遥感第三讲-遥感的物理基础

1、 华东师范大学 特色课程 回顾回顾第二讲遥感技术系统第二讲遥感技术系统主要内容主要内容一、遥感平台一、遥感平台- -地面、航空、航天；地面、航空、航天；二、遥感传感器二、遥感传感器- -摄影、扫描、雷达；摄影、扫描、雷达；三、遥感信息传输处理三、遥感信息传输处理- -直接回收、视频传输、辐射直接回收、视频传输、辐射 纠正与几何纠正的预处理；纠正与几何纠正的预处理；四、遥感信息应用四、遥感信息应用- -目视判读与室外验证；目视判读与室外验证； 现代遥感技术系统是一个综合性很强的庞大系统。现代遥感技术系统是一个综合性很强的庞大系统。它是一个从地面到空中、从室内到室外的多层次、多角它是一个从地面到空

2、中、从室内到室外的多层次、多角度的立体交叉作业系统。其中度的立体交叉作业系统。其中前两部分前两部分决定了对原始数决定了对原始数据的获取数量和质量，后据的获取数量和质量，后两部分两部分决定了对原始数据的质决定了对原始数据的质量改善和应用效果的好坏。量改善和应用效果的好坏。 当地时间当地时间20142014年年2 2月月2727日，日，美国宇航局公布了美国宇航局公布了VIIRSVIIRS设设备拍摄亚洲上空的雾霾画面。备拍摄亚洲上空的雾霾画面。此前，北京连续此前，北京连续7 7天重度雾天重度雾霾天，京城各个霾天，京城各个PM2.5PM2.5监测监测站检测数值已连续一周重度站检测数值已连续一周重度污染

3、，并且各个监测站已经污染，并且各个监测站已经数次爆表。据悉，此次重污数次爆表。据悉，此次重污染过程持续时间创自染过程持续时间创自20132013年年1 1月月1 1日北京正式按照新标准日北京正式按照新标准开展监测以来的最长记录。开展监测以来的最长记录。美国发现号航天飞机安全着陆 结束27年飞行生涯2011-03-10 09:45:53来源: 国际在线(北京) 美国发现号航天飞机安全着陆 结束27年飞行生涯2011-03-10 09:45:53来源: 国际在线(北京) 美国“发现”号航天飞机9日在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，在完成最后一次国际空间站之行的同时，也结束了近27年的飞行生涯。其

4、在太空累计停留时间长达365天，时速高达2.8万千米，总飞行里程近2.3亿千米。 华东师范大学课程信息遥感课程遥感课程 课程教学内容课程教学内容 遥感课程 课程教学内容 第三讲 遥感的物理基础与理论依据 第三讲 遥感的物理基础与理论依据 在第一讲中，已经知道遥感是根据地物的电磁波特性来探测和识别物体的性质的理论和方法。因此，现代遥感技术的主要内容和基本特点就是探测、记录、分析研究以及应用物体的电磁波特性及其变化规律。 也就是说，要研究地物的电磁波是如何发射的，又是如何传输的，以及在传播过程中与物体作用的种种现象。因而可以说电磁波理论是遥感的物理基础，遥感技术得以实现的基础就是依据不同地物所具有

5、的不同电磁波辐射能力（大小）。 由于遥感物理基础涉及的面很广，本讲只介绍遥感应用中主要的物理基础，如电磁波与电磁波谱、电磁辐射的特征以及太阳辐射与大气效应以及地物光谱特性等。 学习的目的就是要： 1、理解地物反射对遥感数据产生的影响和用遥感数据反演地物特征的原理； 2、理解大气吸收、散射、透射特征，大气窗口形成原因及遥感数据校正的必要性。一、遥感的物理基础 1、电磁波的定义由振源发出的电磁振荡在 空间的传播叫电磁波。它是能量的一种动态形式，只有当它与物质相互作用时才表现出来。 这种电磁能量的传递过程称为电磁辐射，包括发射、反射、吸收和透射现象。 2、电磁波的内容自然界中，太阳光、各种自然光、灯

6、光等可见光都是电磁波；那些看不见的但能感觉到的热辐射和只能用仪器测得的微波、无线电波也都是电磁波；还有紫外线、X射线和r射线等。 3、电磁波的特性它是一种横波（质点的振动方向与传播方向相垂直），具有明显的波动性和粒子性（双重性）。 一般波长较长，能量较弱的微波、红外线波动性明显；波长短，能量强的x射线和r射线粒子性明显； 总之，电磁波是连续的波动性和不连续的粒子性相互对立而又统一的综合体。 4、表示方式波长（）、周期（T）；频率（f）、振幅（A）；速度（C）=光速3 X 1010cm/s . 5、记录方式有乳胶记录和电带记录两种，光信号用胶片记录，光电转换用磁带记录，但记录的都是二维平面信息。

