遥感原理与技术（绪论、遥感物理基础）_体散射

绪论

遥感基本概念

• 遥感是在远离探测目标处，使用一定的空间运载工具和电子、光学仪器，接收并记录目标的电磁波特性，通过对电磁波特性进行传输、加工、分析和识别处理，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。

广义遥感

• 各种非直接接触、远距离探测目标的技术，往往是通过间接手段来获取目标状态信息
• 例如：遥感主要根据对电磁波的反射和辐射特性对目标进行信息采集，包括利用声波、电磁场、地震波（实际工作中，仅仅电磁波属于遥感范畴）

狭义遥感

• 利用安装在遥感平台（remote sonsing platform）上的可见光、红外、微波等各种传感器（remote sensor )，通过摄影、扫描等方式，从高空或远距离甚至外层空间接收来自地球表层或地表以下一定深度各类地物发射或反射的电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，进而识别出地表物体的性质和运动状态。

遥感的类型和特点

遥感的类型

根据遥感平台分类

• 地面遥感
• 航空遥感（飞机、飞艇、气球）
• 航天遥感（人造地球卫星、宇宙飞船、空间站、火箭）
• 航宇遥感（将星际飞船作为传感器的运载工具，从外太空对地一月系统之外的目标进行遥感探测，主要遥感平台包括星际飞船等。）

根据传感器的探测波段分类

• 紫外遥感
• 可见光遥感
• 红外遥感
• 微波遥感
• 多波段遥感（探测波段在可见光波段和红外波段范围内，把目标地物辐射的电磁辐射细分为若干窄波段，同时得到一个目标物不同波段的多幅图像）

按工作方式分类

• 主动遥感（例如：侧视雷达、微波散射计、雷达高度计、激光雷达）
• 被动遥感（接受目标地物自身辐射或对自然辐射源反射的能量）——也称为他动遥感、无源遥感

按数据的显示形式分类

• 成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号可以转换为图像，电磁波能量分布以图像色调深浅来表示，主要包括数字图像和模拟图像两种类型）
• 非成像遥感：指传感器接收的目标地物电磁辐射信号不能转换成图像，最后获取的资料为数据或曲线图，主要包括光谱辐射计、散射计和高度计等

按波段宽度和波段连续性分类

• 高光谱遥感：利用很多狭窄的电磁波波段（波段宽度通
  常小于10nm）产生光谱连续的图像数据。波段宽度小，连续
• 常规遥感：宽波段遥感，波段宽度一般大于100nm，且波段在波谱上不连续。例如，一个TM ( thematic mapper，专题制图仪）波段内只记录一个数据点，而用机械可见光／红外成像光谱仪（airborne visible infrared imaging spectrometer, AVIRIS）记录这波段一波段范围的光谱信息需用10个以上数据点。宽度大，不连续

遥感特点

• 优点
  • 空间覆盖范围广，有利于同步观测
  • 光谱覆盖范围广，信息量大（摄影、扫描；红外线：地表温度变化，红外遥感：昼夜探测；微波：穿越云层、冰层、植被的能力，可以全天候、全天时进行探测）
  • 时效性强（获取信息速度快、周期短、具有动态和连续监测能力）
  • 高空间分辨率
  • 高光谱分辨率（nm数量级，高光谱遥感）
  • 高时间分辨率
  • 受地球限制条件少（能获取地球表面自然条件恶劣、地面工作难以开展地区的信息）
  • 经济性（节省人力、物理、财力和时间）
  • 数据的综合性（综合展现了自然和人文现象，宏观展现地球上各种事物的形态与分布）
  • 数据的可比性（新的传感器和信息记录向下兼容）
• 局限性
  • 遥感技术本身的局限性
    • 传感器的定标、遥感数据定位、遥感传感器的分辨率等存在局限
    • 不能反映地物除可见光到微波波段的其他电磁波波普段的特性，不能代替地球物理和地球化学方法
    • 仅仅反映地物的群体特性，不是地物的个体特性
    • 仅仅反映近地表的现象、区域和活动状态
    • 卫星遥感信息获取过程的确定性与信息应用反演时的不确定性产生了明显的矛盾
    • 工作量大，周期长（采用人工目视解译；需要获取地物的社会属性）
    • 不能满足实际需要（不同时间、不同地点、不同天气状况下的反射率不完全相同）
    • 易受天气条件影响（大气对电磁波的吸收、散射作用，大气传输模型的不确定性）
    • 遥感数据共享和集成难度大（不同应用领域有针对性较强的遥感数据需求，且需要和 GIS, GPS, ES进行集成，构建多功能型遥感技术）【反射率、吸收散射的变率大】

