卫星遥感-教案-卫星遥感陆地海洋-2004

6/19/20201第五章卫星遥感地球陆地和海洋的基本原理和方法环境保护与可持续发展是当前世界的一大主题。最先人们认为环境问题只是单纯的技术问题而未有足够的重视，但是很快人们就发现环境问题与人类社会发展息息相关。在1972年联合国斯德哥尔摩第一届人类环境会议上，首次提出了‘只有一个地球’的口号，号召认为珍惜和善待人类居住的地球，把环境提到了国际议事日程。1987年在联合国42届大会上世界环境和发展委员会发表了“我们共同的未来”的报告，提出了可持续发展的观点并得到各国的重视。1992年联合国巴西立约热内卢召开了环境与发展会议，要求人们采取更加切实的行动，把环境秩序能力推想经济政策和决策中心。卫星遥感技术所具有的快捷、大尺度等内在有点，使得卫星对地遥感逐渐成为环境遥感的中坚力量。地球表面包括水体（包括海洋）岩石、土壤及其附着物和覆盖物构成。卫星对地观测的重要内容之一就是确定表面物体的特征和变化趋势。卫星对地遥感是在卫星大气遥感基础上发展而来，其基本原理是基于地表物体反射太阳短波辐射、微波辐射或者自身发射的长波辐射。由于大气层时会对来自地表的辐射产生一定程度的影响，因此卫星对地观测大都选择在大气比较透明的窗区以及能够穿透大气的微波区域，主要有可见光/近红外（反射光谱特征）,红外（发射特征）,微波,尤其以雷达为代表的微波主动遥感技术在对地遥感中起着越来越重要的作用。5.1可见光/近红外反射光谱与地物识别电磁波谱中的可见光与近红外区在行星表面遥感中应用最为广泛，因为太阳在此区域中的照度最大，而且人多数探测器(光电的和光学报影的)部工作在这一区域。传感器探测表面反射的电磁波并确定它们的波谱反射率，由此分析表面的物理和化学性质。1电磁波与表面的相互作用a反射、透射与散射tttvtthnRRsinsin)(tan)(tan)(sin)(sin222222显然，tan＝n时，垂直极化波出现零发射点，即brewster角。6/19/20202而垂直入射时，11112iririnninnnnR。考虑强吸收带，在强吸收带，ninr，12R。显然如果频带较宽的电磁波入射到抛光表面，反射波中含有表面物质吸收带附近相当大部分的谱区能量，这就是余射效应。但是实际自然表面通常都是粗糙的，因此散射起主要作用。入射波被多重散射，如果物质有吸收，反射能量在这个谱区就会出现损耗。这是可见光和近红外观测中普遍观察到的现象。6/19/20203b振动过程。主要是多原子分子振动能量跃迁导致的特定谱线能量吸收。水汽的范频带1.45以及组合范频带1.9微米则是诊断是否含水的依据。C电子过程晶场效应，电荷转移，共轭键以及能带材料等是产生可见光地物光谱的主要原因。D荧光效应激发态电子可以极联式跃迁返回基态，因而它可以吸收某一波长能量，在发射另外一不同波长的光子。对于太阳照射，发射的荧光不能区别于该波长的发射光，但是可以利用太阳光谱中的许多暗线来辅助确认荧光效应。2固体表面的光谱特征固体表面物质分为两大类：地物和生物。地物有岩石和土壤，生物有植被。A可见光波段，地物光谱主要是电子跃迁和振动的结果。地物中具体的吸收带极易受到周围晶格结构，地物中的基质分布以及其他地物成份的存在等影响。由于地物材料及其成份的多样性，仅仅依靠少量的光谱测量唯一确认某种地物是相当困难的。用少数几个波段山上的表面反射率的观测结果坚定成份具有不确定性。最理想的方案是从0.35-3微米以及整个红外谱区对图像每个单元的采集光谱信号。这需要巨大的数据处理能力。因此，更为可行的方案是选出某类材料的诊断波谱区。B决定植物光谱特性的因素，是叶子的色素成分、叶子的细胞结构及叶子的含水量。植物叶绿素在波长小于0.7微米的波谱区有很强的吸收。在0.7-1.3微米的强反射来自从叶子到空气折射率的不连续性。在1.3-2.5微米区，叶子谱反射曲线与纯水基本相同。