典型地物遥感影像特征

遥感图像处理与分析作业一、名词解释1.辐射亮度：辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量。

2.光谱反射率：被物体反射的光通量与入射到物体的光通量之比。

3.合成孔径雷达：合成孔径雷达就是利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达。

利用遥感平台的移动，将一个小孔径的天线安装在平台侧方，以代替大孔径的天线，提高方位分辨率的雷达。

4.假彩色遥感图像：根据加色法合成原理，选择遥感影像的某三个波段分别赋予红、绿、蓝三种原色，就可以合成彩色影像。

5.大气窗口：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。

把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口6.图像空间分辨率：指像素所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。

7.NDVI: (Normal Differential Vegetation Index)归一化植被指数。

被定义为近红外波与可见光红波段图像灰度值之差和这两个波段图像灰度值之和的比值。

8.像点位移：地形的起伏和投影面的倾斜会引起航片上像点的位置的变化，叫像点位移。

9.后向散射：在两个均匀介质的分界面上，当电磁波从一个介质中入射时，会在分界面上产生散射，这种散射叫做表面散射。

在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的，所以在不是镜面的情况下必须使用能够计算的量来衡量。

通常散射截面积是入射方向和散射方向的函数，而在合成孔径雷达及散射计等遥感器中，所观测的散射波的方向是入射方向，这个方向上的散射就称作后向散射。

10.大气校正：大气校正就是指消除由大气散射引起的辐射误差的处理过程。

11.漫反射：当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。

ETM 数据典型地物光谱采集方法介绍地物, 光谱, ETM, 典型, 数据遥感的物理基础是地物对电磁波的反射、吸收和发射特性；遥感研究的最终目的是应用，遥感技术及其应用实质上是一个地物电磁波谱特性成像与反演的问题，要想利用遥感图像正确有效地分析问题、解决问题，必须对各类地物波谱特性及其变化规律有较全面、深入的认识。

过去，在对地物波谱特性研究方面，人们更多地侧重于在地面和实验室进行光谱的测试与研究，而对卫星数据地物光谱特性的研究不足，这使得理论研究和应用研究不能很好地相结合，理论研究的成果不能有效地、更直接地指导应用。

遥感应用的实践证明，地物波谱研究不仅包括地面（近地面）地物光谱测量和研究，而且还应包括同步（准同步）航天遥感数据的光谱采集与研究。

Landsat-7 ETM+数据是目前及今后我国遥感用户使用最多的遥感数据源之一，本文以北京幅ETM+数据为例，概括介绍如何利用Landsat7 ETM+数据采集、反演地物光谱数据。

1.1．数据的选择与预处理根据研究区植被的季节变化特点，选择了2001年4月1号、2001年4月17号、2001年5月19号和2001年6月4号4个时相北京幅ETM+数据，考虑到白天的热红外波段6的数据对本项研究没有太大的意义，另外，从光谱的角度来说全色波段8并不是一个独立的波段，所以此研究所使用的是ETM+波段1~5、波段7共5个波段的数据。

首先对以上4个时相的遥感数据做系统级校正，然后对它们进行精确的空间配准，使相同地物在不同时相的遥感图像上的位置相一致，并使多时相遥感数据处于同一地理坐标系统之下。

2．典型地物类型选择首先，根据地物在遥感图像上的影像特征并结合专业知识，在图像上初步选择水体、植被（小麦、林地）、裸沙地、城镇和机场跑道为典型地物样本14个，然后，到实地进行考察，对所选典型地物的类型及位置进行检查和调整。

3.3．光谱数据采集先从遥感图像上读取各样本点在各波段上的灰度值（DN值），并对样本的灰度值进行统计运算和数值分析，结合遥感图像的影像特征进行样本的筛选与纯化。

土地利用遥感监测中的变化信息图斑类型的认定张威乔莹牛彦斌黄淼（河北省国土资源利用规划院，石家庄 050051）【摘要】土地利用动态遥感监测中的信息识别主要是土地利用现状信息、变化信息和分类信息。

其中，变化信息识别是动态遥感监测的直接目的。

变化信息确定后，根据变化信息确定变化图斑的类型，是进行土地利用变更调查的基础和进行“卫片执法”检查的依据。

本文根据我院在2011年全国土地利用变更调查监测与核查项目中土地利用遥感监测第13分包任务的生产过程，总结了一些变化信息图斑类型的确认方法。

【关键字】遥感监测图斑类型认定我国自1999年以来，以第二次土地调查为依托，连续开展了以全国50万以上人口城市、国家级开发区等重点地区为对象的土地利用动态遥感监测。

