第二章 遥感的物理基础(简) - 前两节_图文

第二章 遥感的电磁辐射（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。第一节 电磁波谱与电磁辐射 (1) 电磁波、电磁的传输特性及电磁波谱(2) 电磁辐射测量 (3) 黑体辐射和实际物体辐射 （ 1） 电 磁波与电磁波谱n电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。n描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等。n电磁波的传输特性电磁波是横波，传播速度为 310 8 m/s，并且等于其频率与波长的乘积，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 。（吸收率、反射率、透射率）电磁波的叠加原理 (干涉 )当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（ 白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 混合像元的分解 ）电磁波的衍射和偏振电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。最小分辨角 :(设计遥感器空间分辨率具有重要意义电磁波遇到 “ 狭缝 ” 的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。偏振光，非偏振光，部分偏振也是进行一些遥感图像处理（如图像平滑等）的依据动量： P能量： Eh : 普朗克常数， 6.626075510 34 J sc : 光速； v : 频率 能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和 X射线 Y射线。电磁波的粒子性电磁波波长、频率电磁波波长、频率电磁波的多普勒效应n 电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。类似声波的多普勒效应。n （合成孔径雷达的工作原理）电磁波的特点及与遥感的意义n 1） 不需要传播介质n 2） 横波n 3） 波动性n 4） 粒子性n 5） 叠加原理n 6） 衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）n 7）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达的工作原理）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 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： 射线 X 射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波。（波长由短到长，频率由高到低）（ 1） 电 磁波与电磁波谱电磁波谱遥感应用的电磁波波谱段v 紫外线： 波长范围为 0.01 0.38m ， 太阳光谱中，只有 0.3 0.38m 波长的光到达地面，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 。BACK遥感对地观测n 波长： 0.0010.38mn 特征： 1.大气对紫外线吸收较强；n 2.能使溴化银底片感光；n 3.太阳光谱中只有 0.30.38 m的光 到达地面，对油污染敏感n 应用： 1.用于测定碳酸岩的分布n 2.用于油污的监测紫外波段波长： 0.380.76m特征： 1.由红 ,橙 ,黄 ,绿 ,青 ,蓝 ,紫光组成 ；n 2.人眼对可见光有敏锐的分辨率；是遥感技术应用中的重要波段。应用： 1.鉴别物质特性的主要波段n 2.以光学摄影或扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征可见光波段红外波段微波波段n 辐射源：任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外（发出）辐射。 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：n （ 1）自然辐射源：有 太阳辐射太阳辐射 (被动式遥感系统中重要的自然辐射源 )和 地球的电磁辐射地球的电磁辐射 （地球辐射可分为两个部分：短波（ 0.32.5m）和长波（ 6m 以上）部分。）n （ 2）人工辐射源n 主动遥感采用人工辐射源，是指人为发射的具有一定波长（或一定频率）的波束。工作时接收地物散射该光束返回的后向反射信号强弱，从而探知地物或测距，称为雷达探测。雷达又可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，目前常用的主要为侧视雷达。（ 2）电 磁辐射测量（ 2） 电 磁辐射测量1、 辐射测量（ radiometry）， 以伽玛射线到电磁波的整个波段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。 2、 光度测量（ photometry）， 由人眼的视觉特性（标准光度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。BACK（ 3） 黑体辐射和实际物体辐射n 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），则这个物体称为绝对黑体。n 黑体辐射特性（ 1）黑体辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。（ 2）温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大，不同温度的曲线是不相交的。绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的 4次方成正比。（斯忒藩 玻尔兹曼定律）（ 3）黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。（维恩位移定律）。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。实际物体的辐射BACK（ 1）发射率 （比辐射率、热辐射率）的概念：物体（地物）的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比。（ 2）物体的发射率等于该物体的吸收率： = ，一般情况下 ,物体的发射率 : 0 1。 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。（ 3）物体的发射率是温度和波长的函数。物体的发射率与身的性质、物理状况（如粗糙度、颜色等）有关；物体的表面温度受自身的比热、热惯量、热导率、热扩散率等影响较大。（ 4）按照 与 的关系，辐射源可以分为三种： 黑体 灰体 选择性辐射体。黑体的 = =1；灰体的 =常数 1;选择性辐射体的 1,且随波长而变。对于实际物体，都可以看作辐射源。如果物体的吸收本领大，它的发射本领也大，即越接近黑体辐射。实际物体的辐射比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同。第二节 太阳辐射和地球辐射 n 太阳的辐射n 地球的辐射接收 预处理用户应用处理分析结果、图表输出太阳n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BACK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 （教材 P35）。从该图可以看出：太阳光谱相当于太阳光谱相当于 6000 K的黑体辐射；的黑体辐射；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%，最大，最大辐射强度位于波长辐射强度位于波长 0.47 m左右；左右；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、近红外和中红外；包括近紫外、可见光、近红外和中红外；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。 n 太阳辐射（太阳光谱）的主要特征 n (1)太阳辐射到达大气层顶时与 60000K黑体的辐射能特征基本相同：辐射能的强度特征、辐射能随波长的分布特征。n (2)太阳辐射穿过大气层到达地面后，被大气反射、散射和吸收强度有所减少，而且存在多个 O3、 CO2、 H2O的吸收带。n (3)在 0.30.47范围内，随波长的增加太阳辐射能急剧增长，最大辐射强度位于波长0.47左右；随波长的继续增大，太阳辐射能逐渐减少，在中红外波段，太阳辐射能已相当微弱。n (4)在 0.6附近有一个 O3的 吸收带；在0.7、 0.9、 1.1附近有三个水汽的吸收带、在 1.4和 1.9附近太阳辐射能完全被吸收； CO2 的强吸收带在 2.7和 4.3附近。n (5)到达地面的太阳辐射能 43.5%集中在可见光波段 36.8%集中在近红外波段。地球的辐射n 地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱曲线。地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱曲线。n 地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。n 表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。n 地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射