第二章遥感的物理基础可用ppt

1、遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院第二章 遥感的物理基础 本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响v电磁波及其特性v电磁波谱v电磁辐射源遥感原理波的概念：波是振动在空间的传播。念：波是振动在空间的传播。遥感原理机械波：声波、水波和地震波：声波、水波和地震波电磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源发出的电磁振荡在空气中传播。演示电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理原理遥感原理电磁波的特性电磁波是横波电磁波是横波在真空中以光速传播在真空中以光速传播电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，电磁波具

2、有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。v波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性因此具有波动性 波动性形成了光的干涉、衍射、偏振等现象波动性形成了光的干涉、衍射、偏振等现象遥感原理v 粒子性：它是由密集的光子微粒组成的粒子性：它是由密集的光子微粒组成的 电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动 电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统电磁波的粒子

3、性，使得电磁辐射的能量具有统计性计性v 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。的波动特性愈明显。遥感原理7.电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。依次排列制成的图表。遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院1.1.黑体辐射黑体辐射绝对黑体绝对黑体: :对任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体。对任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体。绝对黑体的吸收率绝对黑体的吸收率 (,T)1 (,T)1、反射率、反射

4、率 （,T,T） 0 0绝对白体则能反射所有的入射光反射率绝对白体则能反射所有的入射光反射率 （,T,T） 1 1、吸、吸收率收率(,T)0(,T)0与温度和波长无关与温度和波长无关。(1)谱朗克热辐射定律 表示出了黑体辐射通量表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及密度与温度的关系以及按波长分布的规律按波长分布的规律。1/5212)(kTchehcTW、辐射通量密度随波长连辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有续变化，每条曲线只有一个最大值。一个最大值。温度越高，辐射通量密温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲度越大，不同温度的曲线不同。线不同。随着温度的升高，辐射随着温度的升高，辐射最

5、大值所对应的波长向最大值所对应的波长向短波方向移动。短波方向移动。 (2)玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmanns lawStefan-Boltzmanns law 即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。度的理论基础。4001/1522TdkTchehcW温度3005001000200030004000500060007000波长9。665。80

6、2。901。450。970。720。580。480。41(3)(3)维恩位移定律维恩位移定律： 随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。波长向短波方向移动。bT max b : 常数，b=2.898 10 mK 高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。常温针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。2.2.自然辐射源自然辐射源太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用59005900的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中能量集中-

7、 -短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。和散射。 太阳常数：是指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。地球的电磁辐射：小于地球的电磁辐射：小于3 m3 m的波长主要是太阳辐射的的波长主要是太阳辐射的能量；大于能量；大于6 m6 m的波长，主要是地物本身的热辐射；的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6 m3-6 m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。遥感原理遥感原理遥感原理太阳与地球辐射的电磁波谱3.3.人工辐射源人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷达探

8、测。分为微波雷达和激光雷达。微波辐射源：微波辐射源：0.8-30cm0.8-30cm激光辐射源：激光雷达激光辐射源：激光雷达测定卫星的位置、高度、测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等速度、测量地形等。遥感原理 任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。特性。遥感原理发射率(Emissivity )：地物的辐射出射度（单位面积上发出地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）的辐射总通量）W

9、W与同温下的黑体辐射出射度与同温下的黑体辐射出射度WW黑黑的比值。的比值。黑WW1.地物的发射率和基尔霍夫定律地物的发射率和基尔霍夫定律按照发射率与波长的关系，把地物分为：按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为黑体或绝对黑体：发射率为1 1，常数。，常数。灰体灰体(grey body)(grey body)：发射率小于：发射率小于1 1，常数，常数选择性辐射体：反射率小于选择性辐射体：反射率小于1 1，且随波长而变化。，且随波长而变化。基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量积上的辐射通量WW和吸收率之比，对和吸收率之比，对于任何物体都

