遥感物理基础1

1、遥感物理基础绪 论1、目的 遥感“感”的理论依据 遥感技术的理论基础和理论依据2、内容 遥感技术的基本物理问题A 电磁辐射性质及其微观机制 电磁辐射的性质：波动性 粒子性 波粒二象性 电磁波谱 电磁辐射的传播：反射 折射及散射 吸收与色散 偏振 多谱勒效应 原子结构与原子光谱 分子结构与分子光谱 固体结构与光谱B 电磁辐射与物质相互作用机理 地物反射光谱曲线及其测量 地物反射辐射光谱特性 反射辐射遥感的数学模型 遥感空-地数据对比 地物热辐射光谱特性 热辐射反射辐射遥感的数学模型 微波及雷达图像的特性C 大气对电磁辐射传输的影响 地球大气圈层结构及其成分 大气与电磁辐射的相互作用 大气对电磁辐

2、射传输的影响 吸收、散射、反射、折射 大气窗口D 遥感信息形成机理 遥感信息的形谱分离 遥感信息传输规律与辐射特性 地物光谱特征及其识别（反演） 视（似）反射率图像 成像光谱（高光谱）技术 高光谱成像与成像光谱仪 岩矿类地物光谱的分析与识别 混合像元技术 混合像元模型研究 遥感信息定标与光谱数据库E 遥感信息模型 第一章 电磁辐射特性与传播内容：电磁辐射的性质 电磁辐射的传播1 在经典电磁理论范畴内，依据麦克斯韦电磁场理论，讨论电磁辐射的波动性及其传播规律。包括反射、折射、吸收、散射和偏振2 从爱因斯坦光子假说出发，讨论电磁辐射的量子性介绍电磁辐射的波粒二象性，揭示电磁辐射的本质。介绍电磁波谱

3、一、电磁辐射的性质 电磁场在空间的直接传播称电磁辐射 电磁波的动态形式 具波动性和量子性双重性1、波动性 A定性描述 变化电场激发产生涡旋磁场，变化磁场又激发产生涡旋电场，电磁场之间相互激发，在空间传播，形成电磁波 B麦克斯韦方程组 1862年英国物理学家麦克斯韦总结了库仑、安培、法拉第及其他科学家的实验规律，并加以发展，提出关于电磁现象的基本规律，预言了电磁波的存在。还从本质上证明了光波和电磁波的统一性。麦克斯韦用四个方程描述电磁场的基本规律。在方程式中引入6个物理量：电场强度矢量E、电位移矢量D、磁场强度适矢量H、磁感应矢量B、电荷的体密度、电流体密度矢量J。对线性各向同性介质，这些物理量

4、满足： D = E, B = H, J = E, 式中为物质的介电常数，为物质的磁导率，为物质的电导率。在各向同性介质中，D与E,、B与H的方向一致。麦克斯韦方程组的积分形式： = - 高斯定理的积分表达 = 0 - 磁场的高斯定理 = - - 法拉第电磁感应定律的数学表达式 = - 安培环路定律的推广式中l为长度，S是面积，V是体积，C为常数，C=3.0X108m/s。麦克斯韦方程组的微分形式： = 4 = 0 = - = 常数C=3.0X108m/s。真空中的麦克斯韦方程组： 由于真空中没有自由电荷与传导电流J，且=1，故方程组简化为： = 0 = 0 = - = 在直角坐标系下，上述各式

5、成为： = 0, = 0, = - , = - , = - = - , = - , = -讨论： 横波 = 0 且 = 0 即沿x轴传播的电磁波没有Ex及Hx分量，不存在与传播方向一致的电磁场分量。 EHV 传播速度 v = 典型波动方程，说明电磁场是按波动规律传播的。它的解为：Ey = Ey0 Hz = Hz0 其中 为振动的圆频率 C电磁波的能流密度 波动过程是能量传播的过程 电磁波传递的是电磁能量 能流密度是单位时间内流过垂直于传播方向的、单位面积上的能量能流密度矢量S（称坡印廷矢量） S = 平面电磁波E与H在任何瞬时都构成右手坐标系，E X H与传播方向永远一致 电磁波携带着能量向前