并从2009年起，每年开展以控制建设用地规模、保护耕地资源为主要目标的全国土地利用变更调查监测与核查项目。

土地利用动态遥感监测中的信息识别主要是土地利用现状信息、变化信息和分类信息。

其中，变化信息识别是动态遥感监测的直接目的。

变化信息确定后，根据变化信息确定变化图斑的类型，是进行土地利用变更调查的基础和进行“卫片执法”检查的依据。

笔者作为技术负责人参与了河北省国土资源利用规划院承担的2011年全国土地利用变更调查监测与核查项目13分包遥感监测任务。

在任务生产中，笔者发现变化信息图斑类型由于不同数据源、不同地域分布等原因，造成图斑类型特征不明显，类型不易判断，从而造成返工，影响工作效率。

为此笔者汇总了任务生产过程中遇到的典型的图斑类型，总结出了一些变化图斑类型的确认方法。

1.图斑类型在2011年全国土地利用变更调查监测与核查项目遥感监测国家技术方案中共确定了六种变化信息的图斑类型，分别是：第一类：前时相影像上有植被覆盖或明显非建设用地特征，后时相影像上有明显建设痕迹（如地基、建筑物、道路等）。

第二类：前时相影像上有植被覆盖或明显非建设用地特征，后时相影像为建设推填土痕迹。

Landsat陆地卫星遥感影像数据简介“地球资源技术卫星”计划最早始于1967年，美国国家航空与航天局（NASA）受早期气象卫星和载人宇宙飞船所提供的地球资源观测的鼓舞，开始在理论上进行地球资源技术卫星系列的可行性研究。

1972年7月23日，第一颗陆地卫星（Landsat_1）成功发射，后来发射的这一系列卫星都带有陆地卫星（Landsat）的名称。

到1999年，共成功发射了六颗陆地卫星，它们分别命名为陆地卫星1到陆地卫星5以及陆地卫星7，其中陆地卫星6的发射失败了。

Landsat陆地卫星系列遥感影像数据覆盖范围为北纬83o到南纬83o之间的所有陆地区域，数据更新周期为16天（Landsat 1~3的周期为18天），空间分辨率为30米（RBV和MSS传感器的空间分辨率为80米）。

目前，中国区域内的Landsat陆地卫星系列遥感影像数据（见图1）可以通过中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据服务平台QQ电子网免费获得（）。

Landsat 陆地卫星在波段的设计上，充分考虑了水、植物、土壤、岩石等不同地物在波段反射率敏感度上的差异，从而有效地扩充了遥感影像数据的应用范围。

在基于Landsat遥感影像数据的一系列应用中，计算植被指数和针对Landsat ETM off影像的条带修复为最常用同时也是最为基础的两个应用。

因此，中国科学院计算机网络信息中心基于国际科学数据服务平台，提供了1）基于Landsat 数据的多种植被指数提取。

2）对Landsat ETM SLC-off影像数据的条带修复。

图1 Landsat 遥感影像中国区示意图数据特征（1）数据基本特征Landsat陆地卫星包含了五种类型的传感器，分别是反束光摄像机（RBV），多光谱扫描仪（MSS），专题成像仪（TM），增强专题成像仪（ETM）以及增强专题成像仪+（ETM+），各传感器拍摄影像的基本特征如下：（2）数据主要参数Landsat陆地卫星携带的传感器，在南北向的扫描范围大约为179km，东西向的扫描范围大约为183km，数据输出格式是GeoTIFF，采取三次卷积的取样方式，地图投影为UTM-WGS84南极洲极地投影。

中国科学院遥感应用研究所2012年博士研究生入学考试试卷遥感地学分析总分：100分时间：180分钟（注意：答案一律写在答题纸上）一、论述土壤、植被、岩石、冰雪、水体等典型地物的反射波谱特性、红外辐射特性、微波辐射与散射特性，分别说明它们在可见光/近红外、热红外和微波遥感图像上表现出什么特征？如何通过遥感图像增强处理和融合，提高典型地物的遥感识别能力？（20分）答：（一）土壤、植被、岩石、冰雪、水体等典型地物的反射波谱特性（1）关于土壤（a）可见光与近红外波段的反射波谱特性以及散射特性：土壤本身是一种复杂的混合物，它是由物理和化学性质各不相同的物质所组成，这些物理和化学性质不同的物质可能会影响土壤的反射和吸收光谱特征。

