遥感物理基础概念

遥感科学
第二章 遥感基础概念
第一节 遥感常用术语 第二节 遥感数据基本特征 第三节 表征电磁辐射的物理量 第四节 物体表面的反射特性 第五节 遥感数据定标中的定量化
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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 ……
分谱辐射通量 分谱辐照度、分谱辐出度 分谱辐射强度
“分谱”两字可以忽略
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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(λ)=³ Φ / A Ω λ
辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米²•微米•球面度 （W/m²• μm • Sr）
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第一节 遥感常用术语 第二节 遥感数据基本特征 第三节 表征电磁辐射的物理量 第四节 物体表面的反射特性 第五节 遥感数据定标中的定量化
遥感数据的特征
针对复杂的地表状况和变化规律，遥感数据 中存在着多种与目标有关的特征。
遥感是利用电磁波对目标物进行信息采集的， 电磁波在介质中传输时，会与介质发生相互 作用而改变特性，通过观测分析遥感所获取 的电磁波特性，可以识别目标及目标物存在 的环境。因此分析遥感数据的各种特征必须 从分析电磁波特性入手。
各自特性、用途？
主动遥感、被动遥感？
遥感器与平台
遥感器：用于遥感成像、记录、传输的仪器 遥感平台：搭载遥感器的装备
Category Polar-orbiting meteorological Geostationary meteorological
Earth-observing
Platform NOAA FY-1 MTSAT FY-2 Landsat SPOT Terra / Aqua
伽马
波段响应函数Γ(λ)是遥感器的固有参数。仪器 出厂时，厂家会给出遥感器各个波段的响应函 数曲线（可以从说明书中查到）；在遥感器运 行过程中，随着仪器的磨损，包括波段响应函 数在内的许多光学参数都可能发生变化。
半波高，响应50％处 算作有效信号
例：MODIS 32（11.77-12.27μm）波段响应函数
但是限于工艺水平，制作时只能尽量往“方波”上靠， 实际的遥感器波段响应均有一定误差。
波段响应函数表征了遥感器的某一波段对各个精细的 电磁波谱的感应程度。因此在很多涉及到光谱转换的 工作中，应该利用波段响应函数对待求参数进行加权 平均。
例1 求算波段的等效中心波长：
错误公式：
2 1
2 正确公式：
电磁波特性
可以用下列三个参量描述一个电磁波，即： • 强度（振幅） • 波长 • 偏振（极化）程度
此外，为表述电磁波在四维时空的位置及其传输
规律，还需要引入四个参量， 即：
• 时间 • 空间位置（同时包括了相位信息） • 传输方向 • 传输速度
上述七个参量中，除传输速度固定（光速）外， 改变任何一项都可以完整地定义一个新的电磁波， 因此称这六个参量为电磁波的六种特性，即强度 特性、波长特性、偏振特性、时间特性、空间特 性和方向特性。
其中1、 2分别为波段的左右范围

等效中心波长
0 ()d加权和

0 ()d
对于方波，简化的等效波长公式是什么？
例2 将地面光谱仪测试的一系列窄波段数据拟合到 某一遥感器波段数据
该工作主要为了方便地面波谱测试数据与遥感数据的 对比，也可以应用于高光谱数据与TM、NOAA等宽 波段数据的对比。
窄波段数据可以假设为方波，假设光谱仪测试的反射 率数据为ρ(λ)，则拟合到具有响应函数Γ(λ)的某一宽 波段上的反射率为：

