第二章 遥感的物理基础(简)1

1、第一章 电磁波及遥感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) 电磁波的特性以及

2、在遥感中的作用 (3) 物体的发射辐射 （1）电磁波与电磁波谱电磁波电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为电磁波是横波，传播速度为3 310108 8 m/s m/s，不需，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、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，并遵循同一规律吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。 电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电

3、磁波谱。电磁波谱。 依次为： 射线射线X X射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微微波波无线电波。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：紫外线：波长范围为波长范围为0.010.010.38m0.38m，太阳光谱中，只，太阳光谱中，只有有0.30.30.38m0.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测

4、高度在探测高度在2000 m2000 m以下。以下。v可见光：可见光：波长范围：波长范围：0.380.380.76m0.76m，人眼对可见光有，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。敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。v红外线红外线：波长范围为波长范围为0.760.761000m1000m，根据性质分为近，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。红外、中红外、远红外和超远红外。v微波：微波：波长范围为波长范围为1 mm1 mm1 m1 m，穿透性好，不受云雾的，穿透性好，不受云雾的影响影响。遥感应用的电磁波波谱段n近红外：近红外：0.760.763.0 3.0 m，与

5、可见光相似。，与可见光相似。n中红外：中红外：3.03.06.0 6.0 m，地面常温下的辐射波长，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。有热感，又叫热红外。n远红外：远红外：6.06.015.0 15.0 m，地面常温下的辐射波长，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。有热感，又叫热红外。n超远红外超远红外：15.015.01 000 1 000 m，多被大气吸收，遥，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。感探测器一般无法探测。红外线的划分（2）电磁波的特性（衍射）衍射衍射-光通过有限大小的障碍物时偏离直线光通过有限大小的障碍物时偏离直线 路径的现象路径的现象BACKn 研究电磁波的

6、衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要意义。具有重要意义。n 另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。什么是偏振光？自然光线偏振光或面偏振光cHE（2）电磁波的特性（偏正）椭圆偏振光和圆偏振光EExExEyEyE偏振在微波技术中称为偏振在微波技术中称为“极化极化” 水平极化水平极化- 垂直极化垂直极化-影像判读意义重大影像判读意义重大（2）电磁波的特性（叠加、相干）波的叠加原理-遥感中的作用波的相干原理-遥感中的作用任何物体不停地向外辐射能量！地物发射电磁波的能力以发射率作

7、为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。1.黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。2.黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。 （3）物体的发射辐射表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。1/5212)(kTchehcTW、黑体辐射的能量是由温度决定的黑体辐射的能量是由温度决定的黑体辐射的三个特性1、温度越高，总的辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。2、随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。3、辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。4001/1522TdkTch

8、ehcW (1)玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmanns law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。温度温度3005001000200030004000500060007000波长波长9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(2)(2)维恩位移定律维恩位移定律：Wiens displacement lawbT max620 K380 K(3)(3)瑞里瑞里金斯公式金斯公式2)(2kTW黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。微波波段与

9、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别。2 2、一般地物的发射和基尔霍夫定律、一般地物的发射和基尔霍夫定律1)、发射率发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。n影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。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1，常数。灰体(grey body)

10、：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。2 2）、基尔霍夫定律）、基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对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W 黑。黑WW黑WW在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；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。3）、物体的微波辐射1)任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，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特性，温度越低，微波辐

11、射越明显。2)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。地物的发射光谱地物的发射光谱发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。亮度温度亮度温度：它是衡量地物辐射特征的重要指标。指等物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。BTT4TT等效第二节 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、图表输出太阳辐射：太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫

12、太阳光，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在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示如图所示。从太阳光谱曲线可以看出从太阳光谱曲线可以看出( () )：太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位太阳常数：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。（所接受的太阳辐射能量。（1.360103W/m2） 太阳辐射BACK太阳辐射（1）波长(nm)大气上界太阳辐照度海平面太阳辐照度太阳光谱辐照度太阳辐射（2）n大气物理状况的物理量一般有气压，大气温度和大气

13、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 大气层次 大气厚度约为大气厚度约为1000km,1000km,从地面到大气上从地面到大气上界，可垂直分为界，可垂直分为4 4层：层：对流层对流层：高度：高度在在7 712 km,12 km,温度随高度而降低，空气明温度随高度而降低，空气

14、明显垂直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。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。上界随纬度和季节而变化。平流层平流层：高度在：高度在121250 km50 km，没有对流和天气现象。底，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，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。温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层电离层：高度在：高度在50501 000 km1 000 km，大气中的，大气中的O O2 2、N N2 2受紫外受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星

15、活动线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。空间。大气外层大气外层：80080035 000 km ,35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。上没有影响。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（ 时，发生均匀散射，散射强度与波长无关。B、米氏、米氏(Mie)散射散射如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级，发生米氏散射；散射强度与波长的二次方成反比。C、瑞利（、瑞利（Rayleigh）散射）散射瑞利散射的条件是介质中的不均匀颗粒的直径a远小于入射电磁波波长，散射强度与波长的四次方成反比。Scatteringof

16、EMenergybytheatmosphere散射散射瑞利（瑞利（Rayleigh）散射）散射 不均匀颗粒的直径不均匀颗粒的直径入射波长入射波长小于十分之一小于十分之一瑞利散射瑞利散射空气质量好的时候空气质量好的时候空气纯净时天为何颜色？空气纯净时天为何颜色？ 为什么？为什么？蓝蓝 色色站在月球上看天时，天为站在月球上看天时，天为何颜色？为什么？何颜色？为什么？黑黑 色色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