土壤的许多性状都源于土壤母质。

一般土壤中含有的原生矿物主要有石英、白云母、赤铁矿、黄铁矿等。

土壤水分是土壤的重要组成部分，也是评价土壤资源优劣的主要指标之一。

当土壤含水量增加时，土壤的反射率就会下降。

作为土壤的重要组成部分，土壤有机质是指土壤中那些来源于生物的物质。

有机质的影响主要是在可见光和近红外波段。

一般来说，随着土壤有机质的增加，土壤的光谱反射率减小。

铁在土壤中主要以氧化铁的形式存在，氧化铁是影响土壤光谱反射特性的重要土壤成分，其含量的增加会使反射率减小。

土壤质地是指土壤中各种粒径的颗粒所占的相对比例。

它对土壤光谱反射特性的影响主要表现在两方面，一是影响土壤持水能力，进而影响土壤光谱反射率；二是土壤颗粒大小本身也对土壤的反射率有很大影响。

一般来说，在近红外光谱范围，如果土壤的物理化学性质没有发生变化，则土壤或矿物的光谱反射率随土壤颗粒尺寸的减小而减小。

(b)红外辐射特性：白天受太阳辐射影响，温度高、呈暖色调；夜间物质散射，温度低，呈冷色调。

(c)微波辐射特性：土壤的介电常数随土壤含水量的变化十分明显，它可以使雷达后向散射回波有较为明显的变化，两者呈线性关系。

土壤的后向散射系数，除受含水量影响外，还同时受土壤表面粗糙度、土壤结构、土壤化学组成等影响以及与雷达系统参数有关。

遥感是应用探测仪器,不与探测目标相接触,从远处把目标的电磁波特性记录下来,通过分析,揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术遥感系统的基本构成被测目标的信息特征, 信息的获取, 信息的传输与记录, 信息的处理和信息的应用信息的处理和信息的应用遥感特点1大面积的同步观测2时效性3数据的综合性和可比性4经济性5局限性局限性辐射通量单位时间内通过某一面积的辐射能量辐射通量密度单位时间内通过单位面积的辐射能量辐照度I 被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量绝对黑体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 黑体辐射规律1绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比2黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比3黑体温度越高，其曲线的峰顶就越往波长短的方向移动(普朗克定律,斯忒藩—玻尔兹曼定律,维恩位移定律)太阳常数指不受大气影响在距太阳一个天文单位内,垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量 常见的大气散射及特点瑞利散射当大气中粒子的直径比波长小的多时特点散射强度与波长的四次方成反比,对可见光的影响很大米氏散射粒子的直径与辐射的波长相当时特点散射强度与波长的二次方成反比,散射在光线向前方向比向后方向更强,方向性明显，潮湿天气对米氏散射影响较大无选择性散射粒子的直径比波长大得多时,,散射强度与波长无关散射强度与波长无关 大气窗口常把电磁波通过大气层时较少被反射,吸收或散射的,透过率较高的波段称大气窗口透过率较高的波段称大气窗口 气象卫星发展阶段、特点及作用特点1轨道：低轨和高轨2短周期重复观测3成像面积大，有利于获得宏观同步信息，有利于获得宏观同步信息，减少数据处理容量减少数据处理容量4资料来源连续、资料来源连续、实时性强、实时性强、成本低发展阶段1、20世纪60年代第一代气象卫星2,1970—1977第二代气象卫星3,1978后气象卫星进入第三个发展阶段应用1天气分析和气象预报2气候研究和气候变迁的研究3资源环境其他领域资源环境其他领域 中心投影的透视规律及像点位移规律透视规律1地面物体是一个点，在中心投影上仍然是一个点。

第五章以遥感为基础的土壤调查制图第一节遥感土壤调查制图评述一、遥感及遥感技术的概念遥感（Remote Sensing）是从远处探测、感知物体，也就是不直接接触物体，从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息，经过对信息的处理，识别地物。

简单的说，就是遥远的感知。

通常把不同高度的平台（Platform）使用传感器收集地物的电磁波信息，再将这些信息传输到地面并加以处理，从而达到对地物的识别与监测的全过程，称为遥感技术。

遥感的基本过程是这样的,首先是从飞机、高空气球，或从人造卫星、火箭、天空试验室，利用多种遥感器接收来自地面物体反射或发射的电磁波，然后再根据收到的上述信息进行分析判读，从而确定地表物体存在形式及变化状态。

