【技术类】【遥感入门系列】3、遥感电磁辐射与遥感过程

遥感电磁辐射是比较难理解也是非常重要的内容，对于一般学习遥感专业的人来说，只需要学习个大概，这个大概主要包括你需要理解几个概念以及能从电磁辐射原理上解释一些遥感现象，进而为遥感过程的理解打下一个基础，如果你想在这个环节上有所建树，建议深入阅读徐希孺编写的《遥感物理》。本专题包括内容：

• 地物波谱
• 遥感过程

遥感与电磁波

（一）电磁波的反射

遥感是利用传感器主动或被动接收地物反射回来电磁波而成像的。电磁波可以是地物反射太阳能量，也可以是反射传感器发出的电磁波（雷达），还可以是地物本身发射的电磁波（热红外）。这里我们就需要理解两个概念：

黑体辐射：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射，都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。也就是说，绝对黑体，吸收率为100%，反射率为0，与物体的温度和电磁波波长无关。如黑色的煤可以近似看作黑体，还有太阳也可以近似看作黑体辐射源，在后面章节中讲到的大气校正，有的时候也可以将干净的深水、茂密的森林以及阴影近似为黑体。

实际物体辐射：也就是物体实际的辐射，一般研究其与黑体辐射之间的关系。

根据电磁波波长或者频率是一个连续的谱带，因此就有一个概念——电磁波谱，根据波长的不一样，从小到大划分为：

λ射线、Χ射线、紫外、可见光、红外、微波、无线电波

图：电磁波谱范围

当然，每一个分类又有小的分类，如可见光有可划分为蓝青绿……等。目前传感器的波段就是根据这个来划分的，不同传感器波段范围又不一样，如spot5的波谱范围为：

P: 480- 710nm 全色

B1: 500 - 590 nm  绿色

B2: 610 - 680nm 红色

B3: 780 - 890 nm 近红外

B4: 1580 - 1750 nm 短波红外

比如WorldView-2卫星谱段范围设置：

海岸波段：400-450 nm

蓝色波段：450-510 nm

绿色波段：510-580 nm

黄色波段：585—625 nm

红色波段：630-690 nm

红色边缘波段：705.5-745 nm

近红外线波段：770-895 nm

近红外2 波段：860-1040 nm

（二）电磁波的传输

地物反射的电磁波要经过大气才能被传感器接收，由于大气的成分非常的复杂而且多变，加上电磁波本身一些特性，因此电磁波在大气传输过程中会发生很多的变化，包括大气的吸收、散射、透射等，这里需要理解两个概念：

瑞利散射：当大气中的原子、分子的直径比波长小很多，这个时候电磁波在大气中发生的散射叫做瑞利散射。这种散射的特点是散射强度与波长的四次方成反比，也就是说波长越长，这种散射越小。这种散射在可见光影响最为明显，尤其是蓝色波段，这个也是天空是蓝色的解释。对于遥感来说，这个散射是不利的，有些传感器为了提高影像的质量，就不设这个波段，如SPOT系列、ASTER传感器等。

大气窗口：把电磁波通过大气层时候较少被反射、吸收或散射的透过率较高的波段叫做大气窗口。传感器的设计就是根据大气窗口来设计波段的。

（三）地物波谱曲线

地物的波谱特征可以用图来表示，这个图就是地物波谱曲线。地物波谱曲线是影像信息提取的基础，几种典型的地物波谱曲线要求能识别，包括水体、岩石和植被。

地物的波谱曲线可以通过波谱仪来测量，这种方法较为精确，但过程较复杂。也可以通过影像上剖面获取，操作简单，但精度很低，不同波段数的影像获取的结果精度也不一样。

在ENVI中， 使用Z Profiles工具即可获得图像上任意一点的波谱曲线。如下图分别为从tm和高光谱上获得的光谱曲线。

 

图：TM影像上获得的波谱曲线

 

图：HyMAP高光谱数据获得的波谱曲线

遥感过程

 

图：遥感过程

    如上图为一个遥感过程的示意图。它包括了信息的采集、接收存储、处理到信息提取和应用。

（1）    信息采集

传感器接收地物反射或发射的电磁波并转化为电信号。现在的传感器本身带有大小不定的存储器，在没法给地面站传送的时候自身保存起来。这部分主角就是传感器，搭载传感器的平台可以是卫星（航天遥感）、飞机（航空遥感）甚至是地面平台（地面遥感）。

（2）    接收存储

卫星影像的接受储存是在遥感卫星地面站中完成，地面站包括接收站、数据处理中心和光学处理中心，我国在1986年与美国合作建立了中国卫星地面接收站。收集的数据通过数模转换变成数字数据，目前的影像数据都是数字形式保存，而在以前，由于计算机技术的限制，采用磁带或者胶片形式储存。现在计算机技术的发展，保存格式也趋于标准化，大多采用了tif或者geotif的格式。

从数据的文件内部读写格式上分，可分为三种格式，即BSQ、BIL、BIP，BSQ是按波段保存，也就是一个波段保存后接着保存第二个波段；BIL是按行保存，就是保存第一个波段的第一行后接着保存第二个波段的第一行，依次类推；BIP是按像元保存，即先保存第一个波段的第一个像元，之后保存第二波段的第一个像元，依次保存。

图：图像储存顺序示意图（坐-BSP，中-BIL,右-BIP）

（3）    处理

目前，遥感影像的处理都是基于数字的，所以产生的新的一门科学就是遥感数字图像处理，它是依靠计算机硬件技术的发展以及遥感图像处理软件的发展而起来的。详细内容将在后面的内容中讲到。

（4）    信息提取

遥感的主要目的就是从影像上提取有用的信息，这个过程就是在前面的基础上进行的。详细内容将在后面的内容中讲到。

（5）    应用

不同的行业有着自己的应用规范，比如测绘部门，它们应用遥感主要制作 4D产品；农业部门获取农作物的信息；林业部门可以从遥感影像上获取林业的分布、蓄积量等信息。