光机扫描图像的波谱特性

遥感图像的基本属性~

遥感图像的波谱特性、空间特性、时间特性等基本属性,是遥感地质学的一项重要研究内容。
(一)波谱特性
从波谱学方面,根据遥感器探测记录的波谱特性差异识别地物和现象,是遥感应用的基本出发点。波谱特性差异在遥感图像上即为影像灰度(色调)或色彩的差异。各种遥感图像的灰度或色彩都是其响应波段内电磁辐射能量大小的反映:黑白全色像片、天然彩色像片反映地物对可见光(0.38-0.76μm)的反射能量;黑白红外像片、彩色红外像片反映的是地物在部分可见光和摄影红外波段(0.38-1.3μm)的反射能量;热红外图像反映地物在热红外波段(8-14μm)的热辐射能量(辐射温度);成像雷达图像反映地物对人工发射微波(0.8-100cm)后向散射回波的强弱;多波段、超多波段图像灰度则是其各自响应波段辐射能量大小的反映。遥感图像波谱特性分析,包括遥感器的波谱分辨率和辐射分辨率。
(二)空间特性(几何特性)
遥感图像的空间特性,是从形态学方面识别地物、测绘地图、建立解释标志、图像几何纠正及增强处理等的重要依据。遥感图像空间特性分析,主要有成像遥感器的空间分辨率、图像投影性质、比例尺、几何畸变等。
1.空间分辨率
遥感图像的空间分辨率指图像能分辨具有不同反差、相距一定距离相邻目标的能力。
(1)影像分辨率:指用显微镜观察影像时,1mm宽度内所能分辨出的相间排列的黑白线对数(线对/mm)。它受光学系统分辨率、感光材料(或显示器)分辨率、影像比例尺、相邻地物间的反差等因素的综合影响。
(2)地面分辨率:指遥感影像上能分辨的两个地物间的最小距离。扫描影像常用遥感器探测单元的临时视场大小表示,如陆地卫星MSS图像的地面分辨率为80m。
2.影像比例尺
指影像上某一线段的长度与地面上相应的水平距离的比值。由遥感器光学系统的焦距(f)与遥感平台的高度即航高(H)之比来确定,即1/m=f/H(图3-27)。由于遥感影像一般为中心投影或多中心投影,它不同于地图的垂直投影,影像比例尺受地形起伏及地物在像幅中位置的影响,会出现各处不一致的现象。
3.投影性质与影像几何畸变
遥感影像均经光学系统聚焦成像,透镜的成像规律和遥感器成像方式决定了遥感影像的投影性质。不同投影性质会产生不同性质的影像几何畸变。
(1)中心投影:如图32-7,地面上各地物点的投影光线(Aa、Bb、Cc)都通过一个固定点(S),投射到投影面(P1、P2)上形成的透视影像称中心投影,S称投影中心(透镜中心)。帧幅摄影像片即为地面的中心投影。投影中心位于投影面与地物之间时,投影面(P1)上的透视影像称负像,P1称负片(底片);在投影中心与地物之间的投影面(P2)上的影像称正像,P2又称正片(像片)。航空摄影机主光轴与像平面的交点称像主点;过投影中心的铅垂线与像平面的交点称像底点。
(2)一维中心投影条幅摄影机影像在沿缝隙方向属中心投影,当地面坦且投影面水平时,影像比例尺等于f/H,但在航向方向,比例关系则由卷片速度v与航速V之比来确定,因此影像的纵向和横向比例尺通常不一致。全景摄影影像,在扫描角活动时也属一维中心投影,会产生全景畸变(见全景像片特性)。
(3)多中心投影:光机扫描影像为逐点行式扫描成像,每个像点都有各自的投影中心,但同一条扫描线上各像点成像时间相差甚小,可以认为每一扫描行有一个投影中心,故光机(固体)扫描影像为多中心投影(图3-16)。
(4)旋转斜距投影:如图3-28,为侧视雷达对平坦地面成像时的几何关系,Sab为影像面,ab是在阴极射线管屏幕上光点掠过的轨迹,光点出现的时间取决于雷达发出微波到接收到回波间的时间间隔,由于微波传播速度(c)是固定的,所以雷达影像实际为斜距的投影,投影性质为旋转斜距投影。

