第二章遥感电磁辐射基础

1、本章主要介绍遥感本章主要介绍遥感概念、遥感的特点、概念、遥感的特点、遥感数据、遥感数遥感数据、遥感数据类型、遥感数据据类型、遥感数据的应用以及遥感技的应用以及遥感技术的发展。术的发展。宇宙遥感,地球遥感航天遥感(150km)航空遥感(12km)地面遥感(地面或近地面)成像方式遥感(摄影方式/扫描方式)非成像方式遥感(光谱辐射计等)主动遥感(雷达)被动遥感可见光遥感/红外遥感微波遥感/紫外遥感等遥感数据分类成像方式非成像方式被动式主动式 雷达摄影方式扫描方式宽波段摄影黑白摄影彩色摄影多波段遥感多镜头相继摄影单镜头相继摄影主动式 雷达高度计、雷达散射计、微波辐射计波动式 红外辐射计等传感器所获取的

2、各种数据、曲线等形式的资料光学机械扫描（多波段扫描仪）推帚扫描（CCD）back人造地球卫星：1、低高度/短寿命（150-350km，几天到几十天） 2、中高度/长寿命（350-1800km，3-5年） 3、高高度/长寿命（36000km，10年以上）backback 本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、三种遥感模型等。 本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、三种遥感模型等。如声

3、波、水波、地震波等如声波、水波、地震波等振动的是弹性媒质中质点的位移矢量。 0.38 0.76 3.0 6.0 15.0微米 1 10 100 1000毫米 波长波长 紫紫外外可可见见光光 近红外近红外 中红外中红外 热红外热红外 远红外远红外 毫米波毫米波 厘米波厘米波 分米波分米波 米波米波 红外波段红外波段 微波波段微波波段遥感技术应用的电磁波谱段遥感技术应用的电磁波谱段 0.38 0.43 0.47 0.50 0.56 0.59 0.62 0.76微米可见光波段可见光波段太阳辐射太阳辐射见光及近红外遥感的重要辐射源见光及近红外遥感的重要辐射源地球电磁辐射地球电磁辐射远红外遥感的辐射源远

4、红外遥感的辐射源辐射通量（辐射通量（）：）：=Dw/dt，被辐射物体表面单位被辐射物体表面单位面积上的辐射通量。面积上的辐射通量。单位：单位：w/m2，S为面积为面积辐射源物体表面单位辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。面积上的辐射通量。单位：单位：w/m2，S为面积为面积辐射亮度（辐射亮度（L）：）：面状辐射源在某一面状辐射源在某一方向，单位投影表方向，单位投影表面，单位立体角内面，单位立体角内辐射通量辐射通量.人工制造的接近黑体的吸收体1)绝对黑体绝对黑体基尔霍夫基尔霍夫（18241887）Kirchhoff，GustavRobert德国物理学家。 黑体辐射n次反射后出射光线几乎等于次反射

5、后出射光线几乎等于0黑体是一种理想的黑体是一种理想的吸收体，自然界没吸收体，自然界没有真正的黑体。有真正的黑体。吸收系数吸收系数（，T）=100%反射系数反射系数（，T）=0%艾萨克牛顿（Isaac Newton 1642.12.251727.3.20.） 英国物理学家、数学家、天文学家和自然哲学家。 Newton 最早认识到了光及电磁波具有最早认识到了光及电磁波具有波粒二象性。波粒二象性。1999年12月26日，爱因斯坦被美国时代周刊评选为“世纪伟人”。 Albert Einstein Albert Einstein 1879-19551879-1955辐射能量与它的辐射能量与它的波长反比，

6、即辐波长反比，即辐射的波长越长，射的波长越长，其辐射能量越低其辐射能量越低红外装置测试温度的理论根据。: 斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.67032108 W/(m2K4 )TbW4奥地利著名物理学家玻耳兹曼 b : 常数，常数，2.8978*10-3 mK维恩位移定律描述的就是辐射峰维恩位移定律描述的就是辐射峰值随黑体温度变化的关系。值随黑体温度变化的关系。 发射率等于吸收率。好的吸收体也是好发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。波，也不发射该波长的电磁波。4基尔霍夫基尔霍夫（18241887）Kirchho

7、ff，GustavRobert德国物理学家。2.4 太阳辐射与大气的相互作用l大气概况l大气的吸收作用l大气的散射作用l大气窗口l大气校正大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。水滴等组成。 气体：气体：N N2 2，O O2 2，H H2O2O，COCO2 2，COCO，C CH4H4，O O3 3 悬浮微粒：尘埃悬浮微粒：尘埃l2.4.1大气概况2.4.2大气的吸收作用大气的吸收作用：大气的吸收作用：大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带。O O2 2吸收带吸收带0.2m0.2m，0.155m0.155m最强最强

8、O O3 3吸收带吸收带0.20.20.36m0.36m，0.6m0.6mH H2 2O O吸收带吸收带0.50.50.9m , 0.950.9m , 0.952.85m2.85m，6.25m6.25mCOCO2 2吸收带吸收带1.351.352.85m, 2.7m,4.3m,14.5m2.85m, 2.7m,4.3m,14.5m尘埃尘埃吸收量很小吸收量很小2.4.3大气的散射作用2.4.3大气的散射作用不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三