6/19/20204图是典型绿色植物的反射光谱特性曲线。从中可见，在可见光段的蓝光区和红光区植物的反射率都很低，出现了以0.45m和0.65m为中心波长的吸收带，它们是由叶子中的色素物质引起的。可见光段的绿光区的反射率比较高形成以0.55m为中心波长的反射峰，它产生于绿色叶子表色对绿光的选择反射。在可见光段内，照射到绿色叶子上的辐射，绝大部分被吸收和反射，只有很少的辐射透过叶子。图中显示出，在近红外波段与可见光段之间，波长约0.7m附近反照率的增加十分迅速，是由叶子中的色素引起的。从0.8m至1.3m反射率稳定在一个高数值上，这种对红外光的强反射是叶子的细胞结构所致。出现在0.96m、1.1m的微弱吸收带和1.4m、1.9m及2.6m的强吸收带，均是叶子中的水分引起的。叶子中的含水量直接影响这些吸收带的强弱。色素物质是植物叶子的主要成分，它包括叶绿索、叶黄素、叶红素和花青素。其中，叶绿素是绿色色素，它的特征吸收谱带在0.4m和0.65m附近；也黄素与叶红素均是黄色色素，它们只有一个特征吸收谱带，位于0.45m附近，花青素是一种红色色素，特征吸收谱带位于0.5m附近。叶黄素和叶红素且是绿叶中常有的色素，但因叶绿素是绿叶中的主要色素，它在蓝光段的0.4m附近的吸收带较强，在绿光段的o．55m附近的反射率较高掩盖了叶黄素和叶红素的谱带。因而，健康的、正值生长期的植物的光谱特征，主要反映出叶绿索的特性。但是，当植物进入衰老期或遭受病虫害时，叶绿素大量减少，叶红素与叶黄素相对增加，植物的光谱特性随之变化出现吸收谱带与反射峰“红移”的现象（即特征谱向长波方向转移)。此外，在秋季时节，有些种类的树，如槭树、枫树等，树叶中的叶绿素减少，花青苦色素大量增加，树叶中以红色色素为主，红色色素导致吸收谱带与反射蜂的“红移”，在0．65m附近出现高反射率，使树叶呈现红色。图3．12示出含不同色素的叶子的反射光谱，由图可见，色素的差别对叶子光谱特性的支配作用。6/19/20205植物叶子在近红外波段的光谱特性，主要决定于叶子的内部结构和所含水分。由于植物叶子的细胞构造非常复杂，导致近红外波段反射率的差别较大。上图为含水量相同的大豆和玉米叶子的反射光谱。两种作物在近红外段的反射率差别，是由于它们的细胞构造不同所造成的。叶子中的水分导致红外波段中出现吸收带，其中波长为1.4和1.9及2.6的水吸收带对叶子反射率的影响最大。0.96与1.1处的水吸收带的强度虽然较弱，但在叶片片交叠状况下，它们对反射率的影响不可忽略。所以在1．3—2．5m波段的光谱反射率，随着叶子水分含量的降低，而显著增大。归总起来，各种植物叶子在可见光、近红外波段的光谱特性具有明显的差别。在可见光段（小于0.7微米），叶子中的色素对光谱特性起着支配作用，这个波段的大部分入射辐射被吸收，小部分被反射。叶子在近红外波段的0.76一1.3范围内，反射率的大小，取决于叶子的细胞构造。在该波长范围内，叶子的反射和透射辐射各占入射辐射的一半，而被叶子吸收的辐射则极少。植物中的含水量直接影响它在1．3—2．5波长范围内的反射率值，大部分入射辐射被叶子中的水分所吸收，其余的被叶子反射。c影响地物光谱的因素地球表面各种物体的反射光谱，是物体表面的直接反射与经过物质内部多次反射后出射的辐射的综合反映。物体表面的色泽、粗糙度、表面含水量及风化程度等，都影响它们在可见光、近红外波段的光谱反射率。各种地物由于化学组分、物质结构的差异，具有不同的可见光、近红外反射光谱特性。因此，依据反射光谱特性的差异，可以识别、区分地物。近地表实测的及实验室测试的地物反射光谱数据，在遥感中的作用犹如。字典”。它们不仅是选择、设计遥感器探铡波段的依据，也是迢感图象判释的主要依据之一。由于地物材料及其成份的多样性，仅靠少量的光谱测量要唯一确认某种地物是相当困难的。用少数几个波段上的表面反射率的观测结果坚定成份具有不确定性。