6、传播，E、H垂直且数值相等 故S与E2成正比，与H2成正比 D偶极子的辐射 P=q I 偶极子周期性的变化产生电磁辐射 P=P0eiwt=qI0eiwt 推导出：距偶极子距离R处电磁场 E= H= p为P对t的二级微商 = S = 2、量子性 A光电效应 实验结论 4条： 光电效应产生的光电子数与光强成正比 光电子动能随光频率线性增加，与光强度无关 光电效应存在红限频率 光电效应的驰豫时间极短，< 10-9秒 实验结论与波动理论完全对立，用波动理论无法解释光电效应 解释：爱因斯坦光子说：光是一份份不连续传输能量的，具有量子性，每份能量E=h，其中h= 6.63X10-34JS 为普朗克常

7、数，为光子的频率。 爱因斯坦光电效应方程：h = mV2 /2 + W0 B康普顿效应：X射线通过被散射的物体时，散射波的波长改变与散射角的方向有关，而与被散射的物质无关。 = 2K·sin2 K = 0.0241X10-10M解释：光量子与物质中的电子发生弹性碰撞的结果 C黑体辐射普朗克黑体辐射量子解释3、波粒二象性4、电磁波谱1889年赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波。经实验证明，电磁波的性质与光波的性质相同。随着对光本性认识的深化，光波和电磁波被统一起来。此后又发现的更多形式的波也具有电磁波的性质，如1891年发现的X射线，1896年发现的射线等。按电磁波在真空中传播的波长或频

8、率，递增或递减排列，则构成了电磁波谱。该波谱以频率从高到低排列，可以划分为射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。在真空状态下频率与波长之积等于光速C。电磁波谱区段的界线是渐变的，一般按产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划分。习惯上电磁波区段的划分如下： 电磁波按波数( = )、波长或频率排列形成的谱系 波数 各类电磁辐射的共性：真空中传播速度相同，C=3X108m/s；遵守同一的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律；都具有横波性。二、电磁辐射的传播1、电磁辐射的反射、折射及散射 反射定律 折射定律 散射（以后在地球大气与电磁辐射传输中专门交待）2、电磁辐射的吸收与色散 吸收：朗伯吸收定

9、律 设有一束波长的平面电磁波通过某一均匀介质，经过dx薄层后，强度有I0减为I0-dI，可以认为衰减的百分比dI/I0与通过的距离成正比，式中为吸收系数，与物质结构有关，并且是波长的函数。 积分形式： I() = I0() 比尔定律：对于低浓度溶液，溶液的吸收系数与浓度C成正比。即有： I = I0 色散：同一物质对不同波长的电磁波的折射率不同，产生色散。 正常色散 反常色散3、电磁波的偏振 线偏振 椭圆偏振4、电磁波的多普勒效应三、色度学原理1、色觉机理2、电磁辐射与色彩三原色 三基色 三间色 补色 加色法 减色法3、CIE色标与蒙塞尔色标 HIS与RGB之间的关系四、电磁辐射度量单位-自学

10、第二章 物质的光谱与结构一、原子光谱与原子结构1、氢原子光谱与原子结构2、氢电子能量量子化En = = R = 13.6eV 能级（轨道）发生改变，能量差以电磁辐射（光子）形式被消纳 辐射光子的波数 v = 3、氢原子的电子轨道 主量子数、角量子数、磁量子数 均在能级图上有表现4、多电子的原子光谱 碱金属原子光谱：价电子能级跃迁的光谱，类似氢原子；内层电子离核近，光谱与氢原子光谱差别较大。 原因：原子实极化、价电子轨道贯穿 主量子数 n 1,2,3,4,n 轨道角量子数 l 取值：0，1，2，n-1 磁量子数 m -l <= m <=l 自旋量子数 s -1/2，1/25、主要结论

11、： 教材66-67页的几点结论 原子核外各电子运动状态由4个量子数唯一确定 电子处在低能级轨道时相对稳定。当电子从高能级轨道转入低能级轨道或从低能级轨道转入高能级轨道，发生能级跃迁，辐射或吸收对应能量的电磁波 原子是线光谱6、X射线、伽玛射线 X射线原子内层电子能级跃迁，能量在104eV级 伽玛射线原子核内核子能级跃迁，能量在106eV级以上二、分子光谱与分子结构 气体状态下，分子之间距离很大，分子间的相互作用、相互影响可忽略不计。分子光谱是带状光谱，比线光谱（原子光谱）要复杂。1、分子结构 离子键 共价键：无极性、极性2、能级与光谱 分子的4种运动： 电子绕原子实运动 Ee 原子实之间相对运