9、种： 瑞利散射：d NoImage2.4.4 2.4.4 大气窗口大气窗口2.4.5大气校正n概念：概念：为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正，称作大气校正。 n大气对遥感图像的影响与波长、时间、地点、大气条件、大气厚度、太阳高度角等因素有关。n按照校正的过程，可以分为间接大气校正方法和直接大气校正方法。直接大气校正是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气影响。间接大气校正指对一些遥感常用函数，如NDVI 进行重新定义，形成新的函数形式，以减少对大气的依赖。2.5 太阳辐射与地面的相互作用n反射作用n反射率的概念n反射光谱曲线n常见地物的光谱曲线n吸收作用n透射作用太阳与地

10、面的相互作用v在可见光与近红外波段（在可见光与近红外波段（0.2-2.5um)，地表物体，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射自身的辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后，物体除了反太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即：被吸收和反射的其余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到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量透射能量v一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力

11、，一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，而有些物体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对特别是对0. 45 0. 56m的蓝绿光波段，一般水的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达体的透射深度可达1020 m，清澈水体可达，清澈水体可达100 m的深度。的深度。2.5.1反射作用镜面反射 漫反射实际地面反射1.镜面反射2.漫反射3.实际地面反射即物体的反射面是光滑的，光线平行反射，如镜子，平静的水面等 一束平行光射到平面镜上,反射光是平行的,这种反射叫做镜面反射； 镜面反射很多物体，如植物、墙壁、衣服等，其表面粗看起来似乎是平滑，但

12、用放大镜仔细观察，就会看到其表面是凹凸不平的，所以本来是平行的太阳光被这些表面反射后，弥漫地射向不同方 为什么在 电影院里，人能在不同的座位上看到银幕上的画面电影院里，人能在不同的座位上看到银幕上的画面，这是因为 光在银幕上形成了漫反射 。 电影院的银幕、投影幕布都是生活中最常见的漫反射例子 镜面反射 即物体的反射面是光滑的，光线平行反射，如镜子，水面等 镜面反射是指反射波（电磁波、或声波，水波）有确定方向的反射；其反射波的方向与反射平面的法线夹角（反射角），与入射波方向与该反射平面法线的夹角（入射角）相等，且入射波、反射波，及平面法线同处于一个平面内。摄影时应避免镜面反射光线进入摄影机镜头，

13、由于镜面反射光线极强，在像片上将形成一片白色亮点，影响地物本身在像片上的显现。 反射：一般来说，光从一种介质射到它和另一中介质的分界面时，一部分光返回到这种介质中的现象 散射：光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时，部分光线向多方面改变方向的现象。叫做光的散射.超短波发射到电离层时也发生散射 散射（scattering）是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。反射：声波、光波或其他电磁波遇到别的媒质分界面而部分仍在原物质中传播的现象地物在不同波段的反射率是不同的。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反

14、射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。反射光谱曲线地物反射率随波长是变化的，我们以波长作为横坐标，反射率作为纵坐标，将地物反射率随波长的变化绘制成曲线，即地物的反射率随波长变化的曲线，叫地物的反射光谱曲线反射光谱曲线。不同地物的该曲线是不同的。 不同地物反射波谱曲线分析 植物光谱曲线植被植被 ： 双峰双谷特点双峰双谷特点植被的波谱特征植被的波谱特征 植被的波谱特征最明显。绿色植被种类很多，但都有相似的反射波谱特征曲线。 在可见光绿波段0.55m附近有10-20%的反射峰。 在红外线0.8-1.0 m间

15、具有50-60%的强反射峰。 在红光0.7 m和红外线1.5 m 、1.9 m附近具有强烈的吸收谷。1.02.01.52.53.01030205040600.5波长(m)反射率（%）柑橘柑橘番茄番茄玉米玉米棉花棉花吸收作用太阳辐射到达地面，一部分能量被地物吸收并且转换成热能，使地表具有一定温度再发射，被称为“热辐射”。发射率是地物的辐射能量与相同温度下黑体辐射能量之比，又叫比辐射率。温度一定时，地物的发射率随波长变化的曲线，叫地物的发射光谱曲线。地表的辐射温度，也叫亮度温度或表征温度，是指能辐射出与观测地物相等辐射能量的黑体温度。 back物质典型平均比辐射率814m物质典型平均比辐射率814

16、m清水0.980.99干矿物质土0.920.94湿雪0.980.99水泥混凝土0.920.94人的皮肤0.970.99油漆0.900.96粗冰0.970.98干植被0.880.94健康绿色植被0.960.99干雪0.850.90湿土0.950.98花岗岩0.830.87沥青混凝土0.940.97玻璃0.770.81砖0.930.94粗铁片0.630.70木0.930.94光滑金属0.160.21玄武岩0.920.96铝箔0.030.07亮金0.020.03 常见地物的发射率（赵英时，2003） back 各类岩浆岩的发射率（梅安新等，2001） back透射作用太阳辐射到达地面时，能穿透地面一定深度，这种现象叫透射。 自然界绝大