扫二维码下载作业帮
拍照搜题，秒出答案，一键查看所有搜题记录
下载作业帮安装包
扫二维码下载作业帮
拍照搜题，秒出答案，一键查看所有搜题记录
右图表示不同地物辐射温度在一天内的变化状况。?
曲线①～④代表的地物分别可能是&&&（&&&）
A．沙地、湖泊、林地、草地?
B．沙地、草地、林地、湖泊?
C．草地、沙地、湖泊、林地?
D．草地、林地、沙地、湖泊
扫二维码下载作业帮
拍照搜题，秒出答案，一键查看所有搜题记录
为您推荐：
扫描下载二维码当前位置： >>
大气物理遥感电磁辐射基础
第二章 遥感电磁辐射基础 §2．1 电磁波谱与黑体辐射 电磁波区域的划分方法如下： 无线电波 & 1m 长波 3000m 以上 中波和短波 1O～3000m 超短波 1～10m 微波 1mm～lm 按波长减小排列， 微波又可依次分为 P， L， S， C， X，Ku，K，Ka 等波段。 红外波段 O.76～1000μ m 超远红外波段 15～1000μ m 远红外 6～15μ m 中红外 3～6μ m 近红外 O.76～3μ m 可见光 O.38～O.76μ m 红 O.62～O.76μ m 橙 O.59～O.62μ m 黄 O.56～O.59μ m 绿 O.50～O.56μ m 青 O.47～O.5Oμ m 蓝 O.43～O.47μ m 紫 O.38～O.43μ m 紫外波段 10-3～3.8*10-1μ m x 射线 1O-6～1O-3μ m γ 射线 & 10-6μ m二)黑体辐射规律 1．斯忒藩一玻尔兹曼定律：绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比， M=σ T4 σ 为斯忒藩――玻尔兹曼常数 σ =5.67*10-8W／m2? K4 2．维恩位移定律：黑体辐射光谱中最强辐射的波长λ max 与黑体绝对温度 T 成反比，λ max ? T = b ，b 为常数(b = 2.898×10-3m? K)。 图表把太阳、 地球和其他恒星都可以近似看作球形的绝对黑体， 则与这些星球的辐射出射度 对应的黑体温度可作为星球的有效温度。太阳的 λ max 是 0.4 7μ m，用公式可算出有效温 度 T 是 6150K，0。47μ m 正是在可见光波段，所以太阳光是可见的。而地球在温暖季节的 白天久λ max 约为 9.66μ m，可以算出温度 T 为 300K,9.66μ m 是在红外波段，所以地球主 要发射不可见的热辐射。 (三)实际物体的辐射 M1/α 1 = M2/α 2 = M0 = I（基尔霍夫定律） 基尔霍夫定律表现了实际物体的辐射出射度 Mi 与同一温度和同一波长区间的绝对黑体 辐射出射度的关系， α i 是此条件下的吸收系数(O&α ≤1)。 有时也称为比辐射率或发射率， 记作ε ，用来表示实际物体辐射与黑体辐射之比。这样基尔霍夫定律可以写为 M = ε ?M0 (2.8) §2.2 太阳辐射和地球辐射 一、太阳的辐射 (二)太阳光谱 图 2.8 描绘了黑体在 6000K 时的辐射曲线，在大气层外接收到的太阳辐 照度曲线，以及太阳辐射穿过大气层后在海平面处接收到的太阳辐照度曲线。 从大气层外太阳辐照度曲线可以看出， 太阳辐射的光谱是连续光谱， 且辐射特性与绝对黑体 辐射特性近似。太阳辐射能量各个波段所占比例不同，近紫外、可见光、近红外和中红外部 分大约占太阳总辐射的 84.62％，所以我们对太阳的认识就是从光和热开始的。太阳辐射从 近紫外到中红外这一波段区间能量最集中，而且相对来说最稳定，太阳强度变化最小。在其 他波段，如，X 射线、ν 射线、远紫外及微波波段，它们的能量加起来还不到 1％，尽管比 例很小，可是变化却很大，我们都知道太阳活动有 11 年的周期，当太阳活动剧烈时，黑子 和耀斑爆发， 这些小比例波段的辐射强度会有剧烈增长， 最大时能量可增长上千倍甚至还多。 遥感探测时，主要利用可见光、红外等稳定辐射；利用微波时多采用主动微波遥感。 图 2.8 中标示的地表接受的太阳辐射， 也就是海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的 曲线有很大不同，其差异主要是地球大气引起。由于大气中的水、氧、臭氧、二氧化碳等分 子对太阳辐射的吸收作用， 加之大气的散射使太阳辐射产生很大衰减， 图中那些衰减最大的 区间便是大气分子吸收的最强的区间。 图 2．8 中所示的辐照度是太阳垂直投射到被测平面上的测量值。通常太阳是倾斜入射 的，则辐照度的大小一定与太阳入射光线与地平面夹角，即太阳高度角有关。2．太阳常数：在距离太阳一个天文单位的区域内，垂直于太阳辐射方向上单位面积和单位 时间黑体所接收到的太阳辐射能量。通常表示为 I⊙ = 1.95cal／cm2? min = 1.36O×103 W／ m2 太阳常数是在地球大气顶端接受的太阳能量，所以没有大气的影响。 二、地球的辐射 除了太阳以外， 遥感探测中被动遥感的辐射源还来自地球， 这里将讨论地球作为辐射源 的辐射特性。 (一)太阳辐射和地球辐射的分段特性 太阳辐射接近于温度为 6000K 的黑体辐射， 最大辐射的对应波长为 0.47μ m。 地球辐射 接近于温度为 300K 的黑体辐射，最大辐射的对应波长为 9.66μ m，两者相差较远。一般来 说，太阳的电磁辐射主要集中在波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区段。即 O.3～ 2.5μ m， 在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。 地球自身发出的辐射主要集中在波 长较长的部分即 6μ m 以上的热红外区段。在 2.5μ m 至 6μ m 这一中红外波段，地球对太 阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略，这就是地球辐射的分段特性。 (二)地表自身热辐射 图 2.1O 对比了从卫星上测出的地球辐射与相应黑体辐射之间的关系。从图中可以看出 地球的辐射确实接近于 300K 的黑体辐射。当辐射通过大气射入大气外遥感平台时，由于大 气中的水、二氧化碳、臭氧等对辐射的吸收，实际的辐射曲线如图中的不平滑的折线所示。§2.3 地球大气及其对太阳辐射的影响 太阳辐射到达地面的过程中要经过地球周围的大气层， 而太阳辐射经过地面目标反射后， 又 要再次经过大气层才能被航空或航天平台上的传感器接收。 大气层中的气体和微粒对电磁辐 射的强度和组成会产生影响，主要表现在吸收、散射和透射作用。 二、大气折射现象 电磁波穿过大气层时，会产生传播方向的改变，也就是会发生折射现象。大气密度越大， 折射率越大；离地面高度越大，空气越稀薄，折射率也越小。正因为电磁波传播过程中折射 率的变化，使电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线，到达地面后，地面接收的电磁波方向 与实际上太阳辐射的方向相比偏离了一个角度， 称为折射值。 有时早晨看到的太阳圆面比中 午时看到的太阳圆面大，因为当太阳在地平线上时，折射值最大。有时太阳还没升至地平线 上，地面上已可以见到它，就是大气折射作用的结果。 三、大气的反射 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， 而且波段不同 其影响不同，削弱了电磁波强度。因此，如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天气接莜 遥感信号，使大气的反射影响最小。 四、大气吸收 大气对电磁波的吸收作用严重地影响遥感传感器对电磁辐射的探测。 当太阳辐射穿过大 气层时，大气分子的吸收导致这些波段的太阳辐射强度衰减。吸收作用越强的波段，辐射强 度衰减越大，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。因此在太阳辐射到达地面时，形成 了电磁波的某些吸收带。 五、大气散射 前面已经简单介绍过电磁波散射。 由于粒子的散射作用使电磁波在原传播方向上的辐射 强度减弱， 增加了向其他各个方向的辐射。 也就是说太阳辐射在照到地面又向回反射到航空 或航天传感器的过程中，二次通过大气，影响电磁辐射。在入射光照射地面时，由于散射使人射到地面时除了原有太阳直接辐射的部分， 还增加了散射导致的漫入射成分， 使反射的辐 射成分有所改变；返回到传感器的时候，除反射光外还增加了散射光进入传感器。通过不同 散射影响，增加了信号中的噪声成分，造成遥感图像的质量下降。 (一)瑞利散射 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。条件是这些粒子的直 径比波长小很多， 这种散射叫瑞利散射。 这种散射的特点是散射强度与波长的四次方成反比， 其波长越长，散射越弱。图 2.16 表现了瑞利散射的特点。在可见光波段影响最明显，蓝光 波长短，散射越强。到红外和微波波段，因为波长长，散射很少，几乎可以忽略。 瑞利散射可以解释晴朗的天空为什么是蓝色。 