[理学]遥感第2章--遥感物理基础

第二章 遥感物理基础 电磁辐射与地物光谱特征1 电磁波谱与电磁辐射2 太阳辐射及大气对辐射的影响3 地球的辐射与地物波谱2.1.1 电磁波与电磁波谱v 波：振动的传播称为波 。v电磁波（电磁辐射）：电磁振源产生的电磁振荡在空间的传播。v电磁波的性质：电磁波是横波，传播速度为光速；不需要媒质也能传播；波长与频率成反比，两者的乘积为光速；电磁波具有波粒（波动性和粒子性）二象性；电磁波传播到气体、固体、液体介质时，会发生反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波的叠加原理 (干涉 )当两列波在同一空间传播时，空间尚各点的振动为各列波单独振动的合成。任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（ 白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 混合像元的分解 ）电磁波的衍射和偏振电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。(设计遥感器空间分辨率具有重要意义。 )电磁波遇到 “ 狭缝 ” 的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。偏振光，非偏振光，部分偏振最小分辨角 :d 物镜的有效孔径 电磁波的波长电磁波的波长动量： P能量： Eh : 普朗克常数， 6.626075510 34 J sc : 光速； v : 频率 能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和 X射线 Y射线。电磁波的粒子性电磁波波长、频率电磁波波长、频率v电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的图表称为电磁波谱。（ P17， F2.3） 依次为：依次为： 射线射线 X射线射线 紫外线紫外线 可见光可见光 红外线红外线 微微波波 无线电波。无线电波。电磁波谱示图电磁波谱示图2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱近红外近红外 ： 0.76 3.0 m， 与可见光相似。中红外中红外 ： 3.0 6.0 m， 地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外 ： 6.0 15.0 m， 地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外 ： 15.0 1000 m， 多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。红外线的划分遥感导论遥感对地观测波长： 0.0010.38m特征： 1.大气对紫外线吸收较强；2.能使溴化银底片感光；3.太阳光谱中只有 0.30.38 m的光 到达地面，对油污染敏感应用： 1.用于测定碳酸岩的分布2.用于油污的监测波长： 0.380.76m特征： 由红 ,橙 ,黄 ,绿 ,青 ,蓝 ,紫光组成 ；2.人眼对可见光有敏锐的分辨率；是遥感技术应用中的重要波段。应用： 1.鉴别物质特性的主要波段2.以光学摄影或扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征2.1 电磁波谱与电磁辐射2.1.2 电磁辐射的度量v辐射源：任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外（发出）辐射。 遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类：（ 1） 自然辐射源：有 太阳辐射太阳辐射 (被动式遥感系统中重要的自然辐射源 )和 地球的电磁辐射地球的电磁辐射 （地球辐射可分为两个部分：短波（0.32.5 m ） 和长波（ 6m 以上）部分。）（ 2） 人工辐射源主动遥感采用人工辐射源，是指人为发射的具有一定波长（或一定频率）的波束。工作时接收地物散射该光束返回的后向反射信号强弱，从而探知地物或测距，称为雷达探测。雷达又可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，目前常用的主要为侧视雷达。2.1 电磁波谱与电磁辐射2.1.2 电磁辐射的度量v辐射能量 （ W） ： 电磁辐射的能量，单位： J（ 焦耳） 。 v辐射通量 （ ） ： 单位时间内通过某一面积的辐射能量 ,单位 : W (瓦 )v辐照度 （ I） ： 被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。 (属于辐射通量密度概念 )v辐射出射度 （ M） ： 辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，单位： W/m2 。 (属于辐射通量密度概念 )以上各辐射量都是波长的函数辐射通量密度、辐射亮度（ P18）光谱辐射通量 以上各辐射量都是波长的函数。 右图表示单位波长间隔内的辐射通量，称为 光谱辐射通量 。()=d/d单位：瓦 /微米（ W m-1）2.1 电磁波谱与电磁辐射2.1.3 黑体辐射v绝对黑体（简称黑体）：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。 光谱吸收系数（吸收率）： （ ， T）光谱反射系数（反射率）： （ ， T）绝对黑体特性： （ ， T） = 1 ， （ ， T） = 0， 与温度和波长无关2.1 电磁波谱与电磁辐射2.1.3 黑体辐射v黑体辐射规律（ 1） 黑体的辐射（发射）能量 -辐射出射度（ M） 是波长 和温度 T的函数；某一波长下黑体的辐射出射度 M 是指在某一单位波长间隔（ ） 的辐射出射度。在紫外、可见光和红外波段 M 与 5 成反比；在微波波段， M 与 2成反比。（ 2） 黑体的总辐射出射度 M： 黑体对所有波长的（发射）辐射能量的总和。在这种情况下 MM（ T）。 即： MT 4 （ P20， F2.7） F2.7表明总辐射出射度 M与温度 T的关系是：随着温度的升高， M的值急剧增大；不同温度下的 M值在波长 能量曲线图中，展现为一系列互不相交的曲线（族）。2.1 电磁波谱与电磁辐射（ 3）黑体辐射出射度 M 的最大值所对应的波长 max 与黑体自身温度 T 的关系： max 与 T 成反比。（维恩位移定律）即：黑体温度越高，其总辐射出射度 M的曲线的峰值就越向短波方向偏移。（太阳的 max =0.47 ；地球 max =9.66 ）高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。 （ P21，T2.2） 常温（如人体 300K左右，发射电磁波的峰值波长 9.66 m） 针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。2.1 电磁波谱与电磁辐射v实际物体的辐射（ 1）发射率 （ 比辐射率、热辐射率）的概念：物体（地物）的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比。（ 2）物体的发射率等于该物体的吸收率： = ， 一般情况下 ,物体的发射率 : 0 1。 