遥感物理学基础

1、第二章遥感物理学基础第二章遥感物理学基础遥感信息源：遥感信息源： 任何目标物任何目标物遥感探测的依据：遥感探测的依据： 目标物与电磁波的相互作用目标物与电磁波的相互作用电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长（或频率）电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长（或频率） 按其长短，依次排列制成的图表称为按其长短，依次排列制成的图表称为 电磁波谱电磁波谱。一、一、电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱电磁波（电磁辐射）：电磁振源产生的电磁振荡在空电磁波（电磁辐射）：电磁振源产生的电磁振荡在空 间的传播。间的传播。遥感对地观测遥感对地观测波长：波长：0.380.76m特征：特征：1.由红由红,橙橙,黄黄,绿绿,青

2、青,蓝蓝,紫光紫光组成；组成； 2.人眼对可见光有敏锐的分辨率；人眼对可见光有敏锐的分辨率；应用：应用：1.鉴别物质特性的主要波段鉴别物质特性的主要波段 2.以光学摄影或扫描方式接收和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记录地物对可见光的反射特征 电磁波的性质：电磁波的性质： 是横波是横波在真空中以光速传播在真空中以光速传播波长与频率成反比；两者的乘积为光速；波长与频率成反比；两者的乘积为光速； 电磁辐射能量与频率成正比。电磁辐射能量与频率成正比。具有波粒二象性电磁波传播到气体、固体、液体介具有波粒二象性电磁波传播到气体、固体、液体介 质时，会发生反射、折射、吸收、透射、散射等

3、现象。质时，会发生反射、折射、吸收、透射、散射等现象。 电磁波的性质电磁波的性质( (共同性）：共同性）：是横波是横波在真空中以光速传播在真空中以光速传播波长与频率成反比；两者的乘积为光速；波长与频率成反比；两者的乘积为光速； 电磁辐射能量与波长成反比。电磁辐射能量与波长成反比。具有波粒二像性电磁波传播到气体、固体、液体介具有波粒二像性电磁波传播到气体、固体、液体介 质时，会发生反射、折射、吸收、透射、散射等现像。质时，会发生反射、折射、吸收、透射、散射等现像。cffhEh为普朗克常数h=6.62610-34J/Sc为光速c=3108m/s 名称名称 波长范围波长范围 紫外线紫外线 0.001

4、 -0.38 0.001 -0.38 可见光可见光 0.38 - 0.76 0.38 - 0.76 近红外近红外 0 076 - 3.0 76 - 3.0 中红外中红外 3 30 - 6.0 0 - 6.0 热红外热红外 6 60 -15.0 0 -15.0 远红外远红外 15 - 1000 15 - 1000 微微 波波 1 - 1000 1 - 1000 二、遥感学常使用的电磁波分类名称和二、遥感学常使用的电磁波分类名称和 波长（波长（）范围：）范围：红外线红外线三、辐射三、辐射n与辐射有关的几个概念与辐射有关的几个概念n辐射种类辐射种类 1、黑体辐射、黑体辐射 2、太阳辐射、太阳辐射 3

5、、地球辐射、地球辐射 4、大气辐射、大气辐射 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，辐射， 也能够向外（发出）辐射。也能够向外（发出）辐射。 辐射能量（辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：）：电磁辐射的能量，单位：J（焦耳）。（焦耳）。 辐射通量（辐射通量（ ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量）：单位时间内通过某一面积的辐射能量,单位单位: W（瓦）（瓦） 。 辐照度（辐照度（I）：）：被辐射的物体被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。表面单位面积上的辐射通量。 辐射出射度（辐射出射度（M）：）：辐射源物体辐射源物

6、体表面单位面积上的辐射通量，表面单位面积上的辐射通量， 单位：单位：W/m2 。 1、概念、概念dtdWdSdI 绝对黑体绝对黑体(简称黑体）：对于任何波长的简称黑体）：对于任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体电磁辐射都全部吸收的物体 。 任何物体： （，T）+ （，T） 1 绝对黑体：绝对黑体： （，T）1 （，T） 0其吸收率和反射率与物体的温度和波长无关绝对黑体的特性：绝对黑体的特性：2、黑体辐射、黑体辐射 黑体辐射规律：黑体辐射规律： （1）黑体的辐射（发射）能量）黑体的辐射（发射）能量 - 辐射出射度（辐射出射度（M）是波长是波长 和温度和温度 T 的函数的函数；某一波长下黑体的辐射；

7、某一波长下黑体的辐射出射度出射度M 是指在某一单位波长间隔（是指在某一单位波长间隔（ ）的辐）的辐射出射度。射出射度。在紫外、可见光和红外波段在紫外、可见光和红外波段 M 与与5 成反成反比比；在微波波段，在微波波段，M 与与2成反比与成反比与T成正比成正比。普遍。普遍适用于黑体辐射的普朗克公式为：适用于黑体辐射的普朗克公式为：112,/52kThcehcTM黑体的黑体的总辐射出射度总辐射出射度 M是对所有波长的（发射）辐射能量是对所有波长的（发射）辐射能量的总和。经积分运算得的总和。经积分运算得)/(1067. 54284KmWTM图图2.7表明总辐射出射度表明总辐射出射度 M与温度与温度T

