第一章 遥感原理-2016

1、佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 第一章第一章 遥感原理及基础遥感原理及基础 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 内容内容 n1 1 遥感的物理基础遥感的物理基础 n2 2 遥感技术系统遥感技术系统 n3 3 遥感数据源遥感数据源 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1 1 遥感的物理基础遥感的物理基础 n内容内容 q1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 q1.2 1.2 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 q1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 q1.4 1.4 大气对电磁

2、辐射的影响大气对电磁辐射的影响 q1.5 1.5 地物的波谱特征地物的波谱特征 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n电磁波的产生机理电磁波的产生机理 q粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃迁时产生粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃迁时产生 的，到当粒子从较高能级跃迁到较低能级时发射电的，到当粒子从较高能级跃迁到较低能级时发射电 磁波；反之，吸收电磁波磁波；反之，吸收电磁波 q不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同能量，不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同能量， 也就是不同波长的电磁波。也就是不同波长的电磁波

3、。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n电磁波的产生机理电磁波的产生机理 n原子光谱原子光谱 n分子光谱分子光谱 n晶体光谱晶体光谱 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n电磁波的产生机理电磁波的产生机理 n原子光谱原子光谱 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n电磁波的产生机理电磁波的产生机理 n分子光谱分子光谱 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境

4、与化学工程学院 徐丹徐丹 HH O O H H O H H =2.738m =2.663m 不同的振动方式，产生不同波长的光子不同的振动方式，产生不同波长的光子 水蒸汽分子键长不同变化产生不同的水蒸汽分子键长不同变化产生不同的 部分振动光谱：部分振动光谱： =6.270m 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n电磁波的产生机理电磁波的产生机理 n晶体光谱晶体光谱 q晶体中的吸收与发射光谱远比原子与分子复杂，晶体中的吸收与发射光谱远比原子与分子复杂， 产生的是连续光谱，其光谱范围大约在红外区产生的是连续光谱，其光谱范围

5、大约在红外区 330m330m。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n电磁波的产生电磁波的产生 内部状态 能量（ev） 相应的电磁波 原子核内部的相互作用 内层电子的电离作用 外层电子的电离作用 外层电子的激发 分子振动，晶格振动 分子旋转及反转 电子自旋和磁场相互作用 层磁场的相互作用 107105 104102 1024 41 110-5 10-410-5 同上 10-7 线 X 线 紫外线 可见光 红外线 微波 微波 米波 单位 1 ev（电子伏）的能量 = 1.6021910-19J 1 ev（电子伏）的光

6、的波长 = 1.23985m 表表 1-1 物质的内部状态变化和电磁能量的关系物质的内部状态变化和电磁能量的关系 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n电磁波谱：电磁波谱： q将各种电磁波按其波长的（频率）大小，依次排列将各种电磁波按其波长的（频率）大小，依次排列 成图表，这个图表就叫电磁波谱。成图表，这个图表就叫电磁波谱。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n电磁波谱的划分电磁波谱的划分 0.36nm 0.36nm 0.36nm 0.3

7、6nm 0.38um 0.38nm0.76um 0.36nm 0.36nm 0.36nm 0.36nm 0.38um 0.38nm0.76um 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n遥感中常用遥感中常用 电磁波电磁波 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n遥感中常用电磁波段的特性遥感中常用电磁波段的特性 q紫外线紫外线 n波长波长 0.010.38 um 0.010.38 um 。波长小于。波长小于0.280.28微米的紫外线，被臭氧层微米

8、的紫外线，被臭氧层 及其它成份吸收。只有波长及其它成份吸收。只有波长0.280.380.280.38的紫外线，能部分穿地的紫外线，能部分穿地 大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，并使感光材料所大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，并使感光材料所 感应，可作为遥感工作波段，称为摄影紫外。现已开始用于监感应，可作为遥感工作波段，称为摄影紫外。现已开始用于监 测气体污染及水体的油污染。测气体污染及水体的油污染。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n遥感中常用电磁波段的特性遥感中常用电磁波段的特性 q可见光可见光 波

9、长波长0.380.76um0.380.76um n是人眼可见，可以用棱镜分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫是人眼可见，可以用棱镜分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 七种色光七种色光; ; n能透过大气层；能透过大气层； n地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性, ,故信息量最故信息量最 大；大； n可以用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。可以用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。 n可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前分辨可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前分辨 能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波

