《遥感地质学》2-遥感的物理基础

2 遥感物理基础2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射2.2 大气作用与大气作用与 地物波谱地物波谱遥感传感器记录了地物的反射与发射电磁辐射遥感传感器记录了地物的反射与发射电磁辐射 以电以电磁波的形式穿越空间的能量传输（磁波的形式穿越空间的能量传输（ Star and Estes 1990），）， 遥感探测实际上就是对辐射能量的测定。电磁波谱范遥感探测实际上就是对辐射能量的测定。电磁波谱范围覆盖了宇宙波直到无线电波（围覆盖了宇宙波直到无线电波（ Jensen 1996）。）。 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射1、电磁波谱1） 电磁波谱电磁波谱 ：将各种电磁：将各种电磁波在真空中传播的波长或波在真空中传播的波长或频率按其大小长短依次排频率按其大小长短依次排列，则形成电磁波谱。列，则形成电磁波谱。The Electromagnetic Spectrum 射线 射线 小于小于 10-6m 射线射线 0.06-2010 -4m紫外线紫外线 0.04-0.39m可见光可见光 0.39-0.76m红外线红外线 0.76-1000m微波微波 1mm-1m无线电波无线电波 1-3000m以上以上 2）遥感常用的电磁波波段）遥感常用的电磁波波段Electromagnetic Spectrum（ suits 1983; star and Etes 1990） 可见光可见光 紫紫 0.380.43 m蓝蓝 0.430.47 m青青 0.470.50 m绿绿 0.500.56 m黄黄 0.560.59 m橙橙 0.590.62 m红红 0.620.76 m红外红外 近红外（反射红外）近红外（反射红外）0.76-3.00m中红外（反射中红外（反射 +热红外）热红外）3.00-6.00m远红外（热红外）远红外（热红外）6.00-15.00 m超远红外（热红外）超远红外（热红外） 15.00-1000 m微波微波 毫米波、厘米波和分米波毫米波、厘米波和分米波。 辐射能量（辐射能量（ Radiant energy） W： 电磁辐射的能量，单电磁辐射的能量，单位为焦耳（位为焦耳（ J）。）。 辐射通量（辐射通量（ Radiant flux） = dW/dt： 单位时间内通过单位时间内通过某一面积的辐射能量，是波长的函数，总辐射通量是各谱某一面积的辐射能量，是波长的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或积分，单位为瓦（段辐射通量之和或积分，单位为瓦（ W）。）。 辐射通量密度（辐射通量密度（ Radiant flux density） E=d/dS ： 单单位时间内通过单位面积的辐射能量，单位为位时间内通过单位面积的辐射能量，单位为 W/m2。辐射照度（辐射照度（ Irradiance） I=d/dS ：被：被 辐射物体在单位辐射物体在单位面积上接受到的辐射通量。面积上接受到的辐射通量。辐射出射度辐射出射度 M=d/dS ： 辐射源物体在单位面积上辐射出辐射源物体在单位面积上辐射出去的辐射通量。去的辐射通量。2、电磁辐射度量、电磁辐射度量黑体黑体 (Blackbody) 绝对黑体，对任何波长的电磁辐射绝对黑体，对任何波长的电磁辐射都全部吸收，即吸收率都全部吸收，即吸收率 =1，反射率，反射率 =0；灰体灰体 吸收率吸收率 10%）。）。（ 2）米氏散射（）米氏散射（ Mie Scatter） d I -2 当大气中粒子的直径大于波长当大气中粒子的直径大于波长 1/10到与辐射的波长相当到与辐射的波长相当时发生的散射。时发生的散射。主要由大气中的微粒（如烟、尘埃、小水滴、气溶胶等主要由大气中的微粒（如烟、尘埃、小水滴、气溶胶等）引起。由于大气中云、雾等悬浮粒子的大小与）引起。由于大气中云、雾等悬浮粒子的大小与 0.7615m 的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。米氏散射是不可忽视的。潮湿阴雨天气对米氏散射影响较大，对红外遥感不利。潮湿阴雨天气对米氏散射影响较大，对红外遥感不利。（ 3）无选择性散射（）无选择性散射（ Non-selective scatter） d I 与与 无关无关当大气中粒子的直径大于波长时，对任何波长的辐射而当大气中粒子的直径大于波长时，对任何波长的辐射而言，其散射强度都相同，散射强度与波长无关，这种散射言，其散射强度都相同，散射强度与波长无关，这种散射称为无选择性散射。称为无选择性散射。大气中的水滴、雾、烟、尘埃大气中的水滴、雾、烟、尘埃、气溶胶等（、气溶胶等（ 5-100m ），）， 对太对太阳辐射，常常出现这种散射。阳辐射，常常出现这种散射。无选择性散射将使传感器接收无选择性散射将使传感器接收到的数据严重衰减。到的数据严重衰减。3）大气窗口（ Atmospheric Windows）现今的现今的 TM和和 spot传感器充分考虑了水蒸汽的吸收波段特传感器充分考虑了水蒸汽的吸收波段特点，避开了这些吸收带，而其它气体的吸收波段尚未被充点，避开了这些吸收带，而其它气体的吸收波段尚未被充分考虑。分考虑。电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射，透过电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射，透过率较高的波段被称为大气窗口。大气窗口是选择遥感工率较高的波段被称为大气窗口。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。作波段的重要依据。raindrops常用遥感大气窗口 0.3-1.3m ， 紫外、可见光、近红外波段，摄影成像紫外、可见光、近红外波段，摄影成像最佳波段，最佳波段， Landsat TM1-4 1.5-1.8和和 2.0-3.5，近、中红外波段，日照条件好时，近、中红外波段，日照条件好时扫描成像常用波段，扫描成像常用波段， TM5、 7 3.5-5.5， 中红外波段，反射、发射热辐射能量，中红外波段，反射、发射热辐射能量， NOAA AVHRR 8-14， 远红外波段，地物热辐射，夜间成像远红外波段，地物热辐射，夜间成像 0.8-2.5cm， 微波波段，全天候，主动式微波波段，全天候，主动式3、地物波谱1）地物光谱特性：任何地物都有自身的电磁辐射规律，）地物光谱特性：任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、吸收、透射、发射电磁波的特性，地物的这种特如反射、吸收、透射、发射电磁波的特性，地物的这种特性称为地物的光谱特性。性称为地物的光谱特性。2）地物反射）地物反射 /吸收波谱（吸收波谱（ Reflectance/Absorption spectra） 运用遥感影像区分目标，如矿产、植被、人造物甚至大运用遥感影像区分目标，如矿产、植被、人造物甚至大气本身，是基于这些物质的气本身，是基于这些物质的 反射反射 /吸收波谱特征吸收波谱特征 地物地物的反射率的反射率 /吸收率随入射波长而变化的特征。吸收率随入射波长而变化的特征。 每种物质因每种物质因其化学组成不同而有各自的特征反射其化学组成不同而有各自的特征反射 /吸收波谱。用光谱吸收波谱。用光谱辐射计来测定。辐射计来测定。太阳辐射在到达地面目标时，将会与地面物质发生三种太阳辐射在到达地面目标时，将会与地面物质发生三种作用：吸收（作用：吸收（ absorption）、）、 反射（反射（ reflection）、）、 透射透射（ transmission）。）。 其中，反射辐射可以被遥感传感器接其中，反射辐射可以被遥感传感器接收到。收到。 怎样理解地物