第二章.遥感物理基础

第二章遥感物理基础地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式——电磁波。不同的物体具有不同的物质组成和结构；由此导致其电磁波谱特征（特征光谱）不同。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。不同地物的光谱曲线不同。同一种物体在不同的情况下，在各波段的反射率也不同。第一节电磁波与电磁波谱

不同类型的地物具有反射或辐射不同波长电磁波的特性，遥感技术是利用地物反射和辐射电磁微波的固有特性来探测地面目标的。因此，关于电磁波辐射的基本原理就成为遥感技术的理论基础。本章仅从“遥感”的角度简述一些有关问题。

一、电磁波

电磁波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。

在自然界中，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波，不过它们产生的方式不同，波长也不同。

根据电磁场理论，变化的电场能够在它的周围激起磁场的变化，同样，变化的磁场也能够在它周围激起电场的变化，这种交变的电磁场在空间由近及远的传播过程称为电磁波。

电磁波具有波粒二象性，即既有波动性，又有微粒性，而与遥感关系较为密切的是其波动性。这种波动性主要表现在电磁波可以产生干涉（使影像产生颗粒状或斑点，影响人们对图像的解译）、衍射（影响接收效果）、偏振（影响微波图像的灰度）及散射等物理现象。电磁波的波动性，通常以波长（λ）、波速（C）、周期（T）或频率（f）来描述。电磁波在空中的传播速度为3＊108m/s，因而有：λ＝C·T＝3＊108·T＝3＊108／f在遥感应用中，经常用到的是波长和频率。辐射：电磁波在空间中的传播叫做电磁辐射，简称辐射。电磁波也可以叫做辐射。辐射按其形式可分为发射辐射、入射辐射、反射辐射、透射辐射、散射辐射等。

二、电磁波谱将各种电磁波按波长的大小（或频率的高低）依次排列成图表，就称为电磁波谱。按波长从短到长可分为：电磁波谱各种电磁波的特点

γ射线X射线

紫外线

可见光

红外线

微波

无线电波

0.01～0.38μm0.76～1000μm0.38～0.76μm1000μm～1.0m可见光可初分为：蓝0.38～0.50μm，绿0.50～0.60μm，红0.60～0.76μm。三、目前遥感应用的各波段及特点紫外线(UV)：0.01-0.4μm，碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：0.4-0.76μm，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线(IR)：0.76-1000μm。近红外0.76-3.0μm’中红外3.0-6.0μm；远红外6.0-15.0μm；超远红外15-1000μm。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。

第二节太阳辐射与大气窗口

在地球环境中，太阳是一个最强大的辐射源，目前遥感技术中所用的可见光波段，近红外波段的能量来源主要来自太阳。地球本身也是天然电磁辐射源，是目前热红外遥感的主要辐射源。一、太阳辐射和大地辐射下图表示了太阳辐射的光谱特性。其中，上面那条连续曲线给出了地球大气层以上的粗略的太阳光谱辐照度，辐照度的极大值位于波长0.47μm处。太阳辐射总能量的25％，在波长小于0.47μm处的谱段内，总能量的46％在0.47～0.76μm的可见光谱段。图中最下面那条曲线表示海平面上太阳光直射时的辐照度，两条曲线之间的差值，表示大气散射和吸收引起的衰减。

太阳与地表辐射的电磁波谱太阳辐射及其能量分布1）5900K的黑体辐射。

2）短波辐射（太阳辐射总能量的40％集中于0.4－0.76um的可见光范围内，51％在红外部分）

太阳与地表辐射的电磁波谱地球是另一个大的天然电磁辐射源。地球除以反射太阳辐射的方式以外，还以火山喷发、温泉和大地热流等多种形式，向宇宙空间不断地辐射热能。地球辐射能量集中在中红外（3～6μm）及热红外（6～15μm）谱段，其峰值波长在9.7μm处。太阳辐射波谱曲线与地球的辐射曲线在约3μm处相交。由此可知，当人们对地面目标进行遥感时，传感器接收到的波长小于3μm部分，主要是地物反射太阳辐射的能量；波长大于3μm部分，主要是地物自身的发射辐射（热辐射）能量。

太阳、地物和人工发射辐射电磁波，都要通过地球大气。而大气作为一种传输介质，对电磁辐射的影响主要表现为散射与选择性吸收，致使电磁辐射强度减弱，其光谱成分也发生一定的变化。这种影响通常以衰减因数来衡量。即：

