《高光谱遥感信息获取》王建宇，李春来著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《高光谱遥感信息获取》

【作　者】王建宇，李春来著

【丛书名】高光谱遥感科学丛书

【页 数】 345

【出版社】 武汉：湖北科学技术出版社 , 2021.06

【ISBN号】978-7-5352-9817-1

【价 格】298.00

【分 类】遥感图像-图像处理

【参考文献】 王建宇，李春来著. 高光谱遥感信息获取. 武汉：湖北科学技术出版社, 2021.06.

图书封面：

图书目录：

《高光谱遥感信息获取》内容提要：

本书是一本关于高光谱遥感信息获取原理、仪器设计理论和方法和信息处理方法的著作，围绕高光谱遥感信息获取，系统性归纳总结了相关的理论基础、原理、仪器整体设计、光学系统原理和设计、电子学系统设计、仪器定标和检测、数据压缩、数据定量化处理等内容。

《高光谱遥感信息获取》内容试读

第1章高光谱遥感的基本原理和物理基础

遥感，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。高光谱遥感是遥感科学与技术的重要分支。高光谱分辨率遥感是在电磁波谱的可见光、近红外、短波红外、中红外和热红外波段范围内，获取许多非常窄的光谱连续的影像数据的技术(Lillesand et al..,2000)。一般的成像光谱仪可以收集到成百上千个非常窄的光谱波段信息。高光谱遥感始于20世纪80年代，经过30多年的蓬勃发展，已硕果累累，但也存在

一些问题。本章介绍了高光谱遥感相关的基本原理和物理基础，并简述了高光谱遥感发展历史及存在的问题。

1.1高光谱遥感的物理基础

1.1.1光谱的本质

光谱，顾名思义，可以解释为将光的某些度量（如能量、反射率、发射率等）按波长（或频率)大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。通过光谱来研究光与物质之间的相互作用，可以探知物质的物理化学特性。在光谱学领域，按照产生光谱的基本微粒不同，光谱可以分为原子光谱和分子光谱：按照光与物质的作用形式，光谱一般可分为吸收光谱、发射光谱和散射光谱：按照光谱的形式，光谱可以分为线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子，由一些不连续的亮线组成：带状光谱主要产生于分子，由一些密集的某个波长范围内的光组成：连续光谱则主要产生于白炽的固体、液体或高压气体受激发发射电磁辐射，由连续分布的一切波长的光组成。

1.1.1.1紫外可见吸收光谱

紫外可见吸收光谱(200~800nm)是由价电子能级的跃迁而产生，一般电子能级的间隔

。1。

G高光谱遥感信息获取

为1~20V,恰好落在紫外和可见光谱段。物质受到紫外可见光谱段光照射的时候，分子中

某些价电子吸收一定波长的辐射，从较低能量的基态跃迁到较高能量的激发态，产生紫外可见吸收光谱。分子所吸收的能量不是任意的，而是两能级能量差的整数倍。

除了电子能级的变化之外，分子吸收能量也伴随着分子的振动和转动。也就是说，在电子发生跃迁的同时，发生分子振动能级和转动能级的跃迁。分子的振动和转动跃迁也是量

化的或者说是非连续的。此时，分子整体的能量变化（△E)为各个变化量之和：

△E=△E。+△E,十△E,

(1.1)

其中，电子跃迁能级变化为1~20eV;分子振动跃迁能级变化为0.05~1eV:分子转动跃迁

能级变化小于0.05V。可见，电子跃迁能级变化要远大于分子振动和转动跃迁能级变化，

前者是后者的1~2个数量级。这样，在发生电子跃迁时，伴随有分子振动和转动跃迁，就会形成带状光谱。不同物质具有不同的分子能级能量或能量变化各异，这会导致不同分子吸收特征不同，形成不同的光谱

1.1.1.2红外吸收光谱

红外吸收光谱(0.75~1000um)主要由分子振动和转动能级的跃迁而产生。而且一般情况下，红外光谱是分子振动与转动的加和表现，因此，红外光谱也称为振转光谱。另外，红外光谱中，不同波长的能级跃迁类型也略有差异（表1.1）。

表1.1红外光谱段能级跃迁类型（柯以侃等，1998）

波长(m)

波数(cm)

能级跃迁类型

0.75~2.5

13300~4000

分子化学键振动的倍频和组合频

2.525

4000~400

化学键振动的基频

25~1000

40010

骨架振动、转动

物质分子吸收红外辐射之后，要发生振动和转动能级跃迁需要满足两个条件：①红外辐

射光子具有的能量等于分子振动能级的能量差（△E);②分子振动时必须伴随着偶极矩的变

化，没有偶极矩变化的分子振动非红外活性振动。

根据量子力学可以得出，双原子分子振动频率的计算方法为

1

y=2元N4(Hz)