8、的关系是：随着温的关系是：随着温度的升高，度的升高， M的值急剧增大；不同温度下的的值急剧增大；不同温度下的M值在波值在波长长能量曲线图中，展现为一系列互不相交的曲线能量曲线图中，展现为一系列互不相交的曲线（族）。（族）。（2）斯忒藩玻尔兹曼定律）斯忒藩玻尔兹曼定律黑体辐射出射度黑体辐射出射度M 的最大值所对应的波长的最大值所对应的波长max 与黑体与黑体自身温度自身温度 T 的的关系关系： max 与与 T 成反比。成反比。 即：黑体温即：黑体温度越高，其总辐射出射度度越高，其总辐射出射度 M的曲线的峰值就越向短波的曲线的峰值就越向短波方向偏移。方向偏移。)(10898. 23maxKmbb

9、T计算得：太阳的计算得：太阳的max =0.47 ；地球；地球max =9.0 （3）维恩位移定律维恩位移定律3.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：IMMMMIIIIIMiii0002211210M为辐射出射度，为辐射出射度，a为吸收系数，为吸收系数，I为辐照度为辐照度.所所以实际物体辐射以实际物体辐射(M)与黑体辐射（与黑体辐射（M0)成正比，成正比，其比值为吸收系数在其比值为吸收系数在0,1之间。之间。3、太阳辐射、太阳辐射（太阳光）（太阳光） (1)太阳辐射的能量大部分集中在可见光波段。太阳辐射的能量大部分集中在可见光波段。 （2）太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射

10、特性与绝对黑体辐射特性）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。基本一致。 被动遥感主要利用可见光、近红外、中红外等稳定的辐射。被动遥感主要利用可见光、近红外、中红外等稳定的辐射。太阳是被动遥感最主要的辐射源太阳是被动遥感最主要的辐射源在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，约约1.496108公里）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑公里）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑体接受到的太阳辐射能量。其数量为：体接受到的太阳辐射能量。其数量为：1.360 103

11、瓦瓦/平方米。平方米。 太阳常数太阳常数： 太阳辐射太阳辐射（太阳光谱）的主要特征（太阳光谱）的主要特征遥感导论遥感导论太阳能量随波长的分布太阳能量随波长的分布红外波段红外波段38%4、大气对太阳辐射的影响、大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响吸吸 收收反反 射射散散 射射折折 射射大大 气气 窗窗 口口使遥感图像清晰度下降使遥感图像清晰度下降大气吸收大气吸收n太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，引起这些波段太阳辐射强度的些波段有吸收作用，引起这些波段太阳辐射强度的衰减，或完全不能通过大气。衰减，或完全不

12、能通过大气。n太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些缺失太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些缺失带带n对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层n简要说明大气吸收带的规律简要说明大气吸收带的规律。CO2、H2O 吸收红外及长波吸收红外及长波O3 吸收紫外光吸收紫外光O 吸收波长吸收波长0.2m大气散射大气散射n辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，向各个方向散开变，向各个方向散开n太阳辐射通过大气二次影响增加了信号中的噪声成太阳辐射通过大气二次影响增加了信号中的噪声成分，造成遥感图像质量的下降分，造成遥感图像

13、质量的下降n大气散射的三种情况：大气散射的三种情况：瑞利散射瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射；：当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射；主要由大气中的原子和分子引起。散射强度与波长的四次方主要由大气中的原子和分子引起。散射强度与波长的四次方成反比。天为什么是蓝的？日出日落时天空是橙红色？成反比。天为什么是蓝的？日出日落时天空是橙红色？米氏散射米氏散射：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引起。散射；主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引起。散射强度与波长的二次方成反比。米氏散射在光线前散射强度与

14、波长的二次方成反比。米氏散射在光线前进方向比向后方的散射更强。进方向比向后方的散射更强。非选择性散射非选择性散射：当大气中粒子的直径比波长大得多时发：当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射；散射强度与波长无关生的散射；散射强度与波长无关 。 -云雾中水滴粒子的直径与可见光相比；云雾中水滴粒子的直径与可见光相比； 云为什么是白色的？云为什么是白色的？ 大气散射作用与波长的关系：在微波波段，由于微波波长远大于云层中水滴的直径，因而属于瑞利散射类型；此时，散射强度与波长的四次方成反比，散射强度相对很弱，透射能力很强，故微波具有穿透云雾的能力。大气的折射率大气的折射率与大气密度有关，密度越大折射率