因为无云的晴空由于波段较短的蓝光向四 面八方散射，整个天空看起来呈蔚蓝色。 (二)米氏散射 大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的散射是米氏散射。这些粒子直径较 大，与辐射的波长相当，这种散射的特点是散射强度受气候影响大。一般而言，米氏散射的 散射强度与波长的二次方成反比， 并且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强， 方向 性比较明显(图 2.17)。例如，云、雾的粒子大小与红外线(0.76～15μ m)的波长接近，所以云 雾对红外线的散射主要是米氏散射。 （三)无选择性散射 无选择性散射发生在大气中粒子的直径比波长大得多时。 这种散射的特点是散射强度与 波长无关，也就是说在无选择性散射的波段，任何波长的散射强度相同(图 2.18)。因为直径 的对比是相对的，故具体问题要具体分析。例如，云、雾中水滴粒子直径虽然与红外线波长 接近，但比可见光波长就大很多，因而对可见光中各个波长的光呈无选择散射，散射强度相 同，所以才使我们看到云雾无论从上还是从下看都呈白色。 六、大气窗口 前面已就吸收作用的影响作了分析， 实际上就辐射强度而言， 太阳辐射经过大气传输后， 除了吸收主要作用还有反射和散射。折射虽然改变太阳辐射方向，但不改变辐射强度。当不 考虑云层时，反射作用也很小。综合以上几种作用，它们的共同影响衰减了辐射强度，剩余 部分即为透过的部分。透过率越高，剩余强度越高。就遥感传感器而言，只能选择透过率高 的波段，才对遥感观测有意义。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 率较高的波段称为大气窗口，见图 2.19。 大气窗口的光谱段主要有： O3～1.3μ m，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是 许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫星的 TM 的 1～4 波段，SPOT 星的 HRV 波段等。 1.5～1.8μ m，2.O～3.5μ m，即近、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常 用这些波段，比如 TM 的 5、7 波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。 3.5～5.5μ m，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反 射太阳辐射外， 地面物体也有自身的发射能量。 比如， NOAA 卫星的． AVHRR 传感器用 3.55～ 3.93μ m 探测海面温度，获得昼夜云图。 8～14μ m，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目 标的地物温度。 O.8～25cm，即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天 候工作。而且由其他窗口区间的被动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方 式。如侧视雷达影像，Radarsat 的卫星雷达影像等。其常用的波段为 O.8cm， 3cm，5cm，10cm，有时也可将该窗口扩展为 0.05cm 至 300cm 波段。七、大气透射分析 太阳的电磁辐射经过大气时，经过大气的各种衰减，到达地面后比例很小。一种说法是， 就可见光和近红外而言，被云层或其他粒子反射回去的部分约占 30％，其次为散射作用约 占 22％，占第三位的是吸收约占 17％，这样透过大气到达地面的能量仅占人射总能量的 31％，这仅是一般地对透过率(透过大气的辐照度与入射大气前的辐照度之比)的粗略估计。 图 2.20 是另一种估计，到达地面时约剩下总能量的 45％，如果选择使用无云天气情况下的 数据资料，反射的影响就可以降到最小。严格来说，各部分能量损失的比例值和最后的透过 率要根据具体情况分析才是最科学的。 §2.4 地面物体反射光谱 太阳辐射到达地面后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。最后，电磁辐射 未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分(图 2.21)，即 I(到达地面的太阳辐射能量)=R(反射能量)+A(吸收能量)+T(透射能量) 一、地物的反射率 (一)反射率 物体对电磁波谱的反射能力用反射率表示。地面物体反射的能量(Pρ )占入射总能量(P0) 的百分比称为反射率(ρ )。则 ρ =Pρ / P0 * 100％ (2.15) 反射率的值满足ρ ≤ 1。物体的反射率大小主要取决于物体本身的性质和表面状况，同时 也与入射电磁波的波长和入射角有很大关系。 (二)物体的反射 物体表面状况不同，反射状况也不相同。自然界物体的反射状况分为三种即镜面反射、 漫反射和实际物体的反射。 镜面反射是发生在光滑物体表面的反射。 反射时满足反射定律， 入射波和反射波在同一 平面内，入射角与反射角相等(图 2．2 2)。当镜面反射时，如果入射波为平行入射，只有在 反射波射出的方向上才能探测到电磁波，其他方向则探测不到。对可见光而言，其他方向上 应该是黑的。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。 漫反射是发生在非常粗糙的表面上的反射。微观地说，反射面朝向各个方向，所以反射时不 论入射方向如何，反射方向都是“四面八方’’。对于漫反射面，当入射照度 j 一定时，从任何 角度观察反射面， 其反射亮度是一个常数， 这种反射面又叫朗伯面。 设平面的总反射率为ρ ， 某一方面上的反射因子为ρ ’ ，则有关系 ρ ＝π ρ ’ (2．1 6) ρ ’为常数，与方向角或高度角无关。自然界中真正的朗伯面也很少，新鲜的氧化镁(MgO)、 硫酸钡(BaS04)、碳酸镁(MgC03)表面，常被近似看成朗伯面。 实际物体多数都处于两种理想情况之间，即介于镜面和朗伯面(漫反射面)之间。一般来 讲，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(图 2．2 2 b)。在入射照 度相同时， 方向反射亮度的大小既与入射方位角和天顶角有关， 也与反射方向的方位角与天 顶角有关。 (三)反射波谱 地物的反射波谱是研究地面物体反射率随波长的变化规律。 利用反射率随波长变化的差 别可以区分物体。 通常用二维几何空间内的曲线表示。横坐标表示波长λ ，纵坐标表示反射率ρ ，可以画 出地物反射率曲线，见图 2．2 3。 同一物体的反射率曲线形态， 反映出不同波段的反射率不同， 研究 不同波段的反射率并 以此与遥感传感器的相同波段和角度接收的辐射数据相对照， 可以得到遥感影像数据和对应地物的识别规律，可见地物反射率曲线的研究非常重要。 二、地物反射波谱曲线 地物反射曲线的形态相差很大， 表明反射率随波长变化的规律不同。 除了不同地物的反 射率不同外，同种地物在不同的内部和外部条件下反射率也不同。一般说来，地物反射率随 波长的变化，有规律可循，从而为遥感影像的判读提供依据。 (一)植被 植被的光谱特征规律性非常明显，如图 2．2 4，其反射波谱曲线主要可分为三段。由于 叶绿素的影响， 对蓝光和红光吸收作用强， 对绿光反射作用强。 表现在可见光波段范围(0． 4～ O．7 6μ m)有一个小的反射峰，位置大约在绿色波段(O．5 5 μ m)，两边蓝波段和红波段有 两个吸收带，在曲线上为凹谷。在近红外波段(0．7 6～1．3 μ m)因为植被叶子除了吸收和 透射的部分，叶内细胞壁和胞间层的多重反射形成高反射率，表现在反射曲线上从 O．7 μ m 处反射率迅速增大， 至 1． 1 μ m 附近有一峰值， 形成植被的独有特征。 在中红外波段(1． 3～ 2．5 μ m)受到绿色植物含水量的影响，吸收率大大增加，反射率大大下降，形成几个低谷。 但因为不在大气窗口内， 所以这些低谷不是遥感关注的区间。 以上植被波谱特征是所有植被 的共性。具体到某种植物的光谱特征还与其种类、所处季节、受病虫害影响、含水量等有关 而发生形态上的变化，需要作具体的分析。 (二)岩石 岩石反射波谱曲线不像植被那样具有明显的相似特征， 其曲线形态与矿物成分、 矿物含 量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽等都有关系。从图 2．2 4 中砂 岩、石灰石、页岩的光谱曲线，可以看出它们形态各异，没有明显规律性。 (三)土壤 自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土质越细反射率越高， 有机质含量高和含水量越高，反射率均降低。土壤的种类和肥力也会对反射率产生影响，从 图 2．2 5 所示粉砂、砂和淤泥的波谱曲线，可以看出这一特点。