第2章-遥感物理基础-2012春

王红平第二章遥感物理基础遥感物理基础--内容提要电磁波基础表征电磁辐射的物理量物体的发射辐射地物的反射辐射地物波谱特性的测定1、电磁波原理2.1电磁波电磁波、机械波（声波）、重力场、地磁场都可以用作遥感，但一般而言，遥感是指电磁波遥感。遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征。2.1.1电磁波麦克斯韦电磁场理论电磁波是一种横波电磁波几个重要性质单色波可以用波函数来描述，是一个时空周期性函数，振幅、相位、波长。一般成像：记录振幅全息成像：记录振幅和相位干涉衍射偏振干涉凡是单色波都是相干波微波遥感中的雷达也是应用了干涉原理成像的，其影像上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光影像所未有的，对微波遥感的判读意义重大。INSAR利用干涉原理成像衍射光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象称为光的衍射。研究电磁波的衍射现象对设计遥感传感器和提高遥感图像的几何分辨率具有重要意义。偏振横波在垂直于波的传播方向上，其振动矢量偏于某些方向的现象。偏振在微波技术中称为“极化”，一般有四种极化方式。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。2.1.2电磁波波谱遥感信息获取，一般指收集、探测、记录地物的电磁波特征，即地物的发射、辐射或反射电磁波特性。由于电磁波传播的是能量，实际上也是记录辐射能量的过程。电磁波具有不同的频率和波长，因而具有不同的特性。电磁波谱电磁波信号是遥感研究的对象，区分电磁波特性的主要因子之一是波长（频率），电磁波依据波长轴线的分布称为电磁波谱。紫外可见近红外中红外热红外微波0.3μm1.0μm3.0μm10.0μm100%0%大气透过率XCSLPKKaKu大气窗口1mm1cm1m遥感应用的光谱范围电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的射线到最长的无线电波，波长之比高达。遥感采用的电磁波可以从紫外线一直到微波波段。遥感就是根据感兴趣的波谱特性，选择相应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱的发射或反射能量而成像的。2、表征电磁辐射物的理量2.2表征电磁辐射的物理量立体角辐射能量Q辐射通量Φ(radiantflux)辐射通量密度E(irradiance)M(radiantexitance)辐射强度I(radiantintensity)辐射亮度L(radiance)分谱辐射通量2.2.1立体角Ω立体角表示为锥体所拦截的球面积A与半径r的平方之比：立体角（Ω）的单位是球面度（Sr）dA问：球的立体角为多少？2.2.2辐射能量Q电磁辐射是具有能量的，它表现在：使被辐照的物体温度升高改变物体的内部状态使带电物体受力而运动……辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）2.2.3辐射通量(radiantflux)Φ在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量：Φ=Q/t辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）2.2.4辐射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：E辐照度=Φ/AM辐出度=Φ/A辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²）辐射源辐射照射度辐射出射度被辐照物辐射体法向2.2.5辐射强度(radiantintensity)I辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量：I=Φ/Ω辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）辐射强度点辐射源Ω=A/R²2π、4π各向同性源？2.2.6辐射亮度(radiance)L单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度。L=³Φ/AλΩ辐射亮度（L）的单位是瓦/米²•微米•球面度（W/m²

•

μm•Sr）亮度L面辐射源θ立体角ΩA图中出射辐射亮度是多少？L与I，M存在什么关系呢？根据上面式（1），可知：如果L在2π空间取值恒定，则I在2π空间的变化如图所示。其中ox代表物体所在的水平面，on为其法线方向，oa的长度对应θ方向的I值，ob的长度代表L值对于朗伯体而言，因为L具有各向同性的性质，所以所以，对于朗伯体，其出幅度为辐射量度的π倍2.2.7分谱辐射通量辐射通量是波长λ的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射通量：Φλ=Φ/λ分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/μm）λ1-λ2间隔内的

Φ(λ1-λ2)?总辐射通量Φ

？辐射通量波长分谱？？？分谱辐射通量分谱辐照度、分谱辐出度分谱辐射强度“分谱”两字可以忽略辐射度量一览表基本辐射量总结表征辐射的物理量很多：能量、通量、密度、强度、亮度，以及谱（分谱）……需要注意的是：文献中的称谓不尽相同，关键看单位最重要的是密度（通量）和亮度凡是涉及面积的都要注意使用法向面积，即cosθ3、物体的发射特性2.3物体的发射辐射黑体辐射太阳辐射大气对辐射的影响一般物体的发射辐射2.3.1黑体辐射1860年基尔霍夫：好的吸收体也是好的辐射体。绝对黑体——任何波长的电磁辐射全部吸收。一个不透明的物体，对反射到它上面的电磁波只有光谱吸收率和光谱反射率，二者之和恒等于1。绝对黑体：绝对白体：普朗克定律1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律黑体辐射通量密度与温度、波长的关系满足普朗克定律：Planck’sLaw黑体辐射特性（1）与曲线下得面积成正比的总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加，总辐射通量密度W可在从0到无穷大的波长范围内。对普朗克公式进行积分，可得到面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密度的表达式是：黑体辐射特性（2）分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动，微分普朗克公式，并求极值。维恩位移定律。它表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。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，常用这种方法选择传感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。黑体辐射特性（3）每根曲线彼此不相交，故温度T越高，所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。在波长大于1mm的微波波段，

