引子 电磁波的长征

一束光（电磁波）从发出到被遥感卫星上的感测器捕捉成像经历了一段光路历程，如上图示【又画得很丑】

太阳辐射出光一方面军（各波段的电磁波），从太阳出发，经由地球前往遥感卫星，开始一段长征。光一方面军由许多兵种（波长）构成，如紫外，可见光，近红外，中红外，远红外等等兵种，其中以可见光兵种数量最多。

光二方面军从地表出发（由地表辐射出电磁波），直接前往遥感卫星与光一方面军会合。该方面军兵力不如光一方面军，兵种也比较单一，主要是中红外和远红外兵种。【1】

光一方面军在前往地表的途中遭到了敌军的围追堵截（大气层的吸收，散射与反射），某些兵种伤亡惨重，如紫外兵种在臭氧的攻击下全军覆没，中红外也被水汽打得元气大伤（O3吸收UV,H2O 吸收中红外），在大气上层和下层，光一方面军分别遭受了瑞利散射和米氏散射的突袭，军力被打散。残存的兵力以可见光，近红外兵种为主，终于到达了地面。【2】

光一方面军在到达地面后再遭到了不同敌军（地物）的伏击（吸收），只有部分军力得以逃脱（反射），有的连队四下逃散（漫反射），有的连队列队逃脱（镜面反射），根据敌军的不同，各兵种残存军力也不相同，根据此，我们可以推测出敌军埋伏是以哪一类兵种为主（光谱特征）。【3】

逃离地面的光一方面军顽强地向终点遥感卫星进军，他们再一次遭遇了敌军的围追堵截（大气层的吸收与散射），但也有部分之前失散的残部找到了大部队（散射与大气的辐射）。终于，光一方面军到达了终点，与同样经受了追击（吸收和散射）的光二方面军（地热辐射）胜利会师于遥感卫星感测器上。

后续 遥感图像的产生，处理与应用

卫星感测器对采集到的各波段电磁波采样，量化，就得到了我们看到的数字遥感影像。不同遥感平台，不同感测器有不同的时间，空间，光谱，辐射解析度，与卫星轨道及感测器的构造与性能有关。【4】【5】

卫星将遥感影像发给地面站处理，首先要进行预处理。预处理分为几何处理与辐射处理。【6】经由预处理，遥感图像的几何及辐射畸变已基本消除。为更好地实现遥感图像解译，要对遥感图像进一步处理，如图像对比度增强，图像滤波，图像代数等。【7】

在对图像的解译过程中，为充分利用空间，光谱解析度不同的遥感影像，我们可以进行图像融合。为更好地投入应用，我们可以做图像分类（有监督与无监督）。【8】

总而言之，遥感感测器就像能看到更宽光谱的「天眼」，依赖于地物的光谱特性，在可见光波段分不清的地物，换到近红外波段，或者做个图像代数（近红外/红）就能分清，这也是遥感较之于普通航拍的主要优势。如果说地物的光谱特性是地物的指纹，多光谱遥感就是其指纹识别仪。遥感图像处理就是「擦亮天眼」的过程。

一. 被动遥感物理原理

【1】辐射

热辐射的理想情况是黑体辐射，黑体即对所有波段电磁波都全部吸收的理想物体。黑体辐射满足普朗克定律如下。

即黑体向外辐射各波段电磁波，黑体温度越高，辐射功率峰值越大，辐射峰值对应电磁波波长越短。对同一物体辐射出的电磁波，有能量越大，波长越短，频率越高。如下图二所示。

我们可以看到，温度为太阳温度6000K的黑体可以辐射出从紫外线到远红外的各波段电磁波，在可见光波段达到辐射峰值。温度为地表温度300K左右的黑体可以辐射出中红外，远红外波段电磁波（我们也因此称该部分波段为热红外），在远红外波段达到辐射峰值且比太阳辐射峰值小很多。白炽灯温度比地球略高，辐射峰值在近红外波段。

对普朗克定律积分，可得到斯提藩玻尔兹曼定律，即黑体辐射总功率与黑体温度的四次方成正比。故太阳的辐射功率远大于地球。

然而没有理想的黑体，任何物体都以一定的发射率 辐射电磁波。有辐射功率W』满足下式，常见地物发射率如下表。

【2】大气吸收，散射，反射

在电磁波进入大气层后，会被吸收，反射，散射，有部分得以穿透大气层。

如上式所示，任一波长的电磁波的入射量=反射量+吸收量+穿透量

同时也可导出对任一波长的电磁波，

（1）吸收

由于大气层中的臭氧，二氧化碳，水汽，气溶胶等会对特定波段的电磁波吸收率较高，电磁波的大气穿透率也因波长而异，如下图四所示。综合太阳的辐射量和大气的穿透率，可以得到图五，红色那条即是太阳辐射在穿过大气后的波长强度曲线。我们将能够大量穿透大气层的这些波段称为遥感的「大气窗口」，包括可见光，近红外，中红外波段。