总的来说土壤反射曲线呈 比较平滑的特征，因此在不同光谱段的影像上，土壤亮度区别不明显。由图 2．2 3 可以比 较土壤和植被的不同点。 (四)水体 水体的反射主要在蓝绿光波段， 其他波段吸收都很强， 特别到了近红外波段吸收就更强 了。在图 2．2 3 中，注意水体的反射与植被的比较，说明水的反射率非常低，即便是植被 吸收最强的蓝和红波段，反射率也比水体强。正因为如此，在影像上特别是近红外影像上水 体呈黑色。如果水中含有其他物质，光谱反射曲线会发生变化。比如，水中含有泥沙时，由 于泥沙散射，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区；水中含有叶绿素时近红外波段 明显抬高；水中含有污染物质时更会引起光谱曲线的明显变化。 三、地物波谱特性的测量 地物波谱联系地面和空间信息之间的关系， 是遥感研究的基础。 地物光谱的测试可以建 立地面物体和航空航天遥感数据的关系； 建立地面物体的相关和应用模式。 本节重点讨论可 见光和近红外波段反射光谱特性的测量。 (一)地物反射波谱测量理论 双向反射分布函数：见图 2．2 7，对于表面 dA，设入射时照度为 dＡ，设入射时照 度为 dIi(φ i,θ i) 在(φ r,θ r)方向上由 dIi 产生的反射亮度为 dLr，随着入射方向和反射方向的不同，产生一个 函数 fr，称为双向反射分布函数，简称 BRDF，用 fr 表示 fr＝ dLr（φ iθ i，φ rθ r)／dIi(φ i,θ i)(2．17)对于给定的入射角和反射角（φ iθ i，φ rθ r) ，这一函数值表示在给定方向上 每单位立体角内的反射率， fr 还是波长的函数。双向反射分布函数(BRDF)完全描述了反射空间分布特性的规律。但是由于 BRDF 函数 值本身是两个无穷小量的比，实际测量中很少采用。 双向反射比因子 R(BRF)：定义为在给定的立体角方向上，在一定辐射照度和观测条 件下， 目标的反射辐射通量与处于同一辐射照度和观测条件的标准参考面的反射辐射通量之 比。这一函数比较容易测量，标准参考面即为前面讲过的朗伯反射面。也就是 Ｒ ＝ 目 标 的 反 射 辐 射 通 量 ／ 标 准 参 考 面 的 反 射 辐 射 通 量 （２.１８） (二)地物光谱的测量方法 1．样品的实验室测量：实验室测量常用分光光度计，仪器有微机控制，并把测量数据 直接传给计算机。分光光度计的测量条件是一定方向照射，半球接收，因此获得的反射率与 野外测定有区别。 室内测量时要有严格的样品采集和处理过程。 例如， 植被样品要有代表性， 采集后迅速冷藏保鲜，并在 1 2 小时内送到实验室测定；土壤和岩矿应有专业要求并制备成 粉或块。由于实验室的测量条件要求高，应用不够广泛。 (2)测量方法。一般来说，野外的测量采用比较法。 1)垂直测量：为了使所有数据能和航空、航天传感器所获得的数据进行比较，一般情况 下测量仪器均用垂直向下测量的方向， 以便和多数传感器采集数据的方向一致。 虽然实际情 况非常复杂， 测量时则把周围环境的变化忽略， 认为实际目标与标准板的测量值之比就是反 射率之比。计算公式为 ρ （λ ）＝ ［V （λ ）／λ V?］＊ ρ ?（λ ） (2．1 9) 式中，ρ （λ ）为被测物体的反射率； ρ ? （λ ） 为标准板的反射率； V（ λ ） 、Vs（ λ ）分别为测量物体和标准板的仪器测量值。 这里标准板用硫酸钡(BaS04)或氧化镁(MgO)制成，在反射天顶角θ r ≤4 5°时，接近 朗伯体，测量前经过计量部门标定，其反射率为已知值。这种测量忽略了入射角度变化时造 成的反射辐射值的变化，在精度允许的范围内使用。 2)非垂直测量：在野外更精确的测量是测量不同角度的方向反射比因素，考虑到辐射到地 物的光线主要由来自太阳的直射光(近似定向入射)和天空的散射光(近似半球入射)， 。 第三章 遥感光学基础 §３.１颜色性质和颜色立体 一、光和颜色 正常的人眼可以看见电磁波谱中 O．3 8 μ m 至 O．7 6 μ m 的波段，所以这一波段 被称作可见光谱。 人眼所能反映出的颜色都可以和电磁波的波长相对应。 例如： 0． 7 μ m 是 红色，0．5 8 μ m 是黄色，0．5 1 μ m 是绿色，0．4 7 μ m 是蓝色等。比紫色波长还短 的紫外和比红光波长还长的红外部分，人眼就不能看见颜色形状等。但一般情况下，可以用 其他方法感觉到，如紫外线产生疼痛感，红外线产生灼热感。严格地说，只有能够被眼睛感 觉到的并产生视觉现象的辐射才是可见辐射或可见光，简称光。 人对光的反应是靠眼睛进行的， 当眼睛注视外界物体时， 物体发出的光线通过眼球形成 物像聚焦在眼球后部视网膜的中央凹部位。 视网膜的感光细胞分为锥体细胞和杆体细胞， 前 者是明视觉器官，在光亮条件下分辨颜色和细节；后者是暗视觉器官，只在较暗的条件下起 作用，不能分辨颜色和细节。所以在光亮条件下，人眼能分辨各种颜色，当光谱亮度降低到 一定程度，人眼的感觉便是无彩色的，光谱变成不同明暗的灰带。 人眼对不同波长的光感觉是不同的。在光亮条件下，人眼对 0.555 μ m 波长的光感觉最 灵敏，波长变大或变小，灵敏度都会降低。不同人对亮度或颜色的评价都会有差异。 观察图片或荧屏时， 常对观察对象的亮暗程度有一评价。 这一评价实际是一个相对概念，是相对于背景而言的， 就是亮度对比。 亮度对比是视场中对像与背景的亮度差和背景亮度之 比。同样的观察图像，如果物体也亮，背景也亮时，感觉不太亮。物体亮度不变，而背景变 暗时，会感觉亮度提高了，就是亮度对比的效果，有时就说对比提高了，视觉效果变好了。 如一张灰色纸片，在白色背景上看起来发暗(对比小)，在黑色背景上看起来发亮(对比大)。 在遥感图像中， 亮度对比常影响单色黑白影像的视觉效果， 但是遥感影像上所有都是我们观 察的对象，很难说明哪个是背景，哪个是对象。这时亮度对比就变成两个或多个对象之间的 对比，即亮度对比 C＝△L 对象／L 对象 (3．1) 颜色对比不像亮度对比那么简单。首先，观察颜色要利用眼球视网膜的中央区，也就是视 场要小一些。因为当视场过大眼球侧视时，先是红、绿感觉消失，只能看到黄蓝色，再往外 侧视黄蓝色感觉也会消失成为全色盲区，这时对颜色的判断会发生错误。再者，人眼对颜色 的判断与波长的关系不完全固定，要受光强度的影响。当光强度增加时，颜色会向红色或蓝 色方向变化，所以观察颜色时尽量选择周围光强度基本不变的环境。 在视场中， 相邻区域的不同颜色的相互影响叫做颜色对比。 颜色的对比受视觉影响很大， 例如：在一块品红的背景上放一小块白纸或灰纸，用眼睛注视白纸中心几分钟，白纸会表现 出绿色。如果背景是黄色，白纸会出现蓝色。这便是颜色对比的效果。在色度学中，当两种 颜色混合产生白色或灰色时，这两种颜色称为互补色。如黄和蓝、红和青、绿和品红均为互 补色。假如做一个圆盘左边是黄色，右边是蓝色，让圆盘快速旋转，使两种颜色混合，人眼 就能看出是白色或灰色。在颜色对比时，两种颜色的边界，对比现象会更为明显。就识别颜 色而言，只要波长改变了 O．00 1～0．00 2 μ m ，人眼就应该能观察出差别。不同波长人 眼的区别能力不同，此外还要受颜色对比以及其他因素的影响。一般在整个光谱中，正常人 眼能分辨出几百种不同颜色。相比而言，人对颜色的分辨力比黑白灰度的分辨力强很多，正 因为如此，彩色图像能表现出更为丰富的信息量。 二、颜色的性质 彩色的描述对于遥感图像非常重要， 彩色变换也是遥感图像处理的重要方法。 在物理中， 颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述。 明度：是人眼对光源或物体明亮程度的感觉。明度和人眼这一感官有关，所以受人的视 觉感受性和经验影响。一般来说，物体反射率越高，明度就越高。所以白色一定比灰色明度 高。因黄色反射率高所以黄色明度较高。对光源而言，亮度越大，明度越高，比如白炙灯、 日光灯等白光光源，若亮度很高看到的是白色，若亮度很低看到的光发暗发灰，若无亮度则 看到黑色。对不发光的物体而言，当物体对可见光波段所有波长无选择地反射，反射率都在 80％～90％以上时，物体为白色且显得明亮；当反射率对所有波长均在 4％以下时，物体为 黑色，很暗；反射率居中则表现为灰色，介于白和黑之间(图 3．1 a)。在观察黑白图像时， 人们也常把明度称为灰度，或量化后称为灰阶。色调： 是色彩彼此相互区分的特性。 可见光谱段的不同波长刺激人眼产生了红橙黄绿青蓝紫 等彩色的感觉。图 3．1 b 是一个颜色环，它表示颜色色调的理想示意。圆环上把光谱色按 顺序标出，从红到紫是可见光谱上存在的颜色，每种颜色对应一个波长值，是光谱色。有时 刺激人眼的光波不是单一波长，而是一些波长的组合，也可以构成一些颜色，但它们找不到 对应的波长值，不叫光谱色。图中圆环上部就加上了不同颜色组合的品红色，和其他光谱色 一起构成一个圆环。每种颜色都在圆环上或圆环内占一个位置，白色位于中心。不透明物体的颜色是怎么来的呢? 是因为物体对照射在物体上的光产生选择性反射，如对 0．6 μ m 以上的波长反射率很高，则物体看起来是红色，如果物体反射 O．5 μ m 左右的 辐射， 这一物体看起来是绿色。 