第六讲.农业遥感技术

一、农业遥感的定义
遥感的定义 遥感（Remote Sensing）这一术语是 1960 年美 国海军科学研究局Pruitt首先提出，并在1962年美国 召开的“环境科学遥感讨论会”上被正式引用，是用来 综合以前所使用的摄影测量、像片判读、地质摄影的。 简而言之，是指遥远的感知，它是从不同高度的遥感平 台（Platform）上，使用各种传感器（Remote Sensor），接收来自地球表层各类地物的各种电磁波信 息，并对这些信息进行加工处理，从而对不同的地物及 其特性进行远距离的探测和识别的综合技术。
名称 紫外线 可见光 红 外 线 近红外 短波红外 中红外 热红外 远红外
波长范围 10～400nm 400～700nm 700～1300nm 1300～3000nm 3000～8000nm 8000～14000nm 14000nm～1mm
名称 亚毫米波 微 电 波 波 毫米波 厘米波 分米波
波长范围 0.1～1mm 1～10mm 10～100mm 0.1～1m 1 ～10m 10～100m 100m～1km 1km～10km 10k～100km
大气对电磁波衰减较小，透射率较高的波段叫 “大气窗口”。 因此要从空中遥感地面目标，传感器的工作波段应在大气窗口处,才 能接收到地面目标的电磁波信息。目前已知的主要大气窗口分布范围 如下图：
(１)可摄影窗口 波长范围为0.3～1.3微米，通过这个窗口的电磁波信息皆 属地面目标的反射光谱，可以用摄影的方法来获取和记录地物 的电磁波信息。这个窗口包括全部可见光（0.38～0.76微米） 和部分紫外线（波长0.3～0.38微米）以及部分近红外波段 （0.76～1.3微米），其短波一端由于臭氧的强烈吸收而截止 于0.3微米，长波一端则终止于感光胶片最大感光波长1.3微米 处。这个窗口对电磁波的透射率在90％以上，仅次于微波窗口， 是目前遥感上应用最广的窗口，被气象卫星、陆地卫星及其它 遥感探测所使用。除了摄影方法外，还可以用扫描仪、光谱仪、 射线仪等来探测记录地物的电磁波信息。
（２）短波红外窗口
波长范围为1.5～2.4微米，通过这个窗口的电磁波信息仍然属于 地面目标的反射光谱，但不能用胶片摄影，只可用扫描仪和光谱仪来 测量和记录。这个窗口的两端主要受大气中的水汽和二氧化碳的吸收 作用所控制，而且由于水汽在1.8 微米处有一个吸收带，所以本窗口 又分为1.5～1.75微米和2.1～2.4微米两个小窗口，可探测农作物叶片 温度状况，某些波段对区分蚀变岩石有较好的效果,是遥感地质应用上 很有潜力的一个窗口。在ＴＭ传感器上已开始应用。 （3）中红外窗口 波长范围2.4～6.0微米，这个窗口位于红外波段的前中段。通过 这个窗口的电磁信息可以是地面目标的反射光谱，也可以是地面目标 的发射光谱，其信息也只能用扫描仪和光谱仪进行探测与记录。由于 二氧化碳在4.3微米处有一个强吸收带， 将本窗口又分为3.4～4.2微 米和4.6～5.0微米两个窗口，前者透射率约90％，后者透射率约为 50～60％。
数据收集： 人造卫星； 飞机； 地面测定； 地图、资 料。 数据管理 校准核换 注记等 增强校准 配准绘图 辐射校正 几何校正 数据存贮、提取 数据库形成管理
判读、应用： 类型识别； 多变量分析； 统计处理
数据压缩 重新排列 内插、 采样
遥感数据处理系统
二、农业遥感的原理
电磁波和电磁波谱
电磁波的波段从波长短的一侧开始，依次叫做γ射线、χ 射线、紫外线(UV-Ultraviolet)、可见光(Visible Light)、 红外线(IR-Infrared)、无线电波。波长越短，电磁波的粒子 性越强，直线性指向也越强。 遥感中测量的是从目标物反射或辐射的电磁波能量，根据 其测定波长范围不同可分为辐射测量(Radiometry)和光度测量 (Photometry)两种方式，前者是以从γ射线到无线电波的整个 波长范围为对象的物理辐射量的测定，而光度测量是对由人类 具有视觉感应的波段－可见光，所引起的知觉的量的测定，它 们使用的术语和单位不同。
（４）热红外窗口
波长范围为8～14微米，属于热红外波段，是地物本身的热 辐射。 由于臭氧、水汽、二氧化碳三种气体的共同影响，致使 本窗口的透射率较低，约为60～70％，但是这个窗口是位于地表 常温下地面物体热辐射能量最集中的波段，所以是遥感地质很有 用的一个窗口。 （５）微波窗口
波长范围为8毫米～1米，位于微波波段，电磁波已不受大气 干扰， 透过率可达100％，是全天候的遥感波段。目前微波传感 器常用的工作波段是3毫米、5毫米、8毫米的波段，今后根据需 要还可能向更长的波段发展。
70
玉米
60 50
棉花 油菜
反射率（%）
40 30 20 10 0 350 550
水稻
750 波长 /nm 950 1150 1350
不同植被的光谱曲线
地物发射光谱特征
自然界任何物体只要它的温度大于绝对零度，就存在着分子热运 动，都有向周围空间辐射红外线和微波的能力。通常地物发射电磁波 的能力是以发射率作为测量标准，而地物的发射率又是以黑体辐射作 为基础。 地物的发射率 在遥感技术中以发射率(Emissivity)作为测量物体的发射电磁波 强度的标准，定义为：