10、段内。能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n遥感中常用电磁波段的特性遥感中常用电磁波段的特性 q近红外波段（近红外波段（0.763um0.763um） n会被地表层反射太阳的红外辐射，故又称会被地表层反射太阳的红外辐射，故又称反射红外反射红外。 n其中靠近可见光红光的其中靠近可见光红光的0.761.30.761.3波段可使胶片感光，故此波段波段可使胶片感光，故此波段 又称又称摄影红外摄影红外。 q中远红外（中远红外（315um315um） n地表物体发射的红外线，故称地表物

11、体发射的红外线，故称热红外热红外。热红外只能用扫描方式，。热红外只能用扫描方式， 经过光电信号的转换才能成象。经过光电信号的转换才能成象。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.1 1.1 电磁辐射原理电磁辐射原理 n遥感中常用电磁波段的特性遥感中常用电磁波段的特性 q微波微波 n能穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和土壤，可获得其它波段能穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和土壤，可获得其它波段 无法获得的信息；无法获得的信息； n具有全天候、全天时的工作能力；具有全天候、全天时的工作能力； n可以主动和被动方式成像。可以主动和被动方式成像。 n因此在遥感技术上是

12、很有潜力的一个波段因此在遥感技术上是很有潜力的一个波段 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.2 1.2 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 n辐射能量辐射能量Q Q q电磁波是有能量的，电磁辐射源以电磁波形式向外电磁波是有能量的，电磁辐射源以电磁波形式向外 传送能量，常用传送能量，常用Q Q表示，单位为焦（表示，单位为焦（J J）。）。 n辐射通量辐射通量 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.2 1.2 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐

13、丹徐丹 1.2 1.2 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 n立体角立体角 q一个锥面所围成的空间部分称为一个锥面所围成的空间部分称为“立体角立体角”。 q定义为：所拦截的球面积定义为：所拦截的球面积与半径与半径r r的平方之比的平方之比, , 用用表示，单位为球面度表示，单位为球面度(sr)(sr)。 可写为：可写为： = /r = /r2 2 一个球形空间的立体角为一个球形空间的立体角为44 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.2 1.2 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的

14、物理量 点辐射源点辐射源 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.2 1.2 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 辐射能量辐射能量Q 辐射通量辐射通量 除以时间t 对于点状地物对于面状地物 辐射通量密度辐射通量密度 面点 除以面积除以立体角 辐射强度辐射强度I 出射面接受面 辐出度辐出度M辐照度辐照度E 某个方向的辐射强度（除 以立体角和投影面积） 辐射亮度辐射亮度L 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.2 1.2 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程

15、学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n电磁辐射的基础电磁辐射的基础物体的热辐射物体的热辐射 q自然界中一切物体，当温度高于绝对零度（自然界中一切物体，当温度高于绝对零度（-273-273）时，）时， 都会不断向四周空间辐射电磁波，这种现象称为都会不断向四周空间辐射电磁波，这种现象称为热辐射热辐射。 q热辐射能量的大小及波长分布取决于物体本身的温度。热辐射能量的大小及波长分布取决于物体本身的温度。 n吸收系数吸收系数 n物体吸收电磁辐射能量与入射总电磁辐射能量之比。物体吸收电磁辐射能量与入射总电磁辐射能量之比。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹

16、徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n黑体黑体 q任何温度、频率和波长条件下吸收系数恒等于任何温度、频率和波长条件下吸收系数恒等于1 1的物体的物体 称为称为“绝对黑体绝对黑体”，简称，简称黑体黑体。 n灰体灰体 q各波长吸收率近似为一小于各波长吸收率近似为一小于1 1的的常数常数的物体的物体 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n黑体的辐射规律黑体的辐射规律 q斯特藩斯特藩- -波尔兹曼（波尔兹曼（Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann）定律）定律 q维恩位移定律维恩位移定律 q基尔霍

17、夫定律基尔霍夫定律 q一般物体的辐射规律与黑体辐射规律相似，因此通一般物体的辐射规律与黑体辐射规律相似，因此通 过黑体的辐射规律可推论出一般物体的辐射规律过黑体的辐射规律可推论出一般物体的辐射规律 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n斯特藩斯特藩- -波尔兹曼（波尔兹曼（Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann）定律）定律 qM(T)M(T)为黑体表面发射的总能量，即总辐射出射度；为黑体表面发射的总能量，即总辐射出射度；为斯为斯- - 波常数；波常数；T T为发射体的热力学温度，即黑体温度。为发

