遥感

遥感被定义为使用与被观测物体没有物理接触的传感器从远处获取和解释信息的科学。动物(包括人)通过各种身体部件使用遥感来获取环境信息。眼睛发现电磁能量以可见光的形式出现。耳朵能探测声音能量，鼻子里有敏感的化学感受器，能对周围物质在空气中释放出的微量化学物质做出反应。一些研究表明，候鸟可以感知地球磁场的变化，这有助于解释它们非凡的导航能力。

最宽的地方是遥感科学包括空中、卫星和宇宙飞船对太阳系行星表面和大气的观测，尽管地球显然是最频繁的研究目标。“遥感”一词通常限于探测和测量电磁能的方法，包括与地表物质和大气相互作用的可见光。

地球遥感被用于许多目的，包括制作和更新平面地图、天气预报和收集军事情报。本章的重点是农业遥感和相关的地球表面环境和资源。它探讨了获取和解释遥感图像的物理概念，来自不同类型传感器的图像的特征，以及处理图像以增强其信息内容的常用方法。有关遥感的更多信息，请参阅<http://www.microimages.com>上的环境遥感有用教程。

电磁波谱

遥感科学始于航空摄影，利用来自太阳的可见光作为能源。然而，可见光只占地球光的一小部分电磁波谱，从高能量，短波长降低能量的伽马射线，长波无线电波。电磁波谱中对地球表面遥感有用的部分如图7.1所示。(见本章末颜色部分。)地球被大自然照亮电磁辐射来自太阳。高峰太阳能在可见光的波长范围内(0.4到0.7 |j,m之间)，大多数动物的视觉系统对这些波长很敏感。尽管visi -

Ble光包括彩虹中看到的所有颜色，在许多遥感研究中，将其粗略细分为蓝色、绿色和红色波长区域就足够了。其他大量的入射太阳能以不可见的紫外线和红外辐射的形式存在。只有少量的太阳辐射延伸到光谱的微波区域。用于遥感的成像雷达系统产生并传播微波，然后测量从地球表面返回到传感器的那部分信号。第二章讨论了电磁波谱的性质和规律。

遥感中的相互作用过程

遥感系统中的传感器测量与地球表面相互作用的电磁辐射(EMR)。与物质的相互作用可以改变EMR的方向、强度、波长含量和极化。这些变化的性质取决于暴露在EMR下的材料的化学组成和物理结构。因此，EMR与地球表面相互作用产生的变化为地表物质的特征提供了重要线索。传递的EMR通过一种材料(或通过两种材料之间的边界)。材料也可以吸收EMR。通常吸收是波长特定的:也就是说，在某些波长吸收的能量比在其他波长吸收的能量多。被吸收的EMR转化为热能，从而提高材料的温度。其中一些热能可能会以EMR的形式释放出来，其波长取决于材料的温度。温度越低，发出的辐射波长越长。 As a太阳能的结果由于加热，地球表面以波长较长的红外辐射的形式发射能量。由于这个原因，红外光谱中波长大于3 (am)的部分通常被称为热红外地区。EMR遇到边界，如地球表面，也可以被反射。如果表面在与入射能量波长相当的尺度上是光滑的，则发生镜面反射，其中大部分能量以与入射角相等的角度沿单一方向反射。粗糙的表面会在各个方向产生散射或漫反射(图7.2)。

为了理解不同的交互过程如何影响航空和卫星图像的获取，让我们分析反射太阳辐射这是由卫星传感器测量的。当阳光最初进入大气层时，它会遇到气体分子、悬浮尘埃颗粒和气溶胶。这些物质将一部分入射辐射散射到各个方向，波长较短的辐射受到的影响最强。一个例子是，与绿色和红色光相比，蓝色光优先散射，这解释了白天天空的蓝色。云之所以看起来不透明，是因为微小的水滴强烈散射可见光。尽管大部分剩余的光被传输到地表，但一些大气气体在吸收特定波长的光时非常有效。臭氧吸收危险的紫外线辐射就是一个众所周知的例子。

由于这些影响，到达地表的光照是直接传输到地面的高度过滤的太阳辐射和从天空各个部分散射的更漫射的光的结合，这有助于照亮阴影区域。当这种经过改造的太阳辐射到达地面时，它可能会遇到土壤、岩石表面、植被或其他吸收、传输和反射辐射的物质。每一种材料吸收、传输和反射的能量都以其特有的方式在波长上变化，从而产生了一个光谱特征．不同波长可见光的选择性反射率决定了我们所感知的物质的颜色。大部分未被吸收的辐射被漫反射(散射)回到大气中，其中一些朝着卫星的方向。这种上升流辐射在穿过大气时又经历了一轮散射和吸收，最后才被传感器探测和测量。如果传感器能够探测热红外辐射，它还将探测到太阳加热导致的表面物体发出的辐射。

大气的影响

大气对EMR的散射和吸收对传感器的设计以及图像的处理和解释都有重要影响。当散射剂浓度较高时，散射产生我们称之为雾霾的视觉效果。雾霾增加了场景的整体亮度，减少了不同地面材料之间的对比度。朦胧的大气将一些光向上散射，因此遥感器记录的一部分辐射，称为路径辐射，是这种散射过程的结果。由于散射量随波长而变化，因此路径辐射对遥感图像的贡献也随波长而变化。最短波长的路径辐射效应最大，随着波长的增加，路径辐射效应迅速下降。当图像被捕获超过几个波长范围，差程辐射效应使比较不同波长的亮度值变得复杂。如第二章所述，有效吸收太阳辐射的大气成分是水蒸气、二氧化碳和臭氧。这些气体中的每一种都倾向于吸收特定波长范围内的能量。有些波长几乎完全被吸收(图7.3)。因此，大多数宽带远程传感器已被设计用于探测“大气窗口”中的辐射，这些波长范围的吸收最小，相反，透射率很高。

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