所有颜色都是对某段波长有选择地反射而对其他波长吸收的 结果。 饱和度：是彩色纯洁的程度，也就是光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。对于光源 发出的若是单色光就是最饱和的彩色， 如激光及各种光谱色都是饱和色。 对于不透明物体颜 色，如果物体对光谱反射有很高的选择性，只反射很窄的波段则饱和度高。如果光源或物体反射光在某种波长中混有许多其他波长的光或混有白光则饱和度变低。 白光成分过大时， 彩 色消失成为白光。在图 3．1 b 的颜色环中，环上最外围的一圈是饱和度最高的颜色，位置 越靠近中心，颜色越不饱和。 在物理上黑白色只用明度描述，不用色调、饱和度描述。但在遥感图像解译时，一种通 俗的称谓是把明度(灰度)和色彩的差异统称为色调差异。这和物理学的概念有一定区别，在 使用上要加以注意(第五章)。 三、颜色立体 为了形象地描述颜色特性之间的关系，通常用颜色立体来表现一种理想化的示意关系。 中间垂直轴代表明度，从底端到顶端，由黑到灰再到白明度逐渐递增。中间水平面的圆 周代表色调，相当于颜色环，顺时针方向由红、黄、绿、青、蓝、品红逐步过渡。圆周上的 半径大小代表饱和度，半径最大时饱和度最大，沿半径向圆心移动时饱和度逐渐降低，到了 中心便成了中灰色。如果离开水平圆周向上下白或黑的方向移动，也说明饱和度降低。颜色 立体是颜色环和明度轴的结合(图 3．2 a) 为了定量地描述每种颜色的三个物理量， 以便于在彩色变换中做计算。 定义明度值(Ｌ)为 0～ 1，0 为黑，1 为白，所以明度轴的中间位置是 0．5。色调(H)的表示用色调圆环的角度值表 示，从红色为 O? ，绿色为 1 20? ，蓝色为 240?等，右旋或左旋自行选定。饱和度(S)值也定 义为 O～1，饱和度最大为 1，饱和度最小为 O(图 3．2 b)。实际上，从视觉角度看，饱和度 最大时，不同色调的明度不可能都是 O．5，比如黄色一定明度高，蓝色明度低。也就是说， 颜色立体只是理想状况，实际颜色分布不是正锥体，而是有的饱和在高明度区，有的饱和在 低明度区，构成一种更为接近实际的颜色立体。 一、三原色与加色法 在图 3．1(b)的圆环上，可以模拟颜色光的混合现象。两种非互补色混合，所得颜色不 是白或灰白，而是第三种颜色，称之为混合色，混合色的位置就在连接两种颜色的直线上。 例如：品红和黄混合，连接圆环上品红和黄两点，可以混合出连线上的各种颜色，哪种颜色 的比例大，就偏向哪种颜色。可以按杠杆定律计算，如果品红占 80％，而黄占 20％，那么 混合色在联线上按 2：8 的比例，更接近品红处。从中心过这一混合色点作一半径，与圆环 的交点就是混合的颜色。 该点越靠近中心， 饱和度越大。 图中这一点约是 0． 7 μ m (700 nm)， 接近红色。这种颜色还可以再和第三种颜色混合，得到另一种混合色，依此类推。 分析各种颜色， 可以找到三种颜色， 其中的任一种颜色都不能由其余两种颜色混合相加 产生， 这三种颜色按一定比例混合， 可以形成各种色调的颜色，称为三原色。 实验证明， 红、 绿、蓝三种颜色是最优的三原色。 为了加深对互补色和三原色的理解，可以做一个实验，如图 3．3。用三个可调亮度的光源， 分别经过红绿蓝三个滤光片， 再经过透镜形成平行光束。 在暗室中照射到白屏幕上。 构成红、 绿、蓝三原色。调节三原色灯光的强度比例可以在白屏幕三束光重叠的部位看到白光。另外 有一束白光直接打到白屏幕上，两束光中间用黑色挡屏隔开，便于观察者比较。实验表明， 在只有红光和绿光重叠的部位产生黄光， 在只有绿光和蓝光重叠的部位产生青色光， 在只有 蓝光和红光重叠的部分产生品红色光。 不断地调节各灯的强度， 白屏幕上还会出现各种中间 颜色。仔细．观察，会发现自然界各种颜色都可以由红绿蓝这三原色产生。混合后的颜色相 当于颜色环内部的颜色，它们是一种视觉效果上的颜色，失去了颜色的光谱组成意义。 这个实验可以简单地画成加色法示意图 3．4。大圆的颜色代表色光的三原色。两圆 相交的部分是两种色光等量相加的混合色，显然，它一定是第三种颜色的补色。三个圆相交 的部分是三种颜色等量相加的结果，一定是白色。 二、色度图 颜色相加原理可以进一步用色度图来表现，比加色法示意图更接近实际情况。因为每一种波长的光都可以用红、绿、蓝三原色相加产生。研究表明，所有光谱色混合 时，即形成等能光谱中的白光，而且白光是由相同数量的红、绿、蓝三原色组成。设光的总 量比例为 1，则白光由三原色各 1／3 产生，根据这一原则设计的色度如图 3．5，在图中χ 色度坐标相当于红原色的比例，y 色度坐标相当于绿原色的比例，图中没设蓝色度坐标，因 为可由χ + y +z＝1 推导出 z。图中 的弧形曲线代表光谱，线上每一点代表一种波长和光谱颜色，波长单位是纳米(nm)，曲线包 围的部分及直线部分代表非光谱色。该图中心 C 点是白光点χ ＝y＝z＝O.33，相当于正午 太阳光。 色度图与颜色环的理想表现不同，它具有真实的意义，但分析方法类似。色度图表现了 人眼对颜色视觉的基本规律如下(图 3．6)： 色调：明度和饱和度的表示。从 A 点(O．4 μ m )到 B 点(O．7 μ m )光谱曲线的轨迹 及连接 AB 两点直线形成的马蹄形内所包含的各点， 都是在物理上可以由真实光线产生的颜 色。任何颜色在色度图中都有确定的位置，即马蹄形的周边表示出色调的差异，因此颜色的 特性也可以得到说明。其他中间各点与中心 C 的连线表示饱和度。如图中 M 点，连接中心 C 和 M 点并延长与光谱轨迹相交，交点的波 长 O．5 2 5 μ m (5 2 5 nm)的颜色即为 M 点的色调。该点越接近光谱线则饱和度越高，越 接近 C 点饱和度越低，混有白光越多。 色光混合的计算：色度图可以粗略推算两种颜色相混合得到的中间色。如 M 与 N 两种颜色 按一定比例合成，一定得到．MN 连线上的中间色如 R，连接 CR 并延长至光谱线，可知 R 是光谱颜色(O．5 4 μ m )和饱和度(离 C 的远近)。但如果 CR 延长线与 AB 相交，虽有对应 颜色但没有对应的光谱波长，因为 AB 线上各种颜色不是原有光谱色，而是光谱上没有的品 红、红紫等颜色。 互补色表示：过 C 点做一条直线与边缘交于两个点，则这两点对应光谱的颜色一定 是互补色，它们混合可以产生白光。但如果有一个点落在．AB 线上，则白光上能由两种以 上的光线产生，因为 AB 线上的点本身是由两种光线混合 产生的。 色度图显示了颜色光的相加的规律。 三、减色法 实际生活中，还有很多情况不是光的混合，例如美术颜料的混合、彩色印刷、彩色相片 的生成过程等。这时不遵循加色法原理，而是相反的减色法原理。 (一)原理 白色光线先后通过两块滤光片的过程就是颜色的减法过程。 可以做一个实验， 让一束白 光先通过一块蓝滤光片， 再让透过的光通过一块黄滤光片， 可以发现穿过黄滤光片后的光线 射到白屏幕上是绿色(图 3．7)。这是因为蓝滤光片的特性是对蓝光透过率比较高，而对蓝光 以外的其他波长的光则有很高的吸收率， 如图中透过率曲线 A。 对黄滤光片而言对黄光透过 率比较高，而对黄色以外其他波长的光吸收率很高。如图中透过率曲线 B。最后共同透过的 部分应是蓝滤光片的透过率与黄滤光片透过率的乘积， 它是波长的函数。 如图中透过率曲线 C，其峰值刚好在绿色波段，波长不同透过率不同，如 O．5 pm 处蓝片透过 6 9％，黄片透 过 5 8 9／6，则通过两片后透过 6 9％×5 8％一 40％。对于透过后的颜色也可以粗略地解释 为，物体在透过光线时，在主要透过某种颜色的光的同时，也将该波段附近波段的光波透过 一部分，只不过透过率小一些，不可能在某一波段截然切断，这是一个渐变的过程。正因为 如此，透过蓝光时附近的绿光紫光也会透过一些，透过黄滤光片时，除了可以透过黄光，附 近的绿光红光也会透过。 它们共同透过的部分便是绿光了。 当两块滤光片组合产生颜色混合 时，入射光通过每一滤色片时都减掉一部分辐射，最后透过的光是多次减法的结果，这种颜色混合原理就是颜色相减原理。 颜色相减和颜色相加的区别主要是相减混合还是相加混合。 如果用一束白光依次透过蓝、 绿、 红三个滤光片，当滤光片的透过率很低时，会发现几乎没有光线穿过三个滤光片，也就是呈 现黑色，因为所有的光辐射依次被减光了。 上述减色原理可以表示成图 3．8。(二)减法三原色 见图 3．8 减法中的三原色采用了加法三原色的补色，即黄色、品红色和青色。理想 模型即白光由红、绿、蓝三色组成来理解，可以认为黄色是减去蓝色的红绿组合；品红是减 去绿色的红蓝组合；青色是减去红色的蓝绿组合，这样黄、品红、青便是减色法的三原色。 减色法中减原色的混合要按图 3．8 的原理进行，所以二圆相交的部分是红、绿、蓝，而三 圆相交的部分是黑，而不是白，这点要特别注意。 实际生活中用减色法的实例也很多， 如作彩色涂料将三色叠加时， 由于光线依次通过 减红、减绿、减蓝层而成黑色。只有当涂料浓度不够，减得不彻底时才会出现灰白色，但这 仍旧是减色法而不是加色法。 §3．3 黑白影像与彩色影像 遥感影像常常用照片来表现， 单波段或全色波段表现为黑白影像， 三波段组合表现为彩色影 像(一、黑白片感光原理 卤族元素和银的化合物能在光照射下分离出银。