σ0＝α＋γσ0—衰减因数α—吸收系数γ—散射系数

散射系数γ取决于大气中气体分子、液态和固态杂质的散射；吸收系数α取决于大气中气体分子的吸收。γ与α随波长不同而变化。在可见光波段以散射为主，红外波段以吸收为主。

二、大气的作用（一）大气散射

1、瑞利散射

当微粒直径小于波长时，d﹤﹤λ时，一般认为（d<λ/10）散射系数与λ4成反比，

可见，波长越短，散射越强。

大气中的气体分子;晴朗的天空为蓝色；出现蓝色蒙雾，紫外区不适于进行遥感

主要影响短波波段，主要是使传感器接收到的能量加上一个常数，这就造成图像反差变小，模糊。

瑞利散射强度与波长的关系

太阳辐射经过大气才能入射到达地面，地面对太阳辐射的反射也要经过大气才能到达遥感平台，被传感器接收。

对地球来说，太阳辐射的能量为E，那么经过大气后，到达目标A时，EA=τβ·E，经反射后，再次经过大气：

Ls=ρA·τz·EA=ρA·τz·τβ·E

Ls表面反射的辐射率。

传感器接收到：L＝Ls+LA=τz·τβ·E·ρ+LA

卫星EA大气La—散射辐射质点直径和电磁波波长差不多时（d≈

λ）

2非选择性散射主要是大其中的气溶胶引起的散射。

云、雾等的悬浮粒子的直径和0.76－15um之间的红外线波长差不多，需要注意。

（二）大气吸收

大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。1）水：分为气态水和液态水水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波，都有水汽的吸收带。液态水的吸收更强，主要在长波方向。2）二氧化碳主要在红外区。1.35－2.85um之间有3个弱吸收带，2.7，4.3，14.5um为强吸收带。3）臭氧紫外线4）其它吸收电磁波的物质

氧气主要吸收波长小于0.2um的，

尘埃吸收作用很少。

（三）反射作用主要是大气中的云层，大的尘埃。

云量越多、云层越厚，

反射越强。

大气对太阳辐射的衰减总体规律：大气吸收15％，

散射和反射42％，其余43％

太阳辐射到达地面。又一说：大气吸收17％，

散射22％，反射30％，其余31％

太阳辐射到达地面。

太阳辐射经大气衰减图（四）大气窗口大气窗口：电磁波在大气中传输过程中损耗较小，透射率很高的波段。

要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。

常用大气窗口1）0.3－1.4um：包括全部可见光（95％），部分紫外光（70％），部分近红外光（80％）。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。2）1.4－2.5um：近红外窗口，60％－95％，扫描成像，白天记录3）3.5－5.5um：中红外窗口，60％－70％，白天夜间，扫描成像记录4）8－14um：远红外窗口，超过80％，白天夜间，扫描记录5）1.4－300mm：

微波窗口，

白天夜间，扫描记录。

一、地物波谱特征的概念地物波谱特征是指各种地物各自所具有的电磁波特性（反射、发射、吸收、透射）。

任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。任何物体对外来电磁波均有反射、吸收和透射作用。同时任何物体只要其温度高于绝对零度，都会不断向外界发射电磁波（热辐射）。在入射电磁波与反射、吸收和透射电磁波之间，据能量守恒原理，为：ρ＋α＋τ＝100％式ρ—反射率α—吸收率τ—透射率第三节地物波谱特征∵任何物体的发射率总是等于它同温度同波段的吸收率即α（λT）＝ε（λT）α＝ε对于不透明的物体来说，可以认为τ（λ）＝0则ρ（λ）＝1－α（λ）∴ρ＝1－ε则ε＝1－ρ即各种地物发射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射电磁波的特性得到。正因为各种地物反射、发射电磁波能力各不相同，才构成遥感据以探测和识别各种目标物的依据。二、地物反射波谱特征（一）地物反射波谱特性对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。

当电磁波从较稀疏的空气介质入射到较密介质时，将产生反射。依照界面的平滑程度不同，有镜面反射、漫反射和混合反射三种情况。一般用反射率来表示地物反射能力。通常反射率定义为物体的反射能量与入射能量之比。即：ρ＝Eρ／E显然，反射率高，在遥感图像上就越亮，反之则越暗。因为波长不同，同一地物其反射率也不同。遥感中更常用的是光谱反射率。光谱反射率：地物在某波段的反射能量与该波段的入射能量之比即ρλ＝Eρλ／Eλ

地物反射波谱特性：地物波谱反射率随波长变化而改变的特性。地物反射特性曲线：将地物的波谱反射率与波长的关系在直角坐标系中描绘出的曲线。通常以横坐标代表波长，纵坐标代表光谱反射率所作出的相关曲线来表示