15、越大。与大气密度有关，密度越大折射率越大。因而，电磁波（太阳辐射）在大气中的传播轨迹是一因而，电磁波（太阳辐射）在大气中的传播轨迹是一条曲线。条曲线。大气的折射与反射大气的折射与反射大气反射大气反射主要发生在云层顶部，并与云量密切相主要发生在云层顶部，并与云量密切相关。被动遥感应尽量选择无云的天气接收遥感信关。被动遥感应尽量选择无云的天气接收遥感信号号大气窗口的光谱段及应用：大气窗口的光谱段及应用： 0.3 1.3 紫外紫外 近红外，遥近红外，遥感摄影成像的最佳波段，卫星扫描成像常用波段，感摄影成像的最佳波段，卫星扫描成像常用波段，TM1-4, 大气窗口大气窗口将电磁波通过大气层时较少被反射、

16、吸收或散射的、透过将电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的、透过率较高的波段称为大气窗口。率较高的波段称为大气窗口。1.51.5 1.8 和和 2.02.0 3.5 近近中红外，白天卫星扫描中红外，白天卫星扫描成像的常用波段。成像的常用波段。TM5-7,探测植物含水量、云，探测植物含水量、云，3.53.5 5.5 中红外，该波段除了反射外，还有地物热辐射。中红外，该波段除了反射外，还有地物热辐射。NOAA卫星的卫星的AVHRR传感器，探测海面温度，获得昼夜云图，传感器，探测海面温度，获得昼夜云图，8 14 远红外，主要来自地物热辐射的能量，适于夜间远红外，主要来自地物热辐射的能量，适于夜间

17、成像成像0.8 2.5 c微波，穿透云雾能力强，可以全天候观测，是主微波，穿透云雾能力强，可以全天候观测，是主动遥感方式，如侧视雷达。动遥感方式，如侧视雷达。遥感导论遥感导论5 5、地球的辐射、地球的辐射n地球自身的辐射主要集中在长波波段，地球自身的辐射主要集中在长波波段，即即6以上的热红外区，该区段太阳辐以上的热红外区，该区段太阳辐射的影响可以忽略不计射的影响可以忽略不计.n地球辐射只考虑地表物体自身的热辐地球辐射只考虑地表物体自身的热辐射射.n地球辐射近似于温度为地球辐射近似于温度为300K的黑体辐的黑体辐射射.地球的辐射示意图 地球表面的发射辐射能量集中于中红外波段和热红外波段；地球表面

18、的发射辐射能量集中于中红外波段和热红外波段；在热红外波段，地球的发射辐射能量远远大于太阳的电磁辐在热红外波段，地球的发射辐射能量远远大于太阳的电磁辐射能量，通常称射能量，通常称地球的发射辐射为热辐射地球的发射辐射为热辐射。 温度为温度为300K的黑体，其电磁辐射的波长范围的黑体，其电磁辐射的波长范围2.550。地球表面的热辐射特征地球表面的热辐射特征 地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波长、温度有关：长、温度有关： M（，T）= （ ，T） M0（ ，T） 发射光谱曲线：某种地物的发射率随波长发射光谱曲线：某种地物的发射率随波长变化曲线。变化曲线

19、。 由于地表温度的日变化，热红外遥感应在一由于地表温度的日变化，热红外遥感应在一天中的何时进行？天中的何时进行？n在可见光与近红外波段（在可见光与近红外波段（0.3 - 2.5 0.3 - 2.5 ) )，地表物体自身的热辐射近似于零，地表物体自身的热辐射近似于零，因此地物因此地物发出的波谱主要是发出的波谱主要是以反射太阳辐射为主以反射太阳辐射为主。n研究地面物体为太阳辐射的反射特性，是遥感研究地面物体为太阳辐射的反射特性，是遥感图像判读和解译的关键。图像判读和解译的关键。四、地物的反射光谱特征四、地物的反射光谱特征1、地地物物反反射射率率实际物体的反射实际物体的反射2、不同地物的反射光谱特征

20、近红外近红外(0.76-1.3微米微米)反射率最大。这是绿反射率最大。这是绿色植物的独有特征。色植物的独有特征。0.38-0.76微米，绿色植物对蓝光微米，绿色植物对蓝光(0.45)和红光和红光(0.67)吸收作用强，对绿光吸收作用强，对绿光(0.55)反射作用强。反射作用强。1.3-2.5微米，水吸收作用加强，反射减弱。微米，水吸收作用加强，反射减弱。绿色植物绿色植物土壤反射在近红外波段土壤反射在近红外波段(0.76-2.5微米微米)明显但差异大且没有波峰。明显但差异大且没有波峰。土壤颗粒越细，反射率越大。粉砂可达土壤颗粒越细，反射率越大。粉砂可达90%以上。以上。有机质含量越高和含水量越高，反射率越小。如腐泥有机质含量越高和含水量越高，反射率越小。如腐泥10。土壤土壤水体水体水体反射主要在蓝水体反射主要在蓝绿光绿光(0.45-0.55)。因此水体在近红外因此水体在近红外波段影像上呈黑色。波段影像上呈黑色。叶绿素含量高的叶绿素含量高的水体，蓝光反射水体，蓝光反射反射更强。但反反射