图3-27 中心投影


图3-28 旋转斜距投影

(三)时间特性
遥感影像是成像瞬间地物电磁辐射能量的记录,而地物都具有时相变化,一是自然变化过程,即其发生、发展和演化过程;二是节律,即事物的发展在时间序列上表现出某种周期性重复的规律,亦即地物的波谱特性随时间的变化而变化。在遥感影像解译时,必须考虑研究对象所处的时态,充分利用多时相影像,不能以一个瞬时信息来包罗它的整个发展过程。遥感影像的时间特性与遥感器的时间分辨率有关,还与成像季节、时间有关。

( 一) 电磁波反射方式
物体对电磁波的反射有三种形式: 镜面反射、漫反射及方向反射 ( 图 2-13) 。镜面反射对于不透明物体而言，其反射的能量等于入射能量减去物体吸收的能量; 对于透明物体则反射能量除了从入射能量中减去物体吸收的能量外，还应减去透射的能量。镜面反射能量集中在一个方向上，反射方向可根据入射的方向求取，反射角等于入射角。漫反射是指整个表面都均匀地反射入射光。方向反射介于漫反射和镜面反射之间，它在各向都有反射但亮度 L 不是常数，而是在某个方向上的反射比其他方向强。

图 2-13 几种反射形式

( 二) 地物的反射波谱曲线特征
不同地物由于物质组成和结构不同具有不同的反射光谱特性，通常采用反射率 ( 或反射系数或亮度系数) 来表示。反射率是地物对某一波段电磁波的反射能量与入射的总能量之比，其数值用百分率表示。地物的反射率的大小，与入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。一般来说，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，在黑白遥感图像上呈现的色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遥感图像上呈现的色调就深。在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像的重要标志。
地物的反射率随入射波长变化的规律，称为地物反射波谱。按地物反射率与波长之间的关系绘成的曲线 ( 横坐标为波长，纵坐标为反射率) ，称为地物反射波谱曲线。下面将简要介绍几种典型地物的反射波谱曲线特征。
1. 水体的反射波谱特征
地球表面分为陆地和海洋两部分，海洋占地球面积的 71%。陆地上有河、湖、池塘和水库等水体。由于水体和陆地的反射、吸收和透射特征不同，在遥感图像上的影像特征也迥然不同，水陆界线异常清楚。各种水体在遥感图像上有共同特征，但在不同波段的遥感图像上其影像仍有差别。
图 2-14 是不同水体的反射波谱特征曲线，曲线表明水体的反射波谱主要受水的混浊度、微生物含量、叶绿素含量、水深及水波浪情况等因素的影响。
清水的反射率一般在可见光部分为 4% ～ 5%，在 0. 6μm 处下降至 2% ～ 3%，到0. 75μm 以后的近红外波段，水成了全吸收体。混浊水的波谱曲线整体偏高，随着悬浮泥沙浓度及悬浮泥沙粒径的增加而增高，反射峰向长波方向移动，称为红移。在彩色红外像片上，悬浮泥沙浓度由大到小，色调由蓝色到黑色。含叶绿素的清水，反射峰值在绿光波段，水体叶绿素越多，峰值越高，这可用来监测水藻的浓度。不同工矿污染导致的污染水水质复杂，色泽不一，其光谱特性也相应发生变化，形成有别于清洁水体的曲线形态，有待从事水体污染遥感监测的科技人员深入研究。
冰雪作为一种固态的水，其光谱反射特性与反射曲线形态与一般水体相比，有许多类似之处，反射率都是从可见光的短波处随波长增加而逐渐降低，以至到红外区几乎被全吸收 ( 图 2-15) 。但是冰雪的总反射率要比一般水体高得多，特别是新降落的雪，在可见光区的反射率甚至可高达 90% 以上。随着时间的推移，降雪经历融化与冻结交替的过程，雪的晶体变粗，容重增大，尤其当积雪处于融化状态时，反射率会迅速下降。据测定，陈旧雪在可见光区的反射率可降到 60%，甚至更低。