最理想的方案是从0.35-3微米以及这个红外谱区进行光谱采集，这需要巨大的数据处理能力。可行的方案是选出某类材料的诊断谱区。表面遥感的主要工作包括，寻找某类目标的诊断谱区，光谱识别和分类。其中不仅仅要利用光谱特征，有时候还要利用图像的几何表面特征，比如纹理、形态。应用举例地质遥感6/19/20206植被研究举例：叶子含水量遥感6/19/202075.2固态表面的热红外遥感绝对零度以上的任何物体都要发射电磁辐射。对于地球表面多数物体的热发射主要在红外区，其发射由planc函数来刻画。在热红外波段，地面可以近似看成朗伯发射体，其辐射强度由Plance函数和比发射率来刻画。黑体有比发射率等于1,灰体小于1，选择性辐射体则比发射率随波长变化。地球表面受到太阳周期性加热，其表面温度呈现周期性变化特征，并反映在红外波段热辐射强度上。通常地表温度只受地表表层1m厚的薄层影响。红外表面遥感通常利用表面的热惯量特征，后者因表面材料不同而异。这一事实使得可以适用表面的热发射推测表面的某些热学性质。由于太阳对地表的加热作用，不同地表的热惯量不同，则一天中其温度变化也不同，表现在红外辐射上的辐射强度的日变化。因此，如果选择时间恰当（凌晨2:00和下午2:00），观测不同时间同一地物表面的红外光谱则可以发现热惯量差异。比如以花岗岩、石灰岩、石英岩为地表的岩石类型地表，早晚的红外云图结果显示热惯量较大，而山谷的冲击层区域热惯量较小。应用举例：6/19/202085.3固态表面微波辐射在微波区（亚毫米），物体的发射率可以由rayleigh－jeans定律来描述，即物体的微波辐射率与温度成正比22222)(ckTkTB由于微波辐射较弱，卫星上接收微波辐射需要专用的微波接收天线。一个比辐射率为)(的灰体，接收天线有效面积为A，归一化辐射方向函数G，线极化，天线对面的张角为，则卫星上天线接收能量为dGAkTrAGdskTP),()(42),()(2)(222则天线张角立体角进行积分就得到了天线接收的微波辐射亮度。由于微波天线通常都是线极化的，只能检测总辐射的一半。因此，天线接收的辐射功率为ddGAkTP),()()(2因此，测量表面的微波亮度（温度）必须考虑表面比辐射率及其天线方向图的影响。在微波区，地面不再看成黑体，因此在不考虑大气吸收情况下，卫星测量的微波亮度或温度包括两部分的贡献：整层气柱的向下微波辐射被地面发射的贡献以及地表发射的贡献。))(())(()(1()()(gsgsgissigiiTTTTTTTTT6/19/20209Tg是表面温度，Ts是整层大气的等效温度，在一定的模型下可以假定是已知的，故可以确定Tg，表面的比辐射率可以由测量的水平和垂直极化亮温以及Ts获得。总得来说，灰体表面的辐射率是表面温度与表面比发射率的函数，而发射率是表面成份和粗糙度的函数。正是这一原因，微波广泛用于地表的遥感，比如在极冰覆盖和土壤含水量测量中广泛应用，因为无冰水面与冰面的介电常数差异巨大，而土壤的介电常数则随土壤汗水量变化而剧烈变化。应用举例星载微波辐射计在表面研究中的重要作用之一就是测绘极地冰雪覆盖并监测其变化。6/19/202010§5.4固态表面的微波主动遥感在对地遥感中主动式微波雷达起着越来越大的作用。星载成像雷达（合成孔径雷达），散射计，测高计在70年代末和80年代就开发出来了。这些仪器提供了表面物理和介电常数特性资料，有时候还能提供次表层特性资料。这类传感器吸引人之处在于可以不用太阳照明而工作，并且对于天气状况或者云覆盖具有极强的穿透性。因此，它们尤其适合监测变化较快的动态现象，并要求对这种动态现象道德重复观测与光学能见度特性无关。而且由于微波的良好穿透性，雷达微波遥感也是地表之下遥感的重要手段。1雷达探测参量（1）雷达波长成像雷达遥感系统常采用的微波波长，为Ka波段(0．86cm)、x波段(3cm)、C波段(5.7cm)、L波段(25cm)。雷达对地表松散覆盖物的穿透能