遥感的物理基础 课件 第二章 遥感的物理基础

遥感原理与应用Principlesandapplicationsofremotesensing第二章遥感的物理基础PhysicalBasisofRemoteSensing2025/3/817:5901.电磁波与电磁波谱Fundamentalsofremotesensingelectromagneticradiation02.太阳辐射及大气对辐射的影响Solarradiationandatmosphericinfluenceonradiation本章主要内容2025/3/817:592025/3/817:5903.地物的波谱特性Spectralcharacteristicsofgroundobjects04.地物波谱特征的测定Determinationofspectralcharacteristicsofgroundobjects2025/3/817:59电磁波及其特性电磁波谱

电磁波根据电磁场的理论，电和磁是紧密联系着的两种运动形式。变化的电场能够在它的周围激起变化的磁场；相反，变化的磁场也能在它的周围激发起电场的变化。这种交变的电磁场在空间进行振荡传播形成电磁波。2025/3/817:592025/3/817:59电磁波的特性横波电场、磁场与传播方向互相垂直以光速（c）传播具有波动性和量子性双重属性具有相干性、非相干性、反射、折射、干涉、衍射、散射、吸收、色散、偏振、多普勒效应等特性遥感（Remotesensing）所收集的信息是由目标物反射(Reflect)或发射(Emit)的电磁波信息。2025/3/817:59电磁波及其特性电磁波谱

电磁波谱(Electromagneticspectrum)γ射线、X射线、紫外线，可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，则构成了电磁波谱。

紫外1nm1µm1mm1m1km1000km可见光红外微波无线电声频交流电0.38µ100mm电磁波波谱2025/3/817:59遥感技术使用的电磁波分类与波长范围2025/3/817:5901.电磁波与电磁波谱Fundamentalsofremotesensingelectromagneticradiation02.太阳辐射及大气对辐射的影响Solarradiationandatmosphericinfluenceonradiation本章主要内容2025/3/817:592025/3/817:5903.地物的波谱特性Spectralcharacteristicsofgroundobjects04.地物波谱特征的测定Determinationofspectralcharacteristicsofgroundobjects2025/3/817:59太阳辐射大气成分大气散射大气吸收大气反射太阳辐射太阳辐射相当于6000K的黑体的辐射，λmax=0.47μm短波辐射0.32-3.0μm约占总辐射量的85%。太阳是地球的主要光源，人类接受的各种信息中，70%来自太阳光。太阳常数——太阳辐射在大气上界处的垂直入射辐射通量密度，平均值为1400

10-4瓦/cm2，通过大气到达地面的有效辐射通量密度为903

10-4瓦/cm2，只占大气上界的太阳辐射的64.5%(47%)2025/3/817:59太阳与日光层的观测图像SolarandHeliosphericObservatory(SOHO)ImageoftheSunObtainedonSeptember14,1999太阳辐射能量分布2025/3/817:59太阳辐射度分布曲线2025/3/817:592025/3/817:59太阳辐射大气成分大气散射大气吸收大气反射大气成分地球大气主要由多种气体及悬浮微粒等组成。归纳起来可将大气成分分为不变成分和可变成分两大类。其中氮和氧的体积和质量占不变成分的99％左右；氩、二氧化碳等稀有气体仅占1％左右。地球大气主要不变成分（干燥大气）的体积百分比:N2:78.084%;O2:20.946%;Ar:

0.934%;CO2

0.032%地球大气可变成分:主要有烟、尘埃、雾霜、小水滴及气溶胶。气溶胶是一种固体、液体的悬浮物，有固体的核心，如尘埃、花粉、微生物、海水的盐粒等，在核心外包有液体，直径约为0.01-30um，分布高度5km以下。2025/3/817:59大气结构从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在7~12km，温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。平流层：高度在12~50km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在50~1,000km，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。大气外层：800~35,000km，空气极稀薄，对卫星基本上没有影响2025/3/817:59电离层2025/3/817:59太阳辐射大气成分大气散射大气吸收大气反射大气散射辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称散射。散射增加了信号中的噪声成分，造成遥感图像的质量下降。大气散射有三种情况1）瑞利散射

粒子的直径<<λ，大气分子引起的散射，各向同性。如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等。散射率与波长的四次方成反比。因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍。瑞利散射对可见光影响较大，对红外辐射影响很小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光的原因2025/3/817:59无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？蓝光强散射，天空蔚蓝朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？太阳斜射，传播路径大，蓝光几乎全部被散射，少量绿光与红光合成橘红色颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.02025/3/817:592）米氏散射