图 2-14 水体的反射波谱特征图


图 2-15 新雪和陈雪的反射特性曲线

2. 植被的反射波谱特征
植被是陆地表面分布最广的地物，由于植物的叶绿体、水分、结构及生长发育的不同阶段的一系列变化，形成特殊的光谱效应。因而植被在遥感图像上较易识别，并且成为指示自然地理环境 ( 如气候、水分等) 的最好标志。
当太阳光照射绿色植物时，蓝、红光波段的光辐射被叶绿素全吸收进行光合作用; 绿光中的大部分被吸收，小部分被反射，所以叶子呈绿色。
图 2-16 表明，尽管植物种类不同，但仍有相似的反射波谱曲线。植物的基本波谱特征是: 在可见光绿波段 0. 55μm 附近有 10% ～20%的反射峰; 近红外 0. 8 ～1. 0μm 间具有50% ～ 60% 的强反射峰，直至 3. 0μm 部分是衰减曲线; 在红光波段 0. 7μm 和近红外波段1. 5μm 和 1. 9μm 附近具有强烈吸收。究其原因，红光波段的吸收是由叶绿素吸收引起的，近红外波段的吸收是由细胞液和细胞膜的水分吸收形成的。
图 2-17 表示健康状况不同的植物具有不同的反射率。从图中看出: 在可见光范围内，健康的松树反射率稍低于有病虫害的松树; 在近红外部分健康的松树具有高反射率，相反松树病虫害程度越高，在近红外部分的反射率越低。此外，不同植被类型在可见光区的反射率彼此差异小，曲线几乎重叠在一起，进入红外区，反射率的差异就扩大了，彼此容易区分。故 0. 8μm，1. 7μm，2. 3μm 都是识别不同植被类型的最佳波段。

图 2-16 不同植物的光谱曲线比较


图 2-17 不同健康状况松树光谱曲线特征

3. 土壤的反射波谱特征
土壤是岩矿的风化产物，其主要物质组成与岩矿有直接联系，因而土壤和岩矿的光谱反射特性在整体上基本一致，即反射率从可见光的短波段起随波长的增加而逐渐抬升( 图 2-18) 。但土壤是岩矿经历不同的风化过程，又是在不同的生物气候因子和人类长期耕作活动的共同作用下形成的，因此，土壤类别是多种多样的，其光谱反射特性也必然相应地发生许多变化。
总的来说，土壤光谱反射特性的差异与变化都取决于土壤的组成与表面状态，如腐殖质、氧化铁的含量、湿度、粒度大小、矿物成分、盐分和表土结构等，这些差异造成土壤的波谱反射率不同。其中最为重要的是腐殖质含量，含量愈高，反射率愈低，光谱的曲线愈趋低平 ( 图 2-19) 。当土壤中碳酸盐、可溶盐和硅等浅色矿物质的含量高时，必然会大大提高其反射率，并出现明显的 CO2 －3，SO2 －4等特征谱带的影响。铝铁与硅之比很高的红壤类土壤则将明显降低蓝紫光区的反射率而大大提高橙红光区的反射率，并出现 Fe3 +特征谱带的影响。

图 2-18 四大类土壤的光谱反射曲线


图 2-19 不同的火山灰土的光谱反射曲线


图 2-20 盐渍土的野外反射波谱

土壤的机械组成即质地与表面状况对光谱反射率也有明显影响。一般颗粒细、表面平滑板结的土壤其反射率都会不同程度地增高。如盐渍土的野外反射波谱在 0. 4 ～1. 05μm 间，波谱 曲 线 在 总 轮廓 上是上升的，盐渍土的反射率要比非盐渍土高得多，并随着盐渍程度的加重，曲线向上平移 ( 图 2-20) 。此外，土壤湿度对反射特性的巨大影响也不能忽视，干燥残积土的反射率要比基岩的高; 当残积土比较湿润时，其反射率则比湿润基岩的低。
4. 城市地物的反射波谱特征
随着国民经济的发展，城市出现了建设、规划、污染、环保等一系列问题，因而遥感在城市地物波谱特征的研究受到广泛重视。城市地物主要有水体、植被、人工建筑物等几种。水体和植被的波谱特征前已论及，这里仅讨论城市建筑物、道路和垃圾 ( 城市废物) 的波谱特征。
由于遥感图像反映的是一个俯视的平面图，因此在遥感图像上见到的建筑物只是它的屋顶。建筑物屋顶的波谱特征主要受建筑材料的影响。由图 2-21 所示，灰白色的石棉瓦反射率最高。沥青沙石房顶由于表面铺盖着土黄色沙石，该色调决定了其反射率高于灰色的水泥平顶。铁皮屋顶表面呈灰黑色，反射率低且平坦。绿色塑料顶棚的波谱曲线在绿波段有一反射峰，这与植被的相似，但是它没有植被 0. 68μm 的吸收峰和近红外波段的强反射峰，依此区别于植被。
道路的波谱特征主要受其铺设材料类型的影响，按其所用建筑材料不同，可分为水泥路、沥青路、土路等。水泥路反射率最高，其次为土路、沥青路，它们的波谱曲线形状大体相似 ( 图 2-22) ，0. 4 ～0. 6μm 波段缓慢上升，0. 6μm 之后转向平缓变化，0. 9μm 开始下降。

