遥感物理概要

1、 1.1.电磁辐射电磁辐射 2.2.电磁辐射源电磁辐射源 3.3.电磁辐射的大气传输电磁辐射的大气传输 4. 4.地物的电磁辐射特性地物的电磁辐射特性第二章 电磁辐射基本原理 （1831-1879）（1858-1947）（1879-1955） 波动性粒子性1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。 波动性波动性粒子性粒子性1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、

2、吸收、散射。电磁波性质 1.电磁辐射电磁波的来源 电磁辐射产生于各种形式的能量 机械能、化学能、热能、电能、磁能、核能 凡是温度高于绝对零度（-273.16oC）的物体都发射电磁波，波长由物质内部状态的变化决定 内部状态能量（eV）相应电磁波原子核内部的相互作用内层电子的电离作用外层电子的电离外层电子激发分子振动，晶格振动分子旋转及反转，电子自旋和磁场相互作用107 105104 102102 44 11 10-510-4 10-5伽玛线(放射性衰变)X射线紫外可见光红外微波1个eV = 1.60219 * 10-19 Joules, 对应光的波长=1.23985mm1.电磁波谱1.电磁波谱名

3、称英文波长范围（微米）近红外/短波红外NIR/SWIR0.753红外/中波红外MWIR36远红外/长波红外/热红外LWIR/TIR615极远红外1510001.电磁波谱 宇宙射线：宇宙射线：这是来自天体具有很大能量和贯穿能这是来自天体具有很大能量和贯穿能力的电磁波，人工还无法产生它，在遥感上也力的电磁波，人工还无法产生它，在遥感上也未未能用上能用上的波段。的波段。 -射线：射线：是能量很高的波段。是能量很高的波段。航空物探航空物探放射性测放射性测量所记录的就是由含放射性元素的矿物所辐射出量所记录的就是由含放射性元素的矿物所辐射出来的来的射线。射线。 X-射线：射线：宇宙中来的宇宙中来的X-射线

4、，被大气层全部吸收，射线，被大气层全部吸收，不能用于遥感不能用于遥感工作。工作。 紫外线：紫外线：波长在波长在0.010.38微米。波长小于微米。波长小于0.28微微米的紫外线，在通过大气层时被臭氧层及其它成米的紫外线，在通过大气层时被臭氧层及其它成分吸收。只有分吸收。只有波长波长0.280.38微米微米的紫外线，部分的紫外线，部分能穿过大气层，但散射严重，只有部分投射到地能穿过大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，可以作为遥感的辐射源，称为摄影紫外。用面，可以作为遥感的辐射源，称为摄影紫外。用于环境监测。于环境监测。1.电磁波谱 可见光：可见光：波长在波长在0.380.76微米，是微米，是

5、人们视觉能见到的电磁波，可以用人们视觉能见到的电磁波，可以用棱镜分为红、橙、黄、绿、青、蓝、棱镜分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光。这个波段可以用摄影、紫七种色光。这个波段可以用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。可见光波段的遥感技术用的波段。可见光波段的遥感技术最成熟，但仍有很大潜力。最成熟，但仍有很大潜力。当前分当前分辨能力最好的遥感资料，辨能力最好的遥感资料，仍然是在仍然是在可见光波段范围内。可见光波段范围内。1.电磁波谱 红外线：红外线：红外线波段细分为红外线波段细分为近红外波段近红外波段（0.7630.763微米）、微米）、中红外中红外（3

6、636微米）、微米）、远红外远红外（615615微米）、微米）、超红外超红外（151000151000微米）。微米）。 近红外是地球表层反射太阳的红外辐射，故又称近红外是地球表层反射太阳的红外辐射，故又称反射反射红外红外。其中靠近可见光的。其中靠近可见光的0.761.30.761.3微米波段可以使胶片感微米波段可以使胶片感光，故又称摄影红外。光，故又称摄影红外。 远红外是地表物体发射的红外线，故称远红外是地表物体发射的红外线，故称热红外热红外。热红。热红外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成像。红外外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成像。红外是一个很有发展潜力的遥感的波段。是一个很有

7、发展潜力的遥感的波段。 微波：微波：波长波长1mm1m1mm1m。是一个很宽的波段。微波波长较长，。是一个很宽的波段。微波波长较长，能穿透云雾能穿透云雾而不受天气、昼夜的影响，可以主动或被动方而不受天气、昼夜的影响，可以主动或被动方式成像式成像2.电磁辐射源（1）天然电磁辐射源（太阳地球）天然电磁辐射源（太阳地球）从可见光到近红外，太阳辐射能量大约80%, 99%的能量在0.17 4 mm2.电磁辐射源（2）人工电磁辐射源（雷达激光）人工电磁辐射源（雷达激光）（1 1）大气散射）大气散射 3.电磁辐射的大气传输 瑞利散射瑞利散射是由比光波波长还要小的气体分是由比光波波长还要小的气体分子质点引起