在实际研究和工作中,最常用的是航空遥感和航天遥感。

航空遥感一般是指运用飞机或高空气球对地面情况进行探测，高度可达二万米。

航天遥感是指运用卫星进行工作，高度可达几百公里，如美国的地球资源卫星高度已达九百一十八公里，一张像片拍摄的范围是长、宽一百八十五公里（相当于一个海南岛）。

由于地表（也包括地下）不同景物在物理、化学性质上的差异，其反射、放射某种波长电磁辐射能的大小也不一样。

这样，在遥感图像上就会显示出不同的色调或色彩反差，或者在信息磁带上就会出现不同的数据。

同时，不同几何形状的物体，反映在像片上的特征也不相同。

人们根据这些色调或色彩反差和影像的形状、大小、模型、纹理、阴影、位置及排列组合等特点，以及信息参数，就可以将不同的地物分辨开来，而且在某些情况下还可以做出定量的分析。

因此，遥感技术已成为近年来地表自然资源调查的一种重要手段。

二、遥感技术的特性2．1空间特性——视域范围大，具有宏观性运用遥感技术从飞机或人造地球卫星上获取地面的航空像片、卫星图像，比在地面上观察，视域范围要大的多，为人门宏观地研究地面各种自然现象及其分布规律提供了条件。

