[科技]第二章 遥感的物理基础

第二章 遥感的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。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。本章主要内容n 电磁波与电磁波谱n 太阳辐射及大气对辐射的影响n 地球的辐射与地物波谱第一节 电磁波谱与电磁辐射 (1) 电磁波与电磁波谱 (2) 电磁辐射的度量 (3) 黑体辐射 （ 1） 电 磁波与电磁波谱波： 1、定义：是振动在空间的传播2、分类：A： 波的传播方向和质点的震动方向以两者之间的关系：横波 (如绳子抖动产的波 )： 波的传播方向和质点的震动方向 垂直纵波 (如声波，振动弹簧所产生的波， )： 波的传播方向和质点的震动方向 相同B：传播过程中是否需要媒质机械波（需要媒质）和电磁波（有无媒质均可）电磁波（也称电磁辐射）是典型的横波。（ 1） 电 磁波与电磁波谱电磁波电磁振动在空间中的传播。电磁波的特性（ 1）具有波的所有性质： 反射 、 透射 、折射、衍射、干涉、 吸收 等（ 2）电磁波是横波，传播速度恒定，为 310 8 m/s(v=f )，不需要媒质也能传播。（ 3）具有波粒二象性 。（散射）n 描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、相位等。吸收（ A）、透射 (T)、反射（ R）Diffuse Reflection植物的叶子对蓝色和红色的光强烈吸收，而对绿色的光强烈的反射电磁波谱（ Electromagnetic spectrum）所有波在本质上基本相同，但是，由于它们的波长和频率不同而产生差别。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： 射线 X射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波。（ 1） 电 磁波与电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱可见光的划分波段 波长可见光红 0.62-0.76m橙 0.59-0.62m黄 0.56-0.59m绿 0.50-0.56m青 0.47-0.50m蓝 0.43-0.47m紫 0.38-0.43m-1v 紫外线： 波长范围为 0.01 0.38m ，对油污染敏感，但探测高度在 2000 m以下。v 可见光： 波长范围： 0.38 0.76m ，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。v 红外线： 波长范围为 0.76 1000m ，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。v 微波： 波长范围为 1 mm 1 m，穿透性好，不受云雾的影响 。遥感应用的电磁波波谱段目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。 由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。n 近红外： 0.76 3.0 m，与可见光相似。n 中红外： 3.0 6.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。n 远红外： 6.0 15.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。n 超远红外 ： 15.0 1 000 m，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。红外线的划分Visible light spectrumVisible light根据辐射特性，将红外波段分为反射红外和辐射红外（热红外）两部分。n 各电磁波谱段的产生及其遥感应用特征（ 2） 电磁辐射的度量电磁辐射源 （ Radiation source ） 分为两类：人工辐射源和 天然辐射源 。人工辐射源 : 激光和微波天然辐射源：太阳辐射和地球辐射1太阳的电磁辐射 ： 可见光和近红外遥感的辐射源2地球的电磁辐射： 热红外遥感的辐射源太阳辐射： 太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线 如图所示 。从太阳光谱曲线可以看出 ( )：太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。（ 1.360103W/m2）太阳辐射太阳辐射相当于太阳辐射相当于 5800 K的黑体辐射；的黑体辐射；到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在 0.3 3.0 m波段波段，包括近紫外、可见光、近红外；，包括近紫外、可见光、近红外；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中 0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的的可见光能量占太阳辐射总能量的 46%，最，最大辐射强度对应的波长在大辐射强度对应的波长在 0.47 m左右；左右；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。太阳能量光谱的波段分布n 0.2 1.4m 占有 90.8 % n 1.4 1.8m 占有 5.2 % n 1.8 2.5m 占有 2.6 % n 3.0 4.2m 占有 1.1 % n 4.5 5.5m 占有 0.18 % n 7.5 14m 占有 0.11 % 可见太阳光绝大部分能量分布在 0.2 1.4m 上。 其中在可见光部分（ 0.4 0.76m）集中 46 % 能量。太阳辐照度分布曲线 0.4太阳辐照度：单位时间、单位面积上接收到的太阳辐射能量的大小 地球表面的平均温度大约是 300（ 27度），地球辐射是近似于 300K黑体的辐射地球辐射能量集中在 6m 以上的电磁波段（热红外波段），最大辐射强度对应的波长在 9.66 m左右。 地球辐射也被大气强烈吸收 。地球热辐射地球黑体辐射 （ 2） 电 磁辐射的度量遥感信息是从遥感器定量记录的地表物体电磁辐射数据中提取的。为了测量从目标地物反射或辐射的电磁波的能量，需要有一些度量指标。n 辐射能量n 辐射通量n 辐射通量密度n 辐射照度n 辐射出射度n 辐照亮度电磁辐射的度量n 辐射能量 Q 定义：从目标物体中辐射或反射的电磁波的能量 单位：焦耳（ J）n 辐射通量 (辐射功率 ) 定义：单位时间内通过某一面积的辐射能量=dQ/dt单位：瓦（ W） , 即 焦 /秒（ Js-1）n 辐射通量密度 E定义：单位时间内通过单位面积的辐射能量E=d /dS单 位： 瓦 /m2, S为面积 电磁辐射的度量n 辐射通量密度 E定义：单位时间内通过单位面积的辐射能量E=d /dS单 位： 瓦 /m2, S为面积 按照不同的辐射形式，可分为： 入射辐射通量密度，即辐照度，符号是 I发射辐射通量密度，即发射度，符号是 M反射辐射通量密度，即反射度，符号是 反透射辐射通量密度，即透射度，符号是 透吸收辐射通量密度，即吸收度，符号是 吸电磁辐射的度量n 幅照度 I (辐射通量密度 ) 定义： 面 辐射源在 单位时间 内，从 单位面积 上 接收 到的辐射能量，即 照射 到物体 单位面积 上的辐射通量I=d/dS 单位：瓦 /米 2 （ W/m2 ） , S为面积n 辐射出射度 M (辐射通量密度 ) 定义： 面辐射源在 单位时间 内，从 单位面积上辐射 出的辐射能量，即物体 单位面积上发出的辐射通量M=d/dS单位：瓦 /米 2 （ W/m2 ） , S为面积 。辐照度 (I)与辐射出射度 (M)都是辐射通量密度的概念，不过 I为物体接收的辐射， M为物体发出的辐射。它们都与波长 有关。电磁辐射的度量n 辐射强度 I定义： 点辐射源 在 单位立体角 、 单位时间 内，向某一方向发出的辐射能量；即 点 辐射源在 单位立体角 发出的辐射通量I=d/d单位：瓦 /球面度（ W/sr ）， 为 立体角n 辐射亮度（幅亮度） L定义：即 面辐射源 在 单位投影面积上 、单位立体角内 的辐射通量。L=/(Acon)单位： W/(srm2 ）为辐 射方向与法 线间 的 夹 角电磁辐射的度量n 以上各辐射量都是波长的函数。n 右图表示单位波长间隔内的辐射通量，称为 光谱辐射通量 。()=d/d单位：瓦 /微米（ W m-1）（ 3） 黑体辐射黑体如果一个物体在任何温度下