照相乳胶由大量卤化银晶粒和明胶组 成，把照相乳胶均匀涂敷在玻璃或赛璐珞基彩色影 片上就制成了照相胶片。 照相的第一步是感光，当光照在底片上时卤化银在光子作用下，使带正电的银离子移 动．形成潜像中心。第二步是显影，使感光底片在暗室中浸入显影液体，液体中的显影物质 把曝过光的卤化银还原成金属银，这时潜像变成可见像，感光越强金属银密度越大。第三步 为定影，定影液把显影后残留在乳胶层中的卤化银去掉，形成负片，这样光强之处银颗粒层 厚而发黑，透过率低，光弱处银颗粒层薄而发白，透过率高，刚好与自然景物的黑白呈度相 反，所以叫做负片。 洗印像片时使光透过负片照在像纸上，经过同样的曝光、显影、定影过程形成正片。负 片黑处透过光弱，在正片上发白，负片白处透过光强，在正片上发黑。因此，正片反映的黑 白程度与自然景物相比，经过两次相反变换变成一致。 照相底片(又叫负片)成像好坏决定了该片反映被照景物的真实程度，也主要决定了今后生 成正片的好坏， 一般地常用底片的特性曲线反映这一工作状况。 底片特性曲线是底片露光部 分的底片密度(D)和曝光量(H)之间的关系曲线(图 3．1 0)。 底片密度 D 定义为 D=log φ o / φ i (3．2) 其中， φ o 为底片未露光处的透过率； φ i 是底片露光处的透过率。光照射越强，底片越黑，透过率越小，D 值就越大；反之光照射越弱，D 值就越小。 曝光量定义为 H=I.t,I 为光的照度，t 为曝光时间。显然，曝光量越大，D 值越大。 从图 3．1 O 中可以看出底片特性曲线由三部分组成，AB 段是曝光不足区，D 值随 lgH 缓 慢变化。CD 段是曝光过度区，随 lgH 的增大，密度变化很慢，直至进入饱和区。BC 段是 正常曝光部分，接近直线，说明 D 与 lg H 呈线性关系。直线部分的斜率 γ =tga=△D/△(lgH) (3．3) 称为反差。可见斜率越大，反差也越大，只有直线部分是正常的底片位置。有时为了增大反 差，突出某些信息，设法加大γ 值 当负片生成后，利用光源透过负片对像纸感光，通过显影、定影产生正片。这时，与负片相 同的是，正片生成时也有反差值γ ’。一般地，要真实地反映出原自然景物的反差情况，应 保证γ ?γ ’ =1，若根据某些需要夸大反差，则令γ ?γ ’&1；缩小反差，则令γ ?γ ’&1。 通过调整反差值，得到理想的照片。二、彩色影像片生成原理 (一)彩色合成与假彩色合成 遥感影像的生成分两步走， 首先在航空或航天遥感的传感器中分波段接受地面上地物的 信息， 每一波段相当于一个彩色的光谱段。 地面接收站接收卫星发回的信号恢复后是显示在 屏幕上的黑白图像或输出生成黑白底片。 其次是利用三个波段的黑白底片加色合成为彩色影 像。 合成后的影像如果与自然景物完全一致称为真彩色合成影像， 如果与自然景物色彩不一 致称为假彩色或伪彩色合成影像。 彩色合成的示意图如图 3．1l 所示，图 3．11 a 表示传感器的工作过程：由自然景物反 射来的彩色光分别通过红、绿、蓝三个滤光片成为单色光，分别使底片曝光，可产生黑自负 片。由负片再产生黑白透明正片，影像上的灰度变化分别反映了景物的红、绿、蓝光谱辐射 强弱变化。图 3．11 b 表示真彩色合成影像的工作过程：用白光照射黑白透明正片，同时加 上影像生成时相同的滤光片来恢复原有景物。透过滤光片后的三束色光同时照射到投影屏 上，便可生成真彩色影像。若使用底片再次曝光后则生成彩色负片，再加印成彩色正片使之 得到真彩色的照片。 因为这个过程只是把原来分解的三束光原样合成起来， 新生成的景物与 原来的自然景物完全一样。假彩色合成途径与上面相同，只是滤光片更换见图 3．1 2。图 3．1 2 a 仍旧表示传感器的 工作过程：假定自然景物的辐射分别照射到绿、红和近红外滤光片上，透射出的分光辐射经 过光学处理形成 ABCD 四幅黑白负片。 负片上灰度的变化反映在这一波段辐射强弱的变化。 将负片冲洗成正片后仍旧是黑白透明片， 其变化规律与负片相反， 与实际景物分波段变化规 律相同，即光强处密度低，透过率高，发白；光弱处密度高，透过率低，发黑。这种分波段 影像突出了不同波段的特征。 由于人眼对彩色分辨能力更好， 观察彩色影像可以突出某些细 节。所以需要进一步制成彩色影像。图 3．1 2 b 表示假彩色合成影像的工作过程：用白光照 射黑白透明正片，在原来的绿色通道加上蓝色滤光片，在原来的红 色通道加上绿色滤光片，在所选择的近红外通道加上红色滤光片，这时与图 3．11 的情况一 样，在白色屏幕上可以出现红绿蓝三色的合成彩色影像。如果要制作硬拷贝，可以选制成彩 色负片再进一步制成彩色的照片。如果需要也可以制成正片的幻灯片以备使用。显然，这样 制作出的影像不可能与自然景物的颜色相同，因此称为假彩色影像。 当卫星中的传感器接收地面数据时， 也是分波段进行。 地面接收站接收后生成分波段的数字 图像， 显示在计算机屏幕上是灰度不同的黑白影像， 与光学处理生成效果相同。 最后利用红、 绿、蓝三原色分别加到人为指定的波段上作加色法得到彩色影像。虽然同是彩色影像，假彩 色却与真彩色有很大的不同。在假彩色影像里，人们熟悉的绿色植被变成了红色色调，灰色 的城镇村庄变成偏蓝灰色调， 整个图幅中各种地物的颜色都与平时从飞机上往下目视的自然 颜色不相同。 这种人为赋予某个波段一定的颜色而生成的彩色影像称为假彩色合成影像。 习 惯上，把绿波段赋予蓝色，红波段赋予绿色，近红外波段赋予红色的彩色合成称为标准假彩 色合成(见彩图 1)。实际上，根据不同需要，常常运用不同合成方案的彩色合成，并找到一 个最佳方案，可以收到很好的效果。 (二)彩色摄影片生成原理 彩色摄影可以生成自然彩色航空摄影像片。 其处理方法主要是利用多层天然彩色胶片进 行彩色处理， 然后以减色法为基本原理生成彩色透明片或影像像片， 与黑白影像生成过程相 类似，也需要曝光、显影、定影这一系列处理过程。 彩色胶片最上面有一层保护层， 防止感光乳剂受破坏， 下面二层包围着片基， 片基是大约 0． 1 mm 左右的透明片。片基之上是底层，结合药膜和片基；片基之下是防光晕层，提高透明片 的观察效果。在保护层和底层之间主要是三层感光乳剂层。最上层乳剂叫盲色乳剂，对 O．34～0．5 0 μ m 感光，即只对蓝色光段感光，同时乳剂中含有黄色染料成色剂，它是一 种不扩散的无色物质，显影时与彩色乳剂中的氧化物发生作用，才生成染料颜色；中层乳剂 叫正色乳剂，对 0．3 4～O．5 9 μ m 感光，即只对蓝光和绿光段感光，同时乳剂中含有品 红染料成色剂；下层乳剂叫全色乳剂，对 0．3 4～0．6 8 μ m 感光，应该是对蓝、绿、红 光都感光，但在 O．5 2 μ m 附近有一感光度极小，因此对绿光不敏感，这一层乳剂中含有 青色染料成色剂。在上中层乳剂之间还有一层黄色滤光层，其作用是只透过黄光，黄和蓝是 补色，滤光片将蓝光吸收。这样上层对蓝光感光后，剩余蓝光不可能进入中层和下层，中层 就只对绿光感光，下层就只对红光感光了。因此，又称上、中、下层分别为感蓝层、感绿层 和感红层。 黄色滤光层在冲洗过程中可溶掉。 图 3． 1 3 a 是彩色胶片结构的简单示意； 图 3． 1 3 b 是各层的感光灵敏度曲线，感光峰值分别在蓝绿红波段。 天然彩色胶片可以生成透明片，对自然景物感光形成负片，或对负片感光形成正片。平时冲 印像片使用的彩色相纸，与天然彩色胶片基本相同，区别仅在于片基是不透明的纸基，这样 经过曝光、显影、定影等过程便成为平时常用的彩色照片了，彩色照片一般都是正片。 无论什么片基，彩色片中彩色的生成过程类似，如图 3．1 4 所示。图 3．1 4 a 是天然物体 经过摄影形成负片的过程。若把自然界物体的颜色简单划分为蓝、青、绿、黄、红、品红六 个色彩段， 再加上全黑和全白共八色， 基本上可以说明各种色彩生成的过程。 第一步是曝光，曝光是在各层乳剂上形成潜像中心，因为青光是蓝绿光的相加合成，黄光是红绿光相加，品 红光是红蓝光相加，因而感光时可以分层感光：含有蓝光的成分在感蓝层感光，含有绿光成 分在感绿层感光，含有红光的成分在感红层感光。白光因为由红绿蓝光组成，所以每一层都 被感光。第二步是显影过程，显影时金属银析出，而且凡感光的乳剂都出现其所含 成色剂的颜色， 未感光的部分不显示颜色。 显影时形成的染料浓度与卤化银还原成金属银的 密度成正比，即与感光的强弱成正比。第三步便是定影，把残留的卤化银和还原出的金属银 溶解掉，只留下染料部分。这样形成的三层染料构成了负片。 观察负片时，看到的颜色遵从减色法原理，相当于三个滤色片的叠合。品红和青形成蓝色， 黄、青形成绿色，黄、品红形成红色，黄、品、青全部通过时形成黑色。 图 3．1 4 b 中表现了使用负片在暗室中同样经过曝光、显影、定影生成正片的过程，除 胶片中感光乳剂分层次序不同外， 其原理与负片的生成完全相同。 负片中生成了原天然物体 颜色的补色，而正片又将补色再生成其补色，最后形成了与天然景物完全相同的色彩。正片 如果是胶片，可以做幻灯片，也可以做投影用的透明片，如果是彩色相纸就是彩色照片了。 (三)彩红外航摄像片生成原理 在航空摄影中，常常使用近红外彩色航摄像片，这种彩色胶片感光时将记录的波谱从 O.4μ m 延伸到 0.9μ m ，包含了以反射为主的近红外波段，可以较少受大气影响，得到更 丰富的信息和更鲜艳的色彩。图 3.15 表现了三层乳胶结构。 彩色红外胶片的结构与天然彩色胶片结构类似， 根本的区别在于三层感光乳剂的不同。 最 上层乳剂是感近红外层，对 0．7～O．9 μ m 部分较为敏感，对红、绿部分不敏感，这一 层含有青色染料成色剂；中层乳剂是感绿层，对 O．5～O．6 μ m 部分敏感，对绿光感光， 并含有黄色染料成色剂，下层是感红层，对 O．6～O．7 μ m 红光敏感，而对绿光不敏感， 这一层含有品红染料成色剂。图 3．1 6 是各层感光度的对数值变化曲线。 观察该图，发现虽然三层乳剂分别对近红外段、红光、绿光段感光度高，但在蓝光波段， 即约 0.4～O.5μ m 段，感光度都不低。为了阻断蓝光对其他光谱段的干扰，必须在照相机前 安装黄色滤光片，或以其他办法阻断蓝光射人胶片，以保证三层乳胶分别只对近红外、绿、 红三个波段感光。 近红外光本来是不可见的，但由于在感觉胶片上加入了成色剂，使其成为可见，胶片的 彩色便成为假彩色片而不是自然真实色彩的表现。 彩色胶片的生成过程如图 3.17， 以蓝、 绿、 红和近红外作为自然景物反射光的代表再加上白和黑， 白色的日光可以认为由蓝绿红和近红 外全部波段组成，当黄色滤光片吸收蓝色光段后，余下部分分别通过三层乳剂感光，并在显 影定影后呈现成色剂的颜色。最后根据减色法原理在负片上出现新的颜色。 由于成色剂不 再是感光颜色段的补色， 负片不再是原景物的补色， 而是黑色(无光照)和蓝色光均为白色(透 明)，绿、红、近红外段依次呈现黄、品、青色。 将彩红外片的负片冲洗正片时，使用普通彩色胶片，过程如图 3.14 b，正片中出现的色 调刚好是负片色调的补色。因此最终结果是绿色光段赋予蓝色，红色光段赋予绿色，近红外 光段赋予红色，而蓝光段被吸收成为黑色。 分析彩红外像片的生成过程可以发现， 彩红外片与卫星标准假彩色片对应波段赋予的颜色类 似。航空摄影时多使用彩红外航片。这种航片在解译时，与卫星标准假彩色片的解译标志也 十分相似。 §3．4 遥感光学处理简介 用光学的方法处理遥感影像，使其信息更加突出，更适合目视判读，是遥感数据处理的重要 途径之一， 在历史上曾发挥过重要作用。 近年来， 计算机硬件价格的降低和处理速度的提高， 计算机处理越来越普及， 数字化已成为趋势。 而光学处理由于对于仪器设备和处理环境要求 较高，还需要胶片、相纸、药品等多种消耗品，对处理人员的技术和经验要求也高，因此相对于计算机处理，光学处理使用者已经减少。对此本节只作简单介绍，使读者有所了解。 一、利用加色法或减色法实现彩色合成 (一)加色法彩色合成 根据加色法彩色合成原理，选用不同波段的正片或负片组合，进行彩色合成，是一种加 色法合成的实现过程，根据光学合成仪器类别可以分为以下几种方法。 合成仪法：将不同波段的黑白透明片分别放人有红、绿、蓝滤光片的光学投影通道中精 确配准和重叠，生成彩色影像的过程。 分层曝光法：利用彩色胶片有三层乳剂，使每一层乳剂依次曝光。依次使用红、绿、蓝 滤光片，对不同波段的透明片分三次或更多次对胶片或相纸曝光，使感红层、感绿层、感蓝 层依次感光。最后冲洗成彩色片。 彩色合成后效果的好坏主要取决于彩色合成方案的选取是否合理， 包括时相选择、 波段 选择、色调匹配等。这里需要较多的理论分析和经验的结合，在以后计算机处理的章节中有 更详细的分析。 (二)减色法彩色合成 利用减色法原理使白光经过多层乳剂或染料或滤色片等， 而反射或透射出来的合成彩色 是减色法彩色合成。根据不同的工艺和技术可以分为以下几种方法。 染印法：是一种使用特别浮雕片、接收纸和冲显染印药制作彩色合成影像的方法。染印 法合成是把三种浮雕片上的染料先后转印到不透明的接收纸上， 或分别转印在三张透明胶片 上重叠起来阅读。 印刷法：利用普通胶印设备，直接使用不同波段的遥感底片和黄、品红、青三种油墨， 经分色、加网、制版套印成的彩色合成图像。 重氮法：利用重氮盐的化学反应处理彩色单波段影像透明片，三种颜色重叠起来观察。 二、光学增强处理 有些特殊的处理技巧可以突出遥感影像上的某些专题信息， 这里介绍一种相关掩模处理 方法。 对于几何位置完全配准的原片，利用感光条件和摄影处理的差别，制成不同密度，不同 反差的正片或负片(称为模片)，通过它们的各种不同叠加方案改变原有影像的显示效果，达 到信息增强的目的。 这种处理可以把原先分辨不清或不够突出的目标突出出来， 把不必要的 信息变得不太清楚，以达到增强主题的目的。在处理时方法很多，常用的有以下几种： 改变对比度： 使用两张同波段同地区的负片或正片或负片正片结合合成， 当两影像反差不同 时，合成后可以改变对比度(增加或减小)。 显示动态变化：不同时期同一地区的正负片影像叠合掩模，当被叠合影像反差相同时， 凡密度发生变化的部分就是动态变化的位置，这种方法又可称之为比值影像法。 边缘突出：目的在于突出线性特征。先将两张相同反差的同一波段的正片和负片叠合， 叠合时药面相对重合并配准， 用直光照射， 再沿希望突出的线性特征的垂直方向使两张片子 错位。这样得到的透明片或相片上会在线性位置产生黑白条的假线状物，产生立体感，又可 称为浮雕法。浮雕片可以突出影像的边界轮廓，增强线状要素信息，提高目视解译的效果。 密度分层： 可以使一张全色底片将影像不同密度分级并加上不同彩色， 使影像细节获得增强。 方法是用一张全色底片制成曝光量不足、曝光量中等和曝光量过度或更多级别曝光量的底 片。选取不同的底片，用染印法或其他方法叠加合成一副彩色影像，这样制成的相片色彩鲜 艳，地物特征更加清晰。 专题抽取： 因为影像密度与物体类别不是一定对应， 密度分层不能解决物体类别提取问题。 有时利用相关掩模技术， 首先要仔细研究各类地物在不同波段的光谱特征差异和影像密度差异，然后利用密度差异选择不同密度阈值制作模片。然后通过不同波段的正负模片组合，相 互叠掩，使一些地物目标的反差为零，在影像上看不到，而另外的一些地物信息保留，这就 是专题抽取。通过每一次处理抽取不同的类别，最后用染印法套印在一起，成为一张彩色专 题图像。便于直观地从影像上读出地物类别的专题信息，有助于编制专题类型图。 还有其他特技处理拓宽了遥感影像的光学应用价值。 三、光学信息处理 利用光学信息处理系统，即一系列光学透镜按一定规律构成的系统，可以实现对输人 数据并行的线性变换， 适宜作二维影像处理， 在遥感光学处理中主要研究相干光学的处理过 程，较多地应用干涉和衍射知识。如光栅滤波方法可以实现图像的相加和相减，利用单色光 通过介质时的位相变化实现图像的假彩色编码， 可使单波段的影像彩色化。 在此不作深入介 绍。 第四章 传 感 器 传感器是获取地面目标电磁辐射信息的装置，它是遥感技术系统中数据获取的关键设备 任何类型的传感器，都由四个基本部件组成：? 收集器、探测器、处理器和输出器 §4.1 传感器的类型 遥感信息获取的关键是传感器 传感器的种类繁多，大致有如下几种类型： 1．按数据记录方式可分为成像方式传感器和非成像方式传感器两大类。非成像的传感 器记录的是地物的一些物理参数；在成像系统中，按成像原理又可分为摄影成像、扫描成像 等类型。 2．按传感器工作的波段可分为可见光传感器、红外传感器和微波传感器。从可见光到 红外区的光学波段的传感器统称光学传感器，微波领域的传感器统称为微波传感器。 3．按工作方式可分为主动传感器和被动传感器。被动式传感器接收目标自身的热辐射或反 射太阳辐射， 如各种摄像机、 扫描仪、 辐射计等； 主动式传感器能向目标发射强大的电磁波， 然后接收目标反射的回波，主要指各种形式的雷达，其工作波段集中在微波区。主动方式中 的非扫描、非图像方式与被动方式中的非扫描、非图像方式一样，它们不进行扫描，只是取 得飞行平台下目标物的点或线的信息。 雷达高度计就属于这种方式， 扫描方式是对与飞行平 台的行进方向成直角的方向上进行扫描， 从而得到地表的二维图像的遥感方式， 其代表有合 成孔径雷达等。 成像传感器是目前最常见的传感器类型，其分类如图 4.2 所示。传感器的性能表现在多方面， 其中最具实用意义的指标是传感器的分辨率。 分辨率是遥感技 术及其应用中的一个重要概念， 也是衡量遥感数据质量特征的一个重要指标。 它包括空间分 辨率、时间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率。 一、空间分辨率 空间分辨率是指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小， 是用来表征影像分 辨地面目标细节能力的指标。通常用像元大小、像解率或视场角来表示。 像元(pixel)是指将地面信息离散化而形成的格网单元，单位为米，如图 4．3 所示，图 中正方形的每一个单元网格代表一个像元。像元大小与遥感影像空间分辨率高低密切相关， 像元越小空间分辨率越大。 像解率(photograghic resolution)是用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细线的 条数来表示，单位为线／毫米或线对／毫米。 