8、的。散射能力与光波波长的四次子质点引起的。散射能力与光波波长的四次方成反比，波长愈短的电磁波，散射愈强烈；方成反比，波长愈短的电磁波，散射愈强烈；如雨过天晴或秋高气爽时，就因空中较粗微如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，天粒比较少，青蓝色光散射显得更为突出，天空一片蔚蓝。瑞利散射的结果，减弱了太阳空一片蔚蓝。瑞利散射的结果，减弱了太阳投射到地表的能量，使地面的紫外线极弱而投射到地表的能量，使地面的紫外线极弱而不能作为遥感可用波段；使到达地表可见光不能作为遥感可用波段；使到达地表可见光的辐射波长峰值向波长较长的一侧移动，当的辐射波长峰值向波长较长的一侧移动，

9、当电磁波波长大于电磁波波长大于1毫米时，瑞利散射可以忽略毫米时，瑞利散射可以忽略不计。不计。米氏散射米氏散射是大气中粒径比波长大得多的颗粒所引是大气中粒径比波长大得多的颗粒所引起，其散射能力与波长无关，因此它对各种波起，其散射能力与波长无关，因此它对各种波长的色都发生散射，而使天空中呈现一片灰蒙长的色都发生散射，而使天空中呈现一片灰蒙蒙的颜色。天空中有薄云时，米氏散射最明显。蒙的颜色。天空中有薄云时，米氏散射最明显。这种散射使所形成的图像反差小，图像模糊。这种散射使所形成的图像反差小，图像模糊。（2 2）大气吸收）大气吸收 大气中的臭氧：吸收大气中的臭氧：吸收0.3m0.3m以下的紫光，以下的

10、紫光， 9.6m9.6m处有弱吸收，处有弱吸收， 4.75m4.75m和和14m14m处的吸收更弱。处的吸收更弱。 二氧化碳：吸收带二氧化碳：吸收带2.60-2.8m2.60-2.8m，其中吸收谷，其中吸收谷2.7m2.7m； 4.1m-4.45m4.1m-4.45m，其中吸收谷，其中吸收谷4.3m4.3m； 12.9m-17.1m12.9m-17.1m，其中吸收谷，其中吸收谷14m14m 水气：吸收带在水气：吸收带在0.7-1.95m0.7-1.95m，最强处，最强处1.38m1.38m和和1.87m1.87m； 2.5-3.0m2.5-3.0m，最强处，最强处2.7m2.7m 4.9-8.

11、7m 4.9-8.7m，最强处，最强处6.3m6.3m 15m 15m1mm1mm， 微波微波0.164cm0.164cm和和1.348cm1.348cm 氧气：对微波氧气：对微波0.253cm0.253cm，0.5cm0.5cm 3.电磁辐射的大气传输由于大气对电磁波的选择性吸收，使大气在不同波段对电磁波的由于大气对电磁波的选择性吸收，使大气在不同波段对电磁波的衰减程度各不相同。因而衰减程度各不相同。因而大气对电磁波衰减较小，透射率较高的大气对电磁波衰减较小，透射率较高的波段叫大气窗口。波段叫大气窗口。 由于由于“大气窗口大气窗口”效应和探测技术水平限制，目前遥感技术效应和探测技术水平限制，

12、目前遥感技术只利用了有限的几个波段（窗口），其中最重要的波段为：只利用了有限的几个波段（窗口），其中最重要的波段为： 可见光（可见光（0.39-0.76m） 和近红外（和近红外（0.76-2.5m）波段）波段：这是地物对太阳辐射的强反射波段，所用的传感器主要是这是地物对太阳辐射的强反射波段，所用的传感器主要是照（摄）相机或多波段扫描仪等；照（摄）相机或多波段扫描仪等； 中红外（中红外（35m）波段：）波段：主要接收地物对太阳辐射的反主要接收地物对太阳辐射的反射能量和自身的热辐射能量，所用的传感器主要是红外扫射能量和自身的热辐射能量，所用的传感器主要是红外扫描仪等；描仪等； 热红外（热红外（81