Ｑe Φ Ｉe Ｍe
Ｊ Ｗ Ｗsr-2 Ｗm-2 Ｗm-2 Ｗm-2sr-2
Q F I M
辐射出射度
在单位时间内、从单位面积上 辐射出的辐射能量
光出 射率 照度
辐射照度
在单位时间内、单位面积 Ｅe 上接受的能量
在单位立体角、单位时间内， Ｌe 扩展源表面法线方向上单位 面积的辐射强度
E
亮度
辐射亮度 (辐射率)
遥感的技术系统 (1)遥感平台 地面平台 航空平台 航天平台 (2)传感器 传感器（Remote Sensor）是记录地物反射或发射电磁 波能量的装置，是遥感技术系统的核心部分。主要的传感 器有摄影机、推帚式扫描仪（固体扫描仪）、TV摄像机、 光机扫描仪、雷达、微波辐射计等。
遥感信息的传输与处理 遥感信息主要是指由航空遥感和航天遥感所获取的感光 胶卷或磁带。在胶卷和磁带上记录的信息数据，包括被测目 标的信息数据和运载工具上设备环境的数据。将遥感信息适 时地传输回地面，经过适当处理提供用户需要，是整个遥感 技术系统中的一个重要组成部分，它直接影响遥感信息应用 的效果。 遥感信息的传输 遥感信息向地面传输有两种方式： 一种为直接回收；另一种为视频传输。 遥感信息的处理 地面接收站收到的遥感信息，受 到多种因素的影响，如传感器的性能、平台姿势的不 稳定性、地球曲率、大气的不均匀性和局部变化以及 地形的差别等，使地物的几何特性与光谱特征可能发 生一些变化。
在这5个大气窗口中，陆地卫星工作范围绝大部分在可见光 波段，小部分在近红外波段，已开始扩展到第二个窗口；而气象 卫星已应用到第三个窗口。今后随着对地物波谱特性研究的深入 和传感器的不断改进，为某种专门用途所需要的窄波段窗口的潜 力还是很大的。
地物波谱特征
地物的电磁波波谱是地物遥感信息的基本表现形式。物 体在同一时间、空间条件下，其辐射、反射、吸收和透射电 磁波的特性是波长的函数。将这种函数关系，即物体或现象 的电磁波特性用曲线的形式表现出来时，就形成了地物电磁 波波谱，简称为地物波谱。由于组成物体的内部结构不同， 不同物体对电磁波的反射、吸收、透射和发射电磁波的程度 不尽相同，发射电磁波的能力也有差异。物体之间的这种差 异，可作为探测目标物的有用信息。但是由于技术上和其它 一些原因，目前遥感技术中传感器所接收、探测的信息主要 是地物反射和发射电磁波信息。
早在1860年基尔霍夫（Kirchhoff•C）就提出用黑体这个 词来说明能全部吸收入射辐射能量的地物。因此，黑体 是一个理想的辐射体，黑体也是一个可以与任何地物进 行比较的最佳辐射体。所谓黑体是“绝对黑体”的简称， 指在任何温度下，对于各种波长的电磁辐射的吸收系数 恒等于1（100%）的物体。黑体的热辐射称为黑体辐射。 显然，黑体的反射率ρ=0，透射率=0。 自然界并不存在绝对黑体，实用的黑体是由人工方法制 成的。这种理想黑体模型的建立，是为了参照计算一般 物体的热辐射而设计的。黑体模型种类较多，基本结构 为能保持恒定温度的空腔。黑体即能全部吸收进入腔体 内的各种波长的电磁辐射，又能100%地发射某一波长的 辐射。
地物反射波谱特征
地物反射光谱曲线则是以横坐标代表波长，纵坐标代表 反射率所作的相关曲线，以表示各种波长处地物光谱反射率 大小及其随波长的改变而发生变化的特点和规律，不同地物 的反射强度和波谱曲线形态不同。由于不同类型的地物反射 强度及其随波长变化的特点与规律的差异，正是遥感技术利 用电磁波信息来识别和区分目标的基础。 同一种地物不同类型的反射光谱特征，总的形状变化是 基本相似的，但是光谱响应曲线具有一定的变化范围而呈一 定宽度的波谱带。
Vis ible
Ne ar-infrare d
25 0
400
450 49 0
560 59 0
630
70 0
850
Wave le ngth (nm)
辐 名 称 辐 射 能 辐射通量 辐射强度 定
射 义
测
量 符 号 单 位
光 度 测 量 名 称 光量 光通量 光强度 符 号
以电磁波形式传送的能量 单位时间内传送的辐射能量 点辐射源在单位立体角中、单 位时间内所发出的辐射能量
观测物体的辐射能量 发射率 与观测物体同温的黑体的辐射能量
超短波 短波 中波 长波 超长波
电磁波的分类和名称
电磁波谱及其划分--
电磁波谱划分
可见光 （0.4-0.76微米） 近红外 （ 0.76-1.3微米） 短波红外（1.3-3.0微米） 中红外 （3.0-8.0微米） 热红外 （8.0-14微米） 远红外 （14-1000微米）
Ne ar-ultraviole t
第六讲 农业遥感技术
遥感是20世纪60年代发展起来的一门新兴的综合性科 学技术，集中了空间、电子、光学、计算机和生物学、地 学等学科的最新成就，是现代高技术领域的一个重要组成 部分，它开阔了人们的视野,扩大了人类的认识领域。目前 已广泛应用于农业、林业、地质、地理、水文、海洋、气 象、环境等领域，已经并将继续发挥重大作用。 农业遥感一直是遥感领域中最活跃，也是迄今为止遥 感应用最成功的领域之一，一直为人们所关注。它主要包 括土地资源调查，土地资源监测，农作物估产，农作物生 长状况及其生态环境监测和鱼情水产研究等多个方面。