方向则探测不到。对可见光而言，其 他方向上应该是黑的。自然界中真正 的镜面很少，非常平静的水面可以近 似认为是镜面。
地物波谱特征的测量
地物光谱测量方法
–野外测量
垂直测量：为使所有数据能与航空、航天 传感器所获得的数据进行比较，一般情况 下测量仪器均用垂直向下测量的方法，以 便与多数传感器采集数据的方向一致。由 于实地情况非常复杂，测量时常将周围环 境的变化忽略，认为实际目标与标准板的 测量值之比就是反射率之比。
实际物体反射
Lr (ϕrθr ) ρ (ϕiθi ,ϕr θr ) = I i (ϕiθi )
'
入射辐照度Ii应该由两部分组成: 太阳的直接辐射，是由太阳辐射来的平行光 束穿过大气直接照射地面，其辐照度大小与太 阳天顶角和日地距离有关；
太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地 面的部分，因为是从四面八方射入，其辐照
任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波 的性质，这是遥感的信息源。目标物与电磁 波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性， 它是遥感探测的依据。
遥感系统
信息的获取
接收、记录目标物电磁波特征的仪器称为传感器或 遥感器。如扫描仪、雷达、摄影机、摄像机、辐射计 等。 装载传感器的平台称遥感平台，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）
叶绿素的 Leabharlann 收波段水的吸收 绿叶的反射率
在近红外波段 （0.7～0.8 μ rn）有 一反射的“陡坡”， 至 1.lμm附近有一 峰值，形成植被的 独有特征。这是由 于植被叶细胞结构 的影响，除了吸收 和透射的部分，形 成的高反射率。在 中红外波段（1.3～ 2.5μm）受到绿色植 物含水量的影响， 吸收率大增，反射 率大大下降，特别 是在水的吸收带形 成低谷。
遥感系统
地物波谱反射
地物反射波谱特征 地物波谱特性的测量
地物反射波谱特征
概述
在可见光与近红外波段（0.3～2.5 μm），地 表物体自身的热辐射几乎等于零。地物发出 的波谱主要以反射太阳辐射为主。当然，太 阳辐射到达地面后，物体除了反射作用外， 还有对电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的 吸收能力较强。最后，电磁辐射未被吸收和 反射的其余部分则是透过的部分，即
教学方式
授课为主、鼓励课堂交流 理论为主，与应用相结合
如何考核
出勤率 完成作业情况 课堂表现 期末考核 15% 25% 10% 50%
遥感成像原理与 遥感图像特征
遥感系统 地物光谱反射特性 遥感平台 摄影成像 扫描成像 微波成像的原理 遥感图像的特征
遥感系统
遥感系统包括：被测目标的信息特征、 信息的获取、信息的传输和记录、信息 的处理及信息的应用五大部分 ： 目标物的电磁波特性
地物反射波谱特征
地物反射波谱曲线
除随不同地物（反射率）不同外，同种地 物在不同内部结构和外部条件下形态表现 （反射率）也不同。一般说，地物反射率 随波长变化有规律可循，从而为遥感影像 的判读提供依据。
（1）植被反射波谱曲线
规律性明显而独特。可见光波段 （0.4～0.76μm）有一个小的反射 峰，两侧有两个吸收带。这是因为 叶绿素对蓝光和红光吸收作用强， 而对绿光反射作用强。
地物光谱测量方法
–样品的实验室测量 实验室测量常用分光光度计，仪器由 微机控制，测量数据也直接传给计算机。分 光光度计的测量条件是一定方向的光照射， 半球接收，因此获得的反射率与野外测定有 区别。室内测量时要有严格的样品采集和处 理过程。例如，植被样品要有代表性，采集 后迅速冷藏保鲜，并在12h内送实验室测定； 土壤和岩矿应按专业要求并制备成粉或块。 由于实验室的测量条件高，应用不够 广泛。