7、 6、电磁波谱的定义按照电磁波的波长长短、频率大小、能量强弱依次顺序排列的图表称作为电磁波谱，如下示意图。 7、电磁波谱的特点（1）各类电磁波由于波长和频率不同，其性质有很大的差别，在遥感测量中，量测与记录的仪器和方法也不同。 （2）虽然它包括了所有的电磁波，但并不是都能用于地球遥感。 （3）波长不同，单位也不同。无线电波用米或千米；微波用cm或mm；红外、可见光用微米；紫外用nm毫微米；x射线、r射线用埃。 （4）所有电磁波都具有共同点：在真空中的传播速度相同，都等于光速；都遵守同一的反射、折射、透射、吸收和散射等规律。 8、各光谱段的主要特性 （1）r射线和x射线，也称宇宙射线。其波长都小

8、于0.01微米，都被大气所吸收，不能用于地球遥感。 10分钟分钟-宇宙射线宇宙射线思考题 1、在宇宙空间可以探测到哪些光谱信息？遥感课程视频资料1、在宇宙空间可以探测到哪些光谱信息？ 可以探测X射线、r射线、紫外线、 可见光、红外线、电波等光谱信息。 8、各光谱段的主要特性 （2）紫外线，0.010.40微米；其中小于0.30微米的波长都被大气层的O3、O2吸收，只有0.300.40微米可以穿过大气层，称为紫外遥感工作波段。 主要用于测定碳酸盐岩石的分布、水面的油膜污染、环境监测作用等，是以摄影为主。 （3）可见光，0.400.76微米；全部通过大气层，称为可见光遥感工作波段。是以摄影和扫描方

9、式记录地物的反射信息。 （4）红外线，0.761000微米；其中又可分为： 近红外（0.763.0微米），记录光红外反射信息，其中0.761.30微米可用摄影方式，称摄影红外，主要用于植物的分类； 中红外（3.06.0微米），记录反射和发射的混合信息，只能扫描，多用于岩性的识别。 热红外（6.015微米、151000微米），遥感常用814微米的波长，通过扫描方式接收地面的热辐射信息，白天黑夜都可以工作（全天时），主要用于监测热污染、城市热岛效应、火山喷发、火灾地热等信息。（5）微波，1毫米1米；遥感常用0.8厘米30厘米波长，通过扫描方式主动接收地表发射或回波（后向散射）信息。 它可以全天时和

10、全天候的工作，可以穿透植被、冰雪、土壤、地下埋藏等物体，也可显示微地貌类型以及洋面的粗糙度等。（6）无线电波，1米3000米，它通不过大气层，只能用于远距离通讯或无线电广播。 9、电磁辐射源 遥感的电磁辐射源主要有自然辐射源和人工辐射源。 （1）自然辐射源主要包括太阳辐射和地球的热辐射，前者是可见光、近红外遥感的辐射源；后者是热红外遥感的辐射源。 A、太阳辐射它是被动式遥感的主要辐射源，表面温度6000K左右。它涵盖了很宽的波长范围，但主要集中在0.33.0微米，最大辐射度在0.47微米左右，大部分集中在0.400.76微米的可见光，所以又称短波辐射。 太阳辐射能量图太阳辐射能量图B、地球热辐

11、射地球表面平均温度27度，绝对温度300K，最大峰值在9.66微米，910微米为地球的热辐射。主要以火山喷发、温泉、大地热流等形式向宇宙空间辐射能量。（2）人工辐射源是属于主动式遥感源，主要是雷达探测。 A.微波雷达：又叫侧视雷达，在技术上应用的是电学技术，而可见光、红外是光学技术。 B.激光雷达：使用脉冲激光器，测定地形、记录海面波浪、监测污染、也可测定卫星位置、高度和速度等。10、大气结构遥感所涉及到的空间包括地球的大气层和大气层外的宇宙空间（地球的大气层厚度为一千公里左右）。 距地表80公里之间的大气中，除水、臭氧为可变气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变，称此层为大气均匀层，在此