例如，航空像片可提供地面景物的像片并可供立体观察，图像清晰逼真、信息丰富。

1、遥感的概念、特点、类型遥感：遥感是通过不接触被探测目标，利用传感器获取目标数据，通过对数据进行分析，获取被探测目标、区域和现象的有用信息。

基本特征：利用地物对电磁波的辐射和反射特性，通过接收电磁波的辐射或反射信息获取地物的特性。

地物特性：分为几何特征和物理特征两种。

几何特征：如土壤的粗糙度，房屋的轮廓、各种植被的形状和长势等；物理特征：如地物的介电常数、土壤湿度等，是物质本身的性质所决定的。

遥感目的：就是通过接收到的电磁波信息反推出地物的几何特征和物理特征的反演过程。

类型：可见光遥感、反射红外遥感、微波遥感、热红外遥感。

特点：覆盖范围广、信息量大、具有连续观测的特点。

象元：遥感系统的空间分辨率确定遥感图象识别的最基本的信息单元2、遥感系统的组成3、遥感系统的分类按平台高度：航空、航天与地面测量。

按遥感波段分：光学与微波。

按成像信号能量来源：被动与主动，被动式分为反射式、发射式，主动式分为反射式与受激发式。

按应用：空间尺度分为全球、区域、局地遥感；地表分为海洋、大气、陆地遥感；行业分类环境、农业、林业、水文、地址遥感。

4、电磁波谱与电磁辐射电磁波：交互变化的电磁场在空间的传播。

电磁波的特性：电磁波是横波，传播速度为3×108 m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。

电磁波普：按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。

γ线、x线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。

常用的：紫外线的一部分(0.3-0.4μm),可见光线(0.4-0.7μm),红外线的一部分(0.7-14μm),以及微波（约lmm-1m）。

紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m以下。

可见光：波长范围：0.38～0.76μm，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。

收稿日期:2008-08-28作者简介:张亚梅(1969-),女,河北秦皇岛人,硕士研究生,主要研究方向为光电工程及自动控制.文章编号:1673-1255(2008)05-0006-06地物反射波谱特征及高光谱成像遥感张亚梅(东北电子技术研究所,辽宁　锦州　121000)摘　要:依据地表物体表面外形特性,物体反射分为镜面反射、漫反射和方向反射.探讨了3类反射的特性曲线,介绍了几种典型的地物类型反射波谱特征,并对影响地物光谱反射特性变化的因素进行了概略描述,以加强对地物电磁波谱特征的认知,及开展与高光谱成像领域相关的遥感图像分析、反演和应用等方面的工作.关键词:地物;反射波谱;高光谱成像;遥感中图分类号:V 443.5 文献标识码:ASpectrum Characteristics of Surface Features Reflectionand High Spectral Imaging Remote SensingZHANG Ya -mei(Northeast Res earch Institute of Electronics Technolo gy ,Jinzhou 121000,china )A bstract :Based on the external features of surface objects ,the objects reflection is divided into mirror surface re -flection ,diffuse reflection and directional reflection .In order to have a deep know ledge of the electromagnetic spectrum characteristics of surface features ,three kinds of reflected characteristic curves are discussed ,and sev -eral types of spectrum characteristics of surface features reflection are introduced .The factors influencing the spectral reflection characteristics of surface features are sum marized and the wo rk on remote sensing image analy -sis ,counterevidence and application related to the field of high spectral imaging are done .Key words :surface features ;reflected spectrum ;high spectral imaging ;remote sensing 自1948年原苏联的克里诺夫出版了有关地物波谱特性研究以来,人们开展了大量的地物波谱特性的观测和研究.20世纪60年代美国为发射地球资源卫星曾全面地开展了地物波谱特性研究,20世纪70年代该项研究进入高潮.目前研究的波段基本覆盖了遥感所使用的波段,测量和研究的对象包括了自然界的植被、土壤、岩石、水体和人工建筑等地物.这些研究对认识遥感成像机理、遥感图像解译、遥感仪器最佳探测波段选择和遥感仪器研制等起到了推动作用.随着遥感应用的深入,遥感信息与地物相互作用的研究有了进一步发展;特别是成像光谱仪的应用,不仅显示了地物波谱特性研究的重要性,而且也推动了这一领域的研究.因为它可以获得图谱合一的信息,可以直接将地物波谱特性和遥感图像结合在一起,在图像分析和应用方面都取得了很好的结果.