(1.2)

1

0=2πcN4(cm)

(1.3)

其中，以为折合质量，其大小为m1m2/(m1十2)，m1和2分别为两个原子的质量：k为键力常数；c为光速。

为了解释光与物质相互作用产生光谱的物理机制，物理学家建立了多种理论模型，如刚性转子、简谐振子、非刚性转子、非简谐振子、转动模型，及多原子分子振动、转动模型等。关于这些理论模型的详细介绍，读者如有兴趣可参考分子光谱相关书籍。

·2

「第1章高光谱遥感的基木原理和物理基础1

可以用峰数、峰位、峰形和峰强来描述红外光谱的特征。红外光谱可以更加精细地表征分子结构特征，通过红外光谱的峰位、峰数和峰强可以确定分子基团和分子结构。除了单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均产生红外吸收。因此，红外光谱经常被用于有机物的识别和分子结构的解析。

1.1.1.3拉曼光谱

拉曼(Raman)光谱是一种散射光谱。1928年拉曼实验发现，光穿过透明介质时，被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射。这种波长发生偏移的光谱就是拉曼光谱。光谱中常常出现一些尖锐的峰，是某些非特定分子的特征。拉曼效应可以用能级表达。如

一绿色光子使分子能量从基态跃迁到激发态，激发态是分子的不稳定能态，分子将立即发射

一光子从激发态回到基态。如果分子发射的光子具有与入射光子相同的能量、相同的波长，那么，没有能量传递给分子，称之为瑞利(Rayleigh)散射：如果分子回到较高的能级，与入射光相比，发射光的光子就会有较小的能量，波长较长，结果分子的振动能级增加，称之为斯托克斯(Stokes)-拉曼散射：如果分子回到较低的能级，与入射光相比，发射光的光子就会有较大的能量，波长较短，结果分子的振动能级减少，称之为反斯托克斯-拉曼散射。一般来说，拉曼散射常指斯托克斯-拉曼散射。拉曼散射的强度可以表示为

k=装5×e5×o.)+7xY门

(1.4)

(1一e行)

其中，c为光速；h为普朗克常量；I1为激发光强度；N为散射分子数；y为分子振动频率；为激发频率；：为折合质量；k为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；a。为计划率张量的平均值不

变量；Y。为极化率张量的有向性不变量。拉曼散射强度正比于被激发光照射到的分子数量，

这是拉曼散射用于定量分析的基础，不过，增加入射光强度或使用波长较短的入射光照射分子也可以增强拉曼散射强度。

1.1.1.4荧光光谱

物体经过较短波长的光照，把能量储存起来，然后缓慢放出波长较长的光，放出的这种光就叫荧光。荧光产生过程包括激发和去活化两个阶段。当物质吸收了一定波长光的辐射之后，分子中的电子由原来的基态跃迁至激发态的不同振动能级，这一过程称为激发。激发态分子处于不稳定状态，可以通过辐射跃迁和非辐射跃迁等分子内的去活化过程失去多余的能量，并返回基态，辐射跃迁去活化过程发生光子的发射。由第一电磁激发态单重态所产生的辐射跃迁称为荧光：而由最低的电子激发态三重态所产生的辐射跃迁称为磷光。

不同激发波长的辐射引起的物质发射某一波长荧光的相对效率称为荧光激发光谱。使激发光的波长和强度保持不变，扫描并检测各种波长下相应的荧光强度得到的光谱称之为荧光发射光谱。荧光光谱特征：①斯托克斯位移，在溶液荧光光谱中，所观察到的荧光的波长总是大于激发光的波长，这种波长的移动称为斯托克斯位移：②荧光发射光谱的形状与激发波长无关；③与吸收光谱的镜像关系，可以用弗兰克-康登(Frank-Condon)原理来解释。荧光发射过程

·3·

G高光谱遥感信息获取

K

是光吸收的逆过程，荧光发射光谱与吸收光谱有类似镜像的关系。但是，当激发态的构型与基态的构型相差很大时，荧光发射光谱将明显不同于该物质的吸收光谱。荧光在瞬间激发后的某个时间，荧光强度达到最大值，随后其强度按指数规律下降，可以表示为

I=Ioe#

(1.5)