()()d
0
0 ()d
例3 计算某一遥感器波段的太阳辐射
由于遥感器接收的是地物的辐射亮度，因此该工作主 要用于推导某一遥感器波段上的地物反射率。反射率 定标过程中离不开这一方法。假设已知太阳辐射分布 F0(λ)，则在具有响应函数Γ(λ)的某一波段上的太阳辐 射为：
立Hale Waihona Puke Baidu角（Solid Angle）
立体角是球坐标系中重要的度量参数之一，其定 义为球面对球心的张角，即：Ω = σ/r2 立体角单位为球面度Sr (steradians)。整个球面对 球心所张立体角为4π ，半球对球心所张立体角为 2π。 定量遥感中也常用Ω指代方向，如方向Ω等，即 与初始方向夹角为Ω 的某三维计量的方向。 微分立体角元（参见下图）：
Sensor AVHRR MVISR
JAMI S-VISSR
ETM HRV MODIS
依据遥感平台种类，可以将遥感分为：
• 地面遥感 • 机载遥感 • 星载遥感
电磁波的散射和吸收
当电磁波在介质中传播时，会发生散射 (scattering)和吸收(absorption)，其中散射又 造成反射(reflection)和透射(transmission)。
水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？
地物波谱（特性）
分辨率
• 空间分辨率：平台高度、遥感器瞬时视 场角(IFOV)、成像角度
• 时间分辨率：轨道周期、覆盖范围 • 光谱分辨率：遥感器设计
例： 1. OMIS: 3mrad，1000m, 机下与斜视45度时的空间分辨率？
NOAA-AVHRR瞬时视场角（星下点1.1km, 卫星高700km)? 2. TM、AVHRR重复周期的区别 3. OMIS，0.4-1.1μm范围内64通道，光谱分辨率？
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第二章 遥感基础概念
第一节 遥感常用术语 第二节 遥感数据基本特征 第三节 表征电磁辐射的物理量 第四节 物体表面的反射特性 第五节 遥感数据定标中的定量化
电磁波谱
电磁波信号是遥感研究的对象，区分电
磁波特性的主要因子之一是波长（频率）， 电磁波依据波长轴线的分布称为电磁波谱。
100%
大气 透过率
辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）
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辐射通量 (radiant flux) Φ
在单位时间内通过的辐射能量称为辐射 通量：
Φ=Q/ t
辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒 （W=J/S）
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辐射通量密度 (irradiance) E、(radiant exitance) M
单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： E辐照度= Φ / A M辐出度= Φ / A
δ
Ω’
Ω
Ω’
Ω
此时冲击函数单位为球面度Sr的倒数，具有性质：

( , ')
, 0,
' '
(,') d1 4
冲击函数具有抽样特性，设某函数 A(Ω)与冲击函数相 乘，并对 4π空间积分，则有：
4 A() (,')d A(')
积分结果得到了函数 A(Ω)在Ω’方向（冲击方向）的函 数值，即将该函数在该方向的值抽取出来，因此称为 抽样特性。
大气窗口
0%
0.3 μm 1.0 μm 3.0 μm 10.0 μm
1 mm
1 cm
1m
紫外 近红外
可见
氢原子的大小约为1.04埃
中红外
热红外
Ka K Ku X C S L P 微波
遥感分类
依据所感应的电磁波波长，可以将遥感 分为：
• 光学遥感 0.4 μm - 2.5 μm • 热红外遥感 8 μm - 14 μm • 微波遥感 1 mm – 1 m
遥感器的某一波段可以探测一段波谱范围的信号，例 如MODIS 32通道可以感应11.77-12.27μm的信号。理 想的遥感器应该是“方波”，即对小于11.77μm 、大 于12.27μm的波谱信号响应度为0，而在两者之间的 信号响应度为1。
Γ
1
0 11.77
12.27
λ
理想的遥感器（以MODIS 32为例）
R R(, s, t, , p)
由上式可以看出，遥感数据是波长、空间位置s、 时间t、观测方向和偏振状态p的函数。
由此我们可以定义遥感数据的五种基本特征，即光
谱特征、空间特征、时间特征、角度特征和偏振特
征。
有且只有五种特征，正 交，独立
如果我们固定其它特征，而变化某一特征时，就得 到在相应特征维上展开的遥感数据子集。如:
辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）
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分谱辐射通量
辐射通量是波长λ的函数，单位波长间隔内 的辐射通量称为分谱辐射通量：
辐
Φ (λ) = Φ / λ
射 通
量
波长
分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/μm）
λ1- λ2间隔内的 Φ(λ1- λ2)? 总辐射通量Φ ？
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分谱？？？

