高光谱遥感理论基础资料

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大气窗口
概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使 得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同， 因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到 大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗 口。
大气窗口 紫外可见光 近红外 近红外 近-中红外 中红外 远红外 微波
波段 0.3～1.3 μm 1.5～1.8 μm 2.0～3.5 μm 3.5～5.5 μm 8～14 μm 0.8～2.5cm
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野外光谱测量的光源主要来自三个方面： 太阳直射，太阳散射和周围物体的散射光 源。
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光谱地面测量
以美国ASD公司生产的野外光谱分析仪
FieldSpec Pro为例，它是一种测量可见光到近 红外波段地物波谱的有效工具。它能快速扫描地 物，光纤探头能在毫秒内得到地物单一光谱。 可以测量：相对反射率，辐射照度与辐射亮度。
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3.1.4 电磁波与物质的相互作用
1 太阳辐射与大气的作用
大气组成：大气主要由气体分子、悬浮的微 粒、水蒸气、水滴等组成。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 悬浮微粒：尘埃
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大气垂直分布的结构：
从地面到大气上界，大气的结构分层为： 对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层 内。 平流层：高度在12～50 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度 由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。 电离层：高度在50～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段 是透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。
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2）分子振动产生光谱特征 晶体结构不同，受到外来能量的时候，发生振动 而产生的光谱特性并不一致。
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其它野外的测量仪器
（1）LAI-2000植物树冠分析仪。 （2）LI-6400便携式光合仪。 （3）LI-6262分析仪 （4）辐射传感器。
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3.3 典型地物的光谱特征
地物光谱特性的研究是指将观测到的各种地 物以完整的光谱曲线记录下来，使得本来不能在 宽波段中不能识别的地物，在高光谱遥感中能够 有效识别。
矿物
不同的矿物具有不同的化学组成分和物理结构，因此， 矿物的光谱特征主要取决于光谱吸收的特征，而决定矿 物的吸收特征的因素在于：1）物质内电子与晶体场的 相互作用和 2）物体内所存在的分子振动。
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1）电子与晶体场的相互作用 矿物体内的电子发生跃迁的过程中会吸收或发射特 定波长的电磁辐射，形成特定的光谱特征。产生的 光谱范围主要在可见光，近红外附近。
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描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。 电磁波的特性 1）不需要传播介质2）横波3）波动性4）粒子性5） 叠加原理6）相干性和非相干性
7）衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越 长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）
8）多谱勒效应 （合成孔径侧视雷达）电磁波因辐射 源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察 者接受到的频率发生变化
针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和 传感器。
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一般辐射体和发射率
对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比 辐射率），表明物体的发射本领。
M ( , T ) (, T )
Mb(, T )
非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。 发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照 发射率与波长的关系，辐射源可以分为：
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大气对太阳辐射的影响主要分为：散射和吸收，在可见光波段， 引起电磁波衰减的主要原因是分子散射。
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大气散射
不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造 成图像模糊不清。 散射主要发生在可见光区。 大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：d <<λ 米氏散射：d ≈λ 非选择性散射：d >>λ

地物在不同波段的反射率是不同的。 一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的 m的深度。 能量大小不同。 物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有 反射率是可以测定的。
地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的热辐射， 在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜 其峰值波长为9.66 μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。 反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。 面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这 荧光，物体被单一波长辐射照射而发射出另外一种波长辐射的现象。 比如硫化物， 个原因造成的。
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地面光谱测量的作用
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地面光谱辐射计


工作原理：由光谱仪通过光导线探头摄取目标 光线，然后转变为数字信号，实时显示结果数 据，并采用光谱仪自带的软件进行分析处理。 测定目标光谱：包含测定1）暗光谱2）参考光 谱；3）样本光谱。目标光谱的值等于样本光 谱除以参考光谱，因此必须保证目标与参考光 谱之间的相同光照条件。
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大气吸收
大气的吸收作用： 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形 成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。

O2吸收带 O3吸收带 H2O吸收带
CO2吸收带
尘埃
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<0.2μm，0.155 μm最强 0.2～0.36 μm，0.6 μm 0.5～0.9 μm , 0.95～2.85 μm，6.25 μm 1.35～2.85 μm, 2.7 μm,4.3 μm,14.5 μm 吸收量很小
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电磁波谱
按电磁波波长（频率大小）长短，依次排列制成的图 表叫电磁波谱。 依次为： γ 射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微 波—无线电波。
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电磁波谱图
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一些电磁波的用途

共性：传播速度相同；遵守相同的反射、折射、透射、吸收 和散射定律；
use Mineral Medical Wavelength 1.55-1.75 （近红外） 2.04-2.34 （近红外） 10.5-12.5 （热红外） 3cm-15cm （短波） 20cm-1m（短 波） use Water content in plant or soil Mineral, rock types Surface temperature Surface relief（地势起伏）, soil moisture woody biomass（木头水分）
1）黑体 2）灰体 3）选择性辐射体
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一般辐射体和发射率
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（4）基尔霍夫定律
给定温度下，任何地物的辐射通量密度M与吸收率 α 之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量 密度。
(, T ) M (, T ) Mb(, T )

