第二章 遥感的物理基础-1

1、第二章第二章 电磁波及遥感物理基础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。1 理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散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传播的影响是正确解释遥感数据的基础基础。为什么要了解电磁波？1.电磁波谱与电磁辐射 2.太阳辐射及大气对辐射的影响 3.地球辐射与地物波谱 4.地物波谱测量第二章第二章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础21、电磁波谱与电

2、磁辐射 （1）电磁波与电磁波谱 （2）电磁波的特性的遥感应用 （3）物体的发射辐射 3（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。描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。4（1）电磁波与电磁波谱 电磁波谱5v紫外线：波长范围为波长范围为0.010.010.38m0.38m，太阳光谱，太阳光谱中，只有中，只有0.30.30.38m0.38m波长的光到达地面，对油波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在污染敏感，但探测高度在2000 m2000 m以下。以下。v可见光：波长范围：波长范围：0.380.380.76m0.76m，人眼对可，人眼对可见光有敏锐的感觉，

3、是遥感技术应用中的重要波见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。段。v红外线：波长范围为波长范围为0.760.761000m1000m，根据性质，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。分为近红外、中红外、远红外和超远红外。v微波：波长范围为波长范围为1 mm1 mm1 m1 m，穿透性好，不受，穿透性好，不受云雾的影响云雾的影响。（1）电磁波与电磁波谱 遥感应用谱段波6n近红外：0.760.763.0 3.0 m，与可见光相似。，与可见光相似。n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：6

4、.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：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。（1）电磁波与电磁波谱 红外划分78（1）电磁波与电磁波谱9（1）电磁波与电磁波谱10（1）电磁波与电磁波谱1 1、电磁波的衍射、电磁波的衍射2 2、电磁波的偏振、电磁波的偏振3 3、电磁波的叠加、相干与多普勒效应、电磁波的叠加、相干与多普勒效应11（2）电磁波的特性的遥感应用 （2）电磁波特性的遥感应用-衍射衍射-光通过有限大小的障碍物时偏离直

5、线 路径的现象。12（2）电磁波特性的遥感应用-衍射13（2）电磁波特性的遥感应用-衍射14（2）电磁波特性的遥感应用-衍射15 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。 另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。现象。（2）电磁波特性的遥感应用-衍射16电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。（2）电磁波特性的遥感应用偏振17什么是偏振光？自然光线偏振光或平面偏振光VHE（2）电磁波特性的遥感应用偏振18振动方向对于传播方向的不对称

6、性椭圆偏振光和圆偏振光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-（2）电磁波特性的遥感应用偏振19影像判读意义重大影像判读意义重大（2）电磁波特性的遥感应用偏振20（2）电磁波的特性遥感应用波的叠加：几列波在相遇的区域内，质点的振动为各波存在时单独引起的位移矢量和。波的叠加原理-遥感中的作用叠加、相干、多普勒效应21（2）电磁波的特性遥感应用相干波：两列频率相同、振动方向一致、相位差恒定的波。波的相干原理-遥感中的作用叠加、相干、多普勒效应22（2）电磁波的特性遥感应用相干波：雷达干涉测量应用叠加、相干

7、、多普勒效应（2）电磁波的特性遥感应用相干波：雷达干涉测量应用叠加、相干、多普勒效应（2）电磁波的特性遥感应用叠加、相干、多普勒效应相干波：雷达干涉测量应用（2）电磁波的特性遥感应用 多普勒效应：奥地利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒于1842年提出，主要内容为：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象。叠加、相干、多普勒效应26 任何物体不停地向外辐射能量。地物发射的能力通常以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。 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。 黑体辐射(Black Body Radiation )：

8、黑体的热辐射称为黑体辐射。 （3）物体的发射辐射27 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普朗克热辐射定律（3）物体的发射辐射 黑体辐射28三个特性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。（3）物体的发射辐射 黑体辐射2930上述规律在遥感中有何用处？（3）物体的发射辐射31温度温度在绝对零度以上的物体，向外发射辐射能量辐射能量例：异常温度监测热红外波段观测监测温度异常热红外观测（

9、3）物体的发射辐射321.辐射能量能体现异常温度么？2.为什么对地观测利用热红外波段？能量波长 两个基本问题：（3）物体的发射辐射4001/1522TdkTchehcW 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。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同(1)玻耳兹曼定律33（3）物体的发射辐射温度温度3005001000200030004000500060007000波长波长9.665.802.

