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遥感原理 烟台师范学院地理与资源管理学院 第二章遥感的物理基础 本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响 电磁波及其特性电磁波谱电磁辐射源 遥感原理 第一节电磁波与电磁波谱 一 电磁波及其特性 波的概念 波是振动在空间的传播 遥感原理 机械波 声波 水波和地震波电磁波 ElectroMagneticSpectrum 由振源发出的电磁振荡在空气中传播 演示 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的 原理 遥感原理 5 电磁辐射 这种电磁能量的传递过程 包括辐射 吸收 反射和透射 称为电磁辐射 电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播电磁波具有波粒二象性 电磁波在传播过程中 主要表现为波动性 在与物质相互作用时 主要表现为粒子性 这就是电磁波的波粒二象性 波动性 电磁波是以波动的形式在空间传播的 因此具有波动性波动性形成了光的干涉 衍射 偏振等现象 遥感原理 粒子性 它是由密集的光子微粒组成的电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动电磁波的粒子性 使得电磁辐射的能量具有统计性波粒二象性的程度与电磁波的波长有关 波长愈短 辐射的粒子性愈明显 波长愈长 辐射的波动特性愈明显 遥感原理 7 电磁波谱 将各种电磁波在真空中的波长按其长短 依次排列制成的图表 遥感原理 烟台师范学院地理与资源管理学院 1 黑体辐射绝对黑体 对任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体 绝对黑体的吸收率 T 1 反射率 T 0绝对白体则能反射所有的入射光反射率 T 1 吸收率 T 0与温度和波长无关 二地物辐射源 1 谱朗克热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律 辐射通量密度随波长连续变化 每条曲线只有一个最大值 温度越高 辐射通量密度越大 不同温度的曲线不同 随着温度的升高 辐射最大值所对应的波长向短波方向移动 黑体辐射的三个特性 2 玻耳兹曼定律Stefan Boltzmann slaw即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加 它与温度的四次方成正比 因此 温度的微小变化 就会引起辐射通量密度很大的变化 是红外装置测定温度的理论基础 3 维恩位移定律 随着温度的升高 辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动 b 常数 b 2 898 10m K高温物体发射较短的电磁波 低温物体发射较长的电磁波 常温针对要探测的目标 选择最佳的遥感波段和传感器 2 自然辐射源太阳辐射 是可见光和近红外的主要辐射源 常用5900的黑体辐射来模拟 其辐射波长范围极大 辐射能量集中 短波辐射 大气层对太阳辐射的吸收 反射和散射 太阳常数 是指不受大气影响 在距太阳一个天文单位内 垂直于太阳光辐射方向上 单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量 地球的电磁辐射 小于3 m的波长主要是太阳辐射的能量 大于6 m的波长 主要是地物本身的热辐射 3 6 m之间 太阳和地球的热辐射都要考虑 遥感原理 遥感原理 太阳辐射照度分布曲线 遥感原理 太阳与地球辐射的电磁波谱 3 人工辐射源 主动式遥感的辐射源 雷达探测 分为微波雷达和激光雷达 微波辐射源 0 8 30cm激光辐射源 激光雷达 测定卫星的位置 高度 速度 测量地形等 遥感原理 第二节地物的光谱特性 任何地物都有自身的电磁辐射规律 如反射 发射 吸收电磁波的特性 少数还有透射电磁波的特性 地物的这种特性称为 地物的光谱特性 遥感原理 发射率 Emissivity 地物的辐射出射度 单位面积上发出的辐射总通量 W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值 1 地物的发射率和基尔霍夫定律 按照发射率与波长的关系 把地物分为 黑体或绝对黑体 发射率为1 常数 灰体 greybody 发射率小于1 常数选择性辐射体 反射率小于1 且随波长而变化 基尔霍夫定律 在一定温度下 地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比 对于任何物体都是一个常数 并等于该温度下同面积黑体辐射通量W黑 在给定的温度下 物体的发射率 吸收率 同一波段 吸收率越大 发射率也越大 地物的热辐射强度与温度的四次方成正比 所以 地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化 这种特征构成了红外遥感的理论基础 任何物体在一定的温度下 不仅向外发射红外辐射 也发射微波辐射 二者基本相似 但微波是地物低温状态下的重要辐射特性 温度越低 微波辐射越明显 微波辐射比红外辐射弱得多 但技术上可以经过处理来接收 遥感原理 物体的微波辐射 瑞里 金斯公式黑体辐射的微波功率与温度成正比 与波长的平方成反比 遥感原理 微波波段与红外波段发射率的比较 不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多 因此 在可见光和红外波段中不易识别的地物 在微波波段中则容易识别 