粒子的直径与λ相当，大气中细小微粒引起的散射，散射强度与波长的2次方呈反比，前后方向强。如烟、尘埃、小水滴以及气溶胶等。

云、雾粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对红外线的米氏散射不可忽视。潮湿天空米氏散射影响较大。--天气预报3）无选择性散射

粒子的直径>>λ，大气中尘埃微粒引起的散射，非选择性散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色？2025/3/817:592025/3/817:59AtmosphericScatteringTypeofscatteringisafunctionof:thewavelengthoftheincidentradiantenergy,andthesizeofthegasmolecule,dustparticle,and/orwatervapordropletencountered.2025/3/817:592025/3/817:59太阳辐射大气成分大气散射大气吸收大气反射大气吸收大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。因此，在太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些缺失带。图2.14为大气中几种主要分子对太阳辐射的吸收率，从图可以看出每种分子形成吸收带的位置，其中：水的吸收带主要有2.5-3.0μm，5-7μm，0.94μm，1.13μm，1.38μm，1.86μm，3.24μm以及24μm以上对微波的强吸收带；二氧化碳的吸收峰主要是2.8μm和4.3μm；臭氧在10-40km高度对0.2-0.32μm有很强的吸收带，此外0.6μm和9.6μm的吸收也很强；氧气主要吸收小于0.2μm的辐射，0.6μm和0.76μm也有窄带吸收。大气中的其他微粒也有一定的吸收作用，只是不起主导作用而已。2025/3/817:59大气中几种主要分子对太阳辐射的吸收率2025/3/817:592025/3/817:59太阳辐射大气成分大气散射大气吸收大气反射大气反射太阳电磁辐射通过大气时，在某一界面上引起的反射作用与其它界面反射情况相似，也满足相应的规律和定律：入射能量等于反射和透射(折射)能量之和；入射角等于反射角等。大气的反射主要是云层反射。反射程度取决于云量，而且各波段受到不同程度的影响，其结果是削弱了电磁波到达地面的强度。当云层的厚度达50m时，反射量达50％以上；厚度为500m对，反射量超过80％。大气中直径大于10-6米的微粒也会产生反射作用。因此，应尽量选择无云的天气接收遥感信号2025/3/817:59折射现象电磁波穿过大气层时，因大气的折射率不同产生折射。大气的折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大。离地面越高，空气越稀薄折射也越小。正因为电磁波传播过程中折射率的变化，使电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线，到达地面后，地面接收的电磁波方向与实际上太阳辐射的方向相比偏离了一个角度，即折射值R＝θ-θ'。2025/3/817:59太阳辐射与大气的相互作用2025/3/817:59大气窗口就辐射强度而言，太阳辐射经过大气传输后，主要是散射、吸收和反射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波段，才对观测有意义。通常把电磁波通过大气层时较少被吸收、散射或反射的，透过率较高的波段称为大气窗口。2025/3/817:59大气窗口的光谱段1、0.3-1.3μm，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，如Landsat卫星的TM1-4波段，SPOT卫星的HRV波段。2、1.5-1.8μm和2.0-3.5μm，即近、中红外波段。是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，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、3.5-5.5μm，即中红外波段。该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图。4、8-14μm，即远红外波段。主要通透来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。5、0.8-2.5cm，即微波波段。由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。Radarsat的卫星雷达影像也在这一区间，常用的波段为0.80cm，30cm，5cm，100cm，甚至可将该窗口扩展至0.05-300cm。2025/3/817:59地物的光谱反射率分布情况2025/3/817:59大气窗口与遥感工作波段选择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0.8～2.5cm100Radarsat2025/3/817:59大气透射的定量分析太阳辐射通过大气时，就可见光和近红外而言，被云层或其他粒子反射回去的比例最大，约占30%，散射约占22%，吸收约占17%，透过大气到达地面的能量仅占入射总能量的31%。实际上，除气象卫星探测云层外，大多数被动遥感传感器都选择无云天气观测，这时大气对太阳辐射的衰减就只考虑散射和吸收了。2025/3/817:59设太阳辐射入射时所通过的大气厚度为大气质量：当垂直入射时，天顶距θ=0，大气质量m=1；当斜入射时，若天顶距θ<60°，大气质量m(θ)=sec(θ)，近似等于斜入射时辐射穿过大气的光程与垂直入射的大气光程之比。这时地球大气的曲面形状可忽略，且不考虑折射。若θ>60°，大气质量不能用secθ计算。大气透射的定量分析大气对太阳辐射的总透射率T可用下式计算：式中：I