遥感过程与遥感技术系统

遥感过程

• 信息收集（遥感平台：地面平台、气球、飞机、人造卫星；传感器：照相机、扫描仪、成像雷达）
• 信息接收和存储（胶片：人或回收舱送回地球；数字磁介质：微波天线传输到地面接收站）
• 信息处理
• 信息应用

遥感技术系统

• 遥感平台系统
  
• 传感器系统
• 数据的接受记录和处理系统（5个国家级遥感卫星数据接受和服务系统：气象卫星、海洋卫星、资源卫星、北京一号卫星和国外卫星地面接收、处理与分发系统）
  • 地面接收站（视频传输的方式接受遥感信息，接收记录的数据通过磁带机记录在高密度数字磁带上，随后送往地面处理站处理成可供用户使用的数字磁带和胶片等。）
    • 由大型抛物面的主副反射面天线和磁带机组成
    • 主要任务是搜索、跟踪卫星，接收并记录卫星遥感数据、遥测数据和卫星姿态数据
    • 宽频磁带机记录接收站视场以外的地表信息或中继卫星实时发送给地面接收站遥感信息
  • 地面处理站
    • 计算机图像处理系统
      • 对地面接收站接受记录的数据转换，生产可供用户使用的计算机兼容磁带和 70mm 的图像产品，并进行几何校正和辐射校正
    • 光学图像处理系统
      - 对数据处理后生成的潜影胶片进行冲洗、放大、合成、分割，从而产生各种类型和规格的正负胶片和像片
• 基础研究和应用系统
  • 遥感试验区：测试传感器等仪器是否能满足探测地物的要求
  • 地面观测站点：验证某一试验的精度（这些校准站点具有单一的地面目标地物，反映在卫星图像上的信号比较一致，作为遥感图像亮度的校准参照物）
  • 地面遥测数据收集站（自动观测环境数据，发给卫星，卫星再发给接收站，为遥感图像的校正和分析提供参考）

遥感发展历史

• 无记录的地面遥感（1608年，李波尔塞制造出世界上第一家望远镜）
• 有记录的地面遥感（1839年，摄影技术的发展，地面摄影）
• 常规航空摄影（1858年，用系留气球拍摄巴黎的鸟瞰像片）
• 航空遥感（1950年，非摄影成像的扫描技术和侧视雷达技术开始产生并应用，打破了波段范围限制）
• 航天遥感（1957年10月4日，苏联第一颗人造地球卫星成功发射；航空遥感业务化、航天遥感平台系列化）** 现有卫星系统：气象卫星、资源卫星和测图卫星**

遥感物理基础

电磁波谱与电磁辐射

电磁波及其性质

• 电磁波

  • 由同相振荡且相互垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量与动量的过程
  • 也成为电磁辐射
  • 光波、热辐射、微波、无线电波均属电磁波
  • 波的传播方向与质点的运动方向垂直，横波
  • 电磁波的载体是光子，传播不需要介质
  • 波粒二象性：波是粒子流的统计平均，粒子是波的量子化
    
    

