1.3 遥感信息源

如图1-11所示，遥感技术通过电磁波传递并获取地表目标信息。在遥感成像过程中，传感器上接收的电磁波，来自以下几种：①地球表面发射并通过大气窗口的电磁波；②来自太阳并经过地球表面反射，或者其他辐射目标，通过大气窗口的电磁波；③大气层发射并通过大气窗口的电磁波；④大气层对太阳辐射的反射并能通过大气窗口的电磁波；⑤地面对大气层向下发射并反射回天空，能通过大气窗口的电磁波。为了更好地解译遥感图像，有必要对这一成像过程的物理特性进行深入了解。

1.3.1 电磁辐射的基本概念

遥感成像就是对不同电磁辐射源能量的探测过程。为此，有必要先对电磁辐射源涉及的基本概念和物理意义进行介绍 ^{[ 10 ， 12]} 。

（1）辐射能量：电磁辐射源以辐射形式发射、转移或接收的能量，常用 Q 表示。

（2）辐射通量：又称辐射功率，常用 表示，指单位时间内通过某一表面的辐射能量：

式中， t 为时间。

辐射通量是波长 的函数。

（3）辐射出射度：又称辐射通量密度，常用 M 表示，指辐射源物体表面单位面积上的辐射通量：

式中， S 为面积。

（4）辐射强度：描述的是点状辐射源在某一方向上单位立体角内发射出的辐射通量，即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量：

式中， 为立体角，如图1-13（a）所示。

（5）辐射亮度：描述的是面状辐射源单位投影面积上，在某一方向上单位立体角内单位波长的辐射通量［见图1-13（b）］：

（6）辐射照度：又称辐照度，常用 E 表示，指在单位时间内从单位面积上接收的辐射能量，即照射到物体单位面积上的辐射通量：

式中， Φ 为辐射能量； S 为面积。

值得注意的是，辐射照度 E 和辐射出射度 M 都是辐射通量密度的概念，只是辐射照度 E 为物体接收的辐射，辐射出射度 M 是物体发出的辐射，二者都是波长 的函数，也都与某空间位置有关，如图1-14所示。

1.3.2 电磁辐射源

电磁辐射源以电磁波的形式向外传送能量。理论上，来自地球表面的任何能量都可以用于形成一幅图像，而这种能量的主要来源就是电磁辐射源。自然界中，任何物质在一定温度下都具有发射、辐射电磁波的特性，唯一不同之处是，它们的辐射强度和波长 不同。

对于遥感成像而言，电磁辐射源可分为自然辐射源和人工辐射源两类。

1. 自然辐射源

自然辐射源主要包括太阳辐射和地物热辐射。太阳辐射是一种最常见的能量源，也是地球上生物、大气运动的能源，其光谱波长从0.1 nm一直延伸到1000 m以上。约有80%的太阳辐射能量集中在可见光-近红外波段，具有较强的反射能力，而且相对稳定，因此，这些波段也是被动式传感器成像的重要自然辐射源，如图1-15所示的粗虚线 ^{[ 8]} 。在此波段，透过大气层到达地球表面的太阳辐射与地表目标发生相互作用，其结果是不同波长的电磁波被选择性地反射、吸收和透射等。

地球表面上各种地物不仅具有反射太阳辐射的能力，同时也具有向外辐射电磁波的能力。这种地物热辐射是指热力学零度以上的地物本身发射出的电磁辐射，是热红外遥感的主要辐射源。地球表面的电磁辐射如图1-15所示的细虚线：在小于3 μm的波段，地物热辐射主要是反射太阳辐射能量，地球自身的热辐射能量可以忽略不计；在大于6 μm的红外波段，主要是地物自身发射的热辐射，此时该能量远远大于太阳辐射能量；在3～6 μm波段，既接收反射太阳辐射又接收地球发射辐射，这两种辐射能量交织在一起会对遥感探测产生一定的影响。因此，对于遥感图像处理而言，太阳辐射和地物热辐射都需要考虑。

