2遥感的物理基础

1、1,第二章 电磁波及遥感物理基础,一、电磁波,二、物体的发射辐射,三、物体的反射辐射,四、地物波谱特性的测定,五、大气对辐射的影响,2,第二章 电磁波及遥感物理基础,遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。本章主要学习电磁波的发射和反射特性、地物波谱特性曲线及应用。,3,第二章 电磁波及遥感物理基础,为什么我们的眼睛能够看见东西？,遥感现象是人眼的延伸。,4,第二章 电磁波及遥感物理基础,一、电磁波,1.什么是电磁波？,变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。,电磁波是一种横波。,5,一、电磁波,2.电磁波的特性,波动性,粒子性,干涉、衍射、偏振,光电转

2、换,6,（1）干涉：由两个（或两个以上）频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和，因此会出现交叠区某些地方振动加强、某些地方振动减弱或完全抵消的现象。,微波遥感中的雷达是应用了干涉原理成像的,7,（2）衍射：光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象。,研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要意义。另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。,8,（3）偏振：横波的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”。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。,9,一、电磁波,3.电磁波谱,

3、按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱。,遥感采用的电磁波波段可以从紫外一直到微波波段。,10,红 0.62 0.76m 可见光 绿 0.50 0.56m 蓝 0.43 0.47m 远红外处 6 15m 红外波段 中红外 3 6m 近红外 0.76 3m 微波 1 mm 1m,11,第二章 电磁波及遥感物理基础,二、物体的发射辐射,（一）、黑体辐射,1. 绝对黑体： 吸收率(,t)1 反射率（,t）0,绝对白体： 吸收率(,t)0 反射率（,t）1,与温度和波长无关,12,2.黑体辐射定律,w 分谱辐射通量密度 h 普朗克常数 c 光速 k 玻耳兹曼常数 t 绝对

4、温度,13,3.黑体辐射波谱曲线,14,4.黑体辐射的三个特性,(1)总辐射通量密度w是随温度t的增加而迅速增加。 斯忒藩玻耳兹曼公式:单位面积发出的总辐射 能与绝对温度的四次方成正比 。,(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。 维恩位移定律 :若知道了某物体温度，就可以推 算出它的辐射峰值波长。,(3)每根曲线彼此不相交 温度t越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。,15,第二章 电磁波及遥感物理基础,二、物体的发射辐射,（二）、太阳辐射,遥感的两种形式？,被动遥感,主动遥感,16,（二）、太阳辐射,a 与黑体特性一致 b 能量集中在可见光和红外波段,17,第二章

5、电磁波及遥感物理基础,二、物体的发射辐射,（三）、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低。,18,（三）、一般物体的发射辐射,发射率：实际物体与同温度的黑体在相同条件 下辐射功率之比。,= w/ w 是一个介于0和1的数,绝对黑体 1 灰体 但01 选择性辐射体 () 理想反射体（绝对白体） 0,19,大多数物体可以视为灰体,20,为了便于分析，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温度（或等效辐射温度），写为t等效,式中t为实际物体的辐射温度,21,第二章 电磁波及遥感物理基础,三、物体的反射辐射,1.地

6、物的反射类别（三种形式）, 镜面反射 漫反射 方向反射,22,第二章 电磁波及遥感物理基础,三、物体的反射辐射,2.光谱反射率及地物反射光谱特性,（1）光谱反射率:物体的反射辐射通量与入射辐 射通量之比 。,23,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。 一个物体的反射波谱的特征主要取决于该物体与入射辐射相互作用的波长选择。,（1）光谱反射率,24,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为该物体的反射波谱特性曲线。,（1）光谱反射率,25,（2）地物的反射波谱特性,同一地物, 时间效应：地物的光谱特性一般随时 间季

7、节变化。 空间效应：处在不同地理区域的同种 地物具有不同的光谱响应。,26,春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线,27,不同地物,各种建筑物屋顶的波谱特性,28,各种道路的波谱特性,29,几种岩石的反射波谱曲线,30,不同含水量的玉米叶子反射特性曲线,31,三种低含水量土壤的反射特性曲线,32,第二章 电磁波及遥感物理基础,三、物体的反射辐射,3.影响地物光谱反射率变化的因素,太阳位置、传感器位置、地理位置、地形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气状况等,33,第二章 电磁波及遥感物理基础,四、地物波谱特性的测定,1. 地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电 磁波特性（发射辐射

8、或反射辐射）。,34,2. 测定原理 :用光谱测定仪器（置于不同波长或 波谱段）分别探测地物和标准板，测量、记录 和计算地物对每个波谱段的反射率，其反射率 的变化规律即为该地物的波谱特性。,35,3. 测定地物反射波谱特性的仪器,分光光度计、光谱仪、摄谱仪等,302型野外分光光度计结构原理图,36,4. 地物波谱特性的测定步骤,(1) 架设好光谱仪，接通电源并进行预热 (2) 安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝宽度 (3) 将照准器分别照准地物和标准板，并测量和记录 地物、标准板在波长 1,2,n处的观测值,37,a: 先测量地物的反射辐射通量密度 物体的光谱反射辐射通量密度 物体的光谱反射

9、率 太阳入射在地物上的光谱照度 大气光谱透射率 光度计视场角 光度计有效接收面积 单色光波长宽度,(,38,经光电管转变为电流强度在电表上指示读数i,b: 测量标准板的反射辐射通量密度 标准板为一种理想的漫反射体，它一般由硫酸钡或石膏之类做成。,39,c :地物的电流强度与标准板的电流强度相比,40,(4) 绘制出地物的反射特性曲线 根据所测结果，以为纵坐标轴，为横坐标轴画出地物反射波谱特性曲线。,注：因为波谱特性受多种因素的影响，所测的 反射率定量但不唯一。,41,第二章 电磁波及遥感物理基础,五、大气对辐射的影响,1. 大气层组成, 对流层 平流层 电离层 外大气层,42,五、大气对辐射的

10、影响,2. 大气对太阳辐射的作用,（1）吸收, 紫外线 红外线 微波,大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。,43,2. 大气对太阳辐射的作用,（2）散射：电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传 播方向发生改变，并向各个方向散开。, 可见光,大气散射的影响主要是造成遥感影像质量下降。,44,散射的方式,(1) 米氏(mie)散射 如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级，发生米氏散射； (2) 均匀散射 当不均匀颗粒的直径a时，发生均匀散射； (3) 瑞利（rayleigh）散射 瑞利散射的条件是介质中的不均匀颗粒的直径a远小于入射电磁波波长。 散射强度i与波长的四次方成反比。,45,瑞利散射（大气分子、原子引起）可见光和近红外,米氏散射（大气微粒引起）近紫外到红外,46,2. 大气对太阳辐射的作用,（3）反射, 云层,大气反射的影响主要是造成遥感影像地物间反差变小。,47,五、大气对辐射的影响,3. 大气窗口,通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利的电磁辐射波段称为“大气窗口”。,48,5个主要的大气窗口,（1）0.30 1.15m大气窗口，包括可见光、部分紫外和部分红