12、层大气与太阳辐射相互作用，是使太阳辐射能量衰减的主要原因。大致可以分为4层： （1）对流层（012km），是航空遥感的主要区域；（2）平流层（1255km），气流稳定，有利于高空飞（3）中间层（5580km），气温随增高而迅速下降； （4）热层（80几百km）；是航天平台运行的高度； （5）大气外层，是人造卫星的活动地。 11、大气对太阳辐射的影响 太阳辐射通过大气层时， 约有30%被反射回宇宙空间； 约有22%被大气散射； 约有17%被大气吸收； 只有31%到达地表。 12、大气窗口遥感探测地表，要避开吸收与散射的部分，选择透明度大的波长范围。 （1）定义：电磁波通过大气层时未被吸收、反射和

13、散射的透射率比较高的波段范围称为大气窗口。（2）内容： 0.301.30um，紫外近红外反射窗口， =90%，白天的摄影和扫描； 1.302.50um，近红外中段反射窗口， =80%，白天的扫描；其中1.551.75um和2.11 2.40um用于区分岩性。 3.505.50um，中红外混合窗口， =70%，全天时的扫描； 814um，热红外发射窗口， =60%， 全天时的扫描； 0.830cm，微波发射窗口， =100%， 全天时和全天候的扫描。二、遥感应用的理论依据 遥感的物理基础是电磁波理论，遥感应用的理论依据是目标物体的光谱特性。 所谓地物光谱特性，是指自然界中任何地物都具有其自身的电

14、磁辐射规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称为地物光谱特性，其中最常用的是反射信息。 因为入射总能量反射量+吸收量+透射量； 当 0时，1 反射率+吸收率； 反射率 1-吸收率，表明反射率大，吸收少； 反射率小，吸收大。1、反射形式共有3种：（1）镜面反射：也叫规则反射，入射角与反射角相等，发生在平静的水面、金属面等，常出现在航空遥感中。（2）漫反射：也叫朗伯反射，向四周均匀地反射，在各个方向上亮度和强度一样，航天遥感中多为这种现象。（3）方向性反射：介于两者之间，在某一方向上

15、较强。 2、 反射率（P） （1）定义：地物的反射能量与入射总能量的 百分比，称为反射率。即： P=P物/P总 100%。 （2）特点：同一地物在不同的波长具有不同 的反射率；同一波长，不同的地物，其反射率不同。但是也会存在同物异谱和异物同谱现象。 3、地物反射光谱曲线 地物的反射率随入射波长变化而变化的规律，称作地物的反射光谱； 按照地物反射率与波长之间的关系所绘制的曲线图称为地物反射光谱曲线，其中横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。4 4、典型地物、典型地物 反射光谱曲线的分析反射光谱曲线的分析（1 1）植被）植被：0.55um0.55um，P=25%P=25%， 0.700.700.80u

16、m0.80um，P=80%P=80%； 1.10um1.10um，P=85P=8590%90%； 1.301.302.50um2.50um，吸收，吸收=75%=75%。（2 2）雪）雪：与太阳光谱相似，：与太阳光谱相似， 0.400.400.600.60，P=100%P=100%； 随波长增加，反射率降低，随波长增加，反射率降低， 到红外全吸收。到红外全吸收。（3 3）沙漠）沙漠：0.60um0.60um，P=65%P=65%， 呈橙色；呈橙色；0.80um0.80um，P=50%P=50%。（4 4）湿地）湿地：反射率都在：反射率都在10%10%以下，以下， 到红外为深色。到红外为深色。典型

17、地物反射光谱曲线图不同植物光谱曲线比较图不同长势松树的反射光谱曲线不同时间松树的反射光谱曲线5、地物反射光谱的测量 主要采用多通道的地物光谱仪进行测量。根据所测数据绘制地物反射光谱曲线图。7分钟分钟-地物反射光谱地物反射光谱-0002.flv遥感课程视频资料3分钟分钟-地物反射光谱地物反射光谱-0001.flv7分钟分钟-地物反射光谱地物反射光谱-0003.flv7分钟分钟-地物反射光谱地物反射光谱-0004.flv 6、地物的发射特性自然界中的一切物体，无论是固体的、液体的，当其温度高于绝对0度（-273.16c）时都会不断地向四周空间发射电磁波（以红外、微波为主），物体的温度越高，辐射出的

18、能量就越多，这种现象称为热辐射。 地物发射电磁波的能力是以发射率作为衡量标准的，而发射率又是以黑体辐射作为基准的。7、总结： 地物光谱特性是遥感技术应用的重要的理论依据，因为：（1）可为传感器的工作波段的选择提供依据；（2）是遥感数据正确分析和判读的理论基础， 其中包括： 时间特性反映在不同时间被测地物的光谱特性变化； 空间特性反映在由被测地物的不同特性光谱而造成的空间差异来区分。8、环境对地物光谱特性的影响（以反射为主）（1）地物的物理性状：表面状况如色泽、粗糙度等；还有位置、形状、倾向、阴阳坡等空间分布。（2）光源辐照度的强弱：纬度（照射度）和海拔高度（大气层厚度）不同，同一种地物其反射率

