CH1电磁波与遥感物理基础实用教案

1、1电磁波谱 把各种( zhn)电磁波（包括无线电波、微波、红外波、可见光、紫外线、x射线、伽玛射线等）按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。遥感中所用(su yn)的电磁波段：微波、红外波、可见光第1页/共65页第一页，共66页。2物体(wt)的电磁波特性 物体的发射辐射 地物的辐射波谱 热红外遥感的理论基础 物体的反射(fnsh)辐射 地物的反射(fnsh)波谱 可见光和近红外遥感的理论基础 物体的微波后向散射辐射 地物的后向散射波谱 微波遥感的理论基础第2页/共65页第二页，共66页。31、黑体、黑体(hit)辐射辐射2、实际地物的发射辐射、实际地物的发射辐射物体的发射(fsh)

2、辐射第3页/共65页第三页，共66页。4黑体(hit)辐射 黑体是一种理想的辐射体。 能够完全吸收任何波长入射能量(nngling)的物体，称为黑体。 黑体是一种理想的模型，在自然界里则很难找到。 自然界里有些物质的性质接近黑体，如黑色的烟煤、恒星和太阳等。10第4页/共65页第四页，共66页。5黑体(hit)辐射定律 （1）普朗克定律(dngl)：sJ.1063. 63411252TkchehcW其中：h为普朗克恒量(hngling) K为波耳兹曼常数KJ /1038. 123普朗克定律表明：黑体的单色辐射度是温度和波长的函数。 第5页/共65页第五页，共66页。6黑体的辐射黑体的辐射(fs

3、h)度曲线度曲线第6页/共65页第六页，共66页。7 （3）基尔霍夫定律(dngl)：好的吸收体一定是好的辐射体。 ),(),(),(TWTaTWb（2）斯忒藩-波耳兹曼定律： 对普朗克公式(gngsh)积分得40/52112TdehcWTkch-斯忒藩-波耳兹曼常数(chngsh)：)./(1067. 54212kcmW第7页/共65页第七页，共66页。8（4）瑞利-琴斯定律：当波长(bchng)大于1mm时，普朗克定律可以近似为：212kTL（5）维恩位移(wiy)定律：bT max 为分谱辐射通量密度曲线的峰值(fn zh)所对应波长；b为常数2898m.k 。max黑体的微波辐射亮度与

4、温度的一次方成正比。第8页/共65页第八页，共66页。9实际(shj)地物的发射辐射 发射率 太阳辐射与大气窗口 地球辐射 地物的辐射波谱(bp)特性第9页/共65页第九页，共66页。10（1）发射率),(),(),(TMTMTb),(T为无量(wling)纲纯数根据发射率可将实际地物分为三类(sn li)：（1）黑体（2）灰体（3）选择性辐射体 发射率随波长 变化而变化。1),(T1),(0T第10页/共65页第十页，共66页。11 （2）太阳辐射与大气(dq)窗口 太阳辐射太阳辐射大气层对太阳辐射的作用大气层对太阳辐射的作用(zuyng)大气窗口大气窗口大气透射的定量分析大气透射的定量分析

5、第11页/共65页第十一页，共66页。12被动遥感最主要的辐射源太阳辐射接近6000K的黑体辐射，能量集中在0.32.5微米的波段之间。太阳常数：不受大气影响， 距太阳一个天文单位，垂直(chuzh)太阳光入射方向上，单位时间单位面积黑体所接受的太阳辐射能量。I太阳光谱2/3 .135mmW太阳辐射太阳辐射(ti yn f sh)第12页/共65页第十二页，共66页。13第13页/共65页第十三页，共66页。14大气层次结构与成分大气层对太阳辐射的作用吸收(xshu)作用散射作用反射作用折射作用大气层对太阳辐射(ti yn f sh)的作用第14页/共65页第十四页，共66页。15大气层次结构

6、与成分(chng fn) 大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度和大气湿度。它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，所以在研究大气效应问题时可以假定大气具有水平均一、垂直的分层结构。对流层：（对流层：（012KM）温度、密度、气压随高度的增加而降低，空气明显垂直对流，）温度、密度、气压随高度的增加而降低，空气明显垂直对流，上界随季节和温度而变化。上界随季节和温度而变化。 平流层：（平流层：（1280KM），空气密度继续随高度增加而降低，几乎没有对流和天气现象。），空气密度继续随高度增加而降低，几乎没有对流和天气现象。其中其中2530KM处，臭氧含量较大，为臭氧层。处，臭氧含量较大，为

