遥感原理与应用_物体的介电系数和表面的粗糙度与后向散射的关系-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/2201_75300626/article/details/144883713

第一章遥感的概念与特点

遥感的定义：在不直接接触物体的情况下获取物体信息的科学与技术。

广义的“遥感”：指各种非接触的、远距离的探测技术，即不直接接触物体本身，在远处通过传感器探测和接收来自目标物体的电磁信息(如电场、磁场、电磁波、地震波等信息)，经过信息的传输及其处理分析，识别物体的属性及分布等特征的技术。

狭义的“遥感”：指从远处、高空，乃至外层空间的平台上，利用可见光、红外、微波等，通过摄影、扫描等各种方式，获取来自地球表层各类地物的电磁波信息，对这些信息进行加工处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的综合技术。

遥感工作过程：数据获取、数据处理、数据分析、数据应用

遥感技术系统：信息源、信息获取、信息记录与传输、信息处理、信息应用

遥感系统(Remote sensing system)

遥感的信息源：任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质；
遥感探测的依据：目标物与电磁波的相互作用，构成目标物的电磁波特性;
传感器(遥感器)：接收、记录目标物电磁波特征的仪器，如扫描仪、雷达、摄影机、摄像机、辐射计等；
遥感平台：装载传感器(遥感器)的平台，主要由地面平台(如遥感车、手提平台、地面观测台等)、空中平台(如飞机、气球、其他航天器等)、空间平台(如火箭、人造卫星、宇宙飞船、空间实验室、航天飞机等)；
地面站：接收遥感卫星发送来的数字信息，记录在高密度的磁介质上，并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变换等再转换为用户可使用的通用数据格式，或转换成模拟信号(记录在胶片上)；

★遥感的分类

按遥感平台——地面遥感、航空遥感、航天遥感、航宇遥感
按传感器探测电磁波段——紫外遥感、可见光遥感（扫描仪）、红外遥感、微波遥感、多波段遥感
按工作方式——主动遥感、被动遥感（他动遥感或者无源遥感）

主动遥感：由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号（雷达高度计、激光雷达）;

被动遥感：传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。

按数据的显示形式分类——成像遥感、非成像遥感

成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成数字或模拟的图像;（数字图像和模拟图像）

非成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像（光辐射计、高度计）。

按波段宽度和波谱连续性分类——高光谱遥感、常规遥感

★遥感监测的特点

优点：

1.监测区域范围大、受条件限制少

2.多尺度动态重复获取数据

3.电磁信息丰富、信息表达形式多样，获取信息的手段多、信息量大

4.获取信息的速度快、周期短、重现性好

5.数据可满足多用途监测、可比性强

6.效益高、精度高、工作效率高

局限性：

1.遥感技术本身的局限性---传感器的定标、遥感数据的定位、遥感传感器的分辨率、地物的细节不能很好反映

2.工作量大，周期长

3.现有遥感图像处理技术不能满足实际需要

4.容易受到天气条件影响

5.遥感数据共享和集成难度较大

第二章电磁波及遥感物理基础

一、电磁波与遥感物理基础

偏振(polarization)，在微波中又称为极化，表示电磁波的电场振动方向的变化。

（因为水平极化和垂直极化所得到不同图像，可以利用不同的极化特性获取更丰富的遥感信息）

电磁波：由同向震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。

（电磁波是横波，传播方向与交变的电场、磁场三者相互垂直）

电磁辐射与物质相互作用中，既反映波动性（干涉、衍射、偏振/极化），又反映出粒子性（光电效应、黑体辐射）。

波长越短，粒子特性越明显；波长越长，波动特性越明显。

电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减排列构成电磁波谱。

波段

紫外线

可见光

近红外

中红外

远红外

超远红外

微波

紫

蓝

青

绿

黄

橙

红

波长

0.01~0.38

~0.43

~0.47

~0.50

~0.56

~0.59

~0.62

~0.76

0.76~3

3~6

6~15

15~1000

1mm~1m

★波段及对应波长(um)