18、射体的热力学温度，即黑体温度。 q此式表明，绝对黑体表面上，单位面积发出的此式表明，绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝总辐射能与绝 对温度的四次方成正比对温度的四次方成正比 q对于对于一般物体也可用一般物体也可用上式概略推算出总辐射能与绝对温度的上式概略推算出总辐射能与绝对温度的 关系关系 4 )(TTM 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n斯特藩斯特藩- -波尔兹曼定律波尔兹曼定律 q曲线以下的面积相当于总曲线以下的面积相当于总 辐射出射度辐射出射度M M q辐射温度越高，发射的辐辐射温度越高，发射的辐 射总

19、量越大射总量越大 q不同温度的黑体辐射曲线不同温度的黑体辐射曲线 相似相似 q曲线的能量峰值分布随着曲线的能量峰值分布随着 温度的升高，向短波方向温度的升高，向短波方向 移动移动 图图1.1 不同温度黑体辐射波谱曲线不同温度黑体辐射波谱曲线 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n维恩位移定律维恩位移定律 max max=A/T =A/T（A A为常数）为常数） qmax max为辐射强度最大的波长，单位为 为辐射强度最大的波长，单位为um; Aum; A为常数；为常数； T T为热力学温度为热力学温度 q该定律表明该定律

20、表明：黑体的绝对温度增高时，它辐射能最大的：黑体的绝对温度增高时，它辐射能最大的 波段向波段向短波短波方向移动。（一般物体也有相似性质）方向移动。（一般物体也有相似性质） q据此可对特定的目标选择红外遥感的最佳波段。据此可对特定的目标选择红外遥感的最佳波段。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n基尔霍夫定律基尔霍夫定律 q在任一给定的温度和波长条件下，任何物体的在任一给定的温度和波长条件下，任何物体的辐射出射度辐射出射度和吸和吸 收系数之比收系数之比是一个常数是一个常数，并且等于同一温度波长下，绝对黑体，并且等于同一温

21、度波长下，绝对黑体 的辐射出射度的辐射出射度 q 为黑体在给定的温度和波长条件下的辐射出射度；为黑体在给定的温度和波长条件下的辐射出射度； 为任意物体在任一给定的温度和波长条件下的辐射出射度；为任意物体在任一给定的温度和波长条件下的辐射出射度； 为物体的吸收系数为物体的吸收系数 ),( ),( ),( M M b ),( b M),(M ),( 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n定义物体的辐射能力与黑体辐射能力之比为定义物体的辐射能力与黑体辐射能力之比为 物体的物体的比辐射率比辐射率或或发射率发射率，即：，即： ),

22、( ),( ),( b M M Te n故有：故有： ),(),(TaTe n即即物体的吸收率就是它的发射率物体的吸收率就是它的发射率 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n基尔霍夫定律基尔霍夫定律 n该定律表明：该定律表明： q一个好的吸收体也是一个好的发射体。一个好的吸收体也是一个好的发射体。 q温度相同的两物体，对于某波长的的辐射，如果甲比乙吸温度相同的两物体，对于某波长的的辐射，如果甲比乙吸 收得多，则甲比乙发射得也多收得多，则甲比乙发射得也多 q物体不吸收某波长的辐射，也就不发射该波长的辐射物体不吸收某波长的辐

23、射，也就不发射该波长的辐射 q一般物体的热辐射出射度小于同温度的绝对黑体的辐射出一般物体的热辐射出射度小于同温度的绝对黑体的辐射出 射度射度 ),().,(),(TMaTM b 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n电磁辐射源电磁辐射源 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n太阳太阳 q是地球环境中，最强大天然电磁辐射源，是当前航天、是地球环境中，最强大天然电磁辐射源，是当前航天、 航空可见光及近红外遥感的航空可见光及近红外遥感的主要辐射源主要辐射

24、源 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n太阳辐射太阳辐射 图图1.2 地球表面的太阳辐照度曲线地球表面的太阳辐照度曲线 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n太阳辐射太阳辐射 q太阳常数太阳常数 n定义：定义：指大气层顶部平均日指大气层顶部平均日地距离处，垂直于太地距离处，垂直于太 阳入射光线的单位面积上，单位时间内接收到的太阳入射光线的单位面积上，单位时间内接收到的太 阳辐射的总能量。阳辐射的总能量。 n即大气层外太阳辐射在全波段的总能量即大气

