《遥感概论》新第2章

1、第二章第二章 遥感电磁辐射基础遥感电磁辐射基础 2.1 电磁波谱与黑体辐射电磁波谱与黑体辐射一、电磁波与电磁波的传输特性一、电磁波与电磁波的传输特性二、黑体辐射和实际物体辐射二、黑体辐射和实际物体辐射2.2 太阳辐射和地球辐射太阳辐射和地球辐射一、太阳的辐射一、太阳的辐射二、地球的辐射二、地球的辐射2.3 地球大气及其对太阳辐射的影响地球大气及其对太阳辐射的影响一、大气分层和组成一、大气分层和组成二、大气折射现象二、大气折射现象三、大气的反射三、大气的反射四、大气吸收四、大气吸收五、大气散射类型五、大气散射类型六、大气窗口六、大气窗口七、大气透射分析七、大气透射分析2.4 地面物体反射光谱地面

2、物体反射光谱一、地物的反射率一、地物的反射率二、地物反射波谱曲线二、地物反射波谱曲线三、地物波谱特性的测量三、地物波谱特性的测量 本章主要介绍本章主要介绍遥感的物理基础，遥感的物理基础，包括地物的电磁波包括地物的电磁波特性、太阳辐射、特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的大气对太阳辐射的影响、大气窗口的影响、大气窗口的概念、地物反射太概念、地物反射太阳光谱的特性、地阳光谱的特性、地物的热辐射、地物物的热辐射、地物与微波的作用机理与微波的作用机理2.1.12.1.1电磁波与其传播特性电磁波与其传播特性v 电磁波产生电磁波产生 交互变化的电磁场在空间的传播。交互变化的电磁场在空间的传播。v 描述电磁波特

3、性的指标描述电磁波特性的指标 传播速度；传播速度； 波长、频率、振幅、位相等。波长、频率、振幅、位相等。v 电磁波的特性电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为电磁波是横波，传播速度为3 310108 8 m/sm/s，不需要不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律收、透射、散射等，并遵循同一规律。电磁波的反射、透射、散射、吸收：能量守衡、电磁波的反射、透射、散射、吸收：能量守衡、反射率、透射率、散射率、吸收率反射率、透射率、散射率、吸收率 2.1 电磁波谱与黑体辐射电磁波谱与黑体辐射2.1 电磁波谱与黑体辐射电磁

4、波谱与黑体辐射v电磁辐射测量电磁辐射测量v辐射能量W：电磁辐射的能量大小。v辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量。v辐照度I：被辐照的物体表单位面积上的辐射通量。(辐射密度辐射密度)v辐射出射度M：温度为T的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。朗伯源朗伯源：辐射亮度L与观察角无关的辐射源，称为朗伯源。 电磁波谱电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成的一个按电磁波波长的长短，依次排列制成的一个连续的带谱叫连续的带谱叫电磁波谱电磁波谱。 依次为： 射线射线X X射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外红外线线微波微波无线电波。无线电波。 电磁波谱示图电磁波谱示图 2.1 电磁波谱与黑体辐射电

5、磁波谱与黑体辐射电磁波谱v紫外线：紫外线：波长范围为波长范围为0.010.010.380.38mm，太阳光谱中，只太阳光谱中，只有有0.30.30.380.38mm波长的光到达地面，对油污染敏感，但波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在探测高度在2000 2000 m m以下。以下。v可见光：可见光：波长范围：波长范围：0.380.380.760.76mm，人眼对可见光有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。敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。v红外线红外线：波长范围为波长范围为0.760.7610001000mm，根据性质分为近根据性质分为近红外、中红外、远红外和超

6、远红外。红外、中红外、远红外和超远红外。v微波：微波：波长范围为波长范围为1 1 mmmm1 m1 m，穿透性好，不受云雾的穿透性好，不受云雾的影响影响。遥感应用的电磁波波谱段1.1.研究黑体辐射的原因研究黑体辐射的原因 （1）太阳是多数传感器的主要辐射源（2）自然物体研究的复杂性：只有先研究其理想状态，然后再根据实际情况进行修正或近似。（3）太阳是接近黑体辐射的辐射源。2.1.2 黑体辐射与实际物体辐射黑体辐射与实际物体辐射黑体：对任何波长的辐射，吸收率黑体：对任何波长的辐射，吸收率1 1。反射率和投射。反射率和投射率都等于率都等于0。对任何波长的光全部吸收。对任何波长的光全部吸收。吸收与物

7、体的温度、电磁波长无关吸收与物体的温度、电磁波长无关黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。 烟煤吸收烟煤吸收99%，是接，是接近黑体的吸收体近黑体的吸收体2.1.2 黑体辐射与实际物体辐射黑体辐射与实际物体辐射自然界中并不存在绝对的黑体，实用的黑体是由人工方法制成的，它只是一种理想的黑体模型，基本结构是能保持恒定温度的空腔。v绝对黑体绝对黑体v 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体绝对黑体。v 实验表明，当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射现象和吸收想象时，这个物体的光谱吸收系数与光谱