其中，I。为激发时最大荧光强度：I,为时间t时刻的荧光强度；k为衰减常数。荧光强度衰减为初始轻度的1/e所需要的时间称为荧光寿命。

1.1.2高光谱遥感的基本概念与物理定律

1.1.2.1基本概念

1.电磁波谱

变化的电磁场在空间以一定的速度传播，就形成了电磁波。电磁波的传播不依赖任何介质，并且在真空中均以同一速度即光速传播。电磁波的范围很广，但其本质类似，都遵循基本波动定律，由于频率（波长）的不同会展现出独特的性质。电磁波谱主要包括无线电波、

红外线、可见光、紫外线、X射线、Y射线等。按照电磁波在真空中传播或频率递增或递减顺

序排列，就构成了电磁波谱，如图1.1所示，一般来说电磁波谱没有严格的界限划分。

→频率增大(y)

10410210101010410210°1010°1010210°v(Hz)

Y射线

X射线红外线微波FM FM

长波无线电

线

无线电波

10610410-210910i06i0410210102101010a(m)

波长变长（入）·

可见光波谱

■■■

400

500

600

700

波长(nm)

图1.1电磁波谱图

人眼所敏感的电磁波频率为4.3×10~7.5×10“Hz,因此这一频带称为电磁波频谱的可见光区。位于频谱中紫光边缘之外的波称为紫外线，比频谱红端的最低可见光频率还低但又高于3×1012Hz的波称为红外线。紧接着红外部分的是微波，它的频率范围为3×100~3×1012Hz。与行星大气中辐射能量传输有关的最重要的谱区位于紫外和微波之间。

X射线频率为3×1016~3×1018Hz,紧接频谱中的紫外线区；Y射线频率最高，由3×109Hz向上延伸；无线电波频率最低，由3×105Hz向下延伸。

4

AA

【第1章高光谱遥感的基木原理和物理基础！

电磁波波长和频率有如下关系：

A=c

(1.6)

其中，c代表真空中的光速；入为波长：为频率。另外，习惯上用波数来描述红外辐射特性，它定义为

(1.7)

2.立体角

立体角定义为锥体所拦截的球面积A与半径r的平方之比，如图1.2所示，它可表示为

a-A

(1.8)

rsinodg

dA.

写s

dA.

dn

图1.2立体角示意图

立体角的单位用球面度(sr)表示。在球坐标系下，微分面元为

dA =(rde)(rsinedo)

(1.9)

因此，微分立体角元为

dnindg

(1.10)

式中，0和9分别表示球坐标中的天顶角和方位角。

3.辐射能量Q

电磁场所具有的能量称为辐射能量，一般用尔格、焦耳、卡等度量单位。

4.辐射通量西

单位时间内通过某一面积的辐射能，称为通过该面积的辐射通量，单位为瓦特(W),即

Φ=dQ

dt

(1.11)

5.辐射强度I

点辐射源在某一方向上的单位立体角所发出的辐射通量称为辐射强度，单位为W》

sr,即

5

二高光谱遥感信息获取

AAA·

an

(1.12)

6.辐射通量密度（辐射出射度M、辐照度E)

辐射通量密度也称为辐射出射度M和辐照度E,单位都是W/。辐射出射度是指单

位面积向半球空间(2π立体角空间)内发射的辐射通量，即

M

(1.13)

辐照度是指单位面积上接收到的辐射通量，即

E=牌

(1.14)

7.辐亮度L

辐亮度是单位面积、单位立体角上的辐射通量，单位为W/(m2·sr),即

dΦ

L dAcosodo

(1.15)

如果辐射源的面元非常小，可以看作一个点，则在单位立体角2内的辐射通量等于辐射强度「，其与辐亮度的关系为

1-粉=LdA·o0

(1.16)

辐亮度随波长变化，且具有方向性，即L=L(入，9，)，其中9为方位角，0为天顶角。辐

亮度是遥感中最重要的基本物理量，具有与距离无关的特性。

8.吸收率a、反射率p、透过率t

投射到物体的辐射能Q。,一部分被物体吸收(Q),一部分被反射(Q),还有一部分被

透射(Q)。物体的吸收率α表征该物体吸收辐射能量的能力，等于被吸收的能量除以投射

到物体的总能量。物体的反射率ρ表征该物体反射辐射能量的能力，等于被反射出去的能量除以投射至物体的总能量。透过率τ表征物体投射辐射的能力，等于透射出去的能量除以投射至物体的总能量。

Q

Q

0=QR

Q

(1.17)

Q

a+0+r=1

9.发射率e

发射率指物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比，也称为辐射率、比辐射率。

6

···试读结束···