• 电磁波谱

  • 紫外线
    • 由于大多数地物在各波段反射较小，且臭氧对紫外线具有强烈的吸收与散射
    • 用于测定碳酸盐岩的分布及对油污的检测
  • 可见光
    • 主要源于太阳辐射
    • 在该波段，大部分地物由良好的亮度反差特性
    • 分波段成像的方法成为多光谱遥感
    • 成像手段有摄影和扫描两种方式
  • 红外线
    • 近红外：太阳辐射
    • 中红外：太阳辐射+地物热辐射
    • 远红外+超远红外：地物热辐射
    • 中红外、远红外、超远红外是产生热感的原因，因此称之为热红外
    • 热红外遥感：利用红外敏感元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术
      • 8-14微米范围，地物热辐射绝大部分能量位于此波段
      • 可昼夜工作
    • 近红外波段可摄影成像，整个红外波段扫描成像
  • 微波
    • 受大气层中云雾的散射影响小，穿透性好，全天候遥感
    • 特点：对云层、地表植被、沙层、干燥冰雪具有穿透能力，且不受光照条件限制
    • 白天、晚上均可进行地物微波成像
      
      

• 电磁辐射源

  • 太阳光谱–6000K黑体辐射，0.47um
    • 辐射与黑体辐射特征基本一致
    • 大部分集中在可见光波段
    • 太阳辐射出射曲线不光滑，存在许多吸收带
    • 离散的暗谱线成为夫琅和费吸收谱线
    • 近紫外-中红外范围内，太阳辐射能量相对集中（0.3-3微米），变化幅度小
    • 其他波段能量占比少，但是变化大（特别是太阳活动剧烈时期，如：太阳黑子和耀斑爆发，强度剧烈增长，会中断或干扰地球的无线电波传播，对空间飞行产生较大影响）
    • 遥感：被动遥感主要利用太阳的可见光和近红外波段
  • 地球辐射——300K黑体辐射，9.66um
    • 地球自身的热辐射，热红外遥感的主要辐射源
    • 主要在近红~微波范围
    • 热红外遥感，被广泛应用于地表地热异常的探测
  • 人工辐射源
    • 微波遥感：侧视雷达
    • 雷达：微波雷达和激光雷达
    • 微波受大气散射影响小，具有全天候全天时的探测能力，在海洋遥感及多云多雨地区应用广泛

吸收、反射、透射（折射、散射）

实际物体的发射辐射

• 实际物体的辐射
  • 吸收系数<1，反射系数>0，用基尔霍夫热辐射定律来描述
  • 好的辐射吸收体同时也是好的辐射发射体
  • 自然界中的物体辐射出射度均弱于相同温度的黑体辐射出射度，且存在较大差异
  • 同一地物，表面粗糙或颜色较深时，发射率较高，因此部分散热器表面发黑处理
• 地物的发射波谱特征
  • 地物发射波谱曲线：横坐标为电磁波波长，纵坐标为发射率
  • 岩石中SiO2含量越少，发射率的低值向长波方向移动
  • 不同的岩石发射波谱特征不同，此为热红外遥感探测波段选择的重要依据，也是识别地物的重要方法
    

物体的反射辐射特征

物体的反射率和反射波谱

• 反射分类
  • 镜面反射
  • 漫反射（发生漫反射的表面为朗伯面）
  • 实际物体的反射
• 反射波谱
  • 地物反射波谱曲线：横坐标为电磁波波长，纵坐标为反射率
  • 利用蓝绿波段：区分雪和其他三种地物
  • 利用近红外波段：区分小麦和其他三种地物

典型地物的反射波谱特性

• 植被
  • 蓝红：叶绿素将蓝、红光波段吸收进行光合作用，出现了反射波谱的波谷地带
    - 水体
    
    • 含叶绿素的清水反射率峰值在绿光段，水中叶绿素越多，峰值越高，可以监测和估算水藻浓度
• 土壤
  • 土质越细，有机质和含水量越低，反射率越高
• 岩石
  • 浅色矿物反射率高，暗色矿物反射率低