紫外线波长0.01-0.38um，主要源于太阳辐射，主要用于探测碳酸盐和水中的油；
可见光波长范围为0.38-0.76um，主要源于太阳辐射，最常用的波段；
红外的波长范围为0.76-1000um，可划分为：近红外(0.76-3.0um)、中红外(3.0-6.0um)、远红外(6.0-15.0um)和超远红外(15-1000um)；近红外主要源于太阳辐射，中红外主要源于太阳辐射及地物热辐射，远红外和超远红外主要源于地物热辐射；红外遥感可分为近红外遥感和热红外遥感；中红外、远红外、超远红外三者是产生热感的原因，称为热红外；
微波的波长范围为1mm-1m，微波的波长比可见光、红外线要长，能穿透云、雾而不受天气影响。

微波有L,S,C,X,K,W

电磁辐射：电磁场在空间的直接传播(包括辐射、吸收、反射和透射)称为电磁辐射，简称辐射。

遥感探测实际上是辐射能量的测定。

辐射源：任何物体都是辐射源。自然辐射源-太阳辐射、地球辐射；人工辐射源-雷达

电磁辐射的度量单位

辐射能量(W)：电磁辐射的能量，单位是J。
辐射通量(Φ)：在单位时间内传送的辐射能量(W)，是辐射能量的单位，记为 Φ= dW /dt。
辐射通量密度(E)：单位面积、单位时间内所截获的辐射能量，记为 E= dΦ/ds= dW/(dt·ds)。
辐照度(I)：被辐照的物体表面单位面积上的入射辐射通量，记为I= dΦ/ds，单位是 W/m²。
辐射出射度(M)：被辐照的物体单位面积上出射的辐射通量，记为 M= dФ/ds。辐照度与辐射出射度都是描述辐射能量的密度，前者描述物体接收的辐射，后者为物体发出的辐射。
辐射亮度(L)：在单位立体角、单位时间内，从外表面的单位面积上辐射出的辐射能量。

遥感观测的是辐照亮度值

二、物体的发射辐射

1.黑体辐射

绝对黑体(absolute blackbody)，如果一个物体在任何温度对任何波长的电磁辐射都全部吸收，而没有任何反射，则这个物体是绝对黑体，简称黑体。光谱吸收系数α与光谱反射系数ρ之和恒等于1。
★黑体的辐射定律：

①黑体的辐射特性由其温度唯一决定，且向外发出的辐射光谱连续；

②黑体是典型的朗伯源，向外发出的辐射亮度L与角度θ无关。

普朗克定律

斯特潘-玻尔兹曼定律

——σ为玻尔兹曼常数，T为绝对黑体的绝对温度K σ=5.67x10-8 W/m2/K4

（绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比）

维恩位移定律 λ单位为um

黑体最大辐射强度所对应的波长与黑体的绝对温度成反比；

黑体绝对温度增高时，辐射峰值波长向短波方向移动。

2.★大气对太阳辐射的影响

在可见光波段，引起电磁波衰减的主要原因是分子散射；

在紫外、红外与微波区，因为电磁波衰减的主要原因是大气吸收。

大气的反射作用——

电磁波传播过程中的反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，使用波段不同其影响不同。

大气的吸收作用——

氧气、臭氧、水、二氧化碳

太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太阳辐射产生选择性吸收，即把部分太阳辐射能转换为本身内能。

大气吸收造成遥感影像暗淡，对紫外线有很强的吸收作用。

大气的散射作用——

辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射(scattering)。

散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加了其他各方向的辐射。

散射方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而改变。

1、瑞利散射当微粒的直径比辐射波长小得多时的散射为瑞利散射。主要是由大气中的原子和分子如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起。散射主要是由大气分子对可见光的散射引起的，所以也叫分子散射。红外线、微波可以不考虑瑞利散射的影响。可见光的波长较短，瑞利散射影响较大。