现代遥感技术的发展,不仅延伸了地物的成像波段范围,而且可以在需要的任何波段独立成像或连续成像,提高了地物光谱分辨力,有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性,突出特定地物反射峰值波长的微小差异.开展地物可见光和近红外反射波谱特征分析研究是对遥感图像进行数据利用和评价的物理基础[1].1　地物的反射类别及反射特性曲线地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现,可见光和近红外波段主要表现地物反射作用和地物的吸收作用.因此,地物反射波谱特征也就第23卷第5期2008年10月 光电技术应用ELECT RO -O PT IC T ECHNO LOG Y APP LICA TI ON Vo l .23,No .5October .2008是指地物可见光和近红外波段波谱特征.根据地表目标物体表面性质的不同,物体反射大体上可以分为3种类型,即镜面反射、漫反射、方向反射(实际物体的反射).镜面反射是指物体的反射满足反射定律.当发生镜面反射时,对于不透明物体,其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量.自然界中真正的镜面很少,非常平静的水面可以近似认为是镜面.漫反射,如果入射电磁波波长λ不变,表面粗糙度h 逐渐增加,直到h 与λ同数量级,这时整个表面均匀反射入射电磁波,入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射,其反射辐照亮度是一个常数,这种反射面又叫朗伯面.实际地物表面由于地形起伏,在某个方向上反射最强烈,称为方向反射,是介于镜面和朗伯面(漫反射)之间的一种反射.自然界中绝大多数地物的反射都属于这种类型的反射,又叫非朗伯面反射.它发生在地物粗糙度继续增大的情况下,反射具有各向异性,即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量,但大小不同.从空间对地面观察时,对于平面地区,并且地面物体均匀分布,可以看成漫反射;对于地形起伏和地面结构复杂的地区,为方向反射.图1示出了3种反射的情况.图1　3种反射形式反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比,ρ=E r /E ,这个反射率是在理想漫反射体的情况下,整个电磁波长的反射率.实际上由于物体固有的结构特点,对于不同波长的电磁波会产生有选择的反射,例如绿色植物的叶子由于表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成,如图2所示.入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮,蓝、红光辐射能被叶绿素吸收进行光合作用;绿光也吸收了一大部分,但仍反射一部分,所以叶子呈现绿色;而近红外线可以穿透叶绿素,被多孔薄壁细胞组织所反射.因此,在近红外波段上形成强反射.图2　叶子的结构及其反射反射波谱是某物体的反射率(或反射辐射能)随波长变化的规律,以波长为横坐标,反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线,光谱反射率ρl =E rlE l.物体的反射波谱的特征主要取决于该物体与入射辐射相互作用的波长选择,即对入射辐射的反射、吸收和透射的选择性,其中反射作用是主要的.物体对入射辐射的选择性作用受物体的组成成分、结构、表面状态以及物体所处环境的控制和影响.在漫反射的情况下,组成成分和结构是控制因素.如图3所示为4种地物的反射光谱特性曲线.从图3中曲线可以看到,雪的反射光谱与太阳光谱最相似,在蓝光0.49μm 附近有个波峰,随着波长增加反射率逐渐降低.沙漠的反射率在橙色0.6μm 附近有峰值,但在长波范围里比雪的反射率要高.湿地的反射率较低,色调发暗灰.小麦叶子的反射光谱与太阳的光谱有很大差别,在绿波处有个反射波峰,在红外部分0.7～0.9μm 附近有一个强峰值.图3　4种地物的反射波谱特性曲线各种物体,由于其结构和组成成分不同,反射特性曲线的形状是不一样的,即便是在某波段相似,甚7第5期 张亚梅:地物反射波谱特征及高光谱成像遥感 至一样,但在另外的波段还是有很大的区别的.例如图4所示的柑桔、番茄、玉米、棉花4种地物的反射特性曲线,在0.6～0.7μm 之间很相似,而其他波长(例如0.75～2.5μm 波段之间)的光谱反射特性曲线形状则不同,有很大差别.图4　4种植物的反射波谱特性曲线2　常见的几种地物类型波谱特征2.1　植被的反射波谱特性由于植物均进行光合作用,所以各类绿色植物具有很相似的反射波谱特性,其特征是:在可见光波段0.55μm (绿光)附近有反射率为10%～20%的一个波峰,两侧0.45μm (蓝)和0.67μm (红)则有2个吸收带.这一特征是由于叶绿素的影响造成的,叶绿素对蓝光和红光吸收作用强,而对绿色反射作用强.在近红外波段0.8～1.0μm 间有一个反射的陡坡,至1.1μm 附近有一峰值,形成植被的独有特征.这是由于植被叶的细胞结构的影响,除了吸收和透射的部分,形成的高反射率.图5　绿色植物反射波谱曲线在中红外波段1.3～2.5μm ,以1.45、1.95μm 和2.7μm 为中心是水的吸收带,受到绿色植物含水量的影响,吸收率大增,反射率下降,形成低谷.而1.5～1.9μm 光谱区反射率增大.绿色植物反射波谱曲线如图5所示[2].植物波谱在上述基本特征下仍有细部差别,这种差别与植物种类、季节、病虫害影响、含水量多少有关系,如图6所示3种类型树木的光谱曲线比较.图6　3种类型树木的光谱曲线比较2.2　土壤的反射波谱特性自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值,一般来讲土壤的光谱特性曲线与以下一些因素有关,即:土壤类别、含水量、有机质含量、砂、土壤表面的粗糙度、粉砂相对百分含量等.土壤含水量增加,土壤的反射率就会下降,在水的各个吸收带(1.4、1.9、2.7μm 处附近区间),反射率的下降尤为明显.此外肥力也对反射率有一定的影响.