图 2-21 建筑物屋顶的波谱曲线

城市垃圾分为工业垃圾和生活垃圾。工业垃圾常指工业固体废弃物，如钢渣、矾土渣、煤矸石粉煤灰等。如图 2-23 所示，工业垃圾波谱曲线比较平坦，冶金工业的冶炼渣 ( 如钢渣、炉渣) 反射率较低，而采煤业的煤矸石、粉煤灰反射率较高。生活垃圾由于成分较杂，曲线不规则。根据城市垃圾的波谱曲线可大致判别工业类型和进行城市环境遥感调查。

图 2-22 各种道路的波谱曲线


图 2-23 城市垃圾的波谱曲线

5. 岩石的反射波谱的特征
大多数岩石都是一种以上矿物的集合体。岩石在可见光和近红外波段的波谱特征十分复杂，难于直接用它来鉴定岩石。岩石矿物在 0. 4 ～2. 5μm 之间具有一系列可诊断波段，带宽多在 10 ～20nm 之间，成像波谱图像以其三维谱像信息的特点使我们能在光谱维上进行矿物成分信息的展开。地物波谱却能充分反映它的基本物质成分和结构特点，是识别和区分岩类的重要依据。
岩浆岩、沉积岩和变质岩三大岩类的地物波谱特征，在第七章相应章节内具体说明，在此简述其基本特点: ①影响岩石反射强度变化的因素很多。主要有岩石的物质组分、结构、构造、岩石表面粗糙度、裂隙发育度、湿度、颜色、风化程度等。岩石表面粗糙、裂隙发育、湿度大、颜色暗、风化较深的反射强度偏低。②在反射强度上，岩浆岩的反射率随 SiO2含量的减少而降低，其规律性强; 沉积岩以碳酸盐岩反射强度较大，碎屑岩次之，黏土岩类尤其含铁离子及有机物质黏土岩类反射强度最低; 区域变质岩类反射强度变化规律不明显。③岩石的反射波谱特征与矿物晶体中电子跃迁和分子晶格振动有关。其中岩浆岩波谱与铁离子、羟基和水关系密切; 沉积岩则除上述因素外，还与碳酸根等阴离子团有关; 变质岩的波谱除上述因素外，还与铁、铝、钼等金属离子有关，并在某些波长范围内产生明显的吸收谷。

(一)光机扫描图像(数据)的波谱意义

像元是扫描图像中最小的可分辨面积,也是成像过程中利用电子计算机处理时的取样点。像元对应的DN值代表该像元内地物的平均辐射值,随地物的成分、结构、状态、表面特征及所在的波谱段而变化。DN值按一定的格式记录在数字磁带上,形成数字化潜像。数字化潜像磁带在扫描成像仪(图3-13),如C-4500扫描记录仪、Fire240激光彩色胶片记录仪等,进行电光转换,在胶片上扫描出与像元DN值相对应的灰度不同的图像,DN=0时正片上呈黑色,DN=127(63,255)时为白色。实际应用中常把DN值归并成人眼能够识别的较少的灰度等级,再形成图像,如MSS、TM图像下方表示灰度深浅的灰阶,就是从图像上区分地物波谱特性差异的尺度。由于DN值只是辐射量的相对量度,各波段的最大DN值是不相等的,所以各波段的影像灰阶级差(DN_max/14)不同,因此,两个波段图像上灰阶相当的地物,亮度并不一定相同。

(二)MSS、TM图像的波谱分辨率与多波段效应

多波段图像分波段记录地物的波谱特性,同一地物在不同波段的DN值差异及不同地物在同一波段的DN值差异,构成图像的波谱特征信息(波谱信息)。不同波段图像识别和区分地物的能力不同,具有各自的波段效应,称多波段效应。如可见光波段图像主要反映地物的颜色和亮度差别;近红外波段可反映氧化铁、粘土矿物及其它含OH-矿物、碳酸盐岩、土壤湿度等特征;热红外波段除反映地面辐射温度进而揭示地物的热特性外,还可以区分不同的硅酸盐矿物和岩石。因此,可以结合地物波谱特性分析,利用多波段效应,识别和区分地物。

MSS、TM图像的波谱分辨率与多波段效应简述如下(参见表3-6):