（2）散射

除吸收作用之外，大气中的颗粒还会造成电磁波的散射，按照颗粒较之电磁波波长的大小可分为瑞利散射（颗粒直径 )，米氏散射( )，均匀散射( )。瑞利散射常在大气上层发生，对蓝光影响显著（这就是为什么天是蓝的）。米氏散射和均匀散射常在大气下层发生，在水汽，尘埃等大颗粒上发生散射，更容易影响长波。由于可见光均被散射，故在我们看来就是白茫茫一片，形成了雾。

【3】地面反射

我们看到一朵花是红的，是因为它大量吸收了绿光蓝光而大量反射了红光。我们看到一张纸是白色的，是因为它反射了各波段的可见光。将其拓展到整个电磁波谱上，物体也会对某一波段反射的更多，对某一波段反射的较少。各类物体有其特有的波段反射特性曲线，被称为物体的光谱特征。正是由于这一点，用多光谱遥感图像对地物进行精确识别与分类才有可能实现。如图七所示，水体在可见光波段有较低的反射率，在红外波段则是完全不反射,故在RGB图像上水体较暗,在红外伪彩色图像上则是漆黑一片,根据此性质,我们可以很容易地在遥感图像上将水体与陆地区分开。又由于受污染的水体在红外波段也会反射,我们可以由此性质做水质监测。

如图八所示，不同种类的植物有著不同的光谱特征，在可见光波段差别很小，而在近红外波段差别明显很多,故我们可以用近红外波段来区分它们。

二．遥感平台与感测器及其解析度

【4】遥感平台与感测器

（1）遥感平台（卫星）

遥感卫星轨道较多采用太阳同步轨道（轨道升交点进度速度 地球公转速度）【由摄动方程可导出轨道倾角约98度】，这样星下点光照情况可保持基本一致。如下图所示，主要的遥感卫星的轨道都较为相似。卫星轨道一旦确定，理论地面覆盖及重访周期也随之确定。

（2）遥感感测器

主要的感测器类型有Pushbroom（线阵推扫）【图十二上三】和Whiskbroom（线阵扫描）【图十二下一】。两者各有优劣，Pushbroom沿卫星运动方向推扫，机械构造不复杂但光学构造复杂。Whiskbroom随著卫星向前同时沿轨道径向摇摆，视域FOV更大，但存在全景畸变。主流遥感平台中LANDSAT的TM，ETM，MMS都是Whiskbroom,而SPOT的HRG和HRV都是Pushbroom。

四类解析度

空间解析度：近似等于与瞬时视域IFOV（对于whiskbroom，在非星下点不完全相等），如图十三，是采集电磁波的最小地面单元，一般也是遥感图像的单个像素对应地面大小。

时间解析度：即遥感卫星的重访周期

光谱解析度：即遥感卫星的波谱通道数，在电磁波谱上如何细分感测器的波谱通道，通道越窄，光谱解析度越高，如图十四。如高光谱感测器MODIS具有较高的光谱解析度。

辐射解析度：即遥感图像的量化等级（灰度级数），如图十五。

关联：

空间解析度，光谱解析度与辐射解析度之间是trade-off(此消彼长）的关系。由于感测器接受的电磁波总量一定，要在空间上或光谱（波长）上细分采样都会导致单位区域或波段辐射量的降低，信噪比也会降低，故进行量化时就很难分出那么多等级来，亦即导致辐射解析度不高。

由于热红外波段辐射总量较其他波段少，故一般该波段图像空间解析度较低。

主流遥感平台（LANDSAT，SPOT，IKONOS等）感测器的解析度，扫幅，应用如图九所示。

注意许多遥感平台除多光谱感测器外还配有光谱解析度低，空间解析度高的全色相机，由于只有单波段，我们只能得到灰度图像或制伪彩色图像，为得到高光谱解析度，高空间解析度的图像，我们会用全色图与多光谱图像进行图像融合。另外，由于SPOT没有蓝光波段，我们常以其绿，红，近红外波段代替RGB（G->B,R->G,NIR->R）制假彩色图像。

（待续）

三．遥感图像预处理

1 几何处理

部分内容参见 摄影测量概述，遥感几何构像原理与摄影测量类似

2 辐射处理

四．遥感图像处理

1 数字图像处理范畴

2 图像代数

3 图像融合

4 图像分类

五.应用

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