视场角(field of view，FOV)是指传感器的张角即瞬时视域，又称为传感器的角分辨率。 对于现代的光电传感器图像， 空间分辨率通常用地面分辨率和影像分辨率来表示。 地面 分辨率定义为影 图 4．3 像元示意图像能够详细区分的最小单元(像元)所代表的地面实际 尺寸的大小。 对于某特定的传感器地面分辨率是不变的定值。 印制出来的遥感影像的比例尺可以放大 或缩小，地面分辨率在不同的比例尺的具体影像上的反映，称为影像分辨率，它会随影像比 例尺的变化而变化。只有当生成硬拷贝遥感像片时，才使用影像分辨率。计算机荧屏上的影 像没有影像分辨率之说。 例如，陆地卫星上的传感器 TM 的地面分辨率为 3 O m×3 O m，在 l：1 O 万图像上， 其影像分辨率则为 O．3 mm。因此，影像分辨率随影像比例尺的不同而变化。 二、光谱分辨率 光谱分辨率是指传感器所能记录的电磁波谱中， 某一特定的波长范围值， 波长范围值越 宽，光谱分辨率越低。例如，MSS 多光谱扫描仪的波段数为 5(指有 5 个通道)，波段宽度约 为 1OO～2OOOnm；而成像光谱仪的波段数可达到几十甚至几百个波段，波段宽度则为 5～ 10nm。一般来说，传感器的波段数越多，波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识 别， 针对性越强。 成像光谱仪所得到的图像在对地表植被和岩石的化学成分分析中具有重要 意义， 因为高光谱遥感能提供丰富的光谱信息， 足够的光谱分辨率可以区分出那些具有诊断 性光谱特征的地表物质。对于特定的目标，选择的传感器并非波段越多，光谱分辨率越高，效果就越好，而要根 据目标的光谱特性和必需的地面分辨率来综合考虑。 在某些情况下， 波段太多， 分辨率太高， 接收到的信息量太大，形成海量数据，反而会“掩盖&地物辐射特性，不利于快速探测和识别 地物。所以要根据需要，恰当地利用光谱分辨率。 三、时间分辨率 对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，称为遥感图像的时间分辨率， 它能提供地物动态变化的信息， 可用来对地物的变化进行监测， 也可以为某些专题要素的精 确分类提供附加信息。时间分辨率包括两种情况，一种是传感器本身设计的时间分辨率，受 卫星运行规律影响，不能改变；另一种是根据应用要求，人为设计的时间分辨率，它一定等 于或小于卫星传感器本身的时间分辨率。 根据回归周期的长短，时间分辨率可分为三种类型： (1)超短(短)周期时间分辨率，可以观测到一天之内的变化，以小时为单位。 (2)中周期时间分辨率，可以观测到一年内的变化，以天为单位。 (3)长周期时间分辨率，一般以年为单位的变化。 四、温度分辨率 温度分辨率是指热红外传感器分辨地表热辐射(温度)最小差异的能力。它与探测器的响 应率和传感器系统内的噪声有直接关系，一般为噪声等效温度的 2～6 倍。为了获得较好的 温度鉴别力，红外系统的噪声等效温度限制在 0.1～0.5K 之间，而使系统的温度分辨率达到 O.2～3.0K。目前，TM6 图像的温度分辨率可达到 0.5 K。 光学成像类型传感器主要包括框幅式摄影机、 缝隙摄影机、 全景摄影机以及多光谱摄影机几 种类型 二、缝隙摄影机 缝隙摄影机又称推扫式摄影机或航带摄影机。 在飞机或卫星上， 摄影瞬间所获取的影像， 是与航线方向垂直且与缝隙等宽的一条线影像。 这是由于在摄影机焦平面前方放置一开缝的 挡板，将缝隙外的影像全挡去的缘故，如图 4．5。当飞机或卫星向前飞行时，摄影机焦平 面上与飞行方向成垂直的狭缝中的影像也连续变化。 如果摄影机内的胶片也不断地卷动， 且 其速度与地面在缝隙中的影像移动速度相同，则能得到连续的航带摄影像片。 这种摄影机不是一幅一幅地曝光，而是连续曝光，因此不需要快门。胶片卷动速度 V 与飞行速度υ 和相对航高 H 有关，以期得到清晰的影像。其关系式为 V＝υ ×f／H 式中，f 为焦距。 当飞机航速与胶片卷绕速度不匹配时，影像会产生仿射畸变 三、全景摄影机 全景摄影机又称扫描摄影机或摇头摄影机，其结构如图 4．7 所示。它是在物镜焦面上 平行于飞行方向设置一狭缝，并随物镜作垂直于航线方向扫描，得到一幅扫描成的图像，因 此称扫描成像机， 又由于物镜摆动的幅面很大， 能将航线两边的地平线内的影像都摄入底片， 因此又称它为全景摄影机。 全景摄影机的特点是焦距长， 有的达 6OOmm 以上。 其幅面大， 可在长约 23cm， 宽达 128cm 的胶片上成像。它的精密透镜既小又轻，扫描视场很大，有时能达 180°。这种摄影机是利 用焦平面上一条平行于飞行方向的狭缝来限制瞬时视场， 因此， 在摄影瞬间得到的是地面上 平行于航迹线的一条很窄的影像。当物镜沿垂直于航线方向摆动时，就得到一幅全景像片。 这种摄影机的底片呈弧状放置，当物镜扫描一次后，底片旋进一幅。由于每个瞬间的影像都 在物镜中心一个很小的视场内构像， 因此每一部分的影像都清晰， 像幅两边的分辨率明显提 高。但由于全景相机的像距保持不变，而物距随扫描角的增大而增大，因此出现两边比例尺逐渐缩小的现象，整个影像产生所谓全景畸变。再加上扫描的同时，飞机向前运动，以及扫 描摆动的非线性等因素，使影像的畸变更为复杂。图 4．8 为地面上为正方形格网时，全景 像片上畸变后的形状。图 4．9 是用全景摄影机拍摄的航空像片，能直观地看到这种全景畸 变的实际现象。 四、多光谱摄影机 对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机，称为多光谱摄影机。采用多光谱 摄影的目的， 是充分利用地物在不同光谱区有不同的反射这一特征， 来增多获取目标的信息 量，以便提高影像的判读和识别能力。 在一般摄影方法的基础上，对摄影机和胶片加以改进，再选用合适的滤光片，即可实现 多光谱摄影。根据其结构特点，可以分为三种基本类型：多镜头型、多摄影机型和光束分离 型 (一)多摄影机型多光谱摄影机 这种多光谱摄影机是用几架普通的航空摄影机组装而成的， 对各摄影机分别配以不同的 滤光片和胶片的组合，采用同时曝光控制，以进行同时摄影。 (二)多镜头型多光谱摄影机 多镜头型多光谱摄影机是由多个物镜构成的摄影机。它是用普通航空摄影机改制而成 的，在一架摄影机上配置多个镜头，如三镜头、六镜头和九镜头，同时必须选配相应的滤光 片与不同光谱感光特性的胶片组合， 使各镜头在底片上成像的光谱， 限制在规定的各自的波 段区内。 胶片的种类共六种，如图 4．1 2 所示：(a)分色片；(b)全色片；(c)全色红外片；(d)红外 片；(e)彩色三感光层的光谱感光特性；(f)彩色红外片三感光层的光谱感光特性。 滤光片仅有两种：一种是光谱滤光片或称带通滤光片，入射的电磁波，被限制在某一个谱 段透过滤光片(图 4． 1 3 a)。 另一种为止带滤光片， 透过滤光片的电磁波在某一波长处截止(图 4．1 3 b)。 进行多光谱摄影时，胶片和滤光片组合方法有两种：一种可以根据设计的多光谱波段，选用 相应的光谱滤光片， 并选用适当的胶片； 另一种方法是利用止带滤光片与胶片组合来分波段。 多镜头型和多摄影机型的多光谱摄影机在使用时，必须注意的事项如下： １.快门的同步性要好； ２.各物镜的光轴必须严格平行； 3．不同波区的光照度不同，并且胶片的光谱感光度不同，因此应事先确定各波段的最佳曝 光时间； 4．由于不同波长的光，聚焦后的实际焦面位置不同，须校正摄像机使各成像面在成像 最清晰的位置上。 (三)光束分离型多光谱摄影机 这种摄影机是利用单镜头进行多光谱摄影。在摄影时，光束通过一个镜头后，经分光 装置分成几个光束，然后分别透过不同的滤光片，分成不同波段，在相应的感光胶片上成 像，实现多光谱摄影。 其摄影方式有两种。一是在物镜后面加一些分光装置，使光束分离如图 4．1 4 所示。利用半透明的平面镜，将光线分解成三个光束，分别通过红、绿、蓝三个滤光 片，在底片上曝光成像。还可以分成五个、六个光束，分别称为五分光束摄影机、六分光束 摄影机等。同时，需选取不同光谱段的滤光片和相应的摄影感光负片。二是利用响应不同波 段的多感光层胶片进行多光谱摄影。 经摄影处理的胶片， 可以得到一张合成了的多光谱像片， 即人们所熟悉的彩色摄影和彩红外摄影。 §4．4 光电成像类型的传感器光电成像类型的传感器与前面所讲的光学摄影类型的传感器的差别很大。 光学摄影类型的传 感器是将收集到的地物反射光在感光胶片上直接曝光成像， 而光电成像类型的传感器是将收 集到的电磁波能量，通过仪器内的光敏或热敏元件(探测器)转变成电能后再记录下来。光电 成像类型传感器比光学摄影机更加实用，其优点有两个：一是扩大了探测的波段范围，二是 便于数据的存储与传输，航天遥感探测多用这类传感器。 光电成像类型的传感器主要有：电视摄像机、扫描仪和电荷耦合器件 CCD。其中，多 光谱扫描仪和 CCD 应用最为广泛，尤其是长线阵大面阵 CCD 传感器，它的地面分辨率高 达 l m 左右，为遥感图像的定量研究提供了保证。下面主要介绍这三种类型的传感器。 