第二章遥感物理基础

1、第二章 遥感物理基础2-l电磁波与电磁波谱一、电磁波电磁波是物体运动的一种形式。电磁波、电磁波谱及其传播规律是遥感技术产生的理论基础。振动的传播成为波，电磁场振动的传播是电磁波。1波如抖动绳子，绳子一端有个上下振动的振源，振动向前传播，从整体看波峰和波谷向前运动，而绳子上各点世纪只作上下运动并不向前运动；水波同样如此。波动是各质点在平衡位置振动而能量向前传播的现象。如果质点振动方向与波传播方向相同，称为纵波，如振动弹簧，声波；如果质点振动方向与波传播方向垂直，成为横波，如水波，抖绳产生的波等。2电磁波当电磁振荡进入空间，变化的磁场激起变化的电场，变化的电场又激发变化的磁场，使电磁振荡在空间传播

2、，产生电磁波。电磁波的产生：组成物质的电子、原子、分子，运动形式有三种：电子绕原子粒作轨道运动及轨道跃迁；原子核在平衡位置上的振动；分子绕质量中心转动；根据能量守恒定律和能量转换定律，运动状态的改变、能量的增加与减少，将以能量辐射的形式表明出来，这就是电磁波；通常，电子跃出产生的电子磁波波长最短，在紫外近红外区；分子振动状态改变产生的电磁波波长中等，红外区；分子转动状态改变产生的电磁波波长较长，微波区电磁波的表述： 3电磁波特性a.电磁波是一个横波：电场矢量和磁场矢量相互垂直，且都垂直于波的传播方向。b.在真空以光速传播，满足麦克斯韦方程：c=v,c = 速度(光速3*108m/s) =波长

3、v=频率c.电磁波具有波粒二象性：波是粒子流的统计平均，粒子是波的量化（1）波动性基本特点是时、空周期性，由波动方程的波函数表示：=Asin(wt-kx)+ ,电磁波的叠加、干涉、衍射、偏振等现象均由波动性引起。电磁波的叠加：电磁波是由于无数个不同波长的波组合加而成，但电磁波的传播是独立进行的。因此任何复杂的电磁波都可以分解成许多简单的电磁波。反之，通过合成可以恢复原来复杂电磁波，条件是具有适当的振幅、频率和相位。如光的分解。电磁波的相干：当相位、频率、振动方向相同的电磁波迭加时，会出现部分区域振动加强，部分区域振动减弱或消失的现象。相干电磁波一般是频率很窄的单道波或微波得到的，相干图象（微波

4、遥感/雷达遥感）与普通图像（其他遥感）不同，需经过特殊处理。电磁波的衍射：电磁波遇到有限大小的障碍物时，能通过障碍物的边缘改变传播方向的现象。可用于设计传感器提高图像的几何分辨率。电磁波的偏振：由于电磁波是横波（振动方向垂直运动方向），当传播过程达到一条“狭缝”（偏振动），只有与狭缝方向一致的电磁波分振动（电场矢量）才能通过，这些通过偏振光片的电磁波被极化。电磁波的极化即为“偏振”，合成孔经雷达成像就是利用电磁波的偏振特性。电磁波的多谱勒效应：因辐射源或观察者相对传播介质的运动，而使接收到的电磁波频率发生变化，当频率为v的波源向着观察着运动时，观察着接收到的频率vv；当波源背着观察着运动时，观

5、察着接收到的频率vv；这种现像叫“多谱勒频移”。多普勒效应对微波雷达成像，尤其是对近地目标的探测具有重要意义，军事上应用比较多。 （2）粒子性基本特点是能量分布的量子化，电磁波是物质运动状态发生改变，能量辐射或吸收，能量的最小单位，成为光子或光量子，及能量的量子化，光子同其他粒子一样具有动量和能量。动量：E=hv；能量：P=h /= 波长 v= 频率 h=普朗克常数波长越长，周期越大，频率越小，能量越小，越易表现波动性；反之，波长越短，周期越小，频率越大，能量越大，越易表现粒子性。电磁辐射在传播过程中，主要表现为波动性；当电磁辐射与物质相互作用时，主要表现为粒子性。遥感技术正是利用电磁波的波粒