特点：散射强度与波长的四次方成反比；波长越长，散射越弱；散射作用较弱时，原传播方向上的透过率越强。

为什么无云的天空呈现蓝色：因为蓝光波长短，散射强度较大，因此蓝光向四面八方散射，使得整个天空蔚蓝，使太阳辐射传播方向的蓝光被大大削弱；

为什么朝霞和夕阳都偏橘红色：在日出和日落时太阳高度角小，阳光斜射向地面，通过的大气层比阳光直射时要厚很多；(阳光穿过的大气层厚)在过长的传播中，蓝光波长最短，几乎被散射殆尽，波长次短的绿光散射强度也居其次，大部分被散射掉了；(散射作用)此时只剩下波长最长的红光，散射最弱，因此透过大气最多，加上剩余的极少量绿光，最后合成呈现橘红色，所以朝霞和夕阳都偏橘红色；

月全食时，月亮为何会变身为“红月亮”：太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各种颜色的光线混合成的。当太阳光经过地球上的大气层被折射到地球背后影子里去的时候，它们都受到大气层中极其微小的大气分析的散射和吸收，像黄、绿、蓝、靛、紫等色的光波长比较短，在大气中受到的散射影响比较大，它们大部分都向四面八方散射掉了，红色的光线波长比较长，受到散射的影响不大，可以通过大气层穿透出去，折射到躲在地球影子后面的月亮上。所以，在月全食时，看到的月亮是暗红色的，即所谓的“红月亮” ；

“早霞不出门，晚霞行千里”用散射知识解释：早晨出现鲜红的朝霞，说明大气中水滴已经很多，预示天气将要转雨；如果出现火红色或金黄色的晚霞，表明西方已经没有云层，阳光才能投射过程形成晚霞，因此预示天气将要转晴；

为什么汽车尾灯都是红色的？而雾灯是黄色的？：红色在光谱里是传播最远的波段，很远就可以看见，穿透力很强，在雾天雨天是能传的最远的颜色，所以对于安全来说是很重要的；雾灯的灯光多为黄色，这是因为黄色光波较长，有良好的透雾性能；

2、米氏散射 当微粒的直径与辐射波长差不多时发生的散射称为米氏散射，主要是由大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。

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，散射时方向性比较明显。

晴空的云是白色的：米氏散射光强几乎与波长无关，在观察白云对阳光的散射，由于各个波长的光都大致均等地被散射，所以晴空的云是白色的。

3、非选择性散射 当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射称为非选择性散射，此散射与波长无关。人们看到云雾呈白色：云、雾粒子直径虽然与红外线波长接近，但相比可见光波段，云雾中水滴的粒子直径就比波长大很多，因而对可见光中各个波长的光散射强度相同，并且无论从云下还是乘飞机从云层上面看，都是白色。

对同一物质，电磁波波长不同，表现性质也不同？① 晴朗的天气可见光通过大气时发生瑞利散射，蓝光比红光散射的多； ② 当天空有云层或雨层时，满足无条件散射的条件，各个波长的可见光散射强度相同，因而云呈现白色，此时散射较大，可见光难以通过云层；

为什么微波具有穿云透雾的能力呢：对于微波来说，微波波长比粒子的直径大得到，则又属于瑞利散射的类型，散射强度与波长四次方成反比，波长越长散射强度越小，所以微波才可能有最小散射，最大透射，而被称为具有穿云透雾的能力——也就是说平常说的微波遥感的穿透性；

总结：散射造成太阳辐射的衰减，且散射强度遵循的规律与波长密切相关；

对于大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段；
对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外波段都有影响，当波长进入红外波段后，米氏散射的影响超过瑞利散射；
大气云层中，小雨滴的直径相对其他微粒最大，对可见光只有无选择性散射发生，云层越厚，散射越强；

大气的折射作用——

大气的折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大；离地面越高空气越稀薄折射也越小；

为什么早晨看到的太阳圆面比中午时看到的太阳圆面大：当太阳在地平线上，折射角度最大，甚至它还没有出地平线，由于折射，地面上已可以见到太阳了；(参考物+视觉的错觉)

折射改变太阳的辐射方向并不改变太阳辐射的强度；反射、吸收和散射共同影响衰减太阳辐射强度。

大气窗口：通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的电磁辐射波段称为大气窗口。

0.3-1.15um，包括全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波段，是许多卫星传感器成像的常用波段；
1.3-2.5um，即近红外波段，透射率较高，主要用于地质遥感，探测植物含水量及云雪；
3.5-5.0um，即中红外波段，透射率为60%-70%，包含地物的反射及发射光谱，用以探测高温目标；

