遥感电磁辐射基础课件

1、第二章 遥感电磁辐射基础学习目标：理解电磁波与电磁波谱的概念了解黑体辐射的特性及其与真实物体的关系了解地球大气的基本情况，理解大气对遥感的影响了解地物的电磁波反射、发射、散射特性自学指导：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征，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。本章重点和难点：重点是掌握可见光、近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征，难点是大气辐射传输。波：振动的传播称为波。 2.1 电磁波与电磁波谱电磁波（电磁辐射）：

2、当电磁振荡进入空间，变化的磁场引起变化的电场，变化的电场又引起新的变化的磁场，这种变化的磁场和电场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。电磁波是随着电磁振荡向各个不同方向传播的。 一、电磁波的产生二、电磁波的性质：横波；在真空中以光速传播；波长与频率成反比，c=，两者的乘积为光速；具有波粒二象性；不需要媒质也能传播，与物质发生作用时，如气体、固体、液体介质时，会发生反射、吸收、透射、折射等现象。根据能量守恒定律，全部反射、吸收、透射、折射的能量之和应该与入射的总能量相等。按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，则构成电磁波谱。 以频率从高到低或波长从短到长排列可

3、以划分为： 射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。三、电磁波谱电磁波谱紫外线：波长范围为0.0050.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面。水面飘浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈，因此可用于油污染的监测。但是紫外波段从空中可探测的高度大致在2000m 以下，对高空遥感不宜采用。可见光：波长范围：0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的最常用波段。红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。可以探测热辐射。微波：波长范围为1 mm1 m，能透过云雾而不受天气影响，也能透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物，在遥

4、感技术中是很有发展潜力的波段。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。 遥感应用的电磁波波谱段任何地物都有向周围空间辐射红外线和微波的能力。遥感探测实际上是对地物辐射能量的测定。与辐射有关的几个概念： 辐射源：任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射， 也能够向外（发出）辐射。 辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J（焦耳）。 辐射通量（ ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dW /dt，单位: W （J/s）。 辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量， I=d/ds，单位： W/m2 。 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，

5、 M=d/ds，单位：W/m2 。 2.2 辐射电磁辐射 指能量以电磁波形式由辐射源发射到空间的现象。温度大于热力学温度0K（-273.15）的任何物体都具有发射电磁波的能力。遥感需要研究的辐射类型：1、黑体辐射2、太阳辐射3、地球辐射4、大气辐射 地物的电磁波发射能力主要与其温度有关。为了衡量电磁波发射能力的大小，常以黑体辐射作为度量的标准。 1860年，基尔霍夫（Kirchhoff）得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明：凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。 黑体也称绝对黑体，是指全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射

6、能力的理想物体。恒星和太阳的辐射接近黑体辐射。一、黑体辐射黑体的特性：任何物体： （，T）+ （，T） 1 绝对黑体： （，T）1 （，T） 0，其吸收率和反射率与物体的温度和波长无关注： （，T） ：光谱吸收系数（吸收率） （，T） ：光谱反射系数（反射率）（一）黑体辐射的概念和特性实验用黑体 1、斯忒藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzman）某个温度时黑体的辐射（发射）能量辐射出射度（M），随物体温度的升高以4次方的比例增大。M=T4 ：斯忒藩-玻尔兹曼常数， =5.6710-8W/（m2K4） （二） 黑体辐射规律 （P31，图2.5）应用：对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射

7、能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。 2、维恩位移定律（Wein）黑体辐射光谱中最强的辐射波长max 与 黑体绝对温度T 成反比。 max T=bb为常数,b =2.89810-3mK表明：黑体的绝对温度增高时，它的辐射最大值向短波方向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。问：如果遥感器的目的是探测人体，请问设计的遥感器应该对那个波段最敏感为宜？（注：人体表温度约为34）（三）实际物体的辐射自然界中黑体辐射是不存在，一般地物辐射能量总要比