7、臭氧层。电离层：（电离层：（801000KM），空气稀薄，分子被太阳辐射作用而电离成离子），空气稀薄，分子被太阳辐射作用而电离成离子(lz)和自由和自由电子状态。该层对无线电波可全反射。电子状态。该层对无线电波可全反射。外大气层（外大气层（1000KM以外的大气层），以外的大气层）， 大气厚度一般认为约大气厚度一般认为约1000KM。第15页/共65页第十五页，共66页。16大气(dq)成分大气是由多种气体(qt)及气溶胶所组成的混合物大气(dq)的气体成份可分为常定成份和可变成份两部分第16页/共65页第十六页，共66页。17 吸收(xshu)作用 主要是气态分子的吸收(xshu)。可使电磁

8、辐射的能量衰减。大气中含量最高的氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围。大气上层臭氧的存在(cnzi)，对小于 的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，很少存在(cnzi)波长小于 的短波辐射。对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧、二氧化碳、甲烷和水汽。m3 . 0m3 . 0大气层对太阳辐射(ti yn f sh)的作用第17页/共65页第十七页，共66页。18大气在015 波长(bchng)的吸收m第18页/共65页第十八页，共66页。19 散射作用 主要是气体(qt)分子和气溶胶的散射 散射是由于电磁辐射与物质相互作用导致部 分能量

9、再辐射到其他(qt)方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰减。 与吸收作用不同的是，散射并未引起能量的损失，而只是导致能量在其他(qt)方向上重新分配。 三种散射： Rayleigh 散射 Mie 散射 Nonselective 散射第19页/共65页第十九页，共66页。20Rayleigh散射(snsh)u 是气态分子的散射u当气体分子的尺度远小于光波的波长时会发生Rayleigh散射。uRayleigh散射属于小颗粒散射。u 散射光强度(qingd)与波长的4次方成反比，由此可以解释天空为什么呈蓝色。第20页/共65页第二十页，共66页。21Mie 散射(snsh)u云滴、气溶胶的散射。

10、u当颗粒的直径与入射光的波长相当(xingdng)时，往往发生Mie散射。uMie散射是强烈的前向散射。u属于大颗粒散射。大颗粒散射的特征：u 电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒内部。u 由于颗粒的尺寸与波长相当(xingdng)，所以颗粒的不同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这种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。 u 第21页/共65页第二十一页，共66页。22Nonselective 散射(snsh)u 大气中云、粒子的散射(snsh)。u当颗粒的直径远大于入射波的波长时，会发生无选择性 散射(snsh)。由此可解释

11、雾为什么呈现白色。u散射(snsh)强度与波长无关。第22页/共65页第二十二页，共66页。23大气散射(snsh)的特点； 群体散射强度是个体散射强度之线性和。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以下气溶胶的Mie散射占优势，4KM以上(yshng)的分子散射相对占优势。分子散射与气溶胶散射光强之比随角度的变化而变。实际上，当大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。如云层中的小雨滴，对可见光可发生无选择性散射，而对微波则发生瑞利散射。第23页/共65页第二十三页，共66页。24反射作用 电磁波传播过

12、程中，通过(tnggu)两种介质的交界面时会出现反射现象。反射现象主要发生在云顶。折射作用折射作用 电磁波穿过大气层时出现电磁波穿过大气层时出现(chxin)传播方向改传播方向改变的现象变的现象 。大气密度越大，折射率越大。大气密度越大，折射率越大。第24页/共65页第二十四页，共66页。25大气(dq)窗口吸收(xshu)作用散射(snsh)作用折射作用对太阳辐射有衰减作用透过率小：大气屏障透过率大：改变太阳辐射传输方向电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，透过率较高的波段称为大气窗口大气窗口。反射作用对太阳辐射有衰减作用第25页/共65页第二十五页，共66页。26可用做遥感的大气可用

13、做遥感的大气(dq)窗口窗口0.3-1. 3微米：紫外、可见光和近红外波段(bdun)1.5-1.8微米，2.0-3.5微米：近中红外波段(bdun)3.5-5.5微米：中红外波段(bdun)8-14微米：热红外波段(bdun)0.8-2.5厘米：微波波段(bdun)第26页/共65页第二十六页，共66页。27第27页/共65页第二十七页，共66页。28太阳辐射进入(jnr)传感器前的吸收、散射过程A太阳辐射透过大气并被地表反射(fnsh)进入传感器；B太阳辐射被大气散射后被地表反射(fnsh)进入传感器；C太阳辐射被大气散射后直接进入传感器；G太阳辐射透过大气，被地物反射(fnsh)后又被地