F 0()()d
F0 0
0 ()d
以上三个例子中的积分式在数值运算时都可以用加法 替代，上下限可以用给出的Γ(λ)的上下限替代，dλ用 △λ（即Γ函数中的每一小段波长间隔）替代。
冲击(激)函数（Impulse Function）
冲击函数δ是狄拉克最初提出并定义的，所以又 称狄拉克函数。在信号处理中被广泛应用，反映 一种持续时间极短、函数值极大的信号类型。 在定量遥感中通常用来描述物理量只在某一个方 向上存在，以δ(Ω,Ω’)表示。
入射
反射
反射与透射区别在于电磁 波出射的方向：2π？
吸收使电磁波强度减弱
透射
在热红外和微波区域，还存 在介质自身发射的电磁波， 增强电磁波强度。
地物反射光谱特性
由于物体自身成分和结构特点，对于不同波长 的电磁波有选择性的反射。物体反射率随波长 而改变的特性称为地物反射光谱特性。
光谱曲线：
植物？ 水体？ 土壤？ 云？雪？
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小结
辐射度量一览表
辐射量 符号
定义
单位
辐射能量 Q
焦耳(J)
辐射通辐量射通量密Φ度 辐照度 E
(2) Q/ t( λ) (2) Φ / A ( λ)
瓦(W) 瓦/米²(W/m²)
辐出度 M
(2) Φ / A ( λ)
瓦/米²(W/m²)
辐射强度 I
(2) Φ / Ω ( λ) 瓦/球面度(W/Sr)
L L(, s, t, , p)
当遥感以数据形式记录电磁波信号时，数据本身就 隐含了一定的电磁波特性，例如以特定波长的特定 偏振状态在特定时间和特定观测方向上记录特定空 间范围内的电磁波通量或强度。所以我们所获取的 遥感数据通常是反映目标物特征的全部电磁波信息 的一个子集。
该数据通过转换，可以反射率表示：
• 在光谱维上展开的多光谱遥感数据 • 在时间维上展开的多时相遥感数据
multi direction
多角度遥感数据是在角度维上展开的遥感数据，它 与在其它特征维上展开的遥感数据共同构成多维遥 感数据。因此集中反映了遥感数据角度特征的多角 度遥感数据是多维遥感数据集合的一个子集，即：
R R
前向通量、后向通量；向上通量、向下通量
各向同性辐射时亮度与通量的关系
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假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度在各方 向分布均一，则其垂直地表向上的辐射通量为 ：
辐射照射度 被辐照物
辐射源
辐
射
出
辐射体
射 度
辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²）
法向
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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= Φ / Ω
辐射强度
点辐射源
Ω=A/R² 2π、4 π
各向同性源？
dΩ = dσ/r2 =dcosθdφ=sinθdθdφ
微分立体角dΩ展开
r dφ
dσ (球体表面微分面积元)
沿经线边长：r dθ ；沿纬线边长：r sinθ dφ 因此：dσ= r2 sinθdθdφ dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ
波段响应函数（Spectral Response Function/Curve）
辐射亮度 L 2(3) Φ / A Ω ( λ)
术语之间乱叫，使用时关注核心问题：单位
瓦/米²•球面度 (W/m² • Sr)
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辐射亮度与辐射通量密度的关系
由辐射亮度L在4π空间的分布，可以计算某一 2π空间的辐射通量密度，即：
F() L(,)cos d 2
利用上式，可以计算 任一2π空间的辐射通 量密度。
综合上述，我们可以定义一个电磁波，形如函数：
F (L, , s, t, , p) 0 方向
式中，L、 分别为电磁波强度和波长，s、t 分别 为电磁波的空间和时间位置， 为电磁波传输方 向，p 为电磁波偏振度。
遥感中，传感器所接收的通常是电磁波的强度信息， 通过量化，以数据形式记录下来。变换前式，即得 到：