城市遥感物理基础

1．1　城市遥感物理基础

遥感作为一门科学技术是随着摄影技术和空间荷载技术的发展而发展起来的。1910年怀特第一次成功地从飞机上拍摄了意大利Centocelli地区的航空像片，从此便开始有了航空遥感。1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星，3个月后美国也发射了一颗人造地球卫星，航天遥感便拉开了竞争的序幕。空间技术、无线电电子技术、光学技术、传感器技术、计算机技术以及现代通信技术的发展，客观上了推动了遥感技术的飞速发展。伴随着遥感技术在城市各领域的应用推广和普及，城市遥感作为一门应用技术，便应运而生了。

本节将介绍城市遥感物理基础，包括电磁波与电磁波谱的概念、太阳辐射和大气对电磁波传输过程的影响、地物的波谱特征、遥感传感器、遥感影像等基本概念。

1．电磁波与电磁波谱

在真空中或介质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波叫做电磁波，如光波、热辐射波、微波、无线电波等。电磁波是空间传播的交变电磁场，是能量的一种动态形式。从客观上讲，凡是温度高于绝对零度(－273℃)的物体都在发射电磁波。各种类型的电磁波，由于波长范围不同，性质也有很大差别，因此常将电磁波谱划分成若干波段。按照在真空中的波长或频率依顺序将电磁波划分成不同的波段，排列成谱即为电磁波谱，参见图1-1。依波长顺序可分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线与无线电波(或称射电波)。无线电波又可进一步细分成微波、超短波、短波和长波。红外线有时也细分为近红外线、远红外线与次毫米波。

图1-1　电磁波谱

电磁波是取得遥感影像的物理基础，遥感器是通过探测或者感测电磁波谱的不同波段的发射、反射辐射能级而成像的，遥感采用的电磁波可以从紫外波段一直延伸到微波波段。

2．太阳辐射和大气对电磁波传输过程的影响

太阳是巨大的电磁辐射源，表面温度高达6000K，是地球能量的主要来源，也是遥感技术的主要能源。太阳辐射包括了整个电磁波波谱范围，可见光和红外两部分的辐射通量(单位时间传送的能量)占太阳总能量的90%以上，紫外线、X射线和无线电波段在太阳电磁辐射总通量中占的比例很小。到达地球大气上界的太阳电磁辐射大小主要取决于日地距离和太阳高度角的变化。

由于太阳辐射在到达地面之前要穿过大气层，其能量有一部分被大气吸收，一部分被大气散射，还有一部分被云层反射，大气对太阳辐射中不同波长辐射的吸收和散射的多少是不一样的，所以太阳辐射穿过大气到达地表时，不仅其能量被衰减，而且光谱成分也发生了变化。吸收太阳辐射的主要成分是水蒸气、臭氧和二氧化碳，而这些成分都吸收紫外线，因此在遥感技术中很少应用紫外线。

电磁波透过地球大气时，其衰减强度随波长不同而异。大气对电磁波的某些波段的衰减作用较小，电磁波透过率较高，这些电磁波波段称为大气窗口。遥感技术的重要课题之一，就是研究和选择有利的大气窗口，以便最大限度地接收有用信息。可见光窗口最透明，即透过率最高，对遥感最为有利。

3．地物的波谱特征

地物除了自身有一定温度外，还有因吸收太阳光等外来能量而受热增温的现象，一般地物的温度都会高于绝对零度，都会发射电磁波。在同一时间、空间条件下，地物发射、反射、吸收和折射电磁波的特性是波长的函数，当我们将这种函数关系用曲线形式表现出来时，就形成了地物电磁波波谱，简称地物波谱，不同的地物具有不同的波谱曲线形态。城市遥感应用研究的一个重要内容，就是要定量研究城市各类典型地物的波谱特性，并通过对城市地物的波谱特性分析，用于城市地物的解译、特征提取、三维重建、变化检测和污染监测等具体的应用。遥感技术中常用的波谱段如表1-1所示。

不同地物有不同的反射率。同一地物在不同的波谱段有不同的波谱反射率。地物的波谱反射率随波长变化的规律称为地物反射波谱特性。地物不同，反射波谱特性也不同。地物反射波谱特性是遥感影像解译的重要依据。图1-2为水体的反射光谱。

表1-1　　　　　　遥感技术使用的电磁波分类名称和波长范围

图1-2　水体的反射光谱

地物的发射率与其表面状态、温度、类别等因素有关，地物发射率随波长变化的规律称为地物发射波谱。一般而言，同一物体的发射率随其自身温度不同而异。

城市中的地物大多属于人工目标，如建筑物、城市道路、城市水体、城市绿地等，研究这些地物特有的波谱特征和影像特征是城市遥感技术的基础工作之一。

4．遥感传感器

遥感传感器是收集、量测和记录地物辐射电磁波特性的仪器，也是获取遥感影像数据的工具。通常由收集系统、探测系统、信号处理系统和记录系统四部分组成。遥感传感器分为主动式和被动式两大类，在第2章中重点介绍。

5．遥感影像

遥感影像是地面物体反射或发射电磁波特征的记录，是地面景物真实、瞬间的写照。由于成像时采用的传感器不同、工作的电磁波波段不同、遥感平台不同、应用目的不同，形成了多种遥感影像，它们在城市遥感中的应用范围也各不相同。

航天遥感影像主要是由各种卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器所载之传感器获得的。为了便于数据传输，通常将接收到的地面物体辐射信息等记录于数据磁带上，以实时或延时方式发送回地面。各地面站将接收到的数据经回放及纠正等处理后，得到各种可视图像产品。航天遥感影像可以分为多光谱扫描仪(multi-spectral scanner，MSS)影像、专题制图仪(thematic mapper，TM)影像、推扫式扫描仪(HRV)影像等。

航空遥感影像包括黑白及彩色影像、黑白及彩色红外影像、多光谱影像、热红外扫描影像、机载侧视雷达影像等。