影响地物反射率变化的主要因素

• 主要影响因素
  • 太阳位置的影响
    • 太阳高度角和方位角
    • 遥感卫星轨道设计成太阳同步
    • 但由于季节变化和地理纬度差异造成的高度角和方位角变化不可避免
  • 传感器位置的影响
    • 传感器的观测角和方位角
    • 卫星姿态变化引起传感器指向偏离垂直方向，造成反射率的变化
  • 不同地理位置（太阳高度角、方位角、海拔高度、大气透明度、地理景观）
  • 地物本身性质（植物病虫害、土壤含水量）
  • 时间、生长周期的影响

大气对太阳辐射的影响

• 25km~30km的臭氧含量最多，至55km处趋于零
• 无线电波在电离层会发生全反射现象
• 电离层的上层温度到600~800℃
• 外大气层温度达1000℃以上

大气对太阳辐射的影响

大气对太阳辐射的反射

• 云层以及大气中的较大颗粒的尘埃对太阳辐射的反射
• 较低、较厚的云层状态下，光学遥感传感器几乎接收不到任何地面实际物体的信息。

大气对太阳辐射的散射

• 散射作用增加了遥感传感器接收的噪声信号，造成遥感影像质量的下降，因此需要进行辐射校正
• 散射本质是一种衍射现象
  • 瑞利散射（分子散射）
    • 散射系数与 波长的四次方成反比
    • 瑞利散射对可见光的影响大
    • 由大气中的原子与分子引起
      
  • 白天时，太阳辐射经过大气层与空气分子发生瑞利散射，因为蓝光比红光波长短，散射
    率较大，被散射的蓝光布满了整个天空，从而使天空呈现蓝色。
  • 朝霞与夕阳时，由于此时太阳为斜射，太阳辐射经过的大气路径更长，波长较短的蓝光等大量被散射殆尽，只剩下橙红色光，因此朝霞与夕阳时太阳及其附近呈现红色，天空是非常昏暗的蓝黑色
• 米散射
  • 微粒半径的大小接近或大于入射光线的波长时
  • 由大气中的微粒引起（烟、尘埃、气溶胶）
  • 米散射对红外线影响作用强
    
• 非选择性散射
  • 大气中的粒子直径远大于电磁波波长
  • 大气中的小水滴、大颗粒尘埃
  • 散射强度和电磁波波长无关，任何波长的电磁波散射强度均相等
  • 云雾看起来白色：对所有颜色的可见光几乎等量散射
• 总结
  • 瑞利散射
    • 大气中的分子和原子
    • 影响可见光和近红外波段
  • 米散射
    • 大气中的微粒（烟、尘埃、气溶胶）
    • 红外线影响
  • 无选择性散射
    • 大气中的云雾、小水滴
    • 云层越厚，散射作用越强

  大气对太阳辐射的吸收

  
  • 氧气
    • 吸收波长<0.2um的太阳辐射能量，在波长为0.155um吸收能力最强
    • 因此高空遥感很少用紫外波段
  • 臭氧
    • 0.2-0.36um强吸收带，0.6um和9.6um强吸收作用
    • 臭氧分布在30km高空，主要影响航天遥感，对航空遥感影响不大
    • 氧气和臭氧共同构成了对紫外线的强烈吸收，绝大部分（97%-99%）的紫外线难以穿过大气层，到达地面的紫外线中，超过95%是近紫外线
    • 二氧化碳
      • 二氧化碳的吸收作用主要在红外区域，而太阳辐射在红外区辐射能量少
      • 对太阳辐射而言，二氧化碳的吸收忽略不计
    • 水
      • 吸收带集中在红外和微波部分
        