8-14um，即热红外波段，透射率为80%左右，属于地物的发射波谱，信息主要反映地物的发射率及温度；

1.0mm-1m，即微波波段，分为毫米波、厘米波、分米波；

发射率：实际物体的辐射与波长和温度、构成物体的材料、表面状况等因素有关，用发射率ε表示它们之间的关系；

即发射率ε就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。

发射率是介于0和1之间的数，用于比较此辐射源接近黑体的程度；各种不同的材料，表面磨光的程度不一样，发射率也不一样，并且随着波长和材料的温度而变化。

基尔霍夫定律：说明任何材料的发射率等于其吸收率。

绝对黑体 ε=1
选择性辐射体 ε=f（λ）
灰体 ε= ε0
绝对白体ε=0

★太阳常数：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。I0 = 1.36x103 W/m²

三、地物的反射作用

● 反射率：地物对某一波段电磁波的反射能量与入射总能量之比；

镜面反射：指由光滑表面产生的反射（非常平静的水面从空中看到是黑色）；
漫反射：粗糙表面上产生的反射，其反射方向不遵守反射定律，在物体表面各个方向都有反射；
方向反射：电磁辐射在各个方向上都有反射，在某个方向上反射最强烈，是镜面反射和漫反射的组合。

● 地物反射波谱，是指地物反射率(或反射辐射能)随波长的变化规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为物体的反射波谱特征曲线。

四、微波相关内容波遥感的优势

1.微波遥感的优势

① 微波遥感具有全天时、全天候的工作能力；雷达遥感不依赖于太阳光，而利用自身发射的电磁波，因此可昼夜全天时工作；微波对大气衰减小，能在任何气候条件(云、雾、小雨)下全天候工作；

② 微波具有很强的穿透能力，不仅能穿云破雾，而且能穿透一定厚度的植被、土壤、冰雪等，提供部分地表以下的信息；

③ 主动微波遥感(SAR)记录电磁波的后向散射强度(振幅)、极化、相位(是干涉测量的基础)三方面的信息；

④ 对地表粗糙度、地物几何形状、介电性质(土壤水分等)敏感；

⑤ 可获得多波段、多极化、多角度的散射特征；

⑥ 主动微波遥感(SAR)可用于精确测距、定位，且不依赖于距离，可获得高空间分辨率数据；

2.微波散射：

表面散射：指在介质表面产生的散射。

影响表面散射因素有介电常数和表面粗糙度；表面散射的强度随介质表面的复介电常数的增加而增大，其散射角特征由表面的粗糙度决定。

体散射：在介质内部产生的散射，为经多次散射后所产生的总有效散射；

雷达散射系数又称后向散射系数，是指入射方向目标单位截面积的雷达的反射率，表示入射方向上的散射强度的参数或目标单位面积的平均雷达散射截面。与雷达系统参数(入射角、频率、极化方式)有关，主要取决于物体的复介电常数、表面粗糙度、几何特性等。

3.微波透射：是指微波入射到地物(介质)界面时，除出现微波散射、反射外，还有部分微波能量会渗入地物内部的物理现象，即微波除能穿云破雾外，对一些地物(介质)，如岩石、土壤、松散沉积物、植被、冰层等能穿透一定深度的能力(又称穿透能力)。

雷达信号的穿透深度与地物(介质)的介电常数ε成反比，与雷达波长λ成正比；与地表粗糙度、入射角也有关。
湿度和波长是影响穿透深度的关键因素：随着土壤含水量增加，其介电常数增大，穿透深度下降；随着波长增加，穿透深度增加。