17、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。 米氏米氏(Mie)散射散射 不均匀颗粒的直径不均匀颗粒的直径入射波长入射波长同数量级同数量级米氏散射米氏散射较少的时候较少的时候v均匀散射：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。均匀散射均匀散射 不均匀颗粒的直径不均匀颗粒的直径入射波长入射波长 均匀散射均匀散射雨天、或空气质量差的时候雨天、或空气质量差的时候 下雨时天为何颜色？下雨时天为何颜色？ 为什么？为什么？白白 色色大气

18、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。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）。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、

19、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）大气窗口大气窗口大气窗口波段波段透射率透射率/%/%应用举例应用举例紫外可见光紫外可见光近红外近红外0.30.31.3 m1.3 m9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近红外近红外1.51.51.8 m1.8 m8080TM5TM5近近- -中红外中红外2.02.03.5 m3.5 m8080TM7TM7中红外中红外3.53.55.5 m5.5 m60607070NOAANOAA的的

20、AVHRRAVHRR远红外远红外8 814 m14 m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatRadarsatv在可见光和近红外波段，太阳辐射30被云或其它粒子反射，22被散射，17被吸收，到达地面能量31。 大气透射的定量分析v光学厚度 光学厚度：沿某一路径长度的总衰减系数，波长的函数（无因次量）。 大气的总光学厚度：在某一垂直路径上，从大气顶层到地表的总衰减系数。 v透过率 通过大气后的辐照度与通过大气前的辐照度之比。 v太阳辐射透过大气并被地表反射（有用的）；v太阳辐射被大气散射后被地表反射（纠正后有用）；v太阳辐射被大气散射后直接

21、进入传感器；v太阳辐射透过大气被地物反射后又被地表发射进入传感器；v被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项。太阳光在地气系统的吸收、散射过程 第三节 地球的辐射与地物波谱 (1) 地球的辐射源(2) 地球辐射的特性（分段特性）(3) 地物波谱的特征（反射波谱特征）(4) 地物波谱特性的测量 地球的辐射源地球辐射v地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称。v地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。v装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。被动遥感的辐射源v太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.32.5um波段之间。（可见光和近红外）v地球自身

22、热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0um以上的波段。（热红外）v在0.32.5um波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略 。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射对地表进行探测和成像。v在2.56.0um波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。v在6.0um以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像）地球辐射的特性地球辐射的分段特性了解地球辐射的分段特性的意义v可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。v中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳

23、辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。v热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。v地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。v地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。v地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。 地物波谱的特性地物波谱不同电磁波段中地物波谱特性v可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸收作用。（树叶苍翠欲滴、水下温度）v热红外波段：主要表现地物热辐射作用。（热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带）v微波波段：主动遥感

24、利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。可见光和近红外波段地物波谱特征地物反射波谱特征v太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：部分透射，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，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则透射能力较而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是强，特别是0. 450. 56m的蓝绿光波段。一般水体的透的蓝绿光波段。一般水体的透射深度

25、可达射深度可达1020 m，清澈水体可达，清澈水体可达100 m的深度。的深度。v地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地物反射v地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，地地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生发射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器物会发生发射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接收。所接收。v反射率反射率地物的反射能量与入射总能量的比，地物的反射能量与入射总能量的比，即即表征物体对电磁波谱的反射能力。表征物体对电磁波谱的反射能力。v反射率是可以测定的。反射率是可以测定的。v地物在不同波段的反射率是不

26、同的，利用地物反射率地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率的差别，可以判断地物的属性。的差别，可以判断地物的属性。v反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物反射率v地物的反射类型：根据地表目标物体表面性质的不同，物体反射大体上可以分为3种类型，即镜面反射、漫反射、实际物体的反射（1）镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射。物体的反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波。 例子：水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时例子：水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮

27、，有时很暗，就是这个原因造成的。很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。物体表面性质对反射的影响（2）漫反射：发生在非常粗糙的表面上的一种反射现象。不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。即当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。（3）实际物体反射：介于镜面和朗伯面（漫反射）之间的一种反射。自然界种绝大多数地物的反射都属于这种类型的反射，又叫非朗伯面反射。对太阳短波辐射的反射具有各向异性，即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。1 镜面反射镜面反射2 漫反射漫反射 3:方向反射方向反射 从空间对地面观察时，对于平面

28、地区，从空间对地面观察时，对于平面地区， 并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射；并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射； 对于地形起伏和地面结构复杂的地区，对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为可以看成方向反射。为可以看成方向反射。v1、遥感图像上记录的辐射亮度，既与辐射入射方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角和天顶角有关。v2、由于镜面反射会造成太阳光直接进入遥感器，在成像时间选择上，应避免中午成像，防止形成镜面反射。否则水体会形成非常亮的耀斑，周围地物的反射信息有受到干扰和削弱。了解物体表面性质对反射影响的意义v地物反射波谱：是研究可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。v表示方法

29、：一般采用二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。地物反射波谱v植被v土壤v水体v岩石常见的几种地物类型波谱特征植被的波谱特征v在0.45um附近（蓝色波段）有一个吸收谷；v在0.55um附近（绿色波段）有一个反射峰；v在0.67um附近（红色波段）有一个吸收谷。v从0.76um处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一个峰值，反射率最大可达50，形成植被的独有特征。在可见光波段在近红外波段v1.51.9um光谱区反射率增大；v以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水的吸收带，其附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。植物的光谱曲线影响植被波谱特征的主要因素v植物类型v植物生长季节v病虫害影响等植被波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被类型、生长状态等。不同植被类型的光谱曲线比较土壤的波谱特征v自然状态下土壤表面的反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。v在干燥条件