一、电视摄像机 电视摄像机体积较小，重量较轻，影像是由电子记录的，即使在低照明的条件下也能工 作。 这类传感器是从空中观测地面或从空间观测地球的常用的传感器， 并具有较高的分辨率。 利用它能够比较容易地获得可靠的地面遥感数据。 电视摄像机的基本工作原理是： 地面上的景物通过物镜在摄影管的光阴极上成像， 并形 成一定格式的电荷， 用电子束扫描光阴极， 通过光电转换， 记录在胶片上， 以影像方式输出， 其分辨率大致取决于光阴极的尺寸及读出光阴极上的电荷格式所采用的电子秉特征。 从几何成像原理上看，电视摄像机是一种面阵列式传感器，与面阵列 CCD 传感器的成 像几何关系相同。 电视摄像机虽有许多优点， 但每张像片的覆盖度和分辨率还是不如其他摄影机。 早期的 气象卫星采用了光导摄像机。 在陆地卫星上的电视摄像机要求有较高的空间分辨率， 又要求 能在照明条件比气象卫星还要差的情况下工作，为此，采用了反束光导管摄像机，它是由光 学透镜、快门、反束光导摄像管组成的。Landsat 一 1、2 上装有三台反束光导管摄像机，分 别拍摄不同光谱通道的 I 司一景物。Landsat 一 3 改用两台长焦距全色反束光导管摄像机。 从 Landsat 一 4 以后卫星上都不再使用。 二、扫描仪 扫描仪也是一种成像传感器， 但是它的输出信号不直接是影像， 而是电信号， 便于传送、 记录、分析和处理，并可经过处理转换成影像或磁带。由于摄影系统受到本身结构和感光胶 片光谱响应范围等的限制， 故与摄影系统相比， 扫描仪的工作波谱范围比摄影胶片要宽得多， 扫描是逐点、逐行地以时序方式获取的二维图像，其感测的过程是可逆的，即探测器在感测 过程中并不消耗能量，而且所获得的数据是定量的辐射量数据，便于校正；可同时收集几个 不同波段通道的数据资料。 扫描仪可应用于红外波段的成像， 也用于从近紫外到红外范围内 的多波段扫描成像。 (一)红外扫描仪 红外扫描仪是对被测的目标物自身的红外辐射进行扫描成像或显示的一种仪器。 它是把 目标的热辐射变成探测器的一种电信号， 然后用磁带记录这些信号并通过阴极射线管回收图 像的一种扫描仪。 在航空遥感中常用的红外扫描仪是利用光学系统的机械转动和飞行器向前飞行的两个 方向相互垂直的运动， 形成对地物目标的二维扫描， 逐点将不同目标物的红外辐射功率会聚 到能将其能量转变成电信号的光电转换器件――红外探测器上。 电信号通过放大处理后记录 下来，记录的方式或在显像管上显示或经过电光能转换器件把电信号在普通全色胶片上成 像，亦可记录在模拟磁带上 由于地面分辨率随扫描角发生变化， 而使红外扫描影像产生畸变， 这种畸变也称之为全景畸 变，其形成的原因与全景摄影机类似。同时，红外扫描仪还存在一个温度分辨率的问题，温 度分辨率与探测器的响应率和传感器系统内的噪声有直接关系。为了获得较好的温度鉴别 力，红外系统的噪声等效温度限制在 O．1～0．5 K 之间。热红外像片上的色调深浅与地物的温度、 发射能力密切相关。 地物发射电磁波的功率与 地物的发射率成正比， 与地物温度的四次方成正比， 因此图像上的色调也与这两个因素成相 应关系。可以说，热红外扫描仪对温度比对发射本领的敏感性更高，因为它与温度的四次方 成正比，温度的变化能产生较高的色调差别。 (二)多光谱扫描仪 在红外扫描仪基础上发展起来的多光谱扫描仪， 其波长范围已超出了红外波段， 包括电 磁波谱中的紫外、 可见光和红外三个部分。 多光谱扫描仪根据大气窗口和地物目标的波谱特 性， 用分光系统(棱镜或光栅等)把扫描仪的光学系统所接收的电磁辐射(从紫外、 可见光到红 外)分成若干波段，目前已有 4 个波段到 2 4 个波段的扫描仪。 多光谱扫描仪主要由两个部分组成： 机械扫描装置和分光装置。 它是由扫描镜收集地面 目标的电磁辐射， 通过聚光系统把收集到的电磁辐射会聚成光束， 然后通过分光装置分成不 同波长的电磁波，它们分别被一组探测器中的不同探测器所接收，经过信号放大，然后记录 在磁带上，或通过电光转换后记录在胶片上 用多光谱扫描仪可记录地物在不同波段的信息， 因此不仅可根据扫描影像的形态和结构识别 地物， 而且可用不同波段的差别区分地物， 为遥感数据的分析与识别提供了非常有利的条件。 它常用于收集植被、土壤、地质、水文和环境监测等方面的遥感信息。 多光谱扫描仪是卫星遥感技术中采用最多的传感器类型。 Landsat 一 1、 2 上携带的 MSS 多光谱扫描仪有 4 个波段，在 Landsat 一 3 上的 MSS 增加了一个 1 0．4～1 2．6 肛 m 的热 红外波段，Landsat 一 4、5 上携带的传感器是一个高级的多波段扫描型的地球资源敏感仪器 ――TM，与 MSS 多波段扫描仪的性能相比，它具有更高的空间分辨率，更好的波谱选择性 及几何保真度，更高的辐射准确度和分辨率。Landsat 一 7 上携带的传感器是 ETM+，其性 能得到进一步的改进。另外，气象卫星如 NOAA 的传感器 AV H RR 亦属于多光谱扫描仪。 有关此方面内容将在第六章详细介绍。 三、CCD 传感器 用一种称为电荷耦合器件 CCD(charge coupl ed device)的探测器制成的传感器称为 CCD 传感器。这种探测器是由半导体材料制成的，在这种器件上，受光或电激作用产生的电荷靠 电子或空穴运载，在固体内移动，以产生输出信号。将若干个 CCD 元器件排成一行，称为 CCD 线阵列传感器。 法国 SPOT 卫星使用的传感器 HRV 就是一种 CCD 线阵传感器， 其中全色 HRV 用 6000 个 CCD 元器件组成一行。将若干个 CCD 元器件排列在一个矩形区域中，即可构成面阵列 传感器，每个 CCD 元器件对应于一个像元素。目前，长线阵、大面阵 CCD 传感器已经问 世，长线阵可达 12OOO 个像元素，长为 96mm；大面阵可达到 512O×5120 个像素，像幅 为 61.4mm×61.4mm。每个像元素的地面分辨率可达到 2～3m，甚至 1m 以上。 面阵列 CCD 传感器获取图像的方式如图 4.17 所示，它与框幅式摄影机相似，某一瞬间 获得一幅完整的影像， 因而是一个单中心投影， 其构像关系可直接使用框幅式中心投影的航 空像片的构像关系式。 线阵列传感器获取图像的方式如图 4.18 所示，线阵列方向与飞行方向垂直，在某一瞬间得 到的是一条线影像，一幅影像由若干条线影像拼接而成，所以又称为推扫式扫描成像。这种 成像方式在几何关系上与缝隙摄影机的情况相同 §4．5 成像光谱仪 成像光谱仪是新一代传感器，在 2 O 世纪 80 年代初正式开始研制。研制这类仪器的主要目 的是想在获取大量地物目标窄波段连续光谱图像的同时，获得每个像元几乎连续的光谱数 据，因而称为成像光谱仪。目前成像光谱仪主要应用于高光谱航空遥感，在航天遥感领域高 光谱也开始应用。它的种类很多，工作原理各不相同。常见的一些成像光谱仪的主要性能见表 4．1。 成像光谱仪按其结构的不同， 可分为两种类型。 一种是面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光 谱仪(图 4． 1 9)， 它利用线阵列探测器进行扫描， 利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描， 利用线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。 另一种是用线阵列探测器加光机扫 描仪的成像光谱仪(图 4．2 0)，它利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波 段， 分别在线阵列探测器的不同元件上， 通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿 轨道方向的运动完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描 成像光谱仪数据具有光谱分辨率极高的优点，同时由于数据量巨大，难以进行存储、检索和 分析。为解决这一问题，必须对数据进行压缩处理，而且不能沿用常规少量波段遥感图像的 二维结构表达方法。 图像立方体就是适应成像光谱数据的表达而发展起来的一种新型的数据 格式， 它是类似扑克牌式的各光谱段图像的叠合。 立方体正面的图像是一幅自己选择的三个 波段图像合成，它是表示空间信息的二维图像，在其下面则是单波段图像叠合；位于立方体 边缘的信息表达了各单波段图像最边缘各像元的地物辐射亮度的编码值或反射率， 这种图像 表示形式亦称为影像立方体。 从几何角度来说，成像光谱仪的成像方式与多光谱扫描仪相同，或与 CCD 线阵列传感 器相似，因此，在几何处理时，可采用与多光谱扫描仪和 CCD 线阵列传感器数据类似的方 法。但目前，成像光谱仪只注重提高光谱分辨率，其空间分辨率却较低(几十甚至几百米)。 正是因为成像光谱仪可以得到波段宽度很窄的多波段图像数据， 所以它多用于地物的光谱分 析与识别上。特别是，由于目前成像光谱仪的工作波段为可见光、近红外和短波红外，因此 对于特殊的矿产探测及海色调查是非常有效的， 尤其是矿化蚀变岩在短波段具有诊断性光谱 特征。}