2. 人工辐射源

人工辐射源是指人为地发射具有一定波长或频率的波束辐射源。传感器接收地物散射该波束返回的后向反射信号的强弱可探知地物特性或距离等信息。目前，广泛应用的人工辐射源主要包括微波辐射源和激光辐射源，它们分别对应的主动式遥感传感器就是微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，目前广泛应用的是合成孔径雷达，其突出特点是具有全天候、全天时探测能力，成像不受光线、气候和云雾等限制，且具有一定的穿透性。与合成孔径雷达类似，激光雷达是工作在红外至紫外区间的光频波段雷达。与合成孔径雷达相比，激光雷达具有较好的单色性、方向性与相干性，同时，激光束能量集中，探测灵敏度和分辨率更高，可以精确跟踪识别目标的运动状态和位置。此外，激光雷达的激光束波段更窄，其被截获的概率很低，隐蔽性更好。

1.3.3 黑体辐射

黑体是物理学家定义的一种理想辐射体，是具有全吸收而无反射和透射的理想物体（即吸收率为1、反射率为0）。黑体的热辐射称为黑体辐射，通常把它作为度量其他地物目标发射电磁波能力的比较基准。

1. 普朗克辐射定律

普朗克从量子物理的角度，推导了黑体辐射定律，即在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内的辐射出射度（或辐射通量密度）与温度、波长之间的关系，定义为

式中， 为辐射出射度； 为波长； 为普朗克常数； 为玻尔兹曼常数； 为光速； 为黑体的绝对温度。

在实际应用中，普朗克定律在其长波、短波方向的极限情况下，具有完全不同的特性。在长波方向，即 时，式（1-9）变为

此时为瑞利-金斯分布，表明长波区域的辐射出射度与绝对温度成正比。在短波方向，即 时，式（1-9）变为

此时为维恩分布。

2. 斯特藩-玻尔兹曼定律

以普朗克定律为基础，斯特藩-玻尔兹曼进一步证明了任意物体辐射的能量是物体表面温度的函数，并把黑体总辐射出射度与温度的定量关系表示为

式中， 为黑体辐射出射度，随温度 T ⁴ 的变化而变化。

也就是说，温度 有微小的变化，都可能导致对应的辐射出射度发生巨大的变化； W/（m ² ·K ⁴ ）为斯特藩-玻尔兹曼常数。在热红外图像处理中，斯特藩-玻尔兹曼定律是红外温度反演的理论依据。

3. 维恩位移定律

维恩位移定律描述的是随着温度 的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动，即高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。此时，可以求得 下的最大值解为

式中， 为最大波谱辐射出射度对应的波长； 为热力学温度； 为常数， μm·K。

基于上述定律，图1-16所示为不同温度黑体辐射能量的波谱分布情况。可见，辐射物体温度越高，发射的辐射能量越大，并且与温度的四次方成正比。特别地，如果把太阳辐射看作黑体辐射，其温度约为6000 K，而当波长约在0.5 μm处，其能量有高得多的峰值。因此，人类视觉系统和可见光传感器对这段能量大小非常敏感，也是其成像的主要波段；在我们生活的地球环境约为300 K（27℃）时，其物体产生的最大辐射波长约为9.7 μm，这个区域正是热红外传感器成像波段。此外，对于更长波长的波段，地表目标发出的能量就必须采用非光学传感器来探测。进而可以总结出黑体辐射的3个特性：①黑体在不同温度下具有不同的发射光谱；②在每个给定温度下，黑体的光谱辐射出射度都有一个极大值；③随着温度的升高，其辐射出射度迅速增高，对应的峰值波长向短波方向移动 ^{[ 13]} 。

4. 基尔霍夫定律

基尔霍夫定律阐述了物体在某一波段某一温度下辐射能量 与其能量吸收率 之间的关系。将它们两者联系起来的纽带就是黑体在同一波段同一温度下的辐射能量 。基尔霍夫定律具体表达形式为

