引子 電磁波的長徵

一束光（電磁波）從發出到被遙感衛星上的感測器捕捉成像經歷了一段光路歷程，如上圖示【又畫得很醜】

太陽輻射出光一方面軍（各波段的電磁波），從太陽出發，經由地球前往遙感衛星，開始一段長徵。光一方面軍由許多兵種（波長）構成，如紫外，可見光，近紅外，中紅外，遠紅外等等兵種，其中以可見光兵種數量最多。

光二方面軍從地表出發（由地表輻射出電磁波），直接前往遙感衛星與光一方面軍會合。該方面軍兵力不如光一方面軍，兵種也比較單一，主要是中紅外和遠紅外兵種。【1】

光一方面軍在前往地表的途中遭到了敵軍的圍追堵截（大氣層的吸收，散射與反射），某些兵種傷亡慘重，如紫外兵種在臭氧的攻擊下全軍覆沒，中紅外也被水汽打得元氣大傷（O3吸收UV,H2O 吸收中紅外），在大氣上層和下層，光一方面軍分別遭受了瑞利散射和米氏散射的突襲，軍力被打散。殘存的兵力以可見光，近紅外兵種為主，終於到達了地面。【2】

光一方面軍在到達地面後再遭到了不同敵軍（地物）的伏擊（吸收），只有部分軍力得以逃脫（反射），有的連隊四下逃散（漫反射），有的連隊列隊逃脫（鏡面反射），根據敵軍的不同，各兵種殘存軍力也不相同，根據此，我們可以推測出敵軍埋伏是以哪一類兵種為主（光譜特徵）。【3】

逃離地面的光一方面軍頑強地向終點遙感衛星進軍，他們再一次遭遇了敵軍的圍追堵截（大氣層的吸收與散射），但也有部分之前失散的殘部找到了大部隊（散射與大氣的輻射）。終於，光一方面軍到達了終點，與同樣經受了追擊（吸收和散射）的光二方面軍（地熱輻射）勝利會師於遙感衛星感測器上。

後續 遙感圖像的產生，處理與應用

衛星感測器對採集到的各波段電磁波採樣，量化，就得到了我們看到的數字遙感影像。不同遙感平臺，不同感測器有不同的時間，空間，光譜，輻射解析度，與衛星軌道及感測器的構造與性能有關。【4】【5】

衛星將遙感影像發給地面站處理，首先要進行預處理。預處理分為幾何處理與輻射處理。【6】經由預處理，遙感圖像的幾何及輻射畸變已基本消除。為更好地實現遙感圖像解譯，要對遙感圖像進一步處理，如圖像對比度增強，圖像濾波，圖像代數等。【7】

在對圖像的解譯過程中，為充分利用空間，光譜解析度不同的遙感影像，我們可以進行圖像融合。為更好地投入應用，我們可以做圖像分類（有監督與無監督）。【8】

總而言之，遙感感測器就像能看到更寬光譜的「天眼」，依賴於地物的光譜特性，在可見光波段分不清的地物，換到近紅外波段，或者做個圖像代數（近紅外/紅）就能分清，這也是遙感較之於普通航拍的主要優勢。如果說地物的光譜特性是地物的指紋，多光譜遙感就是其指紋識別儀。遙感圖像處理就是「擦亮天眼」的過程。

一. 被動遙感物理原理

【1】輻射

熱輻射的理想情況是黑體輻射，黑體即對所有波段電磁波都全部吸收的理想物體。黑體輻射滿足普朗克定律如下。

即黑體向外輻射各波段電磁波，黑體溫度越高，輻射功率峯值越大，輻射峯值對應電磁波波長越短。對同一物體輻射出的電磁波，有能量越大，波長越短，頻率越高。如下圖二所示。

我們可以看到，溫度為太陽溫度6000K的黑體可以輻射出從紫外線到遠紅外的各波段電磁波，在可見光波段達到輻射峯值。溫度為地表溫度300K左右的黑體可以輻射出中紅外，遠紅外波段電磁波（我們也因此稱該部分波段為熱紅外），在遠紅外波段達到輻射峯值且比太陽輻射峯值小很多。白熾燈溫度比地球略高，輻射峯值在近紅外波段。

對普朗克定律積分，可得到斯提藩玻爾茲曼定律，即黑體輻射總功率與黑體溫度的四次方成正比。故太陽的輻射功率遠大於地球。

然而沒有理想的黑體，任何物體都以一定的發射率 輻射電磁波。有輻射功率W』滿足下式，常見地物發射率如下表。

【2】大氣吸收，散射，反射

在電磁波進入大氣層後，會被吸收，反射，散射，有部分得以穿透大氣層。

如上式所示，任一波長的電磁波的入射量=反射量+吸收量+穿透量

同時也可導出對任一波長的電磁波，

（1）吸收

由於大氣層中的臭氧，二氧化碳，水汽，氣溶膠等會對特定波段的電磁波吸收率較高，電磁波的大氣穿透率也因波長而異，如下圖四所示。綜合太陽的輻射量和大氣的穿透率，可以得到圖五，紅色那條即是太陽輻射在穿過大氣後的波長強度曲線。我們將能夠大量穿透大氣層的這些波段稱為遙感的「大氣窗口」，包括可見光，近紅外，中紅外波段。