10、901.450.970.720.580.480.41(2)维恩位移定律bT max620 K380 KWiens displacement law 随着温度的升高，辐射最随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短大值对应的峰值波长向短波方向移动。波方向移动。34（3）物体的发射辐射带入地球表面温度T=308=9.66微米max(3)瑞里金斯公式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。 微波波段与红外波段发射辐射的比较：不同地物之间微波发射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。 辐射通量密度随波长连续变化，每

11、条曲线只辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。有一个最大值。35（3）物体的发射辐射 1）发射率(Emissivity )定义：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。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。（3）物体的发射辐射 一般物体的发射36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)：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。（3）

12、物体的发射辐射 一般物体的发射37 定义：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（3）物体的发射辐射 基尔霍夫定律38回顾：电磁波谱与电磁辐射 （1）电磁波与电磁波谱 波段划分（可见光、红外、微波）（2）电磁波的特性的遥感应用 衍射、偏振、叠加（遥感意义）（3）物体的发射辐射 黑体辐射定律（三大定律）39发射光谱特性： 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。（3）物体的发射

13、辐射 表征辐射的几个名词40大理石发射光谱曲线大理石发射光谱曲线水泥发射光谱曲线水泥发射光谱曲线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。41（3）物体的发射辐射 物体的微波辐射（3）物体的发射辐射 不同发射率比较42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。BTT（3）物体的发射辐射 表征辐射的几个名词434TT等

14、效等效温度： 为了分析物体的辐射能力，常用最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线来表达，这时黑体辐射温度称为该物体的等效辐射温度。 等效温度与实地温度的关系：也总小于实地温度。（3）物体的发射辐射 表征辐射的几个名词441.电磁波谱与电磁辐射 2.2.太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 3.地球辐射与地物波谱 4.地物波谱测量第二章第二章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础45462、太阳辐射及大气对辐射的影响 （1）太阳辐射（2）大气成分与大气层（3）大气对电磁波的作用47（1）太阳辐射48太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微

15、尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。（1）太阳辐射49太阳辐射通过大气后，其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多，在可见光谱区减少至40，而在红外光谱区增至60。（1）太阳辐射50（1）太阳辐射51 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）。（2）大气成分与大气层 大气成分52大气厚

16、度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：对流层：高度在712 km,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，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。平流层：高度在1250 km，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，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。（2）大气成分与大气层 大气层53大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：电离层：高度在501 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：80035 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。

17、（2）大气成分与大气层 大气层54（2）大气成分与大气层 大气层55v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(Mie)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（Rayleigh）散射 瑞利散射（也称分子散射）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。（3）大气对电磁波的作用 散射61大气对太阳光的散射示意图（3）大气对电磁波的作用 散射62v 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

18、散射的条件的波段中，任何波长的散射强度相同。散射特性63v 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相似或大于入射光的波长时发生的散射。v 瑞利散射：雨过天晴或秋高气爽时，就因空中较粗微粒比较少，青蓝色光散射显得更为突出，天空一片蔚蓝。思考思考：蓝天、白云、红日瑞利瑞利均匀均匀频率关系频率关系v大气散射是群体散射强度和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

19、的变化而变化。（3）大气对电磁波的作用 散射特性64空气纯净时天空是什么颜色？空气纯净时天空是什么颜色？站在月球上看天时，天是什么站在月球上看天时，天是什么颜色？颜色？65v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，反射现象主要出现在云顶（云造成的噪声）。（3）大气对电磁波的作用 折射、反射66v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、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）（3）大气对电磁波的作用 大气窗口67大气窗口主要光谱波段