TM₁(0.45-0.52μm)属蓝绿光波段对水体穿透力强,对叶绿素和叶色素浓度敏感。植被、水体、土壤等在此波段反射率差别明显。有助于判别水质、水深、水中叶绿素分布、沿岸水流、泥沙情况和近海水域制图,可用于土壤和植物分类。影像色调,植被最暗,水体次之,新鲜雪最浅。

表3-8 陆地卫星MSS与TM性能比较表

MSS₄(0.5-0.6μm)与Tm₂(0.52-0.60μm)属绿黄光波段,对水有较强的透射能力,水体色调较浅,可反映一定深度(>10m)水下地形,有利于识别水体浑浊度、沿岸流、砂洲等。叶绿素在此波段有一次反射峰称绿峰,健康植物对绿光有一定反射,影像色调较浅,植被分布范围和生长密度可以得到反映。可用于探测健康植物绿色反射率,按绿峰反射评价植物生活力,区分林型、树种。蓝、绿、黄色地物影像一般呈浅色调,随着红色成分的增加而变暗。浮在水面的油污和金属化合物因妨碍绿光透过也有所显示。陆地上颜色较浅的岩石地层和第四系松散沉积物、城镇、采石场等呈浅色调。受散射光影响,此波段图像反差较小,地物边界轮廓有些模糊。

MSS₅(0.6-0.7μm)与TM₃(0.63-0.69μm)属橙红光波段,对水体有一定的透射能力(约2m),可反映水中泥沙含量、水下地貌和泥沙流。为叶绿素的主要吸收波段,健康植物影像绿色调较深,病害植物,伪装的枯树等则呈浅色调。可反映不同植物的叶绿素吸收和健康状况,用于区分植物种类和覆盖度。橙红色地物影像一般呈浅色调,绿色地物则为深色调。裸露的地表、植被、土壤、水系、岩石、地层、地貌特征等的影像清晰,色调层次多,信息量丰富,常用来根据宏观和微观地貌特征和色调差别,进行岩性和地质构造解译,如含Fe³⁺较多的岩层与含炭质较多的岩层或中酸性岩石,色调和形态都有明显差异。断裂、褶皱、基岩与第四系松散沉积物的界线,可从水系特征、色调及形态加以识别。对第四系松散堆积物的粗细颗粒分布规律及类型的划分,也有一定的效果。用于地貌特征研究效果较好。

MSS₆(0.7-0.8μm)、MSS₇(0.8-1.1μm)与TM₄(0.76-0.90μm)属摄影红外波段这几种图像波段效应相似,是水的强吸收和植物的强反射波段。图像清晰、反差大、立体感强,能显示各种地形细节,如微水系、微地貌和一些人工建筑物。图像上水体为黑色调,浅层地下水丰富或土壤湿度大的地段、城镇等色调较深。有利于研究水体分布,划分水陆界线,判别河流、冲沟有无流水,寻找浅层地下水,识别与水有关的地质构造和隐伏构造。充水断层、平原区的新凹陷色调较深,而隆起区色调较浅,富水地层色调较深。第四系沉积物类型及形成顺序,如不同时期的堆积物、洪积扇、洪积平原与滨海平原等也有明显地反映。还可用于海水、海水温度分布及地热的研究。

健康植物对近红外波具有较强的反射,为明亮的浅色调,而病害植物则呈较深色调。阔叶树色调浅,针叶树色调相对较深。通过与MSS_4,5或Tm_2,3的影像色调对比研究和纹理特征分析,易于圈定植被分布范围,区分植物是树林、农作物还是草地,调查植物量和测定作物长势。通过植物与水分的相关性,可在图像上研究某些被植被掩盖的岩石、地层或隐伏构造,例如,植被发育的泥质岩地层、植被生长不好的灰岩地层、充水断层等,在图像上有明显的差异。

TM₅(1.55-1.75μm)属近红外波段,没有对应的MSS图像。此波段处于水的吸收带(1.4-1.9μm)内,对地物含水量反映敏感,可用于土壤湿度、植物含水量调查、水分状况研究、作物长势分析等。牧草同阔叶林、花岗岩与裸土的差异得到增强,并大大提高了区分不同类型作物的能力。经过处理的TM5图像,可区分出裸露的、被草覆盖的及有树覆盖的表生矿。影像色调雪比云深,水成云比冰晶云浅,易于区分云与雪,云与裸地,冰川雪线更易辨认。