发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发 射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不 发射该波长的电磁波。
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c: 光速; λ: 波长（μm）; T: 绝对温度（K）
图示普朗克公式
变化特点： (1) 辐射通量密度 随波长连续变化， 只有一个最大值； (2) 温度越高，辐 射通量密度越大， 不同温度的曲线 不相交； (3) 随温度升高， 辐射最大值向短 波方向移动。
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（2）斯忒藩－玻尔兹曼定律： 对普朗克定律在全波段内积分得到。辐射通量密 度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。
人工制造的接近黑体的吸收体
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描述黑体的定律
（1）普朗克公式： 描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
2h c Mb( , T ) 5 hc kT (e 1)
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h: 普朗克常数6.6260755*10-34 W· s2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23
W· s· K-1
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wavelength g ray X ray
ultraviolet Detecting (uV)（紫外） oil；spill 0.4-0.45 um Water depth （蓝波段） turbidity 0.7-1.1 µm （近红外） Vegetation
3.1.2 电磁辐射能量定律



辐射能量（W）：以电磁波形式传输的能量；测 量的指标包括：辐射通量，辐射强度，辐射照度， 辐射亮度等等。 理想的辐射体：黑体，它既是完全的吸收体，又 是完全辐射体。即朗伯源，自然界中的物体：烟 煤，MgO等 通过研究这种理想状态的辐射体，目前已经摸索 出一定的定律。
Wb T
红外装置测试温度的理论根据。
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σ : 斯忒藩－玻尔兹曼常数，5.6697＋－0.00297）×10－12 Wcm-2K-4
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（3）维恩位移定律：
max T b
b : 常数，2897.8＋－0.4 μm· K 高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的 电磁波。常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰 值波长9.66μm ）
第三章 高光谱遥感物理基础
本章主要介绍地物的电磁波特性、 太阳辐射、光谱测量、典型地物光谱特 征等。
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3.1 电磁波及电磁辐射
3.1.1 电磁波的特性
遥感是根据收集到的电磁波来判断目标地物和自然 现象（物体种类、特征和环境不同，具完全不同的电磁 波反射或发射特征），遥感技术主要是建立在物体反射 或发射电磁波原理上的。 电磁波 :根据麦克斯韦电磁场理论, 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内传播的过程 称为电磁波.
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3.1.3 太阳辐射

地球上的电磁波主要来自于太阳，因此，太阳是 遥感主要的辐射源，在大气上界和海平面测得的 太阳辐射曲线如图所示。
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太阳辐照度分布曲线
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从图中可以得出结论： 太阳辐射的光谱是连续的，太阳光谱相当于6000 K的黑 体辐射；它的辐射特性与黑体的辐射特性基本一致。 太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中而 且相对稳定，其中0.38 ～ 0.76 µm的可见光能量占太阳 辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47 µm左 右；在x射线、远紫外及微波波段，能量小但变化大。 海平面处的太阳辐射照度曲线与大气层外的曲线有很大 的不同。主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射造成 的。经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 就遥感而言，被动遥感主要是利用可见光、红外等稳定 辐射，因而太阳的活动对遥感没有太大的影响，可以忽 略。
透射率/% ＞90 80 80 60～70 100
应用举例 TM1-4、SPOT的 HRV TM5 TM7 NOAA的AVHRR TM6 Radarsat
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2 太阳辐射与地物的作用
太阳辐射与地表的相互作用(…) 太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即： 地物的反射率(…) 到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量 反射率（ ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比， 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。 漫反射(…) 一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体 即 ρ=(Pρ/ P 0)×100%。 如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是 0. 45~0. 56μm的 不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是 镜面反射(…) 蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20 m，清澈水体可达100
地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。
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3.2 地面光谱测量
地面光谱测量（field spectrometry）在高光谱定量 遥感中起到十分重要的作用。地面光谱测量的仪器 就是地面光谱辐射计，它能够在电磁波紫外到近红 外（300~2500nm）的太阳反射波普段里面获取连 续的光谱曲线，是建立地物标准反演光谱数据库的 重要手段，也是对高光谱图像处理，分析的有力支 持。
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地物反射率：主要在可见光、近红外波段反射太阳的辐射， 反射率等于物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比

E E
反射波谱特性曲线：是某物体的反射率（或反射辐射能）随 波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的 曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。
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1.岩矿
高光谱遥感最早是人们研究岩石和矿物的光谱特性时提 出来的，因此，地质是高光谱遥感应用中最广泛的领域 之一。