由图7可以看出,土壤反射波谱特性曲线较平滑,因此在不同光谱段的遥感影像上,土壤的亮度图7　3种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线8 光　电　技　术　应　用 第23卷区别不明显[2].2.3　水体的反射波谱特性水体对0.45～0.56μm 蓝绿光波段透射能力较强,一般深度可达10～20m ,清澈水体可达100m 的深度.同时,水体的反射也主要在蓝绿光波段,其他波段吸收率很强,特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带,反射率几乎为零,因此在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓,在此波段的黑白正片上,水体的色调很黑,与周围的植被和土壤有明显的反差,很容易识别和判读.但是当水中含有其他物质时,反射光谱曲线会发生变化.水含泥沙时,由于泥沙的散射作用,可见光波段发射率会增加,峰值出现在黄红区.如图8所示水中含有叶绿素时,近红外波段明显抬高,这些都是影像分析的重要依据.图8　叶绿素含量不同时水体的光谱曲线2.4　岩石的反射波谱特性岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构等决定.影响岩石矿物波谱曲线的因素包括岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等.几种岩石的反射波谱曲线如图9所示.在遥感探测中一般根据所测岩石的具体情况选择不同的波段.2.5　城市道路、建筑物的反射波谱特性在城市遥感影像中,通常只能看到建筑物的顶部或部分建筑物的侧面,特别是建筑材料所构成的屋顶.从图10中可以看出,铁皮屋顶表面成灰色,反图9　几种岩石的反射波谱曲线射率较低而且起伏小,所以曲线较平坦.石棉瓦反射率最高,沥青粘砂屋顶,由于其表面铺着反射率较高的砂石而决定了其反射率高于灰色的水泥平顶.绿色塑料棚顶的波谱曲线在绿波段处有一反射峰值,与植被相似,但它在近红外波段处没有反射峰值,有别于植被的反射波谱.军事遥感中常用近红外波段区分在绿色波段中不能区分的绿色植被和绿色的军事目标.图10　几种建筑物屋顶的波谱特性城市中道路的主要铺面材料为水泥沙地和沥青两大类,少量部分有褐色地,如图11所示,它们的反射波谱特性曲线形状大体相似,水泥沙路在干爽状态下呈灰白色,反射率最高,沥青路反射率最低.图11　几种道路的波谱特性9第5期 张亚梅:地物反射波谱特征及高光谱成像遥感 3　影响地物光谱反射特性变化的因素有很多因素会引起反射率的变化,如:太阳位置、传感器位置、地理位置、地形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气状况等.太阳位置主要是指太阳高度角和方位角,如果太阳高度角和方位角不同,则地面物体入射照度也就发生变化.为了减小这2个因素对反射率变化的影响,遥感卫星轨道大多设计在同一地方时间通过当地上空,但由于季节的变化和当地经纬度的变化,造成太阳高度角和方位角的变化是不可避免的.传感器位置指传感器的观测角和方位角,一般空间遥感用的传感器大部分设计成垂直指向地面,这样影响较小,但由于卫星姿态引起的传感器指向偏离垂直方向,仍会造成反射率变化.处在不同地理区域的同种地物具有不同的光谱效应,称之为空间效应.除不同地理区域地物本身的变异因素外,不同的地理位置,太阳高度角和方位角、地理景观等都会引起反射率变化,还有海拔高度不同,大气透明度改变也会造成反射率变化.同一地物的反射波谱特性一般随时间季节变化,称之为时间效应,如图12所示的新雪和陈雪反射特性曲线等.即使在很短的时间内,由于各种随机因素的影响(包括外界的随机因素和仪器的响应偏差)也会引起反射率的变化.这种随机因素的影响还表现在同一幅影像中,但是这种因素的影像引起的光谱反射率变化,将在某一个区间中出现,如图13示出了大豆反射率变化的区间.图14所示,同一春小麦在花期、灌浆期、乳熟期、黄叶期的光谱测试所得的结果.可以看出,花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期.至于黄叶期,由于不具备绿色植物特征,其反射光谱近似于一条斜线.这是因为黄叶的水含量降低,导致在1.45、1.95、2.7μm附近3个水图12　新雪和陈雪的反射特性曲线图13　大豆反射率变化范围图14　同一作物(春小麦)在不同生长阶段的波谱特性曲线吸收带的减弱.当叶片有病虫害时,将使反射率发生较大变化,也有与黄叶期类似的反射率.4　地物反射波谱与高光谱成像地物的波谱特征是遥感识别地物的重要依据,尤其是针对未来航空航天遥感中的成像波谱仪的重要性更加突出.因此开展各种地物的波谱特征测定和研究,不仅是遥感的基础性工作,而且是遥感应用研究中一个重要的内容.美国NASA于19世纪70年代初就初步建立了地球资源信息系统,包括植被、土壤、岩石和水体等2000余种地物的实验室反射波谱数据.从19世纪80年代,我国许多遥感科学研究部门相继建立了10余个地物波谱库,在我国不同的遥感发展时期都起到了积极的推动作用.现代遥感技术的发展,使得地物的成像范围不仅延伸到人们不可见的紫外和红外波长区,而且可以在需要的任何波段独立成像或连续成像.高光谱遥感的光谱分辨率高于百分之一波长达到纳米(nm)数量级,其光谱通道数多达数十甚至数百,使得遥感的波段宽度从早期的0.4μm(黑白摄影)、0.1μm(多光谱扫描)到5nm(成像光谱仪).遥感器10 光　电　技　术　应　用 第23卷波段宽度窄化,针对性更强,可以突出特定地物反射峰值波长的微小差异;同时,成像光谱仪等的应用,提高了地物光谱分辨力,有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性.如图15所示成像光谱仪的数据特点[3].图15　高光谱成像光谱仪数据示意图 1983年,世界第一台成像光谱仪AIS -1在美国研制成功,并在矿物填图、植被生化特征等研究方面取得了成功,初显了高光谱遥感的魅力.此后,许多国家先后研制了多种类型的航空成像光谱仪.