第二章遥感的物理基础3

2.1 电磁波、电磁波谱及大气窗口1. 电磁波 -当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。其方向是由电磁振荡向各个不同方向传播的。 第二章 遥感的物理基础电磁波的性质：（ 1）实验证明，光是一种电磁波，具有电磁波的性质，是一种横波；（ 2）在真空中以光速传播；（ 3）电磁波具有波粒二象性。电磁波在传播过程中遇到气体、液体或固体介质时会发生一系列现象。电磁波与地面物体之间的相互作用2. 电磁波谱定义： 按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，则构成了 电磁波谱 。该波谱以频率从高到低排列，可以划分为 射线、 X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。名 称 波长范围 频率范围紫外线 10nm-0.4um 750-3000THz可见光 0.4-0.7 430-750THz红外线近红外短波红外中红外热红外远红外0.7-1.3um1.3-3um3-8um8-14um14um 1mm230-430THz100-230THz38-100THz22-38THz0.3-22THz亚毫米波 0.1-1mm 0.3-3THz无线电波微波 毫米波（ EHF） 1-10mm 30-300GHz厘米波（ SHF） 1-10cm 3-30GHz分米波（ UHF） 0.1-1m 0.3-3GHz超短波（ VHF）短波（ HF）中波（ MF）长波（ LF超长波（ VLF）1-10m 30-300MHz10-100m 3-30MHz0.1-1km 0.3-3MHz1-10km 30-300MHz10-100km 3-30KHz2.2 太阳辐射与大气影响一、太阳辐射太阳的表面温度 为 6000K。中心温度约达 15万度 。太阳表面每分钟释放出来的热量在 51024千卡 以上。地球是太阳体积的 130万分之一，距离太阳约 1.5亿公里。太阳辐射的电磁波到达地球表面大概需要 8分钟 的时间。地球表面每分钟获得的太阳辐射能量只有 1.7卡米 2。除去植物的光合作用耗去的能量以外，被地球表面反射到空中的太阳辐射能量就更少了。在遥感中，一些属于 可见光至近红外波段 的传感器，就是靠接收和记录这部分能量的反射特征获取各种地物信息的。二、大气对太阳辐射的影响被反射：约 30% ；被吸收：约 17% ；被散射： 22%;到达地面的太阳辐射：约 31% 。（一）大气层的反射作用进入大气层前主要波长范围： 0.15-4m;占太阳辐射总能量的 99% ，其中可见光区 占 50% ，红外区占 43% ，紫外区占 7% ；最大辐射波长在 0.475 m。进入大气层后有一部分被反射回宇宙空间。反射作用中，云反射能力变化很大，按地球平均云量 54% 计算， 1/4的太阳辐射能量被反射回宇宙空间去。（二）大气层的吸收作用主要成分：气体分子、水滴和尘埃等；O2： 占 1/5，主要吸收 0.2 m的 太阳辐射能量；O3： 主要在 10-40KM高层大气层；两个吸收带为 0.2-0.32 m（ 蓝光区）、 0.6 m（ 橙光 区）；H2O： 主要吸收物质，吸收带红外线和可见光的红光波段内。CO2： 只存在于低层大气层中，而且含量很少，主要吸收 4.3 m的 太阳辐射能量尘埃：（二）大气的散射作用说明： IS： 地物直接反射的太阳辐射； ID： 漫入辐射地面，而又反射到大气中再进入感器的部分： IO： 直接进入Sensor的部分；大气的散射现象发生时的物理现象规律与大气中的分子或其他微粒的直径及辐射波长的长短密切相关。通常有以下三种情况：1、瑞利散射大气中的粒子（ N、 CO2、 O3、 O2等）直径比波长小的多时所发生的散射称为瑞利散射 。其散射强度与波长的关系为：I-4即 波长越长，散射越弱。可见光波段影响最明显，蓝光波长短，散射越强。所以，晴朗的天空会出现蓝色。2、米 氏 散射在粒子（ 烟、尘埃、小水滴及气溶胶等） 直径较大，与辐射的波长相当时所发生的散射称为米氏散射 。其与波长的关系式：I-2即 散射的强度与波长的二次方成反比，并且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向比较明显。3、无选择性散射无选择性散射发生在大气中 粒子的直径比波长大得多时 。并且散射强度与波长无关，即 无选择性散射的波段，任何波长的散射强度都相同。（三）大气窗口通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射而透过率较高的波段称为大气窗口。大气窗口的光谱主要有：0.3-1.3um， 即紫外线、可见光、近红外波段 。 这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，如 Landsat卫星的 TM1-4波段，SPOT卫星的 HRV波段。1.5 1.8um和 2.0-3.5um， 即近、中红外波段 。 这是白天日照条件好时，扫描成像的常用波段，如 TM的5,7波段等，用以探测植物含水量以及云、雪等，用于地质制图等。 3.5-5.5um， 即中红外波段 。 该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量。如 NOAA卫星的 AVHRR传感器用 3.55-3.93探测海面温度，获得昼夜云图。8 14um,即远红外波段。 主要通透来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。0.8-2.5cm， 即微波波段 。 由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。 Radarsat的卫星雷达影像也在这一区间，常用的波段为 0.8cm， 3cm， 5cm， 10cm， 甚至可将该窗口扩展至 0.05-300cm。2.3 地物反射波谱特征在 可见光与近红外 波段（ 0.3-2.5um）， 地表物体自身的热辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。当然，太阳辐射到达地面后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的吸收能力较强。最后，电磁辐射未被吸收和反射的其作部分则是透过的部分，即：到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量 一般说，绝大多数物体对可见光都不具备 透射能力， 而有些物体，例如，水对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是 0.45-0.56um的蓝、绿光波段，一般水体的透射深度可达 10 20m， 混浊水体则为 1-2m， 清澈水体甚至可透到 100m的深度。地物 反射波谱曲线 除随不同地物（反射率）不同而外，同种地物在不同内部结构和外部条件下形态表现（反射率）也不同。一般说，地物反射率随波长变化有规律可循，从而为遥感数据与对应地物的识别规律。例如 植被的遥感反射光谱有以下特点：可见光波段（ 0.4-0.76um） 有一个小的反射峰，位置在0.55um（ 绿）处，两侧 0.45um（ 蓝）和 0.67um（ 红）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素的影响，叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。在近红外波段 （ 0.7-0.8um） 有一反射的 “陡坡 ”，至 1.1um附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中红外波段 (1.3-2.5um)受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别地，以 1.45um、 1.95um和2.7um为中心是水的吸收带，形成低谷。植物波谱在上述基本特征下仍有细部差别，这种差别与植物种类、季节、病虫害影响、含水量多少等有关系。为了区分植被种类，需要对植被波谱进行研究。反射率(%)波长 (um)0.551.10.670.45