6、二象性探测目标的电磁辐射信息的，用传感器接收其传播过来的辐射能量。二、电磁波谱根据波长或频率大小的变化，将电磁波依次排序，叫电磁波谱；射线射线紫外线可见光红外线微波无线电波-1A-100A-0.38m-0.76m-1000m1mm-1m-100 km紫蓝青绿黄橙红0.38m-0.43m-0.47m-0.5m-0.56m-0.59m-0.62- 0.76m近红外中红外远红外极/超远红外0.76m-3m-6m-15m-1000m毫米波厘米波分米波1mm1 cm10 cm-100 cm3*1011-3*1010-3*109-超短波短波中波长波-10m-10m-1000m-100km3*108-3*1

7、07-3*106-3*105-3常用的遥感波段有：紫外线、可见光、红外线、微波紫外线：m，太阳辐射含有紫外线，通过大气时，波大小于0.3m到达地面，能量较少；应用的较晚，可探测的高度在2000m以下，不宜用作高空遥感；目前多用于探测碳酸岩分布，油污染的监测，能提供土壤水份和作物病类信息。可见光：m，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成，人眼对该波段具有敏锐的分辨能力，是鉴别物质的主要波段。遥感技术中主要用摄影和扫描方式接收和纪录地物对可见光的反射特征。红外线：波长范围0.76-1000m，又根据用途分为近红外（0.76-3m），中红外（3-6m）、远红外（6-15m）、超远红外（15-1000

8、m）。近红外同可见光相似，常称为光红外，遥感中常用摄影和扫描方式接收和纪录地物对红外的反射特征m；中红外、远红外和超远红外时产生热感的原因，常称为热红外，自然界任何高于绝对0 K（-273）的物体都能向外辐射红外线，常温物体发射红外线的波长在3-40m，而波长大于15m的超远红外易被大气和税分子吸收，所以遥感中常利用的是3-15m，即3-5m和8-14m，主要应用于探测地物的辐射特征，如热污染、火山、火灾等，由于红外线不易为天空微粒散射，所以不受日照条件限制，白天、黑夜都可进行，全天时遥感。微波 1mm-1m，分为毫米波、厘米波、分米波，也具有热辐射性质，波长较长，有一定穿透能力(云层、水体、

9、土壤等)，主要应用于雷达成像，不受天气影响，可进行全天候全天是遥感探测。其优点有：微波易于聚成较窄的发射波束，近似直线传播，不受高空100400km电离层反射的影响，自然界中的电磁波对微波干扰小，地面目标对微波的散射性能好。三、电磁辐射源任何物体在一定温度下都具有发射、辐射电磁波的特性。辐射源有自然辐射源和人工辐射源。1自然辐射源(1)太阳辐射黑体辐射：黑体是“绝对黑体”的简称，是一个理想的辐射体，在任何温度下，对于各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体，黑体的热辐射成为黑体辐射，其反射率为0，透射率为0。反射率+透射率+吸收率=1，吸收率越大，发射率越大。太阳辐射被看作是接近6

10、000K黑体的辐射源。太阳辐射波长范围很宽，包括射线、紫外线、红外线、微波、无线电波。99的辐射能辐射能量主要集中在0.3-3m，大部分集中在可见光波段，一般称为短波辐射。46的辐射能集中在0.40.76m的可见光段；有25的辐射能分布在小于0.47m的紫外线段；30分布在红外线段；太阳的辐射强度在进入大气层前为1385w/m2s,叫“太阳常数”或“辐射通量密度”，每年有7的被动；太阳辐射到达地面前，大气对太阳辐射由一定的吸收、散射和反射，从地面到传感器也有一定的吸收、散射和反射，有很大的衰减。(2)地球辐射地球辐射可分为短波辐射和长波辐射两个部分。短波辐射：指波长在0.32.5m的地球辐射，