8、黑体辐射能量小。如果利用黑体辐射有关公式，则需要增加一个因子，那就是发射率（比辐射率）。发射率是指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的辐射总通量）M与同温度的黑体辐射出射度（即黑体单位面积发出的辐射总通量）M黑的比值。实际物体的发射率与其性质、表面状况（如粗糙度、颜色）有关，且是温度和波长的函数。P33,表2.2依据发射率与波长的关系，将实际物体分为三种类型：黑体、灰体、选择性发射体。1.黑体或绝对黑体，其发射率=1，即黑体发射率对所有波长都是一个常数，并且等于1。2.灰体，其发射率=常数1（因吸收率 1）。即灰体的发射率始终小于1，不随波长变化。3.选择性辐射体，其发射率随波长而变化，而且

9、1（因吸收率也随波长而变化并且1）。在红外遥感传感器设计中，可以把一些红外辐射体看成灰体（例如人体、喷气式飞机尾喷管、无动力空间飞行器、地球背景及空间背景等），也可以在某些波段内把选择性辐射体看成灰体（如果其发射率在某些波段内近似不变），这样就简化了计算工作。一、太阳辐射（太阳光）太阳是被动遥感最主要的辐射源 太阳常数：在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，约1.496108km）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑体接受到的太阳辐射能量。其数量为：1.360 103 瓦/平方米（1.95cal/cm2min）。1卡=4.184焦 太阳辐射（太阳光谱）的主要

10、特征 (P35,图2.8) （1）太阳辐射的能量大部分集中在可见光波段。 （2）太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致。 被动遥感主要利用可见光、近红外、中红外等稳定的辐射。 2.2太阳辐射和地球辐射太阳能量随波长的分布红外波段38%经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。二、地球的电磁波辐射地球表面的平均温度约为300K，其电磁波辐射近似于该温度下的黑体辐射。当辐射通过大气射入大气外遥感平台时，由于大气中水、二氧化碳、臭氧等对辐射的吸收，曲线显示为不平滑的折线。地球表面辐射和大气电磁辐射的总称。地球辐射的分段特性见P37,图2.10进行遥感探测时：

11、接收到波长 小于 3微米的电磁波，主要是地物反射的太阳辐射能量 接收到波长 大于 6微米的电磁波，主要是地物本身发射的热辐射能量 接收到波长 3-6 m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑 2.3 太阳辐射与大气的作用 一、大气结构 二、大气成分 三、大气对太阳辐射的影响（折射、反射、吸收和散射） 四、大气窗口 一、大气结构外大气层：1000-35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。电离层：高度在80-1 000 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。平流层：高度在12-80 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭

12、氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。对流层：高度在7-12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，影响遥感数据，航空遥感区域。 大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 悬浮微粒：尘埃 二、大气成分这些气体分子和微粒对电磁辐射具有吸收和散射作用。 太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果，是使能量不断减弱。约有30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；约有17%被大气吸收，约有22%被大气散射；而仅有31%的太阳辐射辐射到地面。其中反射作用影响最大，由于云层的反射对电磁波各波段均有强烈影响，造成对遥感信息接受

13、的严重障碍。 因此，被动遥感应尽量选择无云的天气接收遥感信号。目前在大多数遥感方式中，都只考虑无云天气情况下的大气吸收、散射的衰减作用。P46三、大气对太阳辐射的影响（一）大气的吸收作用大气的吸收作用：P41 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（图2.14）。 主要在紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减。引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等。 大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡，由于大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段遥感中很少用到紫外线波段。 遥感器一般都设在大气透过率较高的区间，即尽量避开大气吸收作用能力强的区间。 （二）大气的散射作用大气

14、中各种成分对太阳辐射吸收的明显特点，是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了。对遥感图像来说，增加了信号中的噪声成分，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：d （）瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射；主要由大气分子和原子引起；散射强度与波长的四次方成反比。(P43) -天为什么是蓝的？日出日落的太阳为何红？米氏散射：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引起。散射强度与波长的二次方成反比。米氏

15、散射在光线前进方向比向后方的散射更强。 (P43)非选择性散射：大气中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 。 -云为什么是白色的？(P44) 大气散射作用与波长的关系P44： 在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。当波长超过1m 时，可忽略瑞利散射的影响。米氏散射对近紫外直到红外波段的影响都存在。但在当波长大于0.5m 时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。在微波波段，由于波长比云中小雨滴的直径还要大，所以小雨滴对微波波段散射是属于瑞利散射，散射强度与波长的四次方成反比，因此，微波有极强的穿透云层的能力。而红外辐射穿透云层的能力虽然不如微波，但比可见光的穿透能力大10 倍以上