MSS₈(10.4-12.6μm)与TM6(10.4-12.50μm)属热红外波段,根据地物发射辐射差别,可在影像上区分草本植物和木本植物,识别大面积的沙漠化。可提供关于湿地淡水与盐水混合、小水体深度、滨海水位和热源信息。区域性地面湿度变化也有明显反映。可用于研究区域岩奖活动和与人类有关的地表热流变化。夜间热红外影像已用于区分岩性差异。由于近地表水通常集中在断层面与节理面,故其温度与周围低,因此也可用于查明断裂构造。另外还用来观测湖、河、海岸和雪盖区表面温度的变化。

TM₇(2.08-2.35μm)属近红外波段这是为地质研究追加的波段。位于水的强吸收带,土壤的反射特征与可见光波段差不多,水体呈黑色调,其它地物影像与可见光波段影像相近。此波段是绝大多数造岩矿物反射波谱的高峰段,而含氢氧基矿物(如粘土)和碳酸盐矿物(如方解石)具有判别性的特征波谱吸收带,在影像上呈暗色调,所以TM₇图像对直接出露地表的粘土与碳酸盐矿物较敏感。TM₇同Tm_2-5图像的综合利用,可以探测热液蚀变特征标志的含铁粘土矿物,填绘碳酸盐岩地层的岩相变化图及干旱半干旱区的热液蚀变分布图。

(三)遥感图像的时间特性一多时相效应

航天遥感多以一定的覆盖周期对地表重复成像,获取多时相遥感图像。由于不同时期太阳辐射、气候、植被等环境因素的变化,造成地物电磁辐射的差异,地物在不同季节或日期的同波段影像色调也会有差别,这就是遥感图像的多时相效应。如北方冬季,因气候干燥寒冷,植被稀疏,MSS₅影像色调能较真实地反映岩石等地物的波谱特征,而夏季的MSS₅影像,由于受地表水和植被的干扰,会掩盖地物的真实面目,影像色调不能如实反映地表岩石等的波谱特征,但对研究植被和与植被有关的地质现象,效果较好。多时相效应有利于对地质体等进行时间上的对比研究和对动态现象的监测。

(四)热红外扫描图像的波谱特性

热红外扫描图像是地物热红外波的热像,简称热图像,是地物发射辐射产生的影像,主要反映地物的辐射温度信息,可全天时成像。热图像的波谱特性与反射波谱的紫外、可见光、近红外图像大不相同。

1.热图像的色调特征

热图像的色调深浅,反映地物在热红外波段热辐射能量的大小。地物热辐射能量大小取决于地物的发射率和真实温度,特别是由于与真实温度的四次方成正比,因此热图像的色调主要反映地物的真实温度。但是大多数热红外扫描仪记录的是地物的辐射温度(亮度温度)T辐,而不是地物的真实温度T实,它们之间的关系为:T_辐=ε^1/4·T_实,式中ε为发射率,因为ε<1,所以T_辐<T_实。

热图像上,真实温度高或发射率大的强辐射体为浅色调,常称为“暖信息”、“暖色调”,反之则为深色调,称“冷信息”、“冷色调”。地物的真实温度取决于自身的热学性质,如热传导率、热扩散率、比热、热惯量等(表2-1),影响最大的是比热和热惯量。地物的比热大,使它升温需要的热量就多,在其它条件相同的情况下,白天被太阳加热时,比热大的地热表面真实温度上升较慢,幅度也较小;比热小的地物表面真实温度上升较快,幅度也较大。在夜间降温时,比热大的地物表面真实温度下降较慢,幅度较小;比热小的地物表面真实温度下降较快,幅度较大。即比热大的地物表面温度周日变化小,比热小的地物表面温度周日变化大(图3-48)。如水与岩石和土壤的热惯量相近,但水的比热大,又能通过对流使表面和内部温度较快的均一化,与岩石和土壤相比,表面温度白天低而夜间高,所以水在白天热图像上为“冷色调”,在夜间热图像上为“暖色调”。

图3-48 典型物质的周日辐射温度曲线(示意图)

热惯量对地物表面温度的影响与比热类似,热惯量大的地物表面温度周日变化小,热惯量小的地物表面温度周日变化大。岩石、矿物的温度变化主要与热惯量有关,大多数岩石的热惯量随密度增加而呈线性增加。在太阳的日周期变化中,热惯量低的岩石(页岩、火山渣),白天可达到相当高的表面温度,夜间则冷却到一个相当低的温度;热惯量高的岩石(玄武岩、白云岩、石英岩、砂岩)在白天相对较冷,夜间相对较暖。地物热学性质的差异致使热图像的热反差大于可见光图像上的反射率差异,在夜间成像的热图像上更为明显。热图像在区分岩性、地层,研究地质构造,寻找放射性矿、硫化矿、含煤岩系等矿产上具有特殊的效果。根据断层的两盘岩性和富水性差异造成的不同温度场,或断层充水条件变化在热图像上出现的温度差异,研究隐伏构造,水的比热起着决定性作用。