如美国的AVI RIS 、DAIS ,加拿大的FLI 、CASI ,德国的ROSIS ,澳大利亚的Hy Map 等.在经过航空试验和成功运行应用之后,19世纪90年代末期终于迎来了高光谱遥感的航天发展.1999年美国地球观测计划(EOS )的Terra 综合平台上的中分辨率成像光谱仪(MODIS )、号称新千年计划第一星的EO -1,欧洲环境卫星(ENVISAT )上的M ERIS ,以及欧洲的CHRIS 卫星相继升空,宣告了航天高光谱时代的来临.中国也自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪(PH I ),其在可见光到近红外光谱区具有244个波段,光谱分辨率优于5nm .新的成像光谱系统不仅继续在地质和固体地球领域研究中发挥作用,而且在生物地球化学效应研究、农作物和植被的精细分类、城市地物甚至建筑材料的分类和识别方面都有很好的结果.高光谱成像技术是将由物质成分决定的地物光谱与反映地物存在格局的空间影像有机地结合起来,对空间影像的每一个像素都可赋予对它本身具有特征的光谱信息.高光谱图像的分类和识别,主要是基于地物光谱特征的分类识别和基于统计的分类识别2种方法.其中基于地物光谱特征的分类识别,是利用光谱库中已知的光谱数据,采用匹配算法来鉴别和识别图像中地物类型.这种方法既可采用全波长的比较和匹配,也可用感兴趣的光谱特征或部分波长的光谱或光谱组合参量进行匹配,达到分类和识别的目的.5　结　束　语20多年来,高光谱遥感已发展成一个颇具特色的前沿技术,并孕育形成了一门成像光谱学的新兴学科门类.它的出现和发展将人们通过遥感技术观测和认识事物的能力带入了又一次飞跃,续写和完善了光学遥感从全色经多光谱到高光谱的全部影像信息链.由于高光谱遥感影像提供了更为丰富的地(下转第21页)11第5期 张亚梅:地物反射波谱特征及高光谱成像遥感 法.相比之下,其他的数值求解方法则受D的形状限制较大.参考文献[1]　Jo hn L ester M iller.P rinciples of Infrared T echnolo gy,APractical G uide to the State of the Art[M].N ew York:Chapman and Hall,1994.[2]　Dereniak E L,Boreman G D.I nfrared Detecto rs andSystems[M].New Yor k:John Wiley&Sons,Inc.,1996.[3]　Dale Varberg,Edwin J Purcell,Steven E Rigdo n.Calcu-lus[M].8版.北京:机械工业出版社,2003.[4]　Press W H,T eukolsky S A,Vetterling W T,e t al.C语言数值算法程序大全[M].2版.傅祖芸,赵梅娜,丁岩,等.北京:电子工业出版社,1995.[5]　杨华中,汪蕙.数值计算方法与C语言工程函数库[M].北京:科学出版社,1996.[6]　Mag rab E B,Azarm S,Balachandran B,et al.M A T LAB原理与工程应用[M].高会生,李新叶,胡智奇,等.北京:电子工业出版社,2002.[7]　薛定宇,陈阳泉.高等应用数学问题的MA T LA B求解[M].北京:清华大学出版社,2004.(上接第5页)探测器中注入较大的能量和照射相对较长的时间,从而可能产生较好的作用效果.另外,仅选择单个激光脉冲进行计算,是一个极为简单的静态模型.实际上,激光及探测器的开关门时间一般是周期性的,两者相互作用的关系的严格描述比较复杂.这里仅从激光脉冲波形的角度,做了一点初浅的思考.参考文献[1]　梁作亮,张喜和.超高重复频率Nd:YAG激光器的研制[J].长春光学精密机械学院学报,1992,15(1):30-33.[2]　金锋,翟刚,李晶,等.二极管泵浦声光调Q窄脉冲N d:YA G激光器[J].光电子.激光,2004,15(3):303-306.[3]　王立新,王伟祥,张克非.长脉冲N d:YAG激光器的实验研究[J].应用激光,1999,19(4):159-160.[4]　吴谨,万重怡,刘世明,等.小型T EA CO2激光器的温度特性[J].激光技术,2002,26(6):409-410.[5]　张昭,吴谨,王东蕾,等.长脉冲紫外预电离T E CO2激光器[J].中国激光,2005,32(12):1599-1604.[6]　田兆硕,王祺,王雨三,等.光栅选支电光调Q射频激励波导CO2激光器研究[J].光电子.激光,2000,11(3):282-284.(上接第11页)球表面信息,其应用领域已涵盖地球科学的各个方面,在地质找矿和制图、大气和环境监测、农业和森林调查、海洋生物和物理研究等领域发挥着越来越重要的作用.地物目标反射波谱特征分析研究,除了可以提供遥感图像设计与成像依据外,还可为农业生产、资源调整、灾害预报与评估、工程建设、环境监测、城市发展等提供更加快速可靠的信息服务和辅助决策,因此,蕴含着巨大的经济效益和社会效益.参考文献[1]　浦瑞良.高光谱遥感及其应用[M].北京:高等教育出版社,2000.[2]　贾海峰,刘雪华.环境遥感原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2006.[3]　高昆,刘迎辉,倪国强,等.光学遥感图像星上实时处理技术的研究[J].航天返回与遥感,2008(1):11-14.(上接第17页)个视场的M TF都大于0.66,成像质量良好,各项指标都满足成像要求.参考文献[1]　薛鸣球.电影摄影物镜光学设计[M].北京:中国工作出版社,1971:167-168.[2]　刘崇进,史光辉.机械补偿法变焦镜头三个发展阶段的概况和发展方向[J].应用光学,1992,13(2):12-13.[3]　张良.中波红外变焦距系统的光学设计[J].应用光学,2006,27(1):32-34.[4]　陶纯堪,变焦距光学系统设计[M].北京:国防工业出版社,1988:115-117.21第5期 王忆锋等:用蒙特卡罗方法和M A T LAB计算矩形冷屏的视场角 。