（2）散射

除吸收作用之外，大氣中的顆粒還會造成電磁波的散射，按照顆粒較之電磁波波長的大小可分為瑞利散射（顆粒直徑 )，米氏散射( )，均勻散射( )。瑞利散射常在大氣上層發生，對藍光影響顯著（這就是為什麼天是藍的）。米氏散射和均勻散射常在大氣下層發生，在水汽，塵埃等大顆粒上發生散射，更容易影響長波。由於可見光均被散射，故在我們看來就是白茫茫一片，形成了霧。

【3】地面反射

我們看到一朵花是紅的，是因為它大量吸收了綠光藍光而大量反射了紅光。我們看到一張紙是白色的，是因為它反射了各波段的可見光。將其拓展到整個電磁波譜上，物體也會對某一波段反射的更多，對某一波段反射的較少。各類物體有其特有的波段反射特性曲線，被稱為物體的光譜特徵。正是由於這一點，用多光譜遙感圖像對地物進行精確識別與分類纔有可能實現。如圖七所示，水體在可見光波段有較低的反射率，在紅外波段則是完全不反射,故在RGB圖像上水體較暗,在紅外偽彩色圖像上則是漆黑一片,根據此性質,我們可以很容易地在遙感圖像上將水體與陸地區分開。又由於受污染的水體在紅外波段也會反射,我們可以由此性質做水質監測。

如圖八所示，不同種類的植物有著不同的光譜特徵，在可見光波段差別很小，而在近紅外波段差別明顯很多,故我們可以用近紅外波段來區分它們。

二．遙感平臺與感測器及其解析度

【4】遙感平臺與感測器

（1）遙感平臺（衛星）

遙感衛星軌道較多採用太陽同步軌道（軌道升交點進度速度 地球公轉速度）【由攝動方程可導出軌道傾角約98度】，這樣星下點光照情況可保持基本一致。如下圖所示，主要的遙感衛星的軌道都較為相似。衛星軌道一旦確定，理論地面覆蓋及重訪週期也隨之確定。

（2）遙感感測器

主要的感測器類型有Pushbroom（線陣推掃）【圖十二上三】和Whiskbroom（線陣掃描）【圖十二下一】。兩者各有優劣，Pushbroom沿衛星運動方向推掃，機械構造不複雜但光學構造複雜。Whiskbroom隨著衛星向前同時沿軌道徑向搖擺，視域FOV更大，但存在全景畸變。主流遙感平臺中LANDSAT的TM，ETM，MMS都是Whiskbroom,而SPOT的HRG和HRV都是Pushbroom。

四類解析度

空間解析度：近似等於與瞬時視域IFOV（對於whiskbroom，在非星下點不完全相等），如圖十三，是採集電磁波的最小地面單元，一般也是遙感圖像的單個像素對應地面大小。

時間解析度：即遙感衛星的重訪週期

光譜解析度：即遙感衛星的波譜通道數，在電磁波譜上如何細分感測器的波譜通道，通道越窄，光譜解析度越高，如圖十四。如高光譜感測器MODIS具有較高的光譜解析度。

輻射解析度：即遙感圖像的量化等級（灰度級數），如圖十五。

關聯：

空間解析度，光譜解析度與輻射解析度之間是trade-off(此消彼長）的關係。由於感測器接受的電磁波總量一定，要在空間上或光譜（波長）上細分採樣都會導致單位區域或波段輻射量的降低，信噪比也會降低，故進行量化時就很難分出那麼多等級來，亦即導致輻射解析度不高。

由於熱紅外波段輻射總量較其他波段少，故一般該波段圖像空間解析度較低。

主流遙感平臺（LANDSAT，SPOT，IKONOS等）感測器的解析度，掃幅，應用如圖九所示。

注意許多遙感平臺除多光譜感測器外還配有光譜解析度低，空間解析度高的全色相機，由於只有單波段，我們只能得到灰度圖像或制偽彩色圖像，為得到高光譜解析度，高空間解析度的圖像，我們會用全色圖與多光譜圖像進行圖像融合。另外，由於SPOT沒有藍光波段，我們常以其綠，紅，近紅外波段代替RGB（G->B,R->G,NIR->R）制假彩色圖像。

（待續）

三．遙感圖像預處理

1 幾何處理

部分內容參見 攝影測量概述，遙感幾何構像原理與攝影測量類似

2 輻射處理

四．遙感圖像處理

1 數字圖像處理範疇

2 圖像代數

3 圖像融合

4 圖像分類

五.應用

推薦閱讀：