第二章 遥感电磁辐射基础

第一章绪论本章提要(…)§1

遥感概念§2遥感的特性§3遥感的分类§4遥感技术系统§5遥感的几个基本术语§6遥感的发展历程§7遥感的现状与趋势§8遥感的应用本章主要介绍遥感概念、遥感的特点、遥感数据、遥感数据类型、遥感数据的应用以及遥感技术的发展。§1

遥感概念广义遥感:泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。狭义遥感:是从远处探测感知物体，也就是不直接接触物体，从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息，经过对信息的处理，判别出目标地物的属性。§2遥感的特性空间特性:宏观性,大尺度观测时相特性:周期成像,动态监测波谱特性:波谱段广,观测范围大§3遥感的分类主要按6个方面分类按遥感探测对象按遥感平台按遥感获取的数据形式按传感器工作方式按遥感探测的电磁波按遥感应用宇宙遥感,地球遥感航天遥感(>150km)航空遥感(<12km)地面遥感(地面或近地面)成像方式遥感(摄影方式/扫描方式)非成像方式遥感(光谱辐射计等)主动遥感(雷达)被动遥感可见光遥感/红外遥感微波遥感/紫外遥感等遥感的分类遥感数据分类成像方式非成像方式被动式主动式——雷达摄影方式扫描方式宽波段摄影黑白摄影彩色摄影多波段遥感多镜头相继摄影单镜头相继摄影主动式——雷达高度计、雷达散射计、微波辐射计波动式——红外辐射计等传感器所获取的各种数据、曲线等形式的资料光学机械扫描（多波段扫描仪）推帚扫描（CCD）§4遥感技术系统遥感平台传感器遥感信息的接收和处理遥感图像判读和应用back遥感平台地面平台:主要指用于安置传感器的三脚架、遥感塔、遥感车等，高度在100米以下。航空平台：指高度在12千米以内的飞机和气球。航天平台：指高度在150千米以上的人造地球卫星、宇宙飞船、空间轨道站和航天飞机等。人造地球卫星：1、低高度/短寿命（150-350km，几天到几十天）

2、中高度/长寿命（350-1800km，3-5年）

3、高高度/长寿命（36000km，10年以上）back传感器传感器也称遥感器或者探测器，是远距离感测和记录地物环境辐射或反射电磁能量的遥感仪器。根据记录方式不同，主要分为成像方式和非成像方式两类。传感器一般由信息收集、探测系统、信息处理和信息输出4部分组成。back§5遥感的几个基本术语地物光谱差异辐射记录差异空间分辨差异几何误差像片格式与数字格式的可转换性遥感成像系统大气作用§6遥感的发展历程摄影术阶段空中气球摄影阶段飞机摄影阶段航空遥感阶段卫星遥感阶段中国的遥感发展简况§7遥感的现状与趋势多分辨率多遥感平台并存，空间分辨率、时间分辨率及光谱分辨率普遍提高；微波遥感、高光谱遥感迅速发展遥感的综合应用不断深化商业遥感时代到来§8遥感的应用

农林方面的应用地质、矿产方面的应用水文、海洋方面的应用环境保护方面的应用测绘方面的应用地理学方面的应用第二章遥感电磁辐射基础本章提要(…)§1

电磁波谱§2辐射基本定律§3太阳辐射§4太阳辐射与大气的相互作用§5太阳辐射与地面的相互作用§6三种遥感模式

本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、三种遥感模型等。§1

电磁波谱电磁波交互变化的电磁场在空间的传播描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为3×108

m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。电磁波谱电磁波谱

按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。依次为：

r射线—x射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。

电磁波谱示图第二章遥感电磁辐射基础本章提要(…)§1

电磁波谱§2辐射基本定律§3太阳辐射§4太阳辐射与大气的相互作用§5太阳辐射与地面的相互作用§6三种遥感模式

本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、三种遥感模型等。如声波、水波、地震波等振动的是弹性媒质中质点的位移矢量。电磁波的产生：当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波。描述电磁波特性的指标

波长、频率、振幅、位相等。

0.380.763.06.015.0微米1101001000毫米波长

紫外可见光

近红外

中红外

热红外

远红外

毫米波

厘米波

分米波

米波

红外波段

微波波段遥感技术应用的电磁波谱段

0.380.430.470.500.560.590.620.76微米可见光波段补充：长度单位换算电磁辐射的度量1)辐射源:能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波自然辐射源人工辐射源——人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）太阳辐射—见光及近红外遥感的重要辐射源地球电磁辐射—远红外遥感的辐射源

2)辐射测量

辐射能量（W）：辐射通量（Φ）：辐射通量密度（E）：辐照度（I）：辐射出射度（M）：辐射亮度（L）：辐射能量（W）：辐射能量（W）：辐射通量（Φ）：辐射通量（Φ）：Φ=Dw/dt，被辐射物体表面单位面积上的辐射通量。单位：w/m2，S为面积I辐照度=dΦ/ds

I辐射通量密度=dΦ/dsM辐射出射度=E=dΦ/ds辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。单位：w/m2，S为面积单位时间通过单位面积上的辐射能量。单位：w/m2(瓦/平方米），S为面积Φ辐射亮度（L）：面状辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内辐射通量.黑体辐射普朗克辐射(Planck)定律斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律基尔霍夫（Kirchhoυυ)辐射定律维恩(Wien)位移定律§2辐射基本定律

人工制造的接近黑体的吸收体1)绝对黑体基尔霍夫（1824～1887）

Kirchhoff，Gustav

Robert

德国物理学家。

黑体辐射n次反射后出射光线几乎等于0黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。吸收系数α（λ，T）=100%反射系数ρ（λ，T）=0%普朗克辐射(Planck)定律艾萨克·牛顿（IsaacNewton1642.12.25——1727.3.20.）