4.微波辐射：

微波的辐射类似于红外辐射，只是微波谱段长，具有穿透性，且辐射能量较热红外谱段弱。

辐射能量与介质表面的温度和水分等性质有关。

微波辐射计所接收的辐射亮度或亮度温度也包括3个基本部分：

① 地表微波辐射经大气衰减后被遥感器接收的部分(即被测目标本身的辐射)；

② 大气自身的上行辐射经大气衰减后被遥感器接收的部分；

③ 大气下行辐射经地表反射后又被大气衰减最终被遥感器接收的部分；

5.微波的大气散射、大气吸收、大气衰减

第三章遥感图像处理的基础知识

一、图像的表示形式

按图像的明暗程度和空间坐标的连续性分为数字图像Digital image和模拟图像Analog image。

①数字图像：二维阵列（网格）像元，是指用计算机存储和处理的图像，是一种空间坐标和灰度均不连续、以离散数学原理表达的图像，属于不可见图像；（以0为索引开始的）

遥感数字图像中的像素值称为亮度值(灰度值、DN值)；
亮度值的高低由遥感传感器所探测的地物电磁波的辐射强度决定；
像素的亮度值具有相对的意义，仅在图像内才能相互比较，不同图像中的相同位置上的像素值无法直接比较。

②模拟图像：指空间坐标和明暗程度连续变化的，计算机无法直接处理的图像，属于可见图像。

文件坐标：指像素在图像中的位置，对于任一波段的图像，左上角像素的坐标总是从0开始，向右向下按整数递增。

照片——红绿蓝遥感数字图像——不同波段

二、遥感图像数据格式

1、通用遥感图像数据格式 2、特殊遥感图像数据格式

BSQ格式，BIL格式，BIP格式 HDF格式，TIIF格式，GeoTIFF格式

三、遥感数据特征

光谱分辨率——对应的波段要知道是什么波（所选用的波段数量的多少各波段的波长位置及波长间隔的大小）
辐射分辨率——用灰度的分级数表示(bit)，辐射分辨率越高，对地物的识别区分能力越强。
时间分辨率（回归周期）
空间分辨率

第四章遥感图像的辐射处理

一、遥感图像的辐射处理

1.辐射误差

传感器接收到的电磁波能量包括：太阳经过大气衰减后照射到地面，经地面反射后又经大气第二次衰减进入传感器的能量；大气散射、反射和辐射的能量；地面本身辐射的能量经大气后进入传感器的能量。
传感器输出的能量还与传感器的光谱响应系数有关。
辐射误差主要包括：传感器本身的性能引起的误差、大气散射和吸收引起的辐射误差、地形影响和光照条件变化引起的辐射误差。
辐射处理包括传感器辐射定标和辐射误差校正。

传感器辐射定标

绝对定标：卫星发射前后都要进行。要建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间的数量关系
相对定标：传感器探测元件归一化