19、不同。（3）季节：不同的季节，同一地物的反射率值有差异，但曲线形态相似。（4）地表的覆盖：稀疏时，可以反映裸露地物的特征，如土壤、岩性等；覆盖时，反映综合信息，造成假象。（5）测试时间和天气条件：反射率阴天的小于晴天的，中午的最大，一般选择10点14点之间为佳。遥感的基本术语1、大气作用对于可见光和近红外的卫星遥感而言，传感器所接收的能量必须经过相当厚的地球大气层。太阳辐射的强度和波长在经过地球大气层时会与大气中的粒子和气体发生吸收和散射作用，这会影响遥感影像的质量，降低判读精度。所有能量到达遥感仪器前都经过了这种大气的衰减作用，这就是大气作用。 遥感的基本术语2、三种遥感模式依据遥感传感器所

20、探测能量的波长和研究需要，一般可概括为三种基本的遥感模式，即可见光近红外遥感、热红外遥感和雷达微波遥感。 可见光近红外遥感是最简单的一种模式，即传感器记录地表反射太阳辐射的能量，主要采用可见光和近红外波段，这与我们日常生活中用相机或摄像机拍摄照片有相似之处，属于被动式遥感，只能白天工作。 热红外遥感采用热红外波段，是传感器记录地表或物体自身所发射的辐射能量，如红外辐射计或红外扫描仪，也属于被动式，因为不是传感器自身发射能量的，可以全天时工作。 雷达微波遥感模式是传感器自身发射出能量，属于主动式遥感。可以全天候工作。 不同遥感工作波段的主要作用1、紫外光遥感可以监测水面的油膜污染；2、可见光遥感

21、可以监测水体中的悬浮泥沙浓度；3、近红外遥感可以区分水陆界线， 区分植被类型；4、热红外遥感可以监测热场信息， 譬如城市热岛效应；5、雷达微波遥感可以探测地下埋藏， 还有铁质物体信息； 遥感信息判读遥感课程 摄影师桑德罗摄影师桑德罗桑蒂奥里拍摄了一组航拍照，展示壮观绚烂的冰岛自然桑蒂奥里拍摄了一组航拍照，展示壮观绚烂的冰岛自然风光。这些自然风光图，看起来就好像从外星球的角度拍摄的。风光。这些自然风光图，看起来就好像从外星球的角度拍摄的。震撼的航空摄影-展现冰岛自然之美2012-02-21冰岛的冰岛的一条河一条河流，好流，好似一棵似一棵壮观的壮观的巨树。巨树。 冰岛的斯卡弗塔乔库尔冰川（Skaf

22、tarjokull Glacier），黑色和白色成为这幅航拍照的主色调。冰岛的兰德雅桑杜尔（Landeyasandur）地区。由于拍摄时必须打开窗户，摄影师桑蒂奥里不得不忍受寒风侵袭。时代周刊精选2012年度太空照片 太空中太空中看到的密西看到的密西西比河奈斯西比河奈斯波利拍摄的波利拍摄的另一幅照片，另一幅照片，展现了密西展现了密西西比河的一西比河的一个三角洲。个三角洲。 卫星遥感看地球精选图像 2012-08-09 来源：卫报 爱尔兰、英国、爱尔兰、英国、法国北部、比利时、法国北部、比利时、荷兰、卢森堡以及荷兰、卢森堡以及莱茵河沿岸的卫星莱茵河沿岸的卫星夜光图。夜光图。 一块巨大的浮冰从格陵兰岛西北部的彼得曼冰川断裂出来。这个新形成的冰山面积达12.5平方英里（32平方公里）。从图片可以看出，这个冰山正在向峡湾漂去，慢慢远离因为崩裂而形成的冰舌。在太平洋上空，飓风法比奥与伊米莉亚飓风擦边而过。两个飓风同时被一个卫星捕捉到。 图为太平洋东部的三个热带气旋。图中最西边的一个热带气旋为丹尼尔。努勒维特地区的景观（Inuktitut语里“我们的土地”之意）仍然展示着这些冰川活动的疤痕。先是被冰层所冲刷，然后被北冰洋所淹没的表面，现在被数百万的湖泊、池塘、溪流所覆盖。左图显示了努勒维特地区的湿地。水的颜色是深浅不一的蓝色、绿色、褐色和黑色，主要由粉砂、粘土和浮游植物所决定。红