03-遥感的物理基础2

遥感技术应用 遥感的物理基础遥 感 概 论=大气对辐射的影响 =地物的波谱特性 =遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 2上一讲回顾 目的和要求 理解电磁辐射的特点及其度量概念 知道电磁波谱及遥感中常用的电磁波谱段 了解黑体辐射辐射的规律 了解太阳辐射和地球辐射的特点 重点 电磁波谱，遥感中常用的电磁波谱段 太阳辐射和地球辐射的特点 难点 黑体辐射的规律遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 3上一讲思考题 何谓电磁波谱，遥感中常用的电磁波段有哪些？ 何谓太阳辐射和地球辐射的分段性 ？ 被动遥感主要的辐射源有哪些？遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 4电磁波谱 将电磁波按波长或频率大小顺序排列而成的图谱遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 5遥感与电磁波谱 Gamma ray 0.03nm。波长短，频率高，穿透能力强 来自太阳的 Gamma射线完全被高层大气吸收， 不能用于遥感 X-ray 0.03 3nm,穿透能力较强 全部被大气吸收， 不能用于遥感 紫外线（ Uitraviolet,UV） 3nm 0.38um 波长 0.3到 0.38um的紫外线可用胶片或光电探测器探测，称为 摄影紫外 ，多用于监测大气污染 可见光 0.38um 0.76um 遥感常用波段遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 6 红外线 （ Infrared,IR） 0.76um 1000um， 遥感常用波段 按波长分为 近红外（ 0.76-3.0） ,反射红外，摄影红外（ 07-1.3） 中红外（ 3.0-6.0） 远红外（ 6.0-15） 超远红外（ 15-1000） 微波 0.1cm 100cm， 遥感常用波段 能穿透云雾 能全天候、全天时进行 分辨力低 无线电波 用于通信和广播热红外 主要探测波段遥感中常用的电磁波谱段主要包括 可见光，红外和微波波段遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 7黑体辐射规律 斯忒藩 -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 维恩位移定律 当物体的温度升高时，发射辐射中占优势的波长移向光谱的短波一端遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 8 太阳光谱 太阳的光谱通常光球产生的光谱，光球发射的能量大部分集中于可见光波段 太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 9地球的辐射 除了 太阳 以外，遥感探测中 被动遥感的辐射源 还有 地球 太阳辐射和地球辐射的分段性 太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即 0.3-2.5m，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。 地球自身发出的辐射主要集中在波长较长的部分，即 6m以上的热红外区段。在 2.5-6m的中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 10本讲的主要内容 目的和要求 了解大气对辐射的影响 掌握地物波谱特征概念及几种常见地物的反射波谱特征 重点 大气窗口，大气散射对遥感的影响 地物波谱特征概念 几种常见地物的反射波谱特征 难点 地物波谱特征遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 11遥感与大气遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 12大气的分层与成分 大气分层 对流层： 0-12km 平流层： 12-80km 电离层： 80-1000km 外大气层： 1000+km 大气的成分 主要是分子和其他微粒 气体分子： 氮和氧，约占 99% 臭氧，二氧化碳，水等约占 1% 其他微粒 烟、尘埃、雾、小水滴、气溶胶等遥感与大气遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 13遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 14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 主要在该层内。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 1000 km，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 ： 1000 35000km ,空气极稀薄， 对卫星基本上没有影响 。 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 15大气对辐射的影响 主要是大气成分的作用 对电磁辐射具有 折射、反射、吸收、散射 作用太阳辐射通过地球大气照射到地面，经过地面物体反射又返回，再经过大气到达航空或航天遥感平台，被安装在平台上的传感器接收。这时传感器探测到的地表辐射强度与太阳辐射到达地球大气上空时的辐射强度相比，已有了很大的变化，这种变化主要受到大气影响。遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 16大气折射 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 ，称为折射值电磁波穿过大气层时会发生折射现象。大气的折射率与大气密度直接相关，大气密度越大，折射率越大。空气越稀薄、折射也越小。当太阳垂直入射时，天顶距为 0折射值 R为零；随太阳天顶距加大，折射值增加；天顶距为 45时，折射值 R 1 ；天顶距为 90时，折射值 R35 。这时折射值达到最大。这也是为什么早晨看到的太阳园面比中午时看到的太阳园面大，因为当太阳在地平线上时，折射角度最大，甚至它还没出地平，由于折射，地面上已可以见到它了。 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 17大气反射 主要发生在云层顶部电磁波传播过程中通过两种介质的交界面上时，还会出现反射现象。而通过大气时，气体、尘埃反射作用很小，反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，而且 各个波段均受到不同程度的影响，严重地削弱了电磁波强度 。因此， 如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天气接收遥感信号，则不用考虑大气的反射 。 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 18大气吸收 吸收入射辐射能，并将其转化为分子的内能 具有选择性，造成某些波段的太阳辐射强度衰减导致 某些波段 太阳辐射强度衰减，严重影响传感器对电磁辐射的探测；吸收作用越强的波段，辐射强度衰减越大，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气，形成了电磁波的某些吸收带。主要吸收带：水： 0.94 m， 1.38m， 1.86m， 2.5-3.0m， 3.24m， 5-7m， 7.13m， 24m以上（微波）；二氧化碳： 2.8m， 4.3m臭氧：0.2-0.32m， 0.6m， 9.6m；氧气： 0.2m， 0.6m， 0.76m。 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 19遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 20大气散射 辐射在传播过程中遇到小微粒会使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射 大气的散射现象有以下三种情况 瑞利散射（ Rayleigh scattering） 米氏散射（ Mie scattering） 无选择性散射（ Non-selective scattering）散射现象的实质是电磁波传输中遇到大气微粒产生的一种衍射现象。因此，这种现象只有当大气中的分子或其它微粒的直径小于或相当于辐射波长时发生 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 21大气散射 瑞利散射（ Rayleigh scattering） 当大气中粒子的直径小于波长 1/10或更小时发生的散射 由大气中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起 特点是散射强度与波长的四次方成反比遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 22遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 23遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 24大气散射 米氏散射（ Mie scattering） 当大气中粒子的直径大于波长 1/10到与辐射的波长相当时发生 由烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起 米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比，且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性较明显 云、雾的粒子大小与红外线（ 0.7615m）的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 25大气散射 无选择性散射（ Non-selective scattering） 当大气中粒子的直径大于波长时发生的散射 特点是散射强度与波长无关，任何波长的散射强度相同遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 26大气散射 散射造成太阳辐射的衰减，但是散射强度遵循的规律与波长密切相关 。而太阳的电磁波辐射几乎包括电磁辐射的各个波段。因此，在大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。对于大气分子、原子引起的 瑞利散射 主要发生在可见光和近红外波段 。 波长超过 1m后，瑞利散射的影响则大大减弱 。对于大气微粒引起的 米散射 从近紫外到红外波段都有影响 ，当波长进入红外波段后，米散射的影响超过瑞利散射。对于大气中的 云层，小雨滴的直径相比大气中的其它微粒最大，对于可见光而言只有 无选择性散射发生 ， 云层 越厚，对可见光的无选择散射越强；而 对微波而言 ，微波波长比粒子的直径大很多，则 属于瑞利散射的类型 ，散射强度与波长四次方成反比，波长越长，散射强度越