8、反射系数之和恒等于1。 v 光谱吸收系数 ：当物体的温度为T，波长在 范围内， 为吸收能量与入射能量之比。v 光谱反射系数：当物体的温度为T，波长在 范围内，为反射能量与入射能量之比。2.1.2 黑体辐射的定律黑体辐射的定律3、普朗克公式1、斯蒂芬玻尔兹曼定律2 、维恩位移定律1、 斯蒂芬玻尔兹曼定律对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方次方成正比。成正比。TbW4: 斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4 红外装置测试温度的理论根据。2、 维恩位移定律b

9、T maxb : 常数，2897.80.4 m 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（如人体如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长左右，发射电磁波的峰值波长9.66m ，红，红外遥感重要应用外遥感重要应用）。蓝色火焰比红色火焰温度高研究的重要意义：研究的重要意义：针对要探测的目标，选择最佳的遥感波针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。段和传感器。描述描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。3、普朗克公式) 1(2),(5kThc2bechTMh: 普朗克常数6.6260755*10-34 Ws2k: 玻尔兹曼常数，k=

10、1.380658*10-23 WsK-1 c: 光速; : 波长（m）; T: 绝对温度（K）M为辐射度 变化特点：变化特点：(1) 辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值； (2) 温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；玻尔兹曼定律(3) 随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。维恩位移定律图示普朗克公式2.1.2 实际物体辐射和发射率实际物体辐射和发射率对于一般物体而言，需要引入对于一般物体而言，需要引入发射率发射率（热辐射（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。率、比辐射率），表明物体的发射本领。),(),(),(TMTMTb非非黑体的辐射通量密度与黑体的辐射通量密度与

11、同一温度下同一温度下黑体辐射通量密度的比值。黑体辐射通量密度的比值。2.1.2 实际物体辐射和发射率实际物体辐射和发射率发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：长有关。按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：1）黑体）黑体2）灰体：）灰体：没有显著的选择吸收，就是吸收率虽然小于1，但基本不随着波长变化。（金属物体一般为灰体）3）选择性辐射体）选择性辐射体 (如线谱，带谱如线谱，带谱)实际物体的辐射实际物体的辐射:基尔霍夫定律基尔霍夫定律给定温度下，任何地物的辐射通量密度辐射通量密度W（辐（辐射量

12、、发射率）射量、发射率）与吸收率之比是常数，即等等于同温度下黑体的辐射通量密度。于同温度下黑体的辐射通量密度。),(),(),(TMTMTb研究意义研究意义：（1）发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射发射率等于吸收率。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。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。（2）传感器设计考虑地表物体的温度、波长；（）传感器设计考虑地表物体的温度、波长；（3）吸收系数与）吸收系数与波长、温度有关。波长、温度有关。辐射率、发射率辐射率、发射率、吸收率吸收率上式中：M或Mb为某一实际物体、Mb或M0为黑体2.1.2

13、黑体辐射与实际物体辐射黑体辐射与实际物体辐射太阳辐射：太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示如图所示。从太阳光谱曲线可以看出从太阳光谱曲线可以看出： 2.2 太阳辐射和地球辐射太阳辐射和地球辐射地表吸收太阳辐射后具有地表吸收太阳辐射后具有约约300 K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66 m，主要集中在主要集中在长波，即长波，即6m以上的热红外区段。以上的热红外区段。太阳辐射（2）地球的辐射与地物波谱2.3.1 太阳

14、辐射与地表的相互作用太阳辐射近似于温度为太阳辐射近似于温度为6 000K的黑体辐射的黑体辐射,辐射主要集中在辐射主要集中在0.32.5m，在紫外、可见光到近红外区段。在紫外、可见光到近红外区段。当太阳辐射到达地表后当太阳辐射到达地表后,就短波而言就短波而言,地表反射的太阳辐射成为地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球自身的辐射，几乎可以忽略地表的主要辐射来源，而来自地球自身的辐射，几乎可以忽略不计。不计。波段名称可见光与近红外中红外远红外波长0.32.5 m2.56 m6 m辐射特性地表反射太阳辐射为主地表反射太阳辐射和自身的热辐射地表物体自身热辐射为主地球辐射的分段特性地球辐射

15、的分段特性2.2 太阳辐射和地球辐射太阳辐射和地球辐射v地表自身热辐射规律地表自身热辐射规律重要应用重要应用：（1）地球上不同物体的辐射由基尔霍夫定律基尔霍夫定律决定的。即地表物体的自身辐射由比辐射率比辐射率、温度温度、波长波长3个要素决定的。（2）比辐射率波谱曲线的形态特征可以反映物物体本身的特性体本身的特性（物质组成、温度、表面粗糙度等），反之，由曲线特征曲线特征来识别地面物体。 地物的热辐射2.3 地球大气对太阳辐射的影响 一、大气分一、大气分层、层、成分成分分层：外层、电离层、平流层、对流层。分层：外层、电离层、平流层、对流层。 成分成分:分子和其他微粒。分子和其他微粒。 大气结构从地