11、属于可见光和近、中红外波段，主要是地球反射太阳辐射的能量。长波辐射：指波长在6m以上的地球辐射，属于热红外波段，主要是地物自身的热辐射能量。而3-6m的地球辐射，是地物反射和自身热辐射兼有。遥感探测时，传感器接收到小于0.3m波长，主要是地物反射太阳辐射的能量，大于6m主要是地物热辐射能量，3-6m太阳于地球的热辐射都要考虑。2人工辐射源人工发射一定波长的波束，接受地物散射该光束返回的后向反射信号的强弱，从而探知地物或测距。主要是主动遥感。(1)微波辐射源常用波段0.830cm的微波。具有全天候、全天时，具有一定的穿透力，容易区分某些物质。(2)激光辐射源2-2地物的光谱特性地物的光谱特性是遥

12、感技术的重要理论依据，因为他即为传感器工作波段的选择提供依据，又是遥感数据正确分析和判读的理论基础，还可作为利用计算机进行数字图像处理和分类是的参考标准。时间特性主要反映在不同时期被测地物光谱特性的变化。空间特性主要是由被测地物光谱特性的不相同所造成的。任何地物都有各自的电磁辐射规律，即具有吸收、反射、透射某些波段的特性-地物的光谱特性。太阳的辐射能入射到地物表面，一般会过出现三种过程：a.部分入射能量被地物反射；b.部分入射能量被地物吸收，成为地物的内能再发射；c.部分入射能量透射到地物某一深度，再反射；根据能量守恒定律可得出：P0PPP其中: P0为地物接收太阳辐射的总能量；P 为地物反射

13、能量；P为地物的吸收能量；P为地物的透射能量；公式两端都除以P0 得：1PP0PP0PP0引伸出三个概念:地物反射率 PP0100地物吸收率/发射率 PP0100地物透射率 PP0100即+=1因地表物体大多数是不透明的 0，地物反射率1-地物的反射率可以测定，吸收率/发射率可以通过反射率来推算。在反射、吸收和透射中，应用最普遍的仍是反射。一、地物的反射光谱特性太阳辐射通过大气层，照射到地物上，经过地物反射到达传感器上，携带地物信息。研究地物的反射光谱特性，可以对遥感影像进行判读和解译。1地物的反射率地物的反射率：地物反射能量与入射总能量的比值，PP0100。由于地物的物理化学性质差异,不同地

14、物对入射光的反射能力亦不相同。而且,同一地物对不同光谱段的反射能力差异更大。影响地物反射率的因素：入射光的波长、入射角的大小以及地物表面颜色、粗糙度有关。因地物的反射能力是一个相对概念，通常所讲的反射率实质是指地物的反射系数，或叫亮度值。对数字影像来说，反射系数是入射总量与反射总量的比值的百分率；而对于地面遥感测试求得的反射系数，则是地物反射总量与标准板反射总量比值的百分率。通常，反射率高的地物传感器记录的亮度值大，在黑白影像上呈现较浅的色调。由反射率不同引起的色调差异，是目视判读的重要标志。如：风沙土类，盐碱土基本呈白色调，而沙姜黑土或地水位浅的地段呈南深灰一黑色调；铁轨呈白色调，农田成灰黑