当电磁辐射能量入射到地物表面时 将会出现三种情况 反射 吸收 透射 遵循能量守恒定律反射率 吸收率和透射率之和为1对于某波段反射率高的地物 其吸收率就低 即为弱辐射体 反之 吸收率高的地物 其反射率就低 2 地物的反射光谱特性 一 大气的成分和结构二 大气对太阳辐射的影响三 大气窗口四 环境对地物光谱特性的影响 遥感原理 第三节大气和环境对遥感的影响 大气的成分 多种气体 固态和液态悬浮的微粒混合组成的 遥感原理 一 大气的成分与结构 一 大气成分 大气的垂直分层 对流层 平流层 中气层 热层和大气外层 二 大气结构 对流层上冷下热 利于空气对流 温度随高度增加而递减 对流层 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 平流层大气上冷下热 不利于空气对流 空气以水平运动为主 冷空气 温度随着高度增加而递增 热空气 天气晴朗 2平流层 对流层顶到55km 最初20km以下 气温随高度不变 20 50km温度上升很快 原因 臭氧吸收紫外太阳能加热了大气 30km以上臭氧减少 但紫外辐射强烈 空气稀薄 加热很少的分子 即可达较高的温度 1 几乎没有臭氧吸收太阳辐射 2 氮和氧能直接吸收的太阳辐射大部分被上层大气吸收掉 大气失去比得到能量多 结果能量损失冷却 3中层55 85km 气温随高度下降 4热层85 500km气温随高度增加 原因是氮和氧原子吸收了大量的太阳短波辐射 加热了大气 这层温度可达1000 2000K 太阳辐射的衰减过程 30 被云层反射回 17 被大气吸收 22 被大气散射 31 到达地面 二 大气对太阳辐射的影响 氧气 小于0 2 m 0 155为峰值 高空遥感很少使用紫外波段的原因 臭氧 数量极少 但吸收很强 两个吸收带 对航空遥感影响不大 水 吸收太阳辐射能量最强的介质 到处都是吸收带 主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分 因此 水对红外遥感有极大的影响 二氧化碳 量少 吸收作用主要在红外区内 可以忽略不计 遥感原理 一 大气的吸收作用 散射作用 太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变 并向各个方向散开 改变了电磁波的传播方向 干扰传感器的接收 降低了遥感数据的质量 影像模糊 影响判读 大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区 二 大气的散射作用 瑞利散射 d 当微粒的直径比辐射波长小得多时 此时的散射称为瑞利散射 散射率与波长的四次方成反比 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 瑞利散射对可见光的影响较大 对红外辐射的影响很小 对微波的影响可以不计 多波段中不使用蓝紫光的原因 三种散射作用 无云的晴天 天空为什么呈现蓝色 朝霞和夕阳为什么都偏橘红色 米氏散射 d 当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射 云 雾的粒子大小与红外线的波长接近 所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视 无选择性散射 d 当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射 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 三种散射比较 太阳辐射衰减的原因是什么 在可见光和近红外波段 大气最主要的散射作用是什么 无云的晴天 天空为什么呈现蓝色 朝霞和夕阳为什么都偏橘红色 微波为什么具有极强的穿透云层的作用 为什么在选择遥感工作波段时 要考虑大气层的散射和吸收作用 遥感原理 结论 三 大气窗口 1 大气窗口 通过大气而较少被反射 吸收或散射的投射率较高的电磁辐射波段 大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据 常见的大气窗口 遥感原理 烟台师范学院地理与资源管理学院 1 0 3 1 3 mm包括全部可见光 95 部分紫外光 70 部分近红外光 80 摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息 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伤的常用波段 如Tandsat卫星的TM1 4波段 SPOT卫星的HRV波段 2 1 5 2 8 mm近红外窗口 60 95 扫描成像 白天记录 1 5一l 8 m和20一35 m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 雷 或用于地质制图等 3 3 5 5 5 m中红外窗口 60 70 白天夜间 扫描成像记录 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的能量 如NOAA卫星的AVHRR传感器用3 55 3 93探测海面温度 获得昼夜云图 4 8 14 m远红外窗口 超过80 夜间 扫描记录 主要边远来白地物热辐射的能量 适于仅N成像 5 1 4 300mm微波窗口 白天夜间 扫描记录 由于微波穿云远雾能力强 这区间可以全天候观测 而且是主动遥感方式 如侧视雷达 紫外线 UV 0 01 0 4 m 碳酸盐岩分布 水面油污染 可见光 0 4 0 76 m 鉴别物质特征的主要波段 是遥感最常用的波段 红外线 IR 0 76 1000 m