16、。（三）大气窗口概念：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。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。大气窗口的光谱段主要有P45-46：0.3-1.3m，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。 1.5-1.8m，2.0-3.5m，即近、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。 3.5-5.5m，

17、即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93m探测海面温度，获得昼夜云图。8-14m，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。 0.8-2.5cm至更长, 即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。而且工作方式为主动遥感。其常用的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm等等, 有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm波段。2.4地物反射波谱特征自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射，吸收外来的紫外线、可见

18、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，这种特性称为地物的光谱特性。太阳辐射到达地面之后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量 在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。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透射能力较强，特别是对0. 45 0. 56m的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达1020 m，清澈水体可达100 m的深度

19、。对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5 cm的电磁波却有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土壤。2.4地物反射波谱特征一、地物的反射率与反射波谱（一）反射率物体反射的辐射能量占总入射能量的百分比。（二）反射类型镜面反射漫反射方向反射 实际物体反射 不同地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，地物反射率的大小，与入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。一般地说，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，在黑白遥感图像上呈现的色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遥感图像上呈现的色调就深。在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像的

20、重要标志。镜面反射光射到任何物体的表面上都会反射。平滑的表面，如镜面、刨光的金属表面、平静的水面等，能使平行的入射光线反射后仍是平行光线。这种反射叫做镜面反射。 漫反射整个表面都均匀地反射入射光称为漫反射。反射波方向与入射波方向无关，且从任何角度观察 反射面，其反射辐射亮度为一常数时。漫反射的反射面称为朗伯面。 当入射照度一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面称朗伯面。 方向反射介于漫反射和镜面反射之间。在各个方向都有反射，但其反射亮度不是常数，而在某一个方向上的反射比其它方向强。实际物体反射从空间对地面观察时，对于平坦地区，并且物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起

21、伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。地物反射光谱曲线通常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。二、地物反射波谱 地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做地物反射光谱。 不同地物由于物质组成和结构不同具有不同的反射光谱特性。因而可以根据遥感传感器所接收到的电磁波光谱特征的差异来识别不同的地物，这就是遥感的基本出发点。不同波段地物反射率不同，这就便人们很容易想到用多波段进行地物探测。例如在地物的光谱分析以及识别上用多光谱扫描仪、成像光谱仪等传感器。（一）植被的反射波谱曲线共性：物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。a可见光波段形成绿反射峰（0.55m）及其

22、两侧的蓝（0.45 m ）、红（0.67 m ）两个吸收带b近红外0.74-1.3 m处形成高反射区c近红外1.35-2.5 m处形成分别以1.45 m、1.95 m和2.7 m为中心的三个水吸收带差异性: 种类 季节 病虫害 含水量不同植被反射波谱曲线的比较植被病虫害对其反射波谱曲线的影响水分含量对玉米叶子反射率的影响（二）土壤的反射波谱曲线 自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来说：土质越细反射率越高有机质含量越高反射率越低含水量越高反射率越低因土类和肥力状况的不同而不同不同波谱段的遥感影像上区别不明显影响土壤光谱反射率的因子主要是腐殖质、氧化铁含量、机械组成、矿物和盐分含

23、量、表土结构（砂质土、壤土、粘土）、湿度等。 不同土壤的反射波谱曲线 土壤反射曲线呈比较平滑的特征，因此在不同光谱段的影象上，土壤亮度区别不明显。 土壤湿度对反射率的影响（三）水体的反射波谱曲线水体的反射主要在蓝绿波段，其他波段吸收很强，特别是在近红外波段更强。正因为如此在影象上特别是近红外影象水体呈黑色。 水中含泥沙时，由于泥沙的散射，可见光波段的反射率增加，峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时，近红外波段明显被抬升，成为分析影象的重要依据。 水体反射：水面的反射 +水底的反射+水中物质反射影响水体反射光谱的因素有水的杂质含量、水的悬浮物、水生植物的叶绿素含量等。 水的混浊度对其反射波谱曲线的影响不同叶绿素浓度的海水反射波谱曲线岩石的反射波谱曲线矿物成分矿物含