英国物理学家、数学家、天文学家和自然哲学家。

Newton最早认识到了光及电磁波具有波粒二象性。1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

普朗克定义了一个常数(h)，给出了黑体辐射的能量（Q）与频率（υ）之间的关系：Q=h·υ

h—普朗克常数，6.626×10-34

焦·秒（J·S）AlbertEinstein1879-1955辐射能量与它的波长反比，即辐射的波长越长，其辐射能量越低对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬－玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。红外装置测试温度的理论根据。σ:斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.67032×10－8W/(m2·K4)奥地利著名物理学家玻耳兹曼

斯特潘-Stefan)b:常数，2.8978*10-3μm·K维恩位移定律描述的就是辐射峰值随黑体温度变化的关系。发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。4基尔霍夫（1824～1887）

Kirchhoff，Gustav

Robert

德国物理学家。

3)实际物体的辐射

2.2节太阳辐射及大气对

太阳辐射的影响

2.2.1太阳辐射2.2.2大气吸收作用2.3.3大气散射作用2.2.4大气窗口太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线

§2.2.1太阳辐射大气的吸收作用：

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（如下表）。2.2大气的吸收作用O2吸收带<0.2μm，0.155μm最强O3吸收带0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收带0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收带1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm尘埃吸收量很小2.2.3大气的散射作用不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三种：

瑞利散射：d<<λ

米氏散射：d

≈λ

非选择性散射：d>>λ§2.4太阳辐射与大气的相互作用大气概况大气的吸收作用大气的散射作用大气窗口大气校正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2.4.1大气概况2.4.2大气的吸收作用大气的吸收作用：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。O2吸收带<0.2μm，0.155μm最强O3吸收带0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收带0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收带1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm尘埃吸收量很小2.4.3大气的散射作用2.4.3大气的散射作用不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三种：瑞利散射：d<<λ

米氏散射：d

≈λ

非选择性散射：d>>λ2.4.4大气窗口大气窗口大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat2.4.5大气校正概念：为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正，称作大气校正。

大气对遥感图像的影响与波长、时间、地点、大气条件、大气厚度、太阳高度角等因素有关。按照校正的过程，可以分为间接大气校正方法和直接大气校正方法。直接大气校正是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气影响。间接大气校正指对一些遥感常用函数，如NDVI进行重新定义，形成新的函数形式，以减少对大气的依赖。§2.5太阳辐射与地面的相互作用反射作用反射率的概念反射光谱曲线常见地物的光谱曲线吸收作用透射作用太阳与地面的相互作用在可见光与近红外波段（0.2-2.5um)，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。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0.45~0.56μm的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达10~20m，清澈水体可达100m的深度。2.5.1反射作用镜面反射漫反射实际地面反射1.镜面反射2.漫反射3.实际地面反射即物体的反射面是光滑的，光线平行反射，如镜子，平静的水面等

一束平行光射到平面镜上,反射光是平行的,这种反射叫做镜面反射；

镜面反射物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。很多物体，如植物、墙壁、衣服等，其表面粗看起来似乎是平滑，但用放大镜仔细观察，就会看到其表面是凹凸不平的，所以本来是平行的太阳光被这些表面反射后，弥漫地射向不同方

不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。为什么在电影院里，人能在不同的座位上看到银幕上的画面电影院里，人能在不同的座位上看到银幕上的画面，这是因为光在银幕上形成了漫反射。

电影院的银幕、投影幕布都是生活中最常见的漫反射例子

镜面反射

即物体的反射面是光滑的，光线平行反射，如镜子，水面等

镜面反射是指反射波（电磁波、或声波，水波）有确定方向的反射；其反射波的方向与反射平面的法线夹角（反射角），与入射波方向与该反射平面法线的夹角（入射角）相等，且入射波、反射波，及平面法线同处于一个平面内。摄影时应避免镜面反射光线进入摄影机镜头，由于镜面反射光线极强，在像片上将形成一片白色亮点，影响地物本身在像片上的显现。

反射：一般来说，光从一种介质射到它和另一中介质的分界面时，一部分光返回到这种介质中的现象

散射：光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时，部分光线向多方面改变方向的现象。叫做光的散射.超短波发射到电离层时也发生散射散射（scattering）是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。反射：声波、光波或其他电磁波遇到别的媒质分界面而部分仍在原物质中传播的现象2.地物的反射率(…)反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/P

0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。反射光谱曲线地物反射率随波长是变化的，我们以波长作为横坐标，反射率作为纵坐标，将地物反射率随波长的变化绘制成曲线，即地物的反射率随波长变化的曲线，叫地物的反射光谱曲线。不同地物的该曲线是不同的。

不同地物反射波谱曲线分析

植被光谱曲线

土壤光谱曲线

水体光谱曲线

岩石光谱曲线

常见地物比较光谱曲线

§7各典型地物的光谱曲线本节结束本章结束返回下一章植物光谱曲线植被：双峰双谷特点植被的波谱特征植被的波谱特征最明显。绿色植被种类很多，但都有相似的反射波谱特征曲线。在可见光绿波段0.55μm附近有10-20%的反射峰。在红外线0.8-1.0μm间具有50-60%的强反射峰。在红光0.7μm和红外线1.5μm、1.9μm附近具有强烈的吸收谷。1.02.01.52.53.01030205040600.5波长(μm)反射率（%）柑橘番茄玉米棉花岩石的光谱曲线返回吸收作用太阳辐射到达地面，一部分能量被地物吸收并且转换成热能，使地表具有一定温度再发射，被称为“热辐射”。发射率是地物的辐射能量与相同温度下黑体辐射能量之比，又叫比辐射率