为通过大气层后的辐照度；

I

0为通过大气层前的辐照度；

m(θ)为大气质量，与天顶距θ密切正相关；

τ

为大气的垂直的光学厚度。2025/3/817:5901.电磁波与电磁波谱Fundamentalsofremotesensingelectromagneticradiation02.太阳辐射及大气对辐射的影响Solarradiationandatmosphericinfluenceonradiation本章主要内容2025/3/817:592025/3/817:5903.地物的波谱特性Spectralcharacteristicsofgroundobjects04.地物波谱特征的测定Determinationofspectralcharacteristicsofgroundobjects2025/3/817:59地物的反射波谱特性地物的发射波谱特性地物的透射波谱特性2025/3/817:59地物的电磁波波谱是遥感的一种基本信息——波谱信息。物体在同一时间、空间条件下，其发射、反射、吸收和透射电磁波的特性是波长的函数。自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射的作用，具有吸收外来的紫外线、可见光、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。当我们把这种函数关系，即物体及现象的电磁波谱特性，用曲线的形式表现出来时，即成为地物电磁波谱，简称地物波谱。目前，地物波谱在遥感技术中的应用主要有反射波谱、发射波谱和微波波谱。其中，可见光和近红外区段的反射波谱特性应用最广，研究较深。2025/3/817:59地物的反射率不同地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，通常采用反射率(反射系数或亮度系数)来表示。它是地物对某一波段电磁波的反射能量与入射总能量之比，其数值用百分率表示。地物的反射率因入射波长的不同而变化。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重要标志。2025/3/817:59反射与吸收、透射的关系地表任何物体或现象，对于外来电磁波辐射都具有反射，吸收和透射的性质（设吸收率为

，透射率为τ，反射率为α）E=1=Eα+E

+E

一般地物：ε=ρ+τ+α，若透射率τ=0，则：

=1-

。I（到达地面的太阳辐射能量）＝R（反射）+A（吸收）+T（透射）T＝0时R与A成反比：反射率大的物体吸收率小，吸收率大的物体反射率小。2025/3/817:59地物反射光谱曲线地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做地物反射光谱。通常以横坐标代表波长，以纵坐标代表地物的光谱反射率或光谱亮度系数作出的相关曲线，即是地物的反射光谱曲线。2025/3/817:59地物波谱是遥感识别地物的主要依据不同的物体由于其组成成分、内部结构和表面状态以及时间、空间环境的不同，电磁波的辐射性能也不同，即具有不同的波谱曲线形态；同类地物有相似的波谱曲线形态。为了识别地物，必须掌握各种地物波谱曲线上某些重要特征。如雪的反射光谱和太阳光谱相似，在0.4-0.6波段有个很强的反射峰，反射率几乎接近100％，因而看上去是白色，随着波长增加，反射率逐渐降低；而沙漠在橙光波段0.6附近有一个强反射峰，因而呈现出橙黄色，在波长达到0.8以上的波长范围，其反射率比雪还强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。2025/3/817:59地物波谱是遥感识别地物的主要依据对地物波谱曲线形态的分析，除曲线的形态特征外，还可以对曲线上的峰和谷所在的波长位置，峰的高度(或深度)、宽度、斜率和对称度等加以比较。地球上大气圈、水圈、岩石土壤圈、生物圈的各种物体和现象，及时空变化规律，都可以通过电磁波特性的遥感信息而体现。2025/3/817:59研究地物波谱特性，还应考虑环境影响及其时间特性和空间特性的变化。即使是同类植物，随着叶子的新老与稀密、土壤、水分含量和有机质含量不同，或者受到大气污染和病虫害等的影响，它们在各个波段的反射率也是不同的。时间特性是指同一位置上的同一地物，由于时间的推移，在一段时间内光谱特性的变化。空间特性是指同一类地物，由于其所处的地理位置不同，光谱特性可能存在的一些差异和变化。2025/3/817:59不同植被、不同季节具有不同的反射波谱曲线5月20日小麦、油菜9月20日玉米、大豆2025/3/817:59地物的反射波谱特性地物的发射波谱特性地物的透射波谱特性地物的发射率指地物辐射出射度（即地物单位面积发出的辐射总通量）W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）W黑的比值。地物发射率的差异也是遥感探测的基础和出发点！e=W/W黑一些地物的发射率2025/3/817:59依发射率与波长的关系，通常将地物分为三种类型黑体或绝对黑体，其发射率ελ=ε=1，即黑体发射率对所有波长都是一个常数，并且等于1。灰体，其发射率ελ=ε=常数＜1（因吸收率α＜1）。即灰体的发射率始终小于1，ε不随波长变化。选择性辐射体，其发射率随波长而变化，而且ελ＜1（因吸收率α也随波长而变化并且α＜1）。辐射出射度吸收系数2025/3/817:59黑体辐射自然界中一切物体在发射电磁波的同时，也被其它物体发射电磁波所辐射。地物的发射率是以黑体辐射作为基准的。遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类。黑体：对任何波长的电磁辐射全都吸收的物体。绝对黑体：如果一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部吸收（即吸收系数恒等于1），则称其为绝对黑体。2025/3/817:59斯特藩-玻尔兹曼定律：绝对黑体的总辐射出射度与黑体的温度的四次方成正比。式中，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数（5.67×10－8w/m2*K4)维恩位移定律：黑体辐射光谱中最强辐射的电磁波λmax