15、色调。2地物的反射光谱地物的反射率随入射光的波长变化的规律地物反射光谱。地物反射率与波长之间的关系曲线为地物反射光谱曲线。(1)不同地物雪：在可见光部分呈现反射特征，在蓝光波段有一个强的反射峰，在红外线部分则呈现吸收态势。如果用全色光射影它就是白色；如果用热红外线扫描成像，它则呈暗色调。沙漠：在可见光段亦成强反射状。但与雪不同的是，在黄、橙、红波段反射率特强，峰值出现在橙色光段。因此，沙层较浅薄时，呈橙黄色，沙层较厚时呈黄褐色。湿地：在整个波段反射率均较低，仅在蓝光段有一个弱的反射峰值出现。因此，湿地包括水体，一般在暗色调中稍带有蓝色。小麦：在蓝和红光波段是吸收带，反射率比较低（在20以下）；

16、在绿光段和近红外段是一个强反射，所以肉眼看上去是绿色；在近红外部分反射率受叶绿素含量控制，利用这一特点可以监测小麦的长势和旱、涝、病虫害的发生程度。植物在红外光段的反射光谱主要是叶面内部结构、物质成份等方面的差异而引起变化。如树叶，在生长期遇到干旱、虫病害，可引起叶绿素水平降低、叶黄素增加，表现在近红波段反射率可随病害的加重而逐渐降低。尽管病害初期肉眼不易查觉，但可以用比值法处理来拉大病害与非病害之间的亮度值，来达到适时监测的目的。由此可见，根据地物反谱光谱研究十分重要，是遥感工作选择最佳波段、最佳摄影季节、最佳摄影时间的依据。(2)同类地物同类地物反射光谱相似，但随着该地物的内在差异而有所变

17、化。有多种因素造成的，如成分、结构、表面、形状等。二、地物的发射光谱特性1黑体辐射任何地物，当温度高于绝对温度 273 时，都存在分子运动，都具有向四周辐射红外线和微波的能力。Wj / W0黑体反射率为0，透射率为0，是理想的吸收体，吸收率=发射率，即1。黑体辐射定律：斯蒂芬波尔兹曼定律：W=T4,辐射通量密度与温度的4次方成正比，辐射同量密度随温度的升高，迅速增大，温度的微小变化会引起辐射通量的很大变化；用红外装置测定温度就是根据这个定律设计的。维恩位移定律：max*T=b,辐射通量密度的峰值随温度的升高向短波移动。可以解释随着炉火温度的升高，炉焰的颜色由红向黄再向蓝转变。黑体辐射特点：a.

18、黑体的辐射强度随波长变化，曲线只有一个峰值，没有太多的选择性；b.温度愈高，强度愈大；c.随温度升高,峰值向短波方向位移（由中远红外向红外移动）,随温度降低，峰值向长波方向位移（由中远红外向微波移动）；2地物的发射率黑体辐射是不存在的，自然地物的吸收率总在01之间。(1)地物的红外热辐射基尔霍夫定律：在给定任一温度的情况下，地物单位面积的辐射通量密度Wj和吸收率之比，是一个常数，并且等于同一温度下黑体的辐射通量密度Wa。 即:Wj /Wa根据发射率定义Wj/W0Wj/Wa所以 E根椐斯蒂芬玻尔兹曼定律，黑体的辐射通量密度可以表示为：Wd= T4为常数（5.66970.00297）10-12Wc

19、m-2k-4所以，地物的辐射通量密度Wj可写为Wj=Wd=Wd=T4表明：红外的辐射能量与地物的温度4次方成比，只要有微小的温度差异，就会引起红外辐射能量的显基差异，从而构成了热红外遥感的理论根据。即对某一波长的吸收强，则发射强；吸收弱，则发射也弱，不吸收，不发射。地物发射率与地物的性质、表面状况（颜色、粗糙度）有关，且是温度和波长的函数。粗糙的、深色调的地物吸收性好，发射率高；外表光滑的、浅色调的地物反射性为，发射率低；热贯量大的、比热大的、保温性好的地物发射率高。如水体，白天水面平滑，发射率较低，晚上因比热大，发射率反而升高。依据比热特性、利用热红外线研究地热、热污染以及地下水探测是行之有