式中， 与物体本身的物理特性无关，即无论何种材料的黑体，只要波长和温度一致，其 恒为定值。

这从另一个角度说明，即使对于非黑体物体，某一波长与温度下的辐射能量 与能量吸收率 的比值也是一个与自身物理属性无关的定值。但在实际应用中，人们往往关注的是那些与自身物理属性有关的参量，用以达到描述和区分物体的目的。

1.3.4 大气传输窗口

不管任何辐射源，遥感传感器探测到的能量信号都要经过大气。太阳辐射电磁波在穿越大气时，会受气体分子、水蒸气和气溶胶粒子吸收和散射的影响，从而使透过大气层的太阳光能量受到衰减，其强度、传播方向及偏振状态也都会发生变化。但是大气层对太阳光的吸收和散射影响随太阳光的波长而变化，也就是说，大气对电磁波的吸收使得只有某些波段的大气透过率比较高，这些辐射能量所能穿过的波长范围通常被称为大气窗口。图1-17所示为电磁波谱和相应的地球大气透过率 ^[1] 。

在具体应用中，一般遥感传感器的波段都选择在大气窗口内。在这里，电磁波较少被反射、吸收和散射，透过率较高。随着波长逐步增加到短波红外区域，被传感器接收到的太阳辐射就会越来越少。随着波长的继续增加，在短波红外以上到中波红外的光谱区域，太阳辐射量逐渐减少，而对于朗伯反射体而言，物体自身辐射的热辐射却在逐渐增加。在波长较长的长波红外区域，除了太阳辐射导致物体表面的温度升高，太阳辐射的直接部分与物体自身发射的热辐射相比非常小。可见，遥感传感器设计的波段无疑需要选择在大气窗口内，才能最大限度地接收地物信息，实现遥感图像信息探测和利用。遥感传感器通常利用的主要大气窗口包括以下波段。

（1）波长为0.4～1.3 μm的可见光、近红外波段。这一波段主要反映地物对太阳辐射的反射能量，是摄影或扫描白天成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。例如，Landsat TM的1～4波段，SPOT卫星的HRV波段等。

（2）波长为1.5～1.8 μm、2.0～2.5 μm的短波红外波段。这是在白天日照条件好的时候扫描成像经常用的波段。例如，Landsat TM的5、7波段等，用以探测植被含水量以及云、雪或者用于地质制图等。

（3）波长为3.5～5. 5 μm的中波红外波段。这一波段除了地物目标反射太阳辐射外，地物目标自身也发射能量。例如，NOAA卫星的AVHRR传感器，用这个波段探测海面温度，可获得昼夜云图。

（4）波长为8～14 μm的长波红外或热红外波段。这一波段主要是来自地物目标自身热辐射能量，适合于夜间成像，测量地物目标的温度特性。

（5）波长为0.8～2.5 cm的微波波段。这一波段具有穿透云雾的能力，可以全天候、全天时工作。

1.3.5 地物反射特性

当电磁辐射到地物目标时，可能会发生多种相互作用，地物目标反射和发射波谱特征直接反映该目标的物理特性。通常在地物目标表面发生的相互作用称为表面现象，电磁辐射穿入目标体内所产生的作用称为体现象。入射电磁辐射与地物目标表面和体的作用会使入射电磁辐射发生不同的变化（主要变化包括振幅、方向、波长、偏振和相位等）。遥感信息获取就是要感知和测量这些参数的变化，进而形成遥感图像并进行应用处理。可以说，地物目标与电磁辐射之间的相互作用是遥感的基础 ^[2，12] 。

在可见光-近红外波段（波长为0.3～2.5 μm），地物目标的热辐射几乎为零，此时以反射太阳辐射为主。当太阳辐射到达地物目标时，电磁辐射与地物目标相互作用，其能量主要包括3种基本的物理过程：反射、吸收和透射，如图1-18所示，其中反射是最普遍最常用的性质。根据能量守恒定律，三者的关系是