16、面到大气上界，大气的结构分层为：从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在对流层：高度在7 712 12 km,km,温度随高度而降低，天气变化频繁，温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。航空遥感主要在该层内。平流层：高度在平流层：高度在121250 50 kmkm，底部为同温层（航空遥感活动层），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。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：高度在电离层：高度在50501 000 1 000 kmkm，大气中的大气中的O O2 2、N N2 2受紫外线照射而受紫外线照

17、射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：大气外层：80080035 000 35 000 km ,km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。响。 大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 悬浮微粒：尘埃 大气成分2.3 地球大气对太阳辐射的影响v二、大气折射现象：几何校正v三、大气的反射：辐射校正v四、大气的吸收：辐射校正v五、大气的散射：瑞利散射、米氏散射、无选择性散射。辐射校正v六、大气窗口：传感器选择波段等传感器选择波段等v七、

18、大气的透射分析：辐射校正地物的辐射能量守恒地物的辐射能量守恒电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。)()()()(EEEEs1)()()(太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：即： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。2.4 地面物体反射光谱v一 、地物的反射率v1.定义：v地物在不同波段的反射率是不同的。地物在不同波段的反射率是

19、不同的。v反射率是可以测定的。反射率是可以测定的。v反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。v地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。物体反射分类物体反射分类判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则：cos8h根据物体表面的粗糙程度，反射分为：1）镜面反射2）漫反射（朗伯反射）3）有向反射4）混合反射反射分类图示(a) 镜面反射(b) 漫反射（朗伯反射）(c) 有向反射(d) 混合反射1) 镜面反射镜面反射2) 朗伯反射朗伯反射(漫反射漫反射)：是指不论入射方向如何，虽然反射率：是指不论入射方向如何，虽

20、然反射率与与镜面反射一样，但反射方向却是镜面反射一样，但反射方向却是“四面八方四面八方”。对于漫反射面，当入射辐照度对于漫反射面，当入射辐照度 I 一定时，从任何角度观察反射面，其反射一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。(朗伯定律朗伯定律)cos0BB 航天遥感中，地球表面相对于遥感器的高度，近似视为朗伯面。航天遥感中，地球表面相对于遥感器的高度，近似视为朗伯面。3) 有向反射有向反射4) 混合反射混合反射一部分镜面反射，一部分朗伯反射。有向反射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函数。)()()

21、,(sZsEsiZiMisZiZs有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向有关，在航空遥感中具有重要意义。实际物体反射：介于镜面反射与朗伯面之间实际物体反射：介于镜面反射与朗伯面之间2.4 地面物体反射光谱v3.反射波谱：研究地面物体反射率随波长的变化规律。（读图2.23）v曲线形态识别地表物体。v吸收与反射对应波谷与波峰。v传感器选择波段。2.4 地面物体反射光谱v二、 地物反射波谱曲线植被光谱曲线 土壤光谱曲线 水体光谱曲线 岩石光谱曲线 常见地物比较光谱曲线植物的光谱曲线土壤的光谱曲线水体的光谱曲线岩石的光谱曲线土壤土壤自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土质越

22、细，反射率越高，有机质含量越高和含水量越高反射率越低。水体水体水体的反射率主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，吸收就更强。岩石岩石岩石的反射波谱曲线无统一的特征，受矿物成分、含水量、颗粒大小等的影响。常见地物的光谱曲线比较不同健康状态松树的反射光谱曲线不同健康状态松树的反射光谱曲线白白橡树不同生长期的反射光谱曲线橡树不同生长期的反射光谱曲线常见地物的光谱曲线比较大气的吸收作用O2吸收带吸收带0.2m，0.155 m最强最强O3吸收带吸收带0.20.36 m，0.6 mH2O吸收带吸收带0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO2吸收带吸收带1.352.8

23、5 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m尘埃尘埃吸收量很小吸收量很小大气的散射作用不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三种：大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：瑞利散射：d d 1. 瑞利散射瑞利散射发生条件：质点的直径发生条件：质点的直径 d (电磁波波长电磁波波长

24、) )时，一般认为（时，一般认为（d d ）, 散射率与波长没有关系 1)(散射特点：大气窗口概念：概念：大气窗口大气窗口波段波段透射率透射率/%/%应用举例应用举例紫外可见光紫外可见光近红外近红外0.30.31.3 1.3 mm9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近红外近红外1.51.51.8 1.8 mm8080TM5TM5近近- -中红外中红外2.02.03.5 3.5 mm8080TM7TM7中红外中红外3.53.55.5 5.5 mmNOAANOAA的的AVHRRAVHRR远红外远红外8 814 14 mm60607070TM6TM6微波微波0.80.82.

25、52.5cmcm100100RadarsatRadarsat2. 大气的反射大气窗口：大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。射率很高的波段。 要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。大气窗口的主要光谱段：1）0.31.3um： 以可见光为主体的窗口，是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。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。2）1.51.8,2.0-3.5um： 近、中红外窗口，6095，扫描成像，白天记录3）3.55.5um： 中红外窗口，6070，白天夜间，扫描成像记录4）814 um： 远红外窗口，超过80， 白天夜间，扫描记录5）0.82.5cm： 微波窗口， 白天夜间，扫描记录。大气透射的定量分析大气透射的定量分析大气对太阳