20、效的方法。根据发射率与波长的关系，地物可分为三种：黑体、灰体、选择性辐射体。黑体：发射率=1，不随波长而变化。灰体：发射率1，不随波长而变化。选择性辐射体：发射率1，且随波长而变化。(2)地物的微波辐射任何地物在一定温度下，在向空间发射红外辐射的同时还发射微波辐射。而且在低温状态下，微波的辐射特性更加明显。尽管这种辐射要比红外线弱得多，但可以用无线电通讯机经调谐接收或通过放大线路来接收。不同地物微波与红外发射率比较地 物波 段微 波红 外 线 = 3 cm = 3mm = 10m = 4m钢 材0.000.000.60.90.60.9水0.380.630.990.96干 沙0.900.860.

21、950.83混 凝 土0.860.920.900.91由此可见，不同地物间微波发射率要比红外线发射率的差异明显，在可见光、红线外线波段不易区分的地物，在微波波段则比较易区别。因此，微波辐射也成为遥感技术领域的重要研究方面。3地物的发射光谱地物的发射率随波长变化的规律地物发射光谱。地物发射率与波长之间的关系曲线为地物发射光谱曲线。地物的发射率有随波长变化的规律，把不同地物的发射光谱曲线进行对比，找出差异点，利用不同波段扫描，可有效的区分地物。如：从岩浆岩的发射光谱曲线比较可得到在波长911m之间是一个吸收谱带，吸收带的谷底所在位置，随sio2的含量的逐增而向短波方向位移。超基性岩 应选择11m左

22、右波段；基性岩 应选择10m左右波段；中性岩 应选择9m左右波段；酸性岩 应选择8m左右波段；三、地物的透射光谱特性物体除对电磁波产生吸收、反射辐射作用外，还会有数量不等的电磁波穿过表面到达物体内部的某一深度，这就是物体的电磁波透射特性。其特性由物体自身性质和电磁波长所决定，透射率等于透射能量（W）与总入射能量W0之比。即:=W/ W0在遥感技术应用中，蓝光（0.450.5m）的透射性来探测一定深度的水体所覆盖的物体；微波具有透射较厚的水层、沙层的能力，常用来进行洪涝监测，及探查水下、冰层覆盖的地物。透射率具有随波长变化和地物不同而变化的特性。如水体，0.450.56m（蓝绿光）透射性为一般1

23、020m；在含沙量较大的深水区可透射12m深。2-3大气和环境对遥感的影响传感器接收到的地物反射是两次通过大气而衰减的太阳辐射；从太阳辐射图上可以看出，大气层外和地面上/平均海平面的太阳辐射曲线明显差异，其影响原因是大气的吸收和散射造成的。地物本身发射的电磁波通过大气层时也要衰减。大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性，称为大气传输特性。这种特性除了取决于电磁波波长外，主要决定于大气成分和环境的变化。一、大气成分和结构大气层/圈紧紧包围着地球，其厚度可达10003000km，直接制约着遥感技术应用的展开。1大气成分a. 气体，如N2，O2，H2O，CO，CO2，O3，CH4，N2O等；b. 悬浮

24、颗粒，固态或液态微粒如尘埃，水滴，冰晶等，可形成云雾；地表至80km以下大气成分，除H2O，O3有变化外，其余比例基本不变，也称为均匀层，该层中大气与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的主要原因。2大气结构大气厚度一般取1000km，由下向上依次为对流层、平流层、中间层、电离层、大气外层。对流层：从地面算起，顶部平均位于12km处。其间高度每增加1km，气温下降6.1k。在对流层内，由于大气气体及水溶胶体的吸收作用，使电磁波在传播的途中受到衰减。因此研究电磁波在大气中的传播特性，主要是在对流层中的传播情况。对流层是航空遥感活动的空间。平流层：顶部距地面平均50km，层内气流比较稳定，没有垂直对流