25、层外太阳辐射在全波段的总能量 n为为1352w/m1352w/m2 2 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n太阳辐射太阳辐射 q太阳辐照度太阳辐照度 n太阳辐射能（太阳常数）是在平均日地距离的情况下测得，太阳辐射能（太阳常数）是在平均日地距离的情况下测得， 故任一时刻的太阳辐射能故任一时刻的太阳辐射能需考虑日地距离的变化需考虑日地距离的变化 n任一时刻的大气层外接收到的太阳辐照能量均要考虑日地任一时刻的大气层外接收到的太阳辐照能量均要考虑日地 距离的变化，并与太阳天顶角有关距离的变化，并与太阳天顶角有关 佛山科技学院环

26、境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n太阳辐射太阳辐射 q太阳辐照度太阳辐照度 n任一时刻大气层外太阳辐照度：任一时刻大气层外太阳辐照度： E = EE = E0 0 （r r0 0/r/r）2 2 cos cos E E0 0：太阳常数：太阳常数 ： 太阳天顶角太阳天顶角 r r0 0：日地平均距离：日地平均距离 r r：日地距离：日地距离 日地距离因子日地距离因子d = r/rd = r/r0 0 ：可从天文年历中查出：可从天文年历中查出 E 0 E 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3

27、1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n地球辐射地球辐射 q是目前热红外遥感的主要辐射源是目前热红外遥感的主要辐射源 q能量集中在远能量集中在远红外和中红外谱段，峰值在红外和中红外谱段，峰值在9.79.7处，大部处，大部 分集中在分集中在8-14um8-14um的范围内。这是由于地球表面平均温度的范围内。这是由于地球表面平均温度 约约27270 0C C，接近（不超过），接近（不超过）3003000 0K K，故为，故为3003000 0K K黑体光谱曲黑体光谱曲 线所包围。线所包围。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n地球

28、辐射地球辐射 q与太阳辐射的关系与太阳辐射的关系 n波长波长0.3-3um0.3-3um，主要是反，主要是反 射太阳辐射能，地球热辐射射太阳辐射能，地球热辐射 可忽略不计。可忽略不计。 n波长波长3-6um3-6um中红外波段太阳与地球辐射均不能忽略中红外波段太阳与地球辐射均不能忽略. .作该波段的作该波段的 红外遥感时，常选择在清晨时分，经减少太阳辐射影响红外遥感时，常选择在清晨时分，经减少太阳辐射影响 n波长波长6um6um，主要是地球表面的热辐射，主要是地球表面的热辐射 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n人工辐

29、射源人工辐射源 q微波微波 n用于主动遥感之中，辐射源直接安装在传感器里，产生所用于主动遥感之中，辐射源直接安装在传感器里，产生所 需波长和功率的电磁辐射。如侧视雷达系统中心微波脉冲需波长和功率的电磁辐射。如侧视雷达系统中心微波脉冲 发生器，激光雷达中使用的脉冲输出激光器等发生器，激光雷达中使用的脉冲输出激光器等 n全天候工作全天候工作 n对某些地物具有特殊的波谱特征对某些地物具有特殊的波谱特征 n具有一定穿透能力：具有一定穿透能力：如3.2cm的微波束可穿透4000m厚的云层， 只衰减1dB，大气影响可忽略不计，可穿透干沙土几十米，可穿 透冰层上百米。如：撒哈拉沙漠几十米下的古大陆，微波遥感

30、 时发现。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.3 1.3 电磁辐射源电磁辐射源 n人工辐射源人工辐射源 q激光激光 n短波可至短波可至0.24um0.24um以下，长波可达以下，长波可达1000um1000um，以至微波以至微波 n光的方向性好：光细、发散面非常小、产生极高分辨率图光的方向性好：光细、发散面非常小、产生极高分辨率图 像像 n高亮度：可比太阳亮度高几十亿倍高亮度：可比太阳亮度高几十亿倍 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气成分大气成分 ，

31、N2 78.084% 不变成份 O2 20.946% CO2、A5及其它稀有气体 1% 水（气态） （H2O） 水（液态、固态） (H2O） 可变成份 臭氧 O3 尘埃、工业污染 盐粒、陆地尘埃、碳粒、氨气、 一氧化碳、硫化氢、氧化硫等。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气成分大气成分 q按照粒子大小有：按照粒子大小有： n气体（分子）气体（分子） n气溶胶：气溶胶：大气中悬浮的大量固态和液态微粒，包括灰尘、大气中悬浮的大量固态和液态微粒，包括灰尘、 烟尘、盐晶、水晶和水滴等，直径为烟尘、盐晶