好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。（ 3） 物体的发射率是温度和波长的函数。物体的发射率与身的性质、物理状况（如粗糙度、颜色等）有关；物体的表面温度受自身的比热、热惯量、热导率、热扩散率等影响较大。（ 4）按照 与 的关系，辐射源可以分为三种： 黑体 灰体 选择性辐射体。黑体的 = =1； 灰 体的 = 常数 1;选择性辐射体的 1,且随波长而变。（ P22， 表 2.3； P23， F2.10）2.1 电磁波谱与电磁辐射12.2 太阳辐射及大气对辐射的影响2.2.1 太阳辐射太阳辐射v太阳常数： 在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，约 1.496108公里）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑体接受到的太阳辐射能量。其数量为： 1.360 103 瓦 /平方米。（太阳常数不是恒定不变的，但变化不会超过 1%。）地面所接受全部太阳辐射能，忽略大气损失时为为太阳天顶角， D为日地之间距离（以日地平均距离为单位）。 (参见教材 P26)太阳辐射源太阳大气 位置 温度 厚度 辐 射特点 辐 射的光 谱 光球 层 内 4300-7500 300km 连续辐 射 可 见 光和 红 外 色球 层 中 7000-8000km 线 状 辐 射 无 线 厘米波 日冕 层 外形状多 变 ，厚度不定，一般太阳直径的 4-5倍 连续辐 射 米波 遥感导论太阳能量随波长的分布红外波段 38%2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响2.2.1 太阳辐射太阳辐射v太阳辐射（太阳光谱）的主要特征 (P25,F2.11)(1)太阳辐射到达大气层顶时与 60000K黑体的辐射能特征基本相同：辐射能的强度特征、辐射能随波长的分布特征。(2)太阳辐射穿过大气层到达地面后，被大气反射、散射和吸收强度有所减少，而且存在多个 O3、 CO2、 H2O的吸收带。(3)在 0.30.47 范围内，随波长的增加太阳辐射能急剧增长 ，最大辐射强度位于波长 0.47 左右；随波长的继续增大，太阳辐射能逐渐减少，在中红外波段，太阳辐射能已相当微弱。2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响(4)在 0.6 附近有一个 O3的 吸收带；在 0.7、 0.9、 1.1 附近有三个水汽的吸收带、在 1.4和 1.9 附近太阳辐射能完全被吸收； CO2 的强吸收带在 2.7和 4.3 附近。(5)到达地面的太阳辐射能 43.5%集中在可见光波段 36.8%集中在近红外波段。 ( P25,表 2.4)2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响2.2.2 大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响v大气层次与成分 (自行阅读 )v大气对太阳辐射的衰减太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果，是使能量不断减弱。约有 30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；约有 17%被大气吸收，约有 22%被大气散射；而仅有 31%的太阳辐射能量到达地面。反射、散射和吸收作用共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分，剩余强度越高，透过率越高。对遥感传感器而言，透过率高的波段，才对遥感有意义。 因此：太阳辐射衰减的原因 是： 吸收 、 散射 、 反射 。 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响v大气对太阳辐射的衰减1、大气的吸收作用（ 看看这里 ）大气吸收太阳辐射的主要物质是： H2O 、 CO2和 O3（ P28 T2.14）氧（ O2） ： 主要吸收小于 0.2m 的太阳辐射能量，在 0.155m 处吸收最强，由于氧的吸收，在低层大气内几乎观测不到小于0.2m 的紫外线，在 0.6m 和 0.76m 附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。因此，在高空遥感中很少应用紫外波段。臭氧（ O3） ： 对太阳辐射吸收很强。在波长 0.20.32m 有很强吸收带；在 0.6m 附近的窄吸收带，该吸收带处于太阳辐射的最强部分，因此该带吸收最强；另在 0.76 m 附近也有一个窄吸收带。臭氧主要分布在 30km 高度附近，因而对高度小于 10km 的航空遥感影响不大，而主要对航天遥感有影响。 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响1、大气的吸收作用水（ H2O） ： 是吸收太阳辐射能量最强的介质（有气态和液态）。从可见光、红外直至微波波段，到处都有水的吸收带，主要吸收带是处于红外和可见光中的红光波段，红外部分吸收最强。例如：在 0.50.9m 有四个窄吸收带，在 0.952.85m 有 5 个宽吸收带。此外，在 6.25m 附近有个强吸收带。因此，水气对红外遥感有很大影响，而水气的含量随时间、地点而变化。液态水的吸收比水气吸收更强，但主要是在长波方面。二氧化碳（ CO2） ： 约占 0.03%，它的吸收作用主要在红外区内。例如：在 1.352.85m 有 3 个宽弱吸收带。另外在 2.8m 、4.3m 与 14.5m 为强吸收带。由于太阳辐射在中红外区能量很少，因此对太阳辐射而言，这一吸收带可忽略不计。大气中的其它微粒虽然也有吸收作用，但不起主导作用。CO2、 H2O 吸收红外及长波O3 吸收紫外光O 吸收波长 0.2m大气吸收：太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，引起这些波段太阳辐射强度的衰减，或完全不能通过大气。太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些缺失带对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响v大气对太阳辐射的衰减2、大气的散射作用大气对太阳辐射吸收的明显特点是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了（ P25 T2.11中两条连续曲线的差值，表示大气对太阳辐射散射时所造成的损失）。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其它各方向的辐射。（ 1） 大气散射改变了部分辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。 （ 2）大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。 （ 3）大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响2、大气的散射作用根据辐射波长与微粒直径之间的关系，大气散射可分为三种：（ 1）瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时