10、是一个常数，并等于该于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量温度下同面积黑体辐射通量W W 黑。黑。黑WW黑WW在给定的温度下，物体的发射率在给定的温度下，物体的发射率= =吸收率（同一波吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大段）；吸收率越大，发射率也越大。4TW地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。种特征构成了红外遥感的理论基础。任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，任何物体在一

11、定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。也发射微波辐射。 二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。特性，温度越低，微波辐射越明显。微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。理来接收。遥感原理瑞里瑞里金斯公式金斯公式 黑体辐射的微波功率与温度成黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。正比，与波长的平方成反比。 2)(2kTW遥感原理 微波波段与红外波段发射率的比较：微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率

12、要明显得多，因此，不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别别当电磁辐射能量入射到地物表面时，将会出现三当电磁辐射能量入射到地物表面时，将会出现三种情况：反射、吸收、透射，遵循能量守恒定律种情况：反射、吸收、透射，遵循能量守恒定律 反射率、吸收率和透射率之和为反射率、吸收率和透射率之和为1 1对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低

13、。一：大气的成分和结构二：大气对太阳辐射的影响三：大气窗口四：环境对地物光谱特性的影响遥感原理大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。遥感原理（一）大气成分大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外层。层。温度随高度增加而递减冷热不均引起空气对流热冷天气复杂多变对流层对流层 ：航空遥感活动区。遥感侧重研究：航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。电磁波在该层内的传输特性。冷空气温度随着高度增加而递增热空气天气晴朗2 2 平流层平流层（对流层顶到（对流层顶到55km）：）：最初最初20km以下，以下，气温随

14、高度不变；气温随高度不变；20-50km20-50km温度上升很快。原因：温度上升很快。原因：臭氧吸收紫外太臭氧吸收紫外太阳能加热了大气；阳能加热了大气；30km30km以上臭氧减少，但紫外以上臭氧减少，但紫外辐射强烈，空气稀薄，加热很少的分子，即可达较辐射强烈，空气稀薄，加热很少的分子，即可达较高的温度。高的温度。1.几乎没有臭氧吸收太阳辐射。2.氮和氧能直接吸收的太阳辐射大部分被上层大气吸收掉，大气失去比得到能量多，结果能量损失冷却。4 热层热层 85-500km气温随高气温随高度增加度增加原因是氮和氧原子吸收了大量的原因是氮和氧原子吸收了大量的太阳短波辐射，加热了大气。这太阳短波辐射，加

15、热了大气。这层温度可达层温度可达1000-2000K1000-2000K太阳辐射的衰减过程：30%30%被云层反射回；被云层反射回；17%17%被大被大气吸收；气吸收；22%22%被大气散射；被大气散射；31%31%到达地面到达地面。氧气：小于0.2 m；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。遥感原理 散射作用散射作用：太阳辐射在长太阳辐射在长波过程中

16、遇到小微粒而使传播波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响数据的质量、影像模糊，影响判读。判读。 大气散射集中在太阳辐射大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。能量最强的可见光区。瑞利散射： d 当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。射。云雾为什么通常呈现白色？云雾为什么通

17、常呈现白色？散射类型条件特点作用微粒瑞利散射d粒子粒子散射波长与强度无关符合条件的波段中任何任何波长散射强度的散射能力相同三种散射比较太阳辐射衰减的原因是什么？在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？微波为什么具有极强的穿透云层的作用？为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？遥感原理1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射的投射率较高的电磁辐射波段。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。常见的大气窗口：遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院1 ）0.3 1.3 m m 包括全部可见光（95 ），部分紫

18、外光（70 ），部分近红外光（80 ）。 摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。即紫外、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伤的常用波段，如Tandsat卫星的TM14波段，SPOT卫星的HRV波段。2 ）1.5 2.8 m m近红外窗口，60 95 ，扫描成像，白天记录。15一l 8 m 和20一35 m即近、中红外波段；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、雷，或用于地质制图等。3 ）3.5 5.5 m 中红外窗口，60 70 ，白天夜间，扫描成像记录。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的能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.553.93探测海