32、、水晶和水滴等，直径为0.01-30 um0.01-30 um，统称为，统称为 气溶胶气溶胶 n大于大于30um30um的颗粒会发生沉降作用，慢慢降落至地面的颗粒会发生沉降作用，慢慢降落至地面 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 大气及其大气及其 它成份反它成份反 射：射：30% 大气吸收：大气吸收： 17% 大气大气 散射：散射： 22% 到达地面到达地面: 31% 地地 球球 太阳太阳 大大 气气 层层 电磁辐射从太阳到达电磁辐射从太阳到达 地球表面的过程中，地球表面的过程中， 大气在其中的作用大

33、气在其中的作用 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气对电磁辐射的影响主要有：大气对电磁辐射的影响主要有： q大气散射大气散射 q大气吸收大气吸收 q大气反射大气反射 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气散射大气散射 q大气散射主要是大气中的粒子对电磁波的散射大气散射主要是大气中的粒子对电磁波的散射 q散射的性质和强度取决于微粒的散射的性质和强度取决于微粒的半径半径r r与与电磁波长电磁波长 两者之

34、间两者之间 的关系的关系 q引入比例因子引入比例因子x x=2x x=2 r r/ / 式中：式中：r r微粒半径；微粒半径； 电磁波的长电磁波的长 X X 称散射称散射尺度参数尺度参数，其值大小决定了散射的性质：，其值大小决定了散射的性质： X 0.1 X 0.1 瑞利散射瑞利散射 0.1 X 3 0.1 X 3 X 3 无选择散射无选择散射 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气散射大气散射 q瑞利散射瑞利散射 n发生该散射的情况发生该散射的情况：X 0.1X 0.1，即，即“粒子直径粒子直径

35、r r 入射电磁波波长入射电磁波波长 ” n发生散射的粒子发生散射的粒子：气体分子（如氧气、氮气等对可见光的：气体分子（如氧气、氮气等对可见光的 散射）散射） n散射强度散射强度：与：与4次方成反比，波长越短，散射越强次方成反比，波长越短，散射越强 n散射方向散射方向：前向散射（散射方向与入射方向夹角小于：前向散射（散射方向与入射方向夹角小于9090） = = 后向散射强度后向散射强度 前向散射前向散射 = 后向散射后向散射 入射光 后向 散射 前向 散射 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气散

36、射大气散射 q米氏散射米氏散射 n发生该散射的情况发生该散射的情况：0.1 x 30.1 x 后向散射强度后向散射强度 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气散射大气散射 q无选择性散射无选择性散射 n发生散射的情况发生散射的情况：x 3x 3，即，即“散射的粒子直径散射的粒子直径r r 入射入射 电磁波波长电磁波波长” n发生无选择性散射的粒子发生无选择性散射的粒子：云、雾、水滴、尘埃等：云、雾、水滴、尘埃等 n散射强度散射强度：与波长无关，同等的散射所有可见光、近红外：与波长无关，同等的散射所

37、有可见光、近红外 波段波段 n散射方向散射方向：向前散射向前散射，前向散射，前向散射 后向散射后向散射 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气散射大气散射 q大气散射的影响大气散射的影响 n降低了太阳光直射的强度降低了太阳光直射的强度 n改变了太阳辐射的方向改变了太阳辐射的方向 n产生了漫反射的天空散射光（又叫天空光），从而增强了产生了漫反射的天空散射光（又叫天空光），从而增强了 地面的辐照和大气层本身的地面的辐照和大气层本身的“亮度亮度” n降低图像质量及空间信息的表达能力降低图像质量及空间信息

38、的表达能力 地表地表 散射散射 天空光天空光 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气吸收大气吸收 q概念概念：辐射能在气体中传输，一部分辐射能会辐射能在气体中传输，一部分辐射能会被气体被气体 吸收成变为气体内能吸收成变为气体内能，使传输的辐射能削弱，这一现象，使传输的辐射能削弱，这一现象 称为大气吸收。称为大气吸收。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气吸收大气吸收 q大气主要气体及相应吸收带大气主

