第四节 遥感分析

遥感技术为地理学研究提供了又一个新手段。它是利用遥感器在远距离和非接触的条件下，通过感测物体辐射和反射电磁波的信号，经过加工和处理，从中提取有用的信息，从而达到探测或识别这种物体的特性。对于这种接受、传输和整理信息的过程就叫做遥感。由于它具有许多独特的优越性， 近年来已得到广泛的发展。

为了了解遥感技术在自然地理学中的应用，首先要懂得物理学上的几个基本原理。我们知道，地球表面一刻不停地吸收、反射、发射和透射电磁波。辐射和反射电磁波的强度，随物体内部分子结构和物体的特性（如形状、大小、表面粗糙程度，介电常数、温度，水分状况等）而变化。物体的这种辐射和反射随波长变化的特征，称为物体的波谱特性。这一客观存在的现象， 正是遥感技术应用的物理基础。下边就是这种波谱图的表示（见图 6.18）。

从实际的分析中得知，新鲜的雪在可见光部分反射较强；而沙漠在波长为 0.6 微米处反射率较大；含水的壤土在整个波段范围内反射率都比较低； 绿色植物的叶绿素对近红外谱段反射很强。由于这些物体呈现不同的颜色， 可用它进行可见光的遥感测量。除此而外，这些物体还在不断地向外辐射电磁波。任何温度高于绝对零度（-273.16℃）的物体都具有这种特性。辐射的强度与物体本身的温度有密切的关系。利 用这种特性，发展了红外遥感技术。

可见光和红外遥感有其一定的局限性。当黑夜或地球表面被云层遮盖时，运用上述技术就观察不到地球表面，而且它们没有探测地表下目标的能力。而真实的状况是，地球表面有相当大的部分为云层所遮盖，这就为可见光遥感和红外遥感的应用带来了限制和困难。因此，在运用可见光和红外遥感的同时，还必须发展微波遥感技术及其它，它们互相补充，能够尽量多地取得地表的信息。下面是这三者的比较：

表 6.5 可见光、红外、微波三类遥感的比较

但就目前在地理学上的运用来看，主要还是限于可见光与红外遥感方面，特别由于地-气系统的温度大致处于 220°—320°K，它们热辐射的谱成分集中于红外波段，峰值约在 10 微米左右，而且大部分地表物质在红外波段的辐射特征与黑体十分接近，因此红外遥感更是目前使用最广泛的手段。

为了对它有进一步的了解，我们首先要谈到“黑体”的概念。黑体是物理学上的理想物体，它具有无选择地吸收一切入射的电磁辐射，同时它又无选择地向外辐射各波段的电磁波。其辐射强度随波长的分布仅与温度有关， 这个分布公式就是著名的普朗克定律。目前在地球上，尚未发现那一种自然物质是完美的黑体，但是却可以肯定的说，地球本身是十分接近于黑体的特性的。这对于应用理想黑体的有关定律十分有利。

普朗克定律如以方程式的形式来表达，则从黑体上辐射出的能量分布，

是波长和黑体温度的函数：

 C₂

− 1

Eλ = C λ⁻⁵ e λT − 1

(6.22)

1  

 

Eλ——是从λ到（λ+dλ）波长范围内所辐射的能量；T——是黑体的绝对温度；C1 及 C2 分别为常数，其中：

C1＝2πhc² C2＝hc/k

h 为普朗克常数=6.55×10^-27 尔格秒

k 为波尔兹曼常数=1.37×10^-16 尔格／度

c 为光速=3×10¹⁰ 厘米／秒此外，我们可以很容易地了解维恩定律、斯特凡-波尔兹曼定律以及凯什霍夫定律（Kirchhoff′sLaw），请读者参阅有关书籍。以下简要地叙述一下遥感技术的具体应用。

首先通过遥感地球的表面温度，可以估算土壤水分，这是一项实用价值很大的工作。近来的论文中，例如爱德梭（Idso，1975 年）、莱基内托

（Reginato，1976 年）、杰克逊（Jackson，1977 年）以及什玛季（Schmugge， 1978 年）等相继作了这方面的探讨，得出了很有意义的结论。他们应用这样的原理：土壤表面温度日变化的振幅，是内部和外部因子的函数。内部因子为导热率（K）、密度（ρ）和热容（C）所表示，组合成为 P=（KρC）^1/2， 将 P 规定为“热惯性”。外部因子是基本的气象因子：如太阳辐射，空气温度，相对湿度，云，风等⋯⋯。这种外部因子的综合效应，是表面温度日变化的“驱使函数”。而热惯性 P，则对此驱使函数起着阻抗的作用。因为土壤热容和导热率，均随着土壤含水量的增加而增加，使得在同样能量输入条件下表面温度的周日变辐趋向于减小。根据测定得知，P 的典型数值为：从干燥土壤时的 0.02 到湿润土壤时的 0.1，随着土壤水分增加，它增大达五倍。因此，根据土壤表面温度的日变幅状况，即可建立与土壤含水量之间的数值关系，这就成为进行土壤水分遥感的基本依据。按照这个原理，他们得出了相当好的结果。

在 1974 年的 4 月和 1975 年的 3 月，曾经使用了 NASA（美国国家航空和宇宙航行管理局）的 P-3A 飞机，进行了机载遥感仪器的飞行实验，采用带有2°视场角的辐射计，感应 8—14μm 波段的红外辐射，从而测出特定面积上的表面温度。与此同时，在地表一个 400 米×400 米的面积上，进行了不同深度的土壤水分实际测定，由此与表面温度的日变化振辐相对比，得出了应用表面温度推测土壤含水量的基本关系。所得结果的一部分，已在有关杂志上公布。

另外，可以利用遥感技术，估算植物的水分状况。植物本身含水量的多少，是它生理生化过程的一种状态标志。由于水分吸收辐射能具有自己的选择性，它选择在电磁波光谱近红外部分的某个波段之中，倘若恰好是这样的光谱波段，照射在植物体上或者土壤上，那么由于水分的数量不同，对这束辐射的反射率就要降低，降低的程度主要取决于物体含水量的状况。基于这种确定的关系，目前巳经使用它去遥感所测对象的含水量。索玛斯等人

（Thomas）曾于 1971 年，在总结前人经验的基础上，通过反射率的观测确定了植物叶子的含水量。他们使用了分光光度计（Beckman 型 DK-2A），并附有

反射设备，发现在 1.45μ和 1.93μ处，为叶子的水分吸收峰。其试验的例子之一（见表 6.6）。试验的细节我们这里不予详述。在测定的同时尚须考虑叶子水分的相对涨度及叶子厚度等参数。试验指出，采用这种方法估算植物的水分状况是可行的，从此可以帮助我们制定合理的灌溉制度。事实上这种方法尚不完善，只不过是一个原始的试验而已，但为我们使用遥感方法，在大面积各种不同规模的自然地理系统中，监测水分的含量及其动态变化提供了一个有益的借鉴。

遥感分析在自然地理系统中的应用范围极广，例如应用

表 6.6 反射率（y）与叶子含水量 x 之关系

遥感表面温度的数值，去估算自然表面的蒸发，是近来才实现的一种重要方法。许多年以前，人们就已经设想通过准确地测定蒸发面的表面温度去计算蒸发，但一直没有理想的手段去实现它，应用遥感方法，可以迅速地， 准确地，大范围地感知表面温度，为计算蒸发提供了另一条途径。

遥感分析对于估算自然表面的反射率，对于估算生物生产力以及其它方面，都是在自然地理中经常遇到的。作为一个自然地理工作者，掌握和运用遥感分析这个基本手段，应当提到日程上来了。