大气窗口

• 定义：电磁波通过大气层时，较少被反射、吸收或散射，透过率较高的电磁辐射成为大气窗口（atmospheric window）
• 0.3~1.3 um：紫外、可见光、近红外波段，成为地物的反射光谱，对电磁辐射的透过率超过90%，是遥感成像的最佳波段（摄影+扫描）
• 1.3~1.8 um；2.0-3.5 um：近红外、近-中红外波段，仍属于地物反射波谱，不能用胶片摄影，仅能用光谱仪或扫描仪成像；在白天日照条件好下，用来探测植物含水量、云雪分布、地质制图
• 3.5-5.5 um：中红外波段，地面物体自身也在向外辐射该波段的能量，属于混合光谱范围；因此只能用扫描方式成像，如 NOAA 气象卫星的 AVHRR 传感器用这一波段探测海面温度，获得昼夜云图
• 8.0~14 um：远红外波段，热辐射光谱，用于接收地球表面物体自身向外发出的热辐射，一般适用于夜间成像，测量目标的温度
• 0.8~25 cm：微波波段，发射光谱范围，该窗口的电磁波穿透云雾能力强，可全天候作业。一般而言该波段均为主动遥感方式，如侧视雷达等
  

微波的散射特性

• 面散射：仅仅在两种介质的分界面上发生散射现象
• 体散射：微波穿透目标地物时产生，由于多个散射体的分布随机性，整片树林整体上起到同向同性散射的作用
• 强散射：多数情况均可能产生，当出现时，雷达回波信号非常强

面散射

• 微波信号在传输过程中中仅发生了一次明显的介电常数变化的散射现象（如从空气到水、从空气到土壤等）
• • 体散射：包含多次的类似面散射的过程，但雷达传感器获取的后向散射信号无法将单个散射过程区分开来
• 强度和反射面粗糙度、反射面的介电常数有关

镜面反射

• 介电常数–>菲涅尔散射系数–>媒介的能量散射系数
• 由于水的介电常数（81）比干燥土壤的介电常数（4）大得多，因此水的能量散射系数（0.64）比干燥土壤的能量散射系数（0.11）大得多，因此用微波遥感可以检测土壤湿度的变化
• 注意：在侧视情况下，镜面散射回到雷达的能量为0，此时水平极化和垂直极化由于镜面散射都被散射到远离雷达的方向，雷达图像的亮度很暗

粗糙表面散射

• 地物表面越粗糙，后向散射信号越强，对应的雷达影像中像素亮度值越高
• 散射面越粗糙，其后向散射系数与入射角的相关度越小
• 入射角越大，光滑散射面在雷达图像中的亮度越低。因此，如果在雷达成像过程中想消除或抑制散射面粗糙度的影响，应该选用较大的入射角进行成像

体散射

• 定义：当雷达波束通过某一界面，从一种介质进人另一种介质时，在介质内部产生的散射叫做体散射
• 例如：树木、土壤内部、积雪内部的散射
• 本质：含有多个散射体或者介质中包含多种不同介电常数物质混合的情况
• 当微波人射到介质中时，穿透深度用功率降低到1/e时的距离来定义
• 雨滴：多个散射体的均匀介质
• 土壤：多个散射体的非均匀介质；体散射的强度和介质体内的不连续性和介质密度的不均匀性成正比
• 土壤积雪：同时有表面散射+体散射，表面散射面积小，体散射面积大；此时雷达后向散射信号中同时包含面散射信号和体散射信号，因此在这种情况下，用后向散射信号强度来求面散射后向散射系数存在较大误差

强散射

• 光学遥感：波长短，地表地物对波长来说离散，除了闪亮的水波外，很少有高强度的反射地物
• 雷达图像：很多地物对微波而言比较光滑，雷达图像出现散射信号较强的地物，对应的地物成为硬目标
• 由于强散射体是离散分布的，因此不能用后向散射系数对其反射进行量化衡量，而是用**雷达截面（或者回波面积）**来进行计算

如果某个雷达图像的像素中强散射信号占该像素雷达后向散射信号的绝大部分，则该像素的“后向散射系数”为雷达截面面积（或回波面积）除以像素面积