与黑体的绝对温度T成反比，即：式中，b为常数（b＝2.898×10－3m*K)。（解释蓝火焰比红火焰温度高）太阳λmax

＝0.47μm地球λmax＝9.66μmM＝σT4λmax*T＝b

2025/3/817:59基尔霍夫定律：在同一温度下，任何物体发射某一波长电磁波的能力，与它对该波长电磁波的吸收能力成正比。黑体吸收电磁波的能力最强，因而它发射电磁波的能力也最强。良的发射体是良的吸收体。吸收系数辐射出射度2025/3/817:592025/3/817:59不同地物之间微波发射率的差异要比红外发射率差异明显。这样，在可见光、红外波段中不容易识别的一些地物，在微波波段中则容易识别。

不同地物红外波段与微波波段发射率的比较

波段地物波段红外微波λ=4μmλ=10μmλ=3mmλ=3cm钢0.6~0.90.6~0.90.000.00水0.960.990.630.38干沙0.830.950.860.90混凝土0.910.900.920.862025/3/817:59地物的发射光谱地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光谱。按地物发射率与波长间的关系绘成的曲线(横坐标为波长，纵坐标为发射率)称为地物发射光谱曲线。右图为若干种岩浆岩的发射光谱曲线。2025/3/817:59地物的反射波谱特性地物的发射波谱特性地物的透射波谱特性地物的透射波谱特性有些地物(如水体和冰)具有透射一定波长的电磁波的能力，通常把这些地物叫做透明地物。地物的透射能力一般用透射率表示。透射率就是入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。地物的透射率随着电磁波波长和地物性质的不同而不同。例如，水体对0.45-0.56μm的蓝绿光波具有一定的透射能力，较混浊水体的透射深度为1-2m，一般水体的透射深度则可达10-20m。又如，冰体对波长大于lmm的微波具有透射能力。一般情况下，绝大多数地物对可见光都没有透射能力。红外线只对具有半导体特征的地物，才有一定的透射能力。地物对微波具有明显的透射能力，这种透射能力主要由入射波的波长决定。因此，在遥感技术中可以根据它们的特性，选择适当的传感器来探测水下、冰下某些地物的信息。2025/3/817:592025/3/817:59透射率(Transmittance)，吸收率(Absorbance)，反射率(Reflectance)01.电磁波与电磁波谱Fundamentalsofremotesensingelectromagneticradiation02.太阳辐射及大气对辐射的影响Solarradiationandatmosphericinfluenceonradiation本章主要内容2025/3/817:592025/3/817:5903.地物的波谱特性Spectralcharacteristicsofgroundobjects04.地物波谱特征的测定Determinationofspectralcharacteristicsofgroundobjects2025/3/817:59地物波谱特征测定概述地物波谱特征测定原理地物波谱特征测定步骤2025/3/817:59地物波谱特征测定概述地物波谱也称地物光谱。地物波谱特征指各种地物各自所具有的电磁波特性(发射辐射或反射辐射)。它是选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据，也是用户判读、识别、分析遥感图像的基础。其重要意义如同侦破案件依据的手指纹一样。在遥感技术的发展过程中，世界各国都十分重视地物波谱特征的测定。1947年前苏联学者克里诺夫就测试并公开了自然物体的反射光谱。美国测试了七八年的地物光谱才发射陆地资源卫星。根据公式：

，各种地物发射辐射电