C5 · 出版卷 15
Electromagnetic Spectrum and Sensors
Reflectance、emission、passive/active、platforms
学习目标
本章建立后续所有影像和光谱共同使用的测量物理。学习者应能关联波长、频率和能量，区分辐亮度、辐照度、反射与发射，解释被动和主动遥感，识别能量源、大气、地表、平台和探测器的作用，并判断拟用传感器是否能够观测地质假设所需的物性表达。
遥感始于能量路径，而不是彩色栅格。应画出能量源、传播介质、目标、出射场、探测器、校准路径和存储产品。任何一环未知，像元含义就不完整。
波长、频率与能量
电磁辐射可用波长 \lambda 与频率 \nu 描述，并满足 c=\lambda\nu。光子能量为 E=h\nu=hc/\lambda。这些关系有助于解释不同光谱区通过不同机制与物质相互作用，但宽波段会积分许多波长，不能视为直接测量某一个分子跃迁。
可见光和近红外观测常表达电子吸收、散射、色素与表面亮度效应。短波红外包含许多振动倍频和组合吸收，可用于观察含羟基、碳酸根和水的材料。热红外辐亮度同时受表面温度与发射率影响。微波和射频系统在不同穿透与散射条件下响应介电性质、粗糙度、几何与水分。各光谱区名称边界只是约定，实际响应函数才是决定因素。
大气透过率随波长变化。气体吸收与散射形成窗口和不透明区。位于强大气吸收区的波段可用于大气或云筛查，却可能不适合地表制图。太阳光谱、路径长度、气溶胶与水汽会改变到达地表和离开地表的能量。
辐亮度、反射、发射与回波
光谱辐亮度描述沿探测器方向传播、按投影面积、立体角和波长间隔归一的能量；辐照度描述入射到表面的能量。反射率在指定几何条件下比较出射与入射能量，并不等同于亮度。双向效应意味着同一表面在不同太阳与观测角下可有不同反射测量。
在太阳反射光谱区，传感器端观测包含地表反射、大气路径辐射与邻近效应；在热红外区，发射辐亮度取决于温度和发射率，同时大气既发射又吸收。主动系统发射已知或已表征的信号，测量受距离、足迹、目标相互作用、大气和接收器响应影响的回波。
交付的数字量化值可能编码辐亮度、大气层顶反射率、地表反射率、亮温、后向散射、距离或分类产品。比例与偏移元数据属于该物理量的一部分。当偏移非零或不同波段校准不同时，直接对未缩放代码计算指数可能得到错误结果。
被动与主动传感器结构
被动传感器依赖外部照明或自然发射，可采用面阵、推扫线阵、摆扫扫描或点式光谱仪。不同结构具有特定观测几何、探测器间差异、驻留时间与伪影。航空照片和数字相机可提供精细空间细节，但若并非按辐射测量设计和运行，其校准光谱信息可能有限。
主动传感器控制发射脉冲或波形。激光测距结合传播时间和扫描几何估算距离；雷达测量振幅、相位、极化与延迟；主动光谱系统可针对选定吸收区。主动并不意味着不受环境影响，大气衰减、地表坡度、粗糙度、多路径、斑点、平台运动与计时仍然重要。
平台高度、速度、姿态及轨道或航线决定条带宽度、足迹、重访和角度覆盖。即使名义波长重叠，实验室光谱、野外光谱仪、低空成像、航空系统与轨道仪器观测的支持域和几何也不同。
光谱响应与校准链
波段由响应函数 S_i(\lambda) 描述，而不是只由中心波长描述。校准波段信号是该响应范围内的积分。中心波长相同的两个波段也可能因带宽、非对称响应、带外泄漏和校准而不同。将高分辨率光谱库与影像比较前，必须把参考光谱卷积到传感器响应并重采样至其波长网格。
辐射校准通过增益、偏移、非线性、暗信号、平场与稳定性检查，把探测器输出连接到物理辐亮度；光谱校准将探测器位置或通道连接到波长并表征带宽；几何校准将探测器样本连接到观测射线。校准不确定度会传播到反射率、特征深度与分类置信度。
应将飞行前、星上和替代场校准同场景特定的大气校正分开。校准估计到达传感器的量，大气校正通过模型估计地表相关量；二者都不能自动保证地质解释正确。
测量设计与不确定度
先提出预期材料表达。如果决策依赖窄吸收，应确认响应函数以足够信噪比采样其两侧和中心；若依赖热对比，应模拟采集时刻、温度—发射率歧义与大气；若依赖形态，空间足迹与点扩散函数可能比光谱细节更重要。
不确定度预算应包含校准、量化、光子与电子噪声、杂散光、光谱偏移、大气校正、照明、观测几何、地理定位、混合与时间不匹配。说明哪些误差是随机、系统、空间相关或波长相关。若噪声和响应函数高度相关，增加波段数并不会自动增加独立信息。
控制措施可包括稳定表面、适用时的暗/亮参考、重叠区、重复航线或场景、配有可追溯参考板的野外光谱，以及独立材料鉴定。不得只选择与预期答案相似的控制对象。
合成算例
一个合成表面在 2.20\,\mu\mathrm m 附近具有宽吸收。传感器 A 用三个窄波段分别采样左肩、中心与右肩，并有足够信噪比；传感器 B 用一个覆盖整个区间的宽波段。将同一实验室光谱卷积到两种响应后，A 仍保留可测凹陷，B 则把特征与连续谱平均。
该算例不能证明矿物，只说明 A 能检验特征形状假设，而 B 可能只能测到亮度差。若表面是混合物、部分被植被覆盖或处于强水汽影响下，即使 A 也可能有歧义。下一项区分性检验应是在代表性支持域取得野外光谱并完成独立材料测量。
解释与决策。 将链路写为观测、机制、材料假设与决策。例如：在指定响应卷积波段中观测到校准反射凹陷；一种可行机制是振动吸收；两个矿物组与水分解释均相容；只有野外光谱和矿物学检验后，才能据此安排后续工作。不得在没有量化相互作用和穿透条件时声称传感器“看穿”材料，也不得把波长覆盖等同于可用敏感性。
练习与审计清单
针对一个合成制图问题，绘制能量路径图并建立传感器适用性表，列出能量源、大气、地表相互作用、探测器响应、平台几何、交付物理量、校准、预期混淆因素和所需验证。把一个合成光谱卷积到两个响应函数，解释丢失了哪些特征信息。
审计问题：波长单位是否明确？数值是辐亮度、反射率、温度还是代码？响应函数是否可用？能量源和观测几何是否已知？主动波形或被动照明是否声明？饱和与低信号区是否掩膜？校准不确定度能否改变决策？