13、4m）波段）波段：主要接收地物自身的热辐射能：主要接收地物自身的热辐射能量，所用的传感器主要是热红外扫描仪等；量，所用的传感器主要是热红外扫描仪等； 微波（微波（8-1000mm）波段）波段：可分为主动和被动两种接收方：可分为主动和被动两种接收方式。主动式微波传感器通常包括侧视雷达、散射计和高度式。主动式微波传感器通常包括侧视雷达、散射计和高度计；被动式微波传感器采用微波辐射计，包括扫描成像和计；被动式微波传感器采用微波辐射计，包括扫描成像和非扫描成像等类型。非扫描成像等类型。红外谱段波长在0.76-1000微米之间，其中0.76-3.0微米为反射红外波段，3-18微米为发射红外波段。后者又称

14、热红外 4. 地物的电磁辐射特性 自然界中地物与电磁波的相互作用主要自然界中地物与电磁波的相互作用主要表现为反射、发射、吸收和透射几种形表现为反射、发射、吸收和透射几种形式。式。 镜面反射镜面反射 漫反射漫反射 混合反射混合反射 以上均为相对而言以上均为相对而言 4. 地物的电磁辐射特性 物体在物体在同一时间、空间条件下，其反射、发射、同一时间、空间条件下，其反射、发射、吸收和透射电磁波的特性是波长的函数吸收和透射电磁波的特性是波长的函数。当我们。当我们将这种函数关系用曲线的形式表现出来时，就形将这种函数关系用曲线的形式表现出来时，就形成了成了地物电磁波波谱，简称地物波谱地物电磁波波谱，简称地

15、物波谱。 地物的波谱反射率随波长变化的规律称为地物的波谱反射率随波长变化的规律称为地物反地物反射波谱特性射波谱特性。某地物反射率随波长变化的曲线称。某地物反射率随波长变化的曲线称为该地物的反射波谱曲线。有时也把这种曲线形为该地物的反射波谱曲线。有时也把这种曲线形态称之为反射波谱特征。态称之为反射波谱特征。 发射波谱特征？发射波谱特征？1. 1. 光谱反射率光谱反射率clear waterturbid watervegetationsilty clay soilmuck soil 4. 地物的电磁辐射特性植被：植被：叶绿素较强吸收：0.45mm、0.67mm叶肉组织强反射：0.741.3mm水的

16、主要吸收：1.45, 1.92, 2.7 mm次之：0.96、1.2 micrometers 可见光(400-700 nm)、近红外(700-1350 nm)、中红外(1350-2500 nm) Pigmentation internal leaf structures vivo water content、 Internal leaf structure 植被（近红外波段的变化）：植被（近红外波段的变化）：多层叶子导致近红外反射增加植被（近红外波段的变化）：植被（近红外波段的变化）：relationship between foliar biomass and NIR reflectance

17、 植被（中红外波段的变化）：植被（中红外波段的变化）： 4. 地物的电磁辐射特性土土壤壤 4. 地物的电磁辐射特性 4. 地物的电磁辐射特性水水体体 4. 地物的电磁辐射特性西藏， 纳木错湖 4. 地物的电磁辐射特性 4. 地物的电磁辐射特性 颜色分颜色分消色消色（非彩色即黑白）与（非彩色即黑白）与彩色彩色 消色体：消色体：物体对白光没有分解能力，物体对白光没有分解能力，不能进行选择性吸收和反射，只能对固不能进行选择性吸收和反射，只能对固定比例的太阳光作全吸收、全反射或部定比例的太阳光作全吸收、全反射或部分吸收、部分反射而呈现黑分吸收、部分反射而呈现黑灰灰白。白。 彩色体：彩色体：物体对入射的

18、白光有分解物体对入射的白光有分解能力，并对不同波长的色光选择性吸收能力，并对不同波长的色光选择性吸收和反射。反射什么色光，物体就呈现什和反射。反射什么色光，物体就呈现什么颜色。么颜色。 4. 地物的电磁辐射特性 地物颜色与反射光谱特性的关系地物颜色与反射光谱特性的关系 视杆细胞视杆细胞 视锥细胞感蓝单元，感视锥细胞感蓝单元，感绿单元，感红单元绿单元，感红单元 彩色三要素（色度（别），彩色三要素（色度（别），明度，饱和度）明度，饱和度） 由色光相加和相减实验由色光相加和相减实验得知：得知：红（红（R），绿（），绿（G），蓝（），蓝（B）色光两两相加即可合成三种色光两两相加即可合成三种间色光。间色光。R+G=Y（黄光）（黄光）G+B=C（青光）（青光）B+R=M（品红）（品红）两种色光相加成为白色的，两种色光相加成为白色的，这两色称为互补色，互补色这两色称为互补