式中， 为入射能量； 为反射能量； 为吸收能量； 为透射能量。

进一步整理式（1-15），可得

式中， 为地物反射率； 为吸收率； 为透射率。

下面两点值得注意。

（1）能量被反射、吸收和透射的比例会随地物目标材料类型和环境变化而变化。因此，在遥感图像处理中，可以根据这种变化差异来解译不同地物目标特征。

（2）地物目标的反射、吸收和透射都随着波长的不同而变化。如果两个地物目标在某一波段内具有不可分性，那么在不同波段间就可能存在可分性，这也是多光谱和高光谱图像进行地物目标解译的基本出发点。

众多遥感成像系统都工作在反射能量波段，所以式（1-16）中的地物反射率 尤为重要，即

它反映了地物目标的反射特性可以通过入射能量被反射的比例来表示。物体的反射波谱不同，便形成了物体的不同颜色，人类视觉系统也正是利用反射能量强度不同的光谱变化来辨识丰富多彩的物理世界。

在遥感高光谱图像处理中，作为波长 函数的物体光谱反射率 形成的曲线通常称为光谱反射率曲线，简称光谱曲线。图1-19所示为植被、土壤和水3种典型地物类型的光谱曲线 ^[1] ，它们以波长 为横坐标，反射率为纵轴的直角坐标系来表示。不同类型的地物目标，其表面形状和成分以及内部结构等特性不同导致其反射光谱特性也不同。或者可以反过来理解，不同地物目标的光谱特性不同，因此通过光谱曲线的形态，可以分析物体的光谱特征，进而实现遥感图像的定量化分析。

1.3.6 地物发射特性

相对于可见光波段的遥感传感器利用目标的反射能量，工作在热红外波段的传感器主要依赖于目标自身的辐射能量，其辐射能力又依赖于式（1-16）中吸收部分的入射能量，一般用发射率 来描述。类似于地物反射率或反射系数 ，其发射率 也是波长 的函数。更主要的是，根据不同目标的不同材质，发射率 也会随着温度 的变化而变化。通常，地物发射率定义为物体在温度 、波长 处的辐射强度 与同温度、同波长下的黑体辐射强度 之比（为此又称为比辐射率或辐射系数），即

很显然，地物发射率 是与物体状态以及固有物理属性有关的无量纲参量，其取值范围为 。

理论上，基尔霍夫定律认为物体无时无刻不在与周围环境进行着能量的交换与传递，如能量的吸收、反射及发射。根据能量守恒定律，当物体的温度不再发生变化时，其能量的吸收和发射则处于一种动态平衡状态。此时，在一定温度下，一个物体的光谱发射率等于其光谱吸收率，即

即好的吸收体也是好的发射体。这样，在热红外波段，式（1-16）变为

如果进一步假设处理的目标对热辐射是不传热的，即 ，则

这就是光谱在热红外区域，目标的光谱发射率和其反射率之间的关系。即一个目标的反射率越低，其发射率就越高；反之，目标的反射率越高，其发射率就越低。这样，根据基尔霍夫定律，若 已知，则可以根据响应关系对发射率 进行求解。

由以上讨论可见，基尔霍夫定律就是以黑体研究为基础的热辐射基本定律。此时，可以将在黑体辐射式（1-12）中的斯特藩-玻尔兹曼定律扩展到实体辐射上，即

式（1-22）给出了热传感器探测的信号 、温度 和发射率 之间的关系。在具体应用时，遥感热红外图像处理就是基于目标的这种关系，实现发射率 与温度 的分离，进而实现目标特性参数反演。 cgJ9s00GlzEfKKOwMg95/FivLloin4rMDa/5IKuGkPol6HpaaVkerJyBCTuV/QjE