此外,成像时间、季节、气象和环境条件等对热图像的色调也有重要影响。为更好地区分不同地物,根据地物表面温度周日变化曲线(图34-8,34-9),应选在地物之间温差最大的时间而不能选在拂晓和落日时成像。

地形起伏使阳坡和阴坡接受的太阳能量不同,造成地面温度的明显差异。一些特殊的地貌部位,如正对山口的地面,受山谷风吹拂,温度会低于周围地面。地面风的存在与否也会使地表温度明显不同。气候变化直接影响地面温度,由于水分蒸发会带走大量热能,因此潮湿地面比干燥地面温度要低。突然性的天气变化,如寒流入侵等也会使地表温度出现反常现象。云层在热图像上呈不规则的斑状、团块状。无线电波、雷达微波的干扰,使图像变模糊或叠加波状云纹等。

图3-49 白云岩、灰岩、花岗岩周日温度曲线

2.热图像的热晕效应及热阴影

受空气、风等因素影响,一个很小的热目标,特别是一些高温地物,其热图像会比原物大许多倍,这就是热图像的热晕效应。

可见光阴影属光阴影,有本影、落影之分,光照消失,光阴影也随之消失。而热图像的阴影属热阴影,无本影、落影的区别,太阳落山后,虽然光照消失,但地物阴阳面的温差并未马上消失,在太阳落山后一段时间内的热图像上仍然有阴影存在,称热阴影。热阴影的持续时间随地物热学性质差异有长有短,一般在黎明前基本消失,此时的热图像色调差异主要是地物本身热学特性差异,用于解译岩性效果较好。白天热图像则具有地貌特征清晰的特点。

3.热图像的波谱分辨率

大多数热影图是宽谱带(8-14μm)单波段,波谱分辨率较低,区分地物的能力较差。近期已出现多波段热红外图像,如我国研制的HS3B型红外扫描仪,将8-14μm的波谱带分成:8.0-8,9μm、9.1-10.1μm、10.3-11.4μ.m、11.6-12.8μm、13.0-14.0μm和8-14μm六个波段,能更精细地记录地物发射热红外辐射的差异,大大提高了热图像区分地物的能力。

4.热图像的温度分辨率

指能分辨的最小温度差,或指对两个不同辐射源的辐射温度的分辨能力。现代热红外遥感器温度分辨率已达0.01℃,资源遥感中使用的热红外扫描仪,温度分辨率大多在0.1-0.5℃之间。早期的热图像未作温度标定,只能定性地确定地物温度的相对高低,而不能得知地物的准确温度值。近期的热图像都是经过温度标定的,图像上有灰阶或彩色标尺,每一灰阶颜色表示一定的温度范围,将图像中的色调或色彩与灰阶或彩色标尺对比,就能确定地物的温度范围。彩色热影像对地面的温度分布更加醒目,两种色区的界线即为地面的等温线。

(五)高级甚高分辨率辐射计(AVHRR)简介

AVHRR是“诺阿”(NOAA)气象卫星上使用的一种五波段光机扫描辐射计系统。工作波段:0.58-0.68μm、0.725-1.1μm、3.55-3.93μm、10.3-1.3μm、1.5-12.5μm,瞬时视场1.1km,总视场±56°,扫描宽度2400km,温度分辨率0.12k(300k时)。主要用于观测云层和冰雪覆盖、水陆边界并成图,测量地面、水面和云顶温度,监测台风,大范围区域地质研究。

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井陉县18688817895： MSS传感器是什么 - ？
蔽肯益宝： 1、MSS传感器是多光谱扫描仪(Mulri Spectral Scanner).为四波段光机扫描仪. 2、工作原理:利用光学机械扫描方式测量景物辐射的遥感仪器.景物辐射来自物体对阳光和天空背景光的反射或物体自身的热辐射等,光谱范围从可见光到红...