14、表反射(fnsh)进入传感器；I被视场以外地物反射(fnsh)后进入视场的交叉辐射项。多光谱(gungp)遥感（可见光和近红外波段）第28页/共65页第二十八页，共66页。29(3)(3)地球地球(dqi)(dqi)辐辐射射地球辐射(fsh)是地球表面和大气电磁辐射(fsh)的总称。被动遥感主要的辐射(fsh)源。地球辐射(fsh)是被动遥感中传递地物信息的载体。遥感图像就是由装载在遥感平台上的传感器接收来自地球辐射(fsh)所携带的地物信息，经过处理而形成的。地球辐射(fsh)的分段特性第29页/共65页第二十九页，共66页。30插图：地球(dqi)辐射图地球(dqi)辐射的分段特性第30页

15、/共65页第三十页，共66页。31（4）地物的辐射）地物的辐射(fsh)波谱波谱特性特性反映地物自身辐射电磁(dinc)能量的特性，主要针对红外波段；地物的辐射波谱是红外遥感的理论基础第31页/共65页第三十一页，共66页。32几种(j zhn)硅酸盐的红外发射波谱 第32页/共65页第三十二页，共66页。331、地物、地物(dw)的反射的反射2、地物、地物(dw)的反射类别的反射类别3、地物、地物(dw)的反射光谱特性的反射光谱特性（二）物体的反射（二）物体的反射(fnsh)辐射辐射第33页/共65页第三十三页，共66页。341、地物的反射 可见光和近红外波段地物的波谱(bp)特性。太阳光通

16、过大气层照射到地球表面，地物会发生吸收、透射(tu sh)和反射作用，反射后的短波辐射一部分被遥感器所接收。入射到物体的总能量=吸收+透射(tu sh)+反射除水体、植被等物体，多数地物透过率几乎为零，可以忽略不计。反射率与光谱反射率%100PP%100PP第34页/共65页第三十四页，共66页。352、地物的反射类别 根据地表目标物体(wt)表面性质的不同， 物体(wt)反射可分为三种类型。镜面反射漫反射方向(fngxing)反射了解物体反射(fnsh)类型的意义第35页/共65页第三十五页，共66页。36镜面反射镜面反射 发生在光滑物体表面的一种反射。发生在光滑物体表面的一种反射。光滑表面

17、的定义光滑表面的定义光滑是一个相对的概念，它由入光滑是一个相对的概念，它由入射波长和表面起伏共同决定：射波长和表面起伏共同决定：当时，表面光滑；当时，表面光滑；当时，表面粗糙。当时，表面粗糙。 特点是：反射满足反射定律。即特点是：反射满足反射定律。即入射波和反射波在同一入射波和反射波在同一(tngy)平面平面内，入射角等于反射角。内，入射角等于反射角。 dd第36页/共65页第三十六页，共66页。37漫反射漫反射 发生发生(fshng)在非常粗糙表在非常粗糙表面上的一种反射现象。面上的一种反射现象。 特点是：当入射辐照度特点是：当入射辐照度I一定时，一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐射从任

18、何角度观察反射面，其反射辐射亮度是一个常数；这种反射面叫朗伯亮度是一个常数；这种反射面叫朗伯面。面。第37页/共65页第三十七页，共66页。38方向反射方向反射 也叫实际地物的反射、非朗伯面反也叫实际地物的反射、非朗伯面反射。是介于镜面和朗伯面之间的一种反射。是介于镜面和朗伯面之间的一种反射。射。特点是：实际地物表面由于地形起特点是：实际地物表面由于地形起伏，对太阳短波辐射伏，对太阳短波辐射(fsh)的反射具的反射具有各向异性。即在有入射波时，各个方有各向异性。即在有入射波时，各个方向上都有反射能量，但大小不同，在某向上都有反射能量，但大小不同，在某个方向上反射最强烈。个方向上反射最强烈。第3