39、要气体及相应吸收带 n水汽吸收带：水汽吸收带：对太阳辐射的吸收作用最为显著，范围很广，但对太阳辐射的吸收作用最为显著，范围很广，但 集中在红外波段，其中集中在红外波段，其中0.7-3.0um0.7-3.0um波段是强吸收带波段是强吸收带 n氧和臭氧吸收带：氧和臭氧吸收带：氧的吸收带主要在氧的吸收带主要在0.176-0.202um0.176-0.202um和和0.242-0.242- 0.260um0.260um，在，在0.69-0.76um0.69-0.76um也有一狭小的吸收带。臭氧对也有一狭小的吸收带。臭氧对0.28um0.28um 以下的短波光能全部吸收。以下的短波光能全部吸收。 n二氧

40、化碳吸收带二氧化碳吸收带：主要发生在大于：主要发生在大于2um2um的红外区内的红外区内。 n水滴和尘埃水滴和尘埃：吸收的范围较宽，但主要吸收：吸收的范围较宽，但主要吸收0.7-3um0.7-3um的红外线。的红外线。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气吸收大气吸收 q大气主要气体及相应吸收带大气主要气体及相应吸收带 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气反射大气反射 q主要是云层反射主要是云层反

41、射 q云层厚度大于云层厚度大于50m50m时，反射量达时，反射量达50%50%以上，厚度为以上，厚度为 500m500m时，反射量超过时，反射量超过80%80% q另外，大气层中直径大于另外，大气层中直径大于1010-6 -6m m的其它微粒也会产生 的其它微粒也会产生 反射作用反射作用 q故对地球温度有调节作用故对地球温度有调节作用 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气衰减大气衰减 q消光消光：电磁波在大气中传播时，因大气的吸收和散：电磁波在大气中传播时，因大气的吸收和散 射作用，强度减弱，由

42、此引起的电磁波强度的衰减射作用，强度减弱，由此引起的电磁波强度的衰减 叫叫消光消光。 q若太阳辐照度为若太阳辐照度为E，大气路径为，大气路径为x，则穿过该大气路，则穿过该大气路 径经大气衰减后的辐照度径经大气衰减后的辐照度E为为 E= Ee-kx p大气透过率大气透过率T： T =e-kx k为衰减系数（消光系数）为衰减系数（消光系数） kx为光学厚度为光学厚度 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气窗口大气窗口 q大气窗口大气窗口：电磁辐射在大气传输过程中损耗比较小，透射率：电磁辐射在大气传输过

43、程中损耗比较小，透射率 较高的波段较高的波段 q目前用于遥感的大气窗口目前用于遥感的大气窗口: : n0.3-1.3um0.3-1.3um：包括全部可见光、部分紫外和摄影红外：包括全部可见光、部分紫外和摄影红外 波段。应用范围广，可采用摄影、扫描等方式成像。波段。应用范围广，可采用摄影、扫描等方式成像。 n1.5-2.5um1.5-2.5um：属近红外波段，扫描方式成像。：属近红外波段，扫描方式成像。 n3.5-5.5um3.5-5.5um：属中红外波段，白天或黑夜都可用，扫：属中红外波段，白天或黑夜都可用，扫 描方式成像。描方式成像。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程

44、学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n大气窗口大气窗口 q目前用于遥感的大气窗口目前用于遥感的大气窗口: : n8-14um8-14um：属远红外（热红外）波段，在热辐射波段：属远红外（热红外）波段，在热辐射波段 范围内，可采用扫描或红外辐射计检测，白天、黑范围内，可采用扫描或红外辐射计检测，白天、黑 夜都能成像夜都能成像 n大于大于1.4mm1.4mm：属微波段，不受大气干扰，采用雷达成：属微波段，不受大气干扰，采用雷达成 像或微波辐射计检测，可全天候工作像或微波辐射计检测，可全天候工作 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹

45、徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n地球表面的入射能量地球表面的入射能量 q在大气散射和地物反射的影响下，地表入射的太阳在大气散射和地物反射的影响下，地表入射的太阳 能发生再分配。使自然地表任一点的入射光由三部能发生再分配。使自然地表任一点的入射光由三部 分组成：分组成： n太阳直射光太阳直射光 n天空光（漫射光或天空散射光）天空光（漫射光或天空散射光） n周围地物反射光周围地物反射光 地表地表 散射散射 天空光天空光 周围 更高 地物 太阳直射光太阳直射光 地物地物 反射反射 光光 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4

46、1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n地球表面的入射能量地球表面的入射能量 q太阳直射光的特点太阳直射光的特点 n太阳光穿过大气，直接入射到地面的部分。太阳光穿过大气，直接入射到地面的部分。 n为平行光，有明确的方向性为平行光，有明确的方向性 n其强度取决于大气层外太阳辐射强度、大气透过率和入其强度取决于大气层外太阳辐射强度、大气透过率和入 射天顶角射天顶角 cosT r r EE 2 0 0 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n地球表面的入射能量地球表面的入射能量 q天空光（漫射光或