辐射误差矫正

大气校正：指消除大气影响(大气对阳光和来自目标的辐射产生的吸收和散射作用)的校正过程。

辐射传输方程（6S模型，MODTRAN模型，LOWTRAN模型，ATCOR模型）
基于地面场地数据或辅助数据—L=α+bR（回归方程的截距是大气影响的值）

太阳高度角、日地距离校正和地形影响引起的辐射误差校正

2.像元灰度值DN和辐射率的转换：遥感图像应用是利用灰度值DN反算其对应的地物的反射率或地物温度

3.地面辐射矫正场——提高辐射定标和校正的精度

二、遥感图像的辐射增强

辐射增强 对单个像元的灰度值进行变换达到图像增强的目的

1.遥感图像灰度的统计特征

统计参数：均值、中值、众数、方差、变差、反差。

直方图：灰度值概率密度函数的离散化图形。反应分布规律，基本接近正态分布

Ø频数直方图：纵坐标是某个灰度级的像元在图像中出现的百分数

Ø累积直方图：纵坐标是小于或等于特定灰度级像元在图像中的百分数

★2 遥感图像空间域增强——突出某些信息的特征

辐射增强——孤立点的运算（改变像元的亮度或者灰值）

线性变换
分段线性拉伸

非线性变换：

几何增强——考虑用周围点作邻域运算

★卷积处理，是用一定尺寸方向模板对图像进行卷积运算，并以卷积值代替各点亮度值来实现几何增强

★卷积处理

模板：零和模板，非零和模板。差异最大的方向就是模板的响应方向

卷积运算f=m1g1+…+mngn ——（所有的都是用原始值计算）

f卷积值即中心点卷积运算后的灰度输出值，m为方向模版元素值，g为相应图像区域各像元亮度值

◆平滑——图像中出现某些亮度变化过大的区域，或出现不该有的亮点（噪声）时，采用平滑的方法可以减小变换，使亮度平缓或去掉不必要“噪声”点。

①均值平滑：包括原值求均值，或者剔除异常值求均值（去噪能力增强但是模糊程度也增强）。

②中值滤波：取中间亮度值来代替中心像元值（抑制噪声并且保存边缘，减少模糊）

◆锐化——为了突出图像的边缘、线性目标或某些亮度变化率大的部分（梯度反映了相邻像元的亮度变化率）

①罗伯特梯度：用交叉的方法，检测相邻的差异（放在左上角位置）。

②索伯尔梯度法：提取了边缘的双边。

③拉普拉斯算法：检测变化率的变化率（加大对比度）。

④定向检测

⑤边缘处理：不处理（常用），补零，周期延拓，镜像延拓

3.遥感图像彩色增强

三原色：红绿蓝RGB———颜色通道

★eg.绿波打入红色通道看到的是红色，红色的深浅与波段的能量有关

互补色：混合后产生白色的两种颜色

真彩色：图像上显示的色彩与地物的真实颜色相同或相近。
假彩色:任意三个波段或经过运算处理的三个变量分别用红、绿、蓝显示而合成的。
伪彩色: 一般是指对一个波段或经过处理的单分量图像按照其像元值的大小分别赋予不同颜色。

★水体吸收近红外，植物反射率高对近红外，近红外能量高，打进红色通道，地图上呈现红色的为植物

彩色处理是在一副图像上同时显示一个以上波段信息的最好方式

伪彩色增强：将单波段灰度图象中的不同灰度级按特定的函数关系变换成彩色。（密度分割法）
假彩色增强：多波段遥感图像所选的三个波段中，如果存在一个或多个波段，其光谱响应区间与合成时所赋的颜色不相对应。对多波段遥感图像，选择其中的某三个波段，分别赋予红、绿、蓝三种原色，即可在屏幕上合成彩色图像；由于三个波段原色的选择是根据增强目的而决定的，与原来波段的真实颜色不同，因此合成的彩色图像并不表示真实地物的颜色，这种合成称为假彩色合成。

多波段彩色合成，就是把三个波段图像数据分别按红、绿、蓝三通道进行彩色显示。

三.多光谱图像四则运算

加法运算：主要用于对同一区域的多幅图像求平均，可以有效地减少图像的加性随机噪声。
差值运算：提供了不同波段或不同时相图像间的差异信息，能用在动态监测、运动目标检测与跟踪、图像背景消除及目标识别等工作中。
乘法运算
比值运算：算对于增强和区分在不同波段的比值差异较大的地物有明显的效果
植被指数

第五章陆地水体遥感

题目：土壤反演的具体方法：方程+精度

一、陆地水体的物理基础

1、陆地水体的存在形式与分布

组成要素和理化性质

温度：太阳辐射是主要能源来源，也受地形影响

★使用温度识别水体，因为水体与其他地物比热不同，日夜温差相较陆地小

水体密度：4℃时候密度最大

水色：一般纯水是无色的，但是受悬浮物影响

透明度：受水体清浊程度影响

形态特征与成因分类

河源+河口+上中下游（比降、流速不同）

河流形状

湖泊类型

陆地水体的地理分布

遥感反演建立的是数学统计关系，没有物理联系

2、基本运动方程与原理

1、圣维楠方程

2、水量收支平衡

3、陆地水体度量指标与表示方法

1、度量指标：面积、水位、水深、水量、流速

2、陆地水体特征表示方法：等深线图（人工测量）、湖库特征曲线、水文过程曲线（日尺度精度差）

4、陆地水体与电磁波的相互作用特性

★描述水体与电磁波相互作用（看图说话）

太阳光直射到水面，有一部分被水面反射，还有通过大气散射直接到传感器；进入水体的光，一部分被水分子吸收和散射，还有被水中悬浮物质等散射、反射形成水中反射光，还有一部分光被水底反射，被传感器接受。<传感器能够接收到水面、水底、水体的信息>