井陉县18688817895： 光机扫描成像与CCD成像的比较 - ？
蔽肯益宝： 没有光机扫描这个学术概念.诸如扫描仪、复印机用的都是CCD,CCD(电荷耦合器件)是传感器,对通过曝光、扫描产生的原稿的光学模拟图像信号进行光电转换,然后将经过数字技术处理的图像数码信号输入到激光调制器,调制后的激光束对被充电的感光鼓进行扫描,在感光鼓上产生静电潜像,图像处理装置(存储器)对诸如图像模式、放大、图像重迭等作数码处理后,再经过显影、转印、定影等步骤,完成整个复印过程.

井陉县18688817895： 红外线的应用 - ？
蔽肯益宝： 红外线测温技术在防火安全检测中的应用 摘 要 红外测温技术最早运用于军事目的,近年来已广泛运用于电气防火检测工作中,对消除电气线路及设备的非正常发热、降低火灾风险起到了重要作用.文章对红外测温技术的原理进行了简单介绍,...

井陉县18688817895： 遥感图像的DEM提取原理是什么? - ？
蔽肯益宝： 1、遥感信息提取方法分类 常用的遥感信息提取的方法有两大类:一是目视解译,二是计算机信息提取.1.1目视解译 目视解译是指利用图像的影像特征(色调或色彩,即波谱特征)和...

井陉县18688817895： 遥感技术与光谱分析什么关系 - ？
蔽肯益宝： 遥感技术主要是针对影像进行判读和解译,判读和解译的结果可以进行各种应用.光谱分析是对遥感影像的光谱数据进行分析,各种地物都有自己的波谱特性,通过这些波谱特性显示地面的信息.光谱分析是遥感技术的依据,懂得光谱分析才能更好地对遥感影像进行解译和判读.

井陉县18688817895： 光敏元件的光谱特性和频率特性的意义有什么区别 - ？
蔽肯益宝： 目前光敏元件有两种:一 指相机中光敏 种是广泛使用的CCD(电荷耦合)元件;另一种是新兴的CMOS(互补金属氧化物半导体)器件.数码相 机的分辨率是元件的数目.在相同分辨率下,CMOS比CCD便宜,但是CMOS光敏器件产生的图像质量要低一些.不过目 前市场上使用的绝大多数是CCD(电荷耦合),CCD的分辨率———像素数常被用作划分数码相机档次的主要依据.CCD 像素数一定时,芯片面积越大,成像质量越好.CCD的像数有最大像数和有效像数,有效像数才是我们有需要的(越 成像质量就越好),但在同一有效像数下,总像 高数越多就可以用来防抖动.

井陉县18688817895： 遥感中的精度(如30米)与地图学中的比例尺(如1:1000)有什么区别? - ？
蔽肯益宝： 这两者之间没有什么联系.遥感中讲的30米是指,一幅遥感影像中,每个像素(像素是什么应该知道吧)对应地面距离为30米.这个术语叫做地面分辨率.本质上是地面30*30米大小的地方,对应遥感图像中的一个像素.将地图学中讲的1:1000比例尺地图一幅,变成图像后,每个像素代表的距离为:25.4毫米 * 图像分辨率(如400dpi)* 地图比例尺(1000)= 63.5毫米=0.0635米 也就是说,在按400dpi扫描的1:1000地图中,每个像素代表实地距离0.0635米.但是要注意,这个0.0635米与遥感中的“地面分辨率为0.0635米”不是一个概念.

井陉县18688817895： 什么是多光谱遥感? - ？
蔽肯益宝： 把可见光遥感和红外遥感技术性结合起来就是多光谱遥感.它是根据不同物体对不同波长的光线具有不同反射能力的原理,利用多个相机或多通道传感器对目标摄影或扫描,从而同时获得目标在不同光谱带的图像,然后,选取若干张照片进行组合,可得到一张假彩色照片.假彩色照片是指照片颜色与真实物体不同的照片,例如田里的的小麦本来是绿色,但在假彩色照片里故意将小麦变为红色,目的是使人看得更清楚.人们观看假彩色照片就可以知道地面景物.一般的多光谱遥感器有多谱段相机和多光谱扫描仪.

井陉县18688817895： 遥感影像中的光谱分辨率与辐射分辨率有什么区别?如何区分?他们各自注重哪一方面? - ？
蔽肯益宝： 光谱分辨率是传感器可以感测到的最小波长间隔,比如1波段的中心波长为3nm,光谱分辨率是5nm,则2波段的起始波长最短为8nm(会大于8nm,因为两个波段间隔的极限是5nm). 辐射分辨率是传感器可以感测到的能量的最小差值.可以 同上 理解.