对同一地物来说，其它条件相同的情况下，由于入射波长不同，反射率也不同。同时，对同一入射波长来说，不同物质其反射率也不同。任何物体均有其自己独特的反射波谱曲线形态，遥感图像的解译工作就是建立在这个基础上的。（二）几类常见地物反射波谱特性１、雪２、沙漠３、湿粘土４、植被５、水体６、土壤7、岩石不同植物光谱曲线比较植被的病虫害时间特征印度安州土壤样品波谱曲线（在相同温度条件下测量反射率）几种岩石类型的光谱特征（三）影响地物反射波谱特征的因素１、水份２、矿物成份３、可溶盐量４、风化作用５、表面结构６、季节、植被覆盖7、产状、坡向8、其它：如时间、气候条件等磁铁矿（Fe3O4）与赤铁矿的发射波谱三、地物发射波谱特征任何物体只要它的温度在绝对零度以上，就存在着分子的热运动，它能够不断地向外发射电磁波。在红外波段这种辐射则为热辐射。地物的电磁波发射能力主要与它的温度有关。为了衡量地物发射电磁波能力的大小，常以黑体辐射作为度量的标准。１、黑体是指能够在热力学定律所允许的范围内，最大限度地把热能转变成辐射能的理想辐射体。或者说能全部吸收外来电磁波辐射而毫无反射和透射能力的理想物体。黑体的热辐射称为黑体辐射。

２、黑体辐射定律(1)普朗克定律1900年，普朗克用量子论的概念推导出黑体的热辐射定律，阐明了黑体辐射的能量做为温度的函数沿波长分布的情况

式中：wλ——黑体辐射能量

w/m3h——普朗克常数（h=6.626*10-34w/s2）k——波耳滋曼常数（k=1.38*10-23w•s/k）λ——波长，mC——光速(C=3*108m/s)T——黑体的绝对温度K从上式可以看出wλ与T和辐射能量的波长λ有关。以T为第一变量，λ为第二变量可在直角平面坐标系中绘出wλ与T、λ的关系曲线。该曲线也叫做黑体的波谱辐射曲线。变化特点：(1)辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2)温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3)随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。(2)维恩定律峰值波长与绝对温度的关系。对普朗克公式微分并求极值：得λmax·T＝2897.8μ·K上式表明，黑体辐射的峰值波长与绝对温度温度T成反比，即温度越高，λmax愈小，即向短波方向移动。例：太阳看作具6000K的黑体，其辐射的峰值波长λmax＝0.5μm地球表面平均温度为27℃(即300K)λmax＝9.6μ由图中可以看出黑(物)体辐射能量区别最明显处就在其λmax附近,所以通过记录某物体的λmax处的辐射特性来识别它最为便利.维恩定律为识别特定物体而设计遥感器的响应波段提供了理论基础..(3)斯蒂芬—玻耳兹曼定律将普朗克公式对波长从零到无穷大范围内作积分求得上式表明黑体辐射能量与绝对温度四次方成正比.即温度越高,黑体辐射的能量愈大,被遥感器记录的能量也愈大;反之亦然.这说明不同温度的物体具有不同的辐射能量,记录下它们之间的辐射能量差别就为区别它们提供了基础.这也是在遥感图像上识别不同物体的基础.3、基尔霍夫定律在任何一个给定的温度下，任何一个物体的发射能量W(T)与其吸收率α(T)之比都等于在同一温度T下的黑体的发射能量W黑(T).即由上式可导出下式这表明任何一个物体在温度T下的发射率ε(T)都等于它在此同一温度T下的吸收率α(T)。对于物体在温度T下所发射或吸收的每个单色波长分量而言，以上两式也成立。即以上四式都是基尔霍夫定律的表达式。由基尔霍夫定律可知，任一物体在某温度下、某波长处的光谱发射率ε(λ,T)与光谱吸收率α(λ,T)永远相等。4、地物发射率与三大发射体地物的发射率是地物的发射能量与同一温度下的黑体发射能量的比值ε(T)＝W(T)/W黑(T)按照发射率（恒等于吸收率）的大小及其与波长的关系，可以把物体分为三类：①绝对黑体：在任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率恒等1的物体。②灰体：在任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率都小于1，且不随波长而变化的物体。③选择性辐射体：光谱发射率随波长而变化的物体5、地物发射波谱地物的光谱发射率与波长的关系叫做地物发射光谱，用来表示地物发射波谱的曲线叫做地物发射波谱曲线。6、影响地物发射波谱的因素：①地物的物质成份②地物表面的粗糙度③地物表面的颜色④地物表面的形态特征第四节色度学一、三原色三原色：任何一种单色光不能通过其它两种混合而成。即红（R）、绿（G）、蓝（B）１、加色法→三间色R+G＝Y(黄)G+B＝C(青)黄、青、品红为三间色R+B＝M(品红)R+G+B＝W(白)

两种原色按照等量叠加得到一种补色。三原色等量叠加得到

白光。如果两种色光叠加后得到

白光（黑光），则称这两种色为互补色。非互补色不等量叠加得到两者之间的中间色。红（多）＋

绿（少）＝

橙色红（少）＋

绿（多）＝

黄绿色２、减色法→互补色白光－三原色中任何一种→互补色W-R＝G+B＝C(青)红、青为互补色