19、8页/共65页第三十八页，共66页。393、地物(dw)的反射光谱特性地物的反射波谱同一地物的反射波谱不同(b tn)地物的反射波谱应用地物波谱曲线时应注意的问题影响地物光谱反射率变化的因素第39页/共65页第三十九页，共66页。40地物(dw)的反射波谱定义：可见光至近红外波段(bdun)上地物反射率随波长的变化规律。表示方法：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。第40页/共65页第四十页，共66页。41同一(tngy)地物的反射波谱同一地物(dw)的反射波谱特性随时间和空间的改变而变化：时间效应空间效应第41页/共65页第四十一页，共66页。42不同地物的反

20、射波谱常见的几种地物类型波谱特征植被水体(shu t)土壤岩石第42页/共65页第四十二页，共66页。43u植被(zhbi)l可见光波段：在0.45微米附近区间(兰色波段)有一个吸收谷,在0.55微米附近区间(绿色(l s)波段)有一个反射峰,在0.67微米附近区间(红色波段)有一个吸收谷。l近红外波段:从0.67微米处反射率迅速增大,形成一个爬升的陡坡,至1.1微米附近有一个峰值,反射率最大可大50%,形成植被的独有特征。l中红外波段:1.51.9微米光谱区反射率增大,1.45微米、1.95微米和2.7微米为中心的附近区间受到绿色(l s)植物含水量的影响,是水的吸收带,反射率下降,形成低谷

21、。第43页/共65页第四十三页，共66页。44第44页/共65页第四十四页，共66页。45影响植被波谱特征影响植被波谱特征(tzhng)的的主要因素：主要因素： 植物类型植被生长季节(jji)病虫害影响植被波谱特征大同小异，根据这些差异 可以区分植被种类，生长状态等。第45页/共65页第四十五页，共66页。46对植物(zhw)健康状况的检测：第46页/共65页第四十六页，共66页。47u 水体(shu t)l纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，可见光其他波段反射很低；l近红外和中红外波段纯净的自然(zrn)水体的反射率很低，几乎趋近于零；l水中含有泥沙，可见光波段反射率会增加，峰值出现在

22、黄红区；l水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射明显抬高。第47页/共65页第四十七页，共66页。48清水(qn shu)和混水的反射率对照第48页/共65页第四十八页，共66页。49叶绿素不同含量时水体的波谱(bp)曲线第49页/共65页第四十九页，共66页。50u 土壤(trng)自然状态下，土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的峰值和谷值。干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和次生矿物(c shn kun w)）和土壤有机质有关。土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4、1.9和2.7微米附近区间），反射率的下降尤为明显。第50页/共65页第五

23、十页，共66页。51三种不同类型的土壤在干燥环境下的反射(fnsh)光谱曲线第51页/共65页第五十一页，共66页。52粉砂土壤不同含水良情况(qngkung)下的光谱反射率曲线第52页/共65页第五十二页，共66页。53u岩石(ynsh)岩石矿物的波谱曲线主要由矿物成份、矿物含量、物质结构，等决定。影响(yngxing)岩石矿物波谱曲线的因素有岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等。第53页/共65页第五十三页，共66页。54不同岩石矿物的反射(fnsh)波谱曲线第54页/共65页第五十四页，共66页。55应用地物的波谱特征时需要应用地物的波谱特征时需要(xy

24、o)注注意的问题意的问题 地物波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量(cling)该地物在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器获得的数据相对照，就可以识别遥感影像中同类地物。 应用地物的波谱特征时应注意以下问题： 绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的曲带。 岩石存在不同程度的风化，岩石表面附着物（土壤、湿度、低等植物等）的不同，它们的波谱值也相应地产生了变化。地物存在着“同物异谱”和“异物同谱”的现象。 第55页/共65页第五十五页，共66页。56 “同物异谱”是指两个相同类型的个体(gt)地物，在某个波段上波谱特征不同。 “异

25、物同谱”是指不同类型的地物具有相同(xin tn)的波谱特征。第56页/共65页第五十六页，共66页。57影响地物(dw)光谱反射率变化的因素：太阳位置传感器位置地理位置地形季节气候变化地面湿度变化地物本身的变异(biny)大气状况 等。第57页/共65页第五十七页，共66页。58后向散射沿入射方向返回的散射。地物的微波后向散射特性是主动微波遥感的理论基础。雷达遥感中获取的信息(xnx)就是从入射电波与地物目标相互作用后的后向散射回波中提取的。雷达图像是地物目标对雷达发射信号散射的回波强度分布图。（三）物体的微波(wib)后向散射第58页/共65页第五十八页，共66页。59地物波谱(bp)特性 各种地物(dw)各自所具有的电磁波特性