47、天空散射光）的特点天空光（漫射光或天空散射光）的特点 n大气中粒子发生散射发出的光大气中粒子发生散射发出的光 n来自上半球空间来自上半球空间 n其强度取决于大气状况。晴朗天气，天空光弱；多云或阴其强度取决于大气状况。晴朗天气，天空光弱；多云或阴 天，天空光强天，天空光强 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.4 1.4 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响 n地球表面的入射能量地球表面的入射能量 q周围地物反射光的特点周围地物反射光的特点 n为周围地物反射光为周围地物反射光 n与周围地形、周围地物反射率有关与周围地形、周围地物反射率有关 n山区，特别是

48、当周围地物有较高的反射率时，周围地物反山区，特别是当周围地物有较高的反射率时，周围地物反 射光较强；平地，该部分入射光可以忽略射光较强；平地，该部分入射光可以忽略 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5 1.5 地物的波谱特征地物的波谱特征 n1.5.1 1.5.1 波谱特征波谱特征 n1.5.2 1.5.2 电磁辐射产生的微观机制电磁辐射产生的微观机制 n1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度地物的反射波谱及其量度 n1.5.4 1.5.4 几种典型地物的反射波谱特征几种典型地物的反射波谱特征 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化

49、学工程学院 徐丹徐丹 1.5.1 1.5.1 波谱特征波谱特征 n波谱特征波谱特征 q概念：物体会反射和发射电磁波，其本领随波长的概念：物体会反射和发射电磁波，其本领随波长的 改变而改变的特性，称地物的波谱特征改变而改变的特性，称地物的波谱特征 q波谱信息是其他一切遥感信息的基础波谱信息是其他一切遥感信息的基础 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.2 1.5.2 电磁辐射产生的微观机制电磁辐射产生的微观机制 n光的吸收与发射光的吸收与发射 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.2 1.5.2 电磁辐射产生的微

50、观机制电磁辐射产生的微观机制 n反射反射 q物体内部粒子物体内部粒子吸收光子吸收光子后，由基态后，由基态跃迁跃迁为激发态，通常为激发态，通常 粒子的这种激发态极短，约粒子的这种激发态极短，约1010-8 -8秒，之后随 秒，之后随发射与吸收发射与吸收 频率相同的光子频率相同的光子后，粒子又恢复原来的能量状态，温度后，粒子又恢复原来的能量状态，温度 并无变化，这个过程就是反射，即并无变化，这个过程就是反射，即 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.2 1.5.2 电磁辐射产生的微观机制电磁辐射产生的微观机制 n吸收吸收 q有些激发态的寿命特别长，称亚稳定

51、态，粒子吸收光子有些激发态的寿命特别长，称亚稳定态，粒子吸收光子 进入这些激发态后并非立即发出光子而向下跃迁，而是进入这些激发态后并非立即发出光子而向下跃迁，而是 滞留一段时间，这段时间物体内部的能量增加，温度上滞留一段时间，这段时间物体内部的能量增加，温度上 升。这个过程就是吸收。升。这个过程就是吸收。 n透射透射 q如果入射光子能量与物理内部所有粒子的能级差都不同，如果入射光子能量与物理内部所有粒子的能级差都不同， 那么入射光将不会被粒子吸收，而发生透射。那么入射光将不会被粒子吸收，而发生透射。 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.2 1.5.2

52、 电磁辐射产生的微观机制电磁辐射产生的微观机制 n荧光效应荧光效应 q某些物质中的粒子（电子）在基态与激发态之间有一个某些物质中的粒子（电子）在基态与激发态之间有一个 （或多个）（或多个）亚稳定态亚稳定态，吸收光子进入激发态后，可以以，吸收光子进入激发态后，可以以 级联方式跃迁回基态，因而可以吸收某一波长的能量，级联方式跃迁回基态，因而可以吸收某一波长的能量， 再了出另一不同波的光子。这就是荧光效应。再了出另一不同波的光子。这就是荧光效应。 q如萤石、红宝石等。如萤石、红宝石等。 q实际当中经常用紫外光进行荧光效应的应用实际当中经常用紫外光进行荧光效应的应用 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山

53、科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.2 1.5.2 电磁辐射产生的微观机制电磁辐射产生的微观机制 n荧光效应荧光效应 紫外光 照射下 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度地物的反射波谱及其量度 n概念概念 q电磁辐射射到物体上有三个分量：反射、吸收和透射，各电磁辐射射到物体上有三个分量：反射、吸收和透射，各 分量大小取决于物体性质。分量大小取决于物体性质。 q吸收率吸收率 q透射率透射率 入射能量 吸收能量 入射能量 透射能量 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.