25、。在25km以下气温保持在-55，在25km以上气温逐步增高，至55km处达到最大值（0）。平流层对电磁波传播反映比较弱微。中间层：顶部距地表90km，气温随高度增加而降低，在80km处为最低点为-95。电离层：顶部距地表800km，层内气温随高度增加急剧上升，在300km处可达1000以上，故又称热层/增温层。电离层大气十分稀薄，对可见光红外线、微波、无线电波影响极小。是资源卫星、军事卫星、试验卫星主要活动的空间。大气外层：距地面800km以上，大气粒子不但向外层空间散逸，对卫星运行基本没有影响，是通讯卫星、空间站、航天飞机的主要活动空间。二、大气对太阳辐射的影响1透射太阳辐射在到达地表前必

26、须通过大气层，特别是在对流层空间，约有30被云层和其他成份反射回宇宙空间，有17被吸收；有22被散射，仅有31到达地面。太阳辐射通过大气层的透射率（）为：e (+)式中：（+）为衰减系数，与波长成反比。为吸收系数为散射系数x为路经长e为自然对数的底从上可以得出，太阳到达地面的辐射强度决定于路经长x（可以认为是大气层厚度）和大气对太阳辐射的吸收和散射作用。* 大气厚度辐射路经长（x）的影响 表达式：x= x1 / cos= x1 / sin 式中：为太阳高度角（地平线与太阳的交角）为天顶角（卫星星下点的地平线垂线与太阳射线的交角）从表达式和理想太阳光谱曲线可以得出；太阳辐射通过大气层的厚度，取决

27、于太阳的高度角或天顶角；太阳辐射通过大气层后，总能量明显衰减。而且，路经越长衰减幅度越大；太阳辐射衰减在短波部分比长波部表现更明显；2吸收大气中的某些成份对太阳辐射能会产生选择性的吸收，并把其转换成热能，使温度升高。这种选择性，使部分波段可通过大气层到达地面、部分波段全部被吸收而不能到达地面、部分波段部分吸收部分到达地面。造成大气吸收作用的主要物质有O2、O3、H2O、CO2等。氧O2：大气中含量占21；主要吸收小于0.2微米的太阳辐射能，在0.155微米处吸收最强。在0.69和0.76微米附近有两个窄吸收带，能力较弱；臭氧O3：含量微小（0.010.1）吸收最强。0.20.36微米(紫外线)

28、强吸收带；0.6微米(橙光)强吸收带；水H2O：呈汽态、液态两种形式，从可见光到微波，到处都分布有吸收带，（主要分布在可见光和红外线）是作用最强介质。0.50.9微米区间有四个吸收带；0.952.85微米区间有五个吸收带；6.25微米处是强吸收带，对红外线影响最大；二氧化碳CO2：吸收作用主要在红外区；1.352.85m，有3个宽带弱吸收；2.7m、4.3m、14.5m为强吸收；尘埃：有一定的吸收作用，但吸收量较少，只有当沙尘暴，火山爆发，大型火灾发生时才有显著效率；3散射当大气中含有大量的云、雾和小水滴时，这些浮动的小质点可导致太阳辐射方向的改变，从而降低传感器的接收质量，造成图像的模湖不清。散射作用与辐射光波长和微粒半经有关。瑞利散射/分子散射：当微粒直经（d）比辐射波长小的多时 ，d/10，散射系数与波长的四次方成反比； 当波长大于1微米时（如红外线），可基本不用考虑分子散射的影响； 对可见光来说，分子散射影响较大。如，天空中呈现的就是波长较短蓝光散射的缘故。米氏散射： 当微粒直经与辐射波长相近时d，大气中的气溶胶引起散射效应。米氏散射对红外线影响较大。非选择性散射：当大气中悬浮微粒直经比波长大得多时（d）引起的散射与波长无关，对各波段的散射作用强度相当。如：云和雾呈白色，是因为对可见光的各波段散射强度一样造成的。又如：当大气中的水滴直径超过16