，近似得出：在微波波段，黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。2.3.2太阳辐射太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波。地球系统的能量绝大多数（>99%）来源于太阳。太阳辐射5%紫外线45%可见光50%红外线辐射源自然辐射源太阳辐射：可见光和近红外的主要辐射源常用5900K的黑体辐射来模拟大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射地球的电磁辐射：近似300K的黑体辐射。小于的波长主要是太阳辐射的能量；大于的波长主要是地物自身的热辐射；之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。人工辐射源微波辐射源：0.8--30cm激光辐射源：激光雷达（测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等）。太阳辐射照度分布曲线太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致。被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射，因而太阳的活动对遥感没有太大影响，可以忽略。太阳辐射的特点太阳光谱是连续的。辐射特性与黑体基本一致。紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。主要利用课可见光、红外波段等稳定辐射。海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。2.3.3大气对辐射的影响当电磁波在介质中传播时，会发生散射(scattering)和吸收(absorption)，其中散射又分为反射(reflection)和透射(transmission)。ρ+τ+α=1（无自身发射）大气的垂直分布大气对太阳辐射的吸收在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收。主要成分：氧气、臭氧、水、二氧化碳。大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段中很少使用紫外线波段。大气对太阳辐射的散射在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起的衰减。太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光。二次影响增加了信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变，散射类型包括：米氏散射均匀散射瑞利散射气溶胶气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径1/1000~100微米的固体、液体粒子。大气中德气溶胶粒子的自然来源主要是海洋、土壤和生物园以及火山等。气溶胶大多集中在底层大气0~4km范围内。由于地球重力作用，气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对光的散射作用属于米氏散射。散射类型假设不均匀颗粒直径为a，入射波长为米氏散射均匀散射瑞利散射散射强度与波长的关系蓝光散射较强红光散射较弱大气对太阳辐射的反射由于大气层中有云层，当电磁波到达云层时，就像到达其他物体界面一样，不可避免地要产生反射现象，这种反射同样满足反射定律。各波段受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的强度，因此应尽量选择无云的天气接收遥感信号。四川省江油市大气窗口太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分。不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因而遥感所能够使用的电磁波是有限的。有些大气中电磁波通过率很小，甚至完全无法透过电磁波。这些区域就难于或不能被遥感所使用，称为“大气屏障”。反之，有些波段的电磁辐射通过带起后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为“大气窗口”。研究和选择有利的大气窗口、最大限度地接收有用信息是遥感技术的重要课题之一。可以用作遥感的大气窗口0.30—1.15微米可见光、部分紫外光、部分近红外，是遥感技术应用的最主要的窗口之一。1.3—2.5微米近红外波段3—5微米中红外波段8—14微米热红外波段1mm—1m微波窗口2.3.4一般物体的发射辐射自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。我们用发射率来表示它们之间的关系：。发射率就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下敷辐射功率之比。发射率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：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。理想反射体：反射率等于0.影响地物反射率的因素：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，反之反射率就小。主要地物的发射率等效黑体温度实际测定物体的光谱辐射通量密度曲线并不像描绘的黑体光谱辐射通量密度曲线那么光滑。常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度）基尔霍夫定律在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度。任何材料的发射率都等于其吸收率根据能量守恒定律对于不透射电磁波的物体

4、地物的反射辐射2.4地物的反射辐射地物的反射类别光谱反射率以及地物的反射光谱特性影响地物光谱反射率变化的因素2.4.1地物的反射类型镜面反射是指物体的反射满足反射定律。当发生镜面反射时，对于不透明物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。漫反射如果入射电磁波波长不变，表面粗糙度h逐渐增加，知道h与。同数量级，这时整个表面均匀反射入射电磁波，入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射。方向反射实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。是镜面反射和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续增大的情况下，这种反射没有规律可循。

2.4.2光谱反射率以及地物反射光谱特性光谱反射率反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比，这个反射率是在理想漫反射体的情况下，整个电磁波长的反射率。实际上由于物体固有的结构特点，对于不同波长的电磁波有选择的反射，例如绿色植物的叶子由于表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成，入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮，蓝、红光辐射能被叶绿素吸收进行光合作用；绿光也吸收了一个部分，但仍反射一部分，所以叶子呈现绿色；而近红外线可以穿透叶绿素，被多孔薄壁细胞组织所反射。因此，在近红外波段上形成强反射。反射波谱反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是两个波段。反射波谱特性曲线正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特性，物体的反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。不同植被光谱反射特性全色图像不能区分落叶林和针叶林近近红外图像能清晰地区分落叶林落叶林在近红外波段上有较高的反射率反射波谱特性曲线同一地物的反射波谱特性时间效应空间效应不同地物的反射波谱特性城市道路、建筑物的反射波谱特性水体的反射波谱特性水体的反射波谱特性土壤的反射波谱特性植物的反射波谱特性岩石的反射波谱特性同一地物的反射波谱特性可以看出花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期。黄叶期由于不具备绿色植物特征，其反射光谱近似于一条斜线，这是因为黄叶的水含量降低，导致在1.45微米、1.95微米、2.7微米附近3个水吸收带的减弱。当叶片有病虫害时，也有与黄叶期类似的反射率同一春小麦在花期、灌浆期、乳熟期、黄叶期的光谱测试所得的结果。城市道路、建筑物的反射波谱特性在城市遥感影像中，通常只能看到建筑的顶部和部分建筑物的侧面，所以掌握建筑物材料所构成的屋顶的波谱特性是我们研究