① 陆地水的可见光-近红外波谱特性

主要是由水体本身的物质组成决定的（深度和浑浊度）

水体对近红外波段吸收性好，植被吸收红外，一般用该波段区分水体与其他地物。蓝绿波段对研究水深及水滴特征是最为有效的。

② 陆地水体的热红外辐射特性

任何物体都有“白天接收太阳辐射温度升高，夜间不接收太阳辐射温度下降”。原因是由于在波长3~18um的热红外波段（发射红外波段），地物从热辐射的能量吸收到能量发射，存在着一个热存储和热释放的过程。不同地物由于比辐射率不同，其温度升降的速度和幅度存在着显著差异。对于自然水体而言，因其具有热容量大，比辐射率较高(0.98~0.99，接近黑体),同时水体内部常以热对流方式传递温度等特点，从而使得水体表面温度较为均一,昼夜温度变化慢而小。因此,水体在白天温度较低,反射率小,在遥感图像上往往呈现浅色调;相反,岩石、沙漠等地物本身温度偏高，又有相对较大的反射率，常呈深色调。

③陆地水体的微波特性

影响因素：水面及一定深度的电介质属性+水面粗糙程度（水面起伏，接受能量多，回波增强）

在接近垂直入射（入射角为0°）的情况下，雷达后向散射系数最强，随着入射角度的减小，水体的回波信号逐渐减弱

二、陆地水体参数遥感方法

1、水域面积

（对比说明水域面积的基本类型、主要方法、优缺点等！！十分重要！！必考！！下面这个表）

①可见光-近红外

单波段法（单波段阈值法）——它利用水体与周围背景地物在某波段上反射率的不同特点，对单个波段设置某一阈值，来区分水和背景地物。优点：十分简单，易于使用；缺点：容易受“异物同谱”的影响而导致分类精度不高。

波段比值法——选择水体的最强和最弱的反射波段，计算两者比值，由于比值运算增强了水体与其他地物的差异，水体信息在生成图像上的亮度得到强化，从而达到提取水体信息的目的。

②热红外

黑-白天单波段阈值法——对于高山沙漠等干旱和半干旱地区的湖泊或河流而白天水热容量大，升温慢，比周围土壤岩石的温度低，在热红外影像上往往呈冷色调（暗色调）;夜晚由于水体的贮热能力强，热量不容易很快消失，比周围土壤岩石的温度高，而往往星灰白色(浅色调)。这样，基于自天和夜间热红外图像上色调的差异，针对单一热红外波段，通过人工解译或用简单的阈值分割法，便可以提取水域分布信息。

NDWI扩展指数法

③被动微波

聚类分析法

极化比值法

水平极化（H）：水平极化是指卫星向地面发射信号时，其无线电波的振动方向是水平方向；

垂直极化（V）：垂直极化是指卫星向地面发射信号时，其无线电波的振动方向是垂直方向；

极化 polarisation，指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象。

④主动微波（雷达）

阈值分割法、面向对象法

⑤多传感器联合

2、水位

DEM叠合法

面积-水位关系法

②微波直接遥感监测方法

③多传感器联合

3、蓄水量

① 水量平衡法

②水域面积-水位法

三、地面测量方法与反演精度检验

1.地面测量方法

①河湖水位测量

直立水尺，浮子式水位计，压力式水位计，反射式水位计

水位监测网络

②湖库水域面积

全球定位系统面积仪

③湖库水量测算

方格网法，断面法，等高线法

④水下地形测量

水位观测，测深，定位

2.遥感反演精度检验

①直接检验：利用高精度地面测量仪器观测的数据，直接评价遥感反演结果与真实情况一致性与偏离程度的方法。（基于水量平衡原理实现，实测水体参数的空间采样设计——实测数据的采样获取——精度评估）

