遥感的物理基础(ppt-84)

第二章 遥感的物理基础遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。第一节 电磁波谱与电磁辐射 (1) 电磁波与电磁波谱 (2) 电磁辐射的度量 (3) 黑体辐射 （ 1） 电 磁波与电磁波谱n电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。n描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等。n电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为 310 8 m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律 。n 电磁波谱按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。依次为： 射线 X射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波。（ 1） 电 磁波与电磁波谱目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。电磁波谱v 紫外线： 波长范围为 0.01 0.38m ， 太阳光谱中，只有 0.3 0.38m 波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在 2000 m以下。v 可见光： 波长范围： 0.38 0.76m ， 人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。v 红外线 ： 波长范围为 0.76 1000m ， 根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。v 微波： 波长范围为 1 mm 1 m， 穿透性好，不受云雾的影响 。遥感应用的电磁波波谱段BACKn 近红外： 0.76 3.0 m， 与可见光相似。n 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。n 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。n 超远红外 ： 15.0 1 000 m， 多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。红外线的划分（ 2） 电 磁辐射的度量1、 辐射测量（ radiometry）， 以伽玛射线到电磁波的整个波段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。 2、 光度测量（ photometry）， 由人眼的视觉特性（标准光度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。BACK（ 3） 黑体辐射n 绝对黑体如果一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部吸收（即吸收系数恒等于 1），则这个物体称为绝对黑体。n 黑体辐射特性（ 1）黑体辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。（ 2）温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大，不同温度的曲线是不相交的。绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的 4次方成正比。（斯忒藩 玻尔兹曼定律）（ 3）黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。（维恩位移定律）。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。实际物体的辐射对于实际物体，都可以看作辐射源。如果物体的吸收本领大，它的发射本领也大，即越接近黑体辐射。实际物体的辐射比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同。BACK第 二 节 太阳辐射及大气对辐射的影响 (1) 太阳辐射 (2) 大气作用大气的层次与成分大气吸收大气散射大气窗口大气透射的定量分析接收 预处理用户应用处理分析结果、图表输出n太阳辐射： 太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线 如图所示 。n从太阳光谱曲线可以看出 () ：n太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。（ 1.360103W/m2）太阳辐射太阳光谱相当于太阳光谱相当于 6000 K的黑体辐射；的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中 0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的的可见光能量占太阳辐射总能量的 46%，最，最大辐射强度位于波长大辐射强度位于波长 0.47 m左右；左右；到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在 0.3 3.0 m波段波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。BACKn 大气物理状况的物理量一般有气压，大气温度和大气湿度它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，所以在大气效应纠正中大量假定大气具有水平均一，垂直分层结构。n 气压随高度是以负指数形式递减。大气层次与成分大气层次大气厚度约为 1000km,从地面到大气上界，可垂直分为 4层： 对流层 ：高度 在 7 12 km,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而变化。 平流层 ：高度在 12 50 km， 没有对流和天气现象。底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。 电离层 ：高度在 50 1 000 km， 大气中的 O2、 N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层 ： 800 35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。O3n 臭氧主要分布在 10 50km的平流层大气中，极大值出现在 20 25km处，对流层中的臭氧含量不到十分之一。n 臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地区 60 70区域内达到极大值。n 70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前在南极上空已形成臭氧空洞。大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合物。气体： N2， O2， H2O， CO2， CO， CH4， O3气溶胶大气的成分可分为常定成分（ N2， O2 ，CO2等 ）与可变成分两个部分（水汽，气溶胶）。大气成分BACK大气对辐射的吸收v 大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内（ v 瑞利散射：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时发生的散射，属小颗粒散射。v 小颗粒散射的特征 ：（ 1）散射光强度与波长 4次方成反比 ，由此可以解释天空为什么呈蓝色。（ 2）如果入射光的为自然光，散射光的相函数为（ 1 cos2Q)。（ 3） 当 Q取 0或 180 时，散射光的偏振度为 0。（ 4）当 Q取 90 时，散射光的偏振度为 1（线偏振），其它角度为部分偏振光。v 米氏散射：大气中的气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等的直径与入射光的波长可以比拟或大于入射光的波长时发生的散射。v 米氏散射的特征：（ 1）电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒的内部。（ 2）由于颗粒尺度与波长可以比拟，所以颗粒的不同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这高度电流会产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热损耗的出现 电磁波的吸收 。v 无选择散射：大气粒子的直径比波长大得多时发生的散射，散射强度与波长无关，在符合无选择散射的条件的波段中，任何波长的散射强度相同。大气散射的特点v 群体散射强度是个体散射强度的线性和。v 大气散射系数与高度的关系： 大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成。 气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减。 就平均状况而言， 4km以下的气溶胶米氏散射占优 势， 4km以上的分子散射占相对优势。v 分子散射与气溶胶散射光强之比随角度和能见度的变化规律。BACK大气窗口v 折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气密度越大，折射率越大。v 反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪声）。大气窗口v 太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。v 由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。v 电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。 （对地遥感要用的部分）大气窗口主要光谱波段大气窗口主要光谱波段大气窗口 波段 透射率 /% 应用举例紫外可见光近红外 0.3 1.3 m 90TM1-4、 SPOT的HRV近红外 1.5 1.8 m 80 TM5近 -中红外 2.0 3.5 m 80 TM7中红外 3.5 5.5 m NOAA的 AVHRR远红外 8 14 m 60 70