54、5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度地物的反射波谱及其量度 n概念概念 q反照率反照率 q反照率、透射率、吸收率三者之和为反照率、透射率、吸收率三者之和为1 1 q自然界中，大部分物体是不透明的，则有：自然界中，大部分物体是不透明的，则有： q高反照率的物体是弱发射体，同时也说明对绝大部分地物，高反照率的物体是弱发射体，同时也说明对绝大部分地物， 只要测定其只要测定其反照率就可以推算其发射率反照率就可以推算其发射率 入射能量 反射能量 1 1 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度地物的反射波谱及其量度 n反

55、照率与反射率的区别反照率与反射率的区别 q反照率（反照率（spectral albedospectral albedo）：对某一表面而言总的反射辐）：对某一表面而言总的反射辐 射通量与入射辐射通量之比。射通量与入射辐射通量之比。 n全波段的反射全波段的反射 n向半球方向的反射向半球方向的反射 q反射率反射率(reflectance):(reflectance):对某波段向一定方向的反射对某波段向一定方向的反射 入射能量入射能量 反射能量反射能量 E L R 入射能量 方向反射能量 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其

56、量度地物的反射波谱及其量度 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度地物的反射波谱及其量度 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度地物的反射波谱及其量度 n界面起伏高度相对入射电磁波波长很小时产生界面起伏高度相对入射电磁波波长很小时产生 n反射的电磁波具有方向性，即反射角反射的电磁波具有方向性，即反射角= =入射角入射角 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度

57、地物的反射波谱及其量度 n界面起伏高度相对入射波波长而言较大（即界面很粗糙）时发界面起伏高度相对入射波波长而言较大（即界面很粗糙）时发 生，电磁波被向各方面均匀反射出去，各方向上反射的亮度值生，电磁波被向各方面均匀反射出去，各方向上反射的亮度值 是一样的是一样的 n发生漫反射的物体叫发生漫反射的物体叫朗伯体朗伯体 q混合反射混合反射 n介于镜面反射和漫反射之间的反射，自然界地物大多属于这种介于镜面反射和漫反射之间的反射，自然界地物大多属于这种 反射反射 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度地物的反射波谱及其量度

58、镜面反射镜面反射 漫反射漫反射 混合反射混合反射 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度地物的反射波谱及其量度 n地物反射波谱的测量地物反射波谱的测量 q方法方法 n采用采用0.350.352.5um2.5um的光谱仪（光辐射计）来测量，测定的方法的光谱仪（光辐射计）来测量，测定的方法 是将地物与已知反射率的白板（标准板）相比较，求出地物反是将地物与已知反射率的白板（标准板）相比较，求出地物反 射率射率R R L L 所所测地物反射辐亮度；测地物反射辐亮度；R R0 0 白板反射率（已知白板反射率（已知) ) ；

59、L L0 0 所所测白板反射辐亮度；测白板反射辐亮度； 0 0 R L L R 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.3 1.5.3 地物的反射波谱及其量度地物的反射波谱及其量度 n地物反射波谱的测量地物反射波谱的测量 q方式方式 n室内测量室内测量 q将样品拿到实验室测量，结果精度高，但不反映实际状态将样品拿到实验室测量，结果精度高，但不反映实际状态 n野外测量野外测量 q将仪器拿到实地测量，结果较反映地物自然状态的波谱特征将仪器拿到实地测量，结果较反映地物自然状态的波谱特征 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 野

60、外光谱测量实验野外光谱测量实验 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 野外光谱测量实验野外光谱测量实验 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.4 1.5.4 几种典型地物的波谱特征几种典型地物的波谱特征 n水体的波谱特征（清洁的深水）水体的波谱特征（清洁的深水） 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.4 1.5.4 几种典型地物的波谱特征几种典型地物的波谱特征 n植被的波谱特征植被的波谱特征 佛山科技学院环境与化学工程学院佛山科技学院环境与化学工程学院 徐丹徐丹 1.5.4 1