②间接检验：利用已经检验过的数据或精度高的数据，对测量结果进行验证。

（基于水量平衡的原理，可实现不同空间尺度下遥感获取陆地水体参数的可靠性检验

有精度较高的高分辨率陆地水体数据进行参照—进行几何矫正与图像配准—获取同等分辨率的陆地水体参数，通过影响叠置实现精度对比验证）

③交叉检验：利用现有的陆地水体产品之间进行对比验证的一个方法。

（不同卫星产品数据、水文模型模拟、水文产品数据集）

★论述题：举例陆地水体测量方法，并选择一种详细说明。遥感反演精度验证的优缺点，要注意的点：时空尺度像元尺度大小（进行尺度转换或者归一化处理）

第六章土壤水分遥感

一、土壤水分物理基础

1、土壤的基本组成和性质

n土壤质地与结构—“三相”共存体系

n粗糙度—均方根高度、相关长度

n介电常数—反应土壤电特性的本构参数，反映土壤束缚电荷在外加电场作用下产生极化电场的能力。

（土壤电介质常数与土壤水分有显著相关性，随着土壤水分增加，土壤介电常数明显上升）

n土壤热惯量—土壤水分越大，热惯量越大

2、土壤水分度量指标（填空题）★

土场水分的度量指标是定量反演土壤水分含量的数值基础。

①质量含水量 土块中水分质景与圆体颗粒质量之间的比值。土壤孔隙全部水填满时的含水量为饱和含水量，矿质土壤的饱和质量含水量由土壤容重决定。

②体积含水量 又称容积含水量，是指单体积土壤中水分所占的比例。土壤体积是指孔随容积与固体颗粒体积之和。

③土壤饱和度 土壤中水分体积与孔隙容积之间的比值，饱和土壤的饱和度为1。

④水柱深一定厚度的土层中，土壤水分含量所折算成的水层深度。一般以mm为单位表示。

⑤土壤水分剖面图、时间-土壤水分关系曲线

3、土壤水分与电磁波的相互作用特性

①可见光-反射红外波谱特性

（土壤水分含量影响反射率，随含水量增加而显著降低，并且和波长也有关系：当土壤较干，利用土壤在可见光-近红外波段的反射特性；在湿润地区，利用短波红外的反射特性）

②热红外特性

土壤热性质决定地表温度的变化速率，而土壤水分影响土壤的热性质

土壤热红外发射率因组分不同而略有变化。土壤的主要组成成分为Si02，其在8~9.5um 附近波段具有较强的吸收特征，因此土壤热红外发射率光谱特征在此处受 Si02含量的影响最大。除此之外，土壤热红外发射率还受含水量影响。总体而言，土壤热红外发射率在 8~9.5um 范围内随含水量增加而增加，而在11~13um变化不大。当土壤水分趋近于饱和状态时，红外发射率光谱变化的幅度变得非常弱。

土壤的热红外特性还受植被覆盖条件的显著影响。图 6.11显示了 NDVI与LST的关系。A点表示干燥裸土区，B点表示湿润裸土区，C点表示高植被覆盖的湿润区(植被蒸腾作用较强，地表温度较低)，D点则表示高覆被覆盖的干旱区。区域内每一像元的 NDVI与LST 值均分布在 ABCD 四个极点构成的特征空间内，AD表示干边，BC表示湿边。

③ 微波辐射特性

微波天线接收到的辐射信息包括：光滑地表、粗糙表面、植被。

亮度温度TB=eT（e为发射率，T为真实温度）

随着植被含水量的增加，亮度温度与土壤水分相关性递减。

介电常数也有很大的影响：随着土壤体积含水量的增加，土壤复介电常数的实部和虚部也增加。

亮度温度-土壤水分-植被含水量

④微波散射特性

后向散射：当微波能量到达地表时经散射后被传感器接收的过程；

到达传感器的后向散射能量取决于雷达结构、土壤性质和植被特征。

某种极化P方式下的后向散射系数是关于雷达入射角、极化、波长、均方根高度、相关长度、土壤以及植被介电常数等一系列参数的函数。

土壤粗糙度越大，后向散射系数增强；土壤水分条件不同，雷达后向散射系数不同；后向散射系数随入射角增加而减少；雷达遥感探测深度随土壤水分含量增加而降低（因此只能应用于浅层土壤水分含量探测）；植被覆盖率越大，雷达通过率下降。

二、土壤水分遥感方法