12、动振动 Ev 整个分子绕一定的对称轴转动 Er 分子的平动（移） 分子的总能量 E = Ee + Ev + Er 分子转动振动电子过程的能级均为量子化，且Ee>Ev>Er，见教材79页图2。223、主要结论： 教材80-81页分子光谱的几点结论 分子转动 Er < E25um 远红外微波光谱 分子振动 E25um < E = Er + Ev < E1um 红外振转动光谱 近中红外光谱 分子电振转 E = Ee + Ev +Er>E1,25um < E0.6um 分子光谱 紫外可见光近红外光谱三、固体光谱与固体结构 包括液体光谱与液体结构在内。构成固体和

13、液体的物质的分子、原子紧密堆积。分子、原子以相互作用，相互影响为主要特征，因而其光谱特征更为复杂。1、固体结构 非晶体 晶体：离子晶体、共价键晶体、金属晶体、分子晶体2、能带及其理论3、固体光谱 更复杂，且受杂质、缺陷等的影响 几种跃迁： 能带间、杂质能级、自由载流子、激子、色心、格波的吸收-晶格振动、等离子体振荡4、主要结论： 见教材94-95页的结论 非常复杂 反射光谱更复杂，与物质内部结构有关，与表面状况有关 各种物质有自己的特征光谱带 分析光谱可以认识、鉴别物质的化学组分和结构第三章 地物反射光谱特征回顾电磁辐射特征 物质结构与光谱一、地物反射光谱测试方法1、 光谱测量的意义：地物光谱

14、是遥感技术的基础，是建立地面与空间两种信息之间关系的桥梁三个作用：（1）遥感传感器波段选择、验证及评价 （2）可借以建立地面、航空和卫星遥感数据间关系，并对传感器进行校正 （3）建立地物相关模式或应用模式2、地物光谱测量理论 应用物感技术对地面物体进行探测，是以各种物体对电磁辐射的反射、吸收和发射特征为基础的，主要是依据物体对电磁波的各种响应特性获取所需信息。在波长0.32.5um范围内，物体的辐射特性主要是物体对太阳辐射的反射。这一波段是遥感技术研究地球表面特性最主要的波段。因此，必须深入研究地表物体的反射特性。A、双向反射分布函数BRDF BRDF完整地给出了反射辐射空间分布特性的规律，精

15、确描述了表面反射的属性，是反射研究中最基本的物理量。 影响BRDF的因素，除光源特性外，还有表面物质成分、结构和粗糙度等表面因素，因此可以认为BRDF是代表特定表面固有属性的特征函数。 虽然BRDF较完整地描述了物体的反射特性，但因是、i、i、r、r五个变量的函数。实际应用中由于精确测量目标表面的dEi(i,i)十分困难，因而实际上BRDF不能直接得到。B、双向反射(r双)定义：测量方向上物体表面的反射辐射亮度与照射在入射方向的辐射亮度之比 r双 = r双与测量条件直接有关，测量值受“照射源目标物测量仪器”之间相对值影响，不能精确反映目标物的固有反射特性，不同条下测得的r双难于比较C、双向反射

16、率（比）因子：即相对反射率（BRF） 定义：相同照度条下，目标物的反射亮度L与标准参考面（朗伯面）的反射亮度L0之比，乘以标准参考面的反射率r0 r = r0 r0为常数 r的光谱量：r = r0，称光谱反射率（比）或光谱反射亮度系数只是地长入的函数，能够客观地反映物体固有反射性质。 标准参考板（面）一般为白板，常用BaSiO4或MgO制作，也有用MgCO3或陶瓷纤维制作。在r45°时，其性能接近于理想的浸散射体（朗伯面）。实际工作中也有用灰板作为标准参考板（面）。D、反照率：又称半球反射率 在2空间物体的反射通量（辐射出射度）与入射通量（或辐照度）之比E、反射面类型：通常分为光滑面

17、和粗糙面两类。 相对标准，相对于电磁辐射波长而言，判别准则：P98、99瑞利判别：</2当时为光滑面即 h</(8·Sin) l=2h·Sin =2/·l微波技术中，皮克 奥利弗（Peak、Oliver）修正： 平滑： h< 中度粗糙： < h < 镜面：反射能量集中分布在反射角r=入射角i方向上 漫反射面：即粗糙面，辐射亮度是一常数 在入射辐射照度不变的情况下漫反射面的反射亮度与观测的角度无关。理想的漫反射面（体）称朗伯面（体）满足朗伯定理：B()=B0Cos，其中B()为偏离表面法线角的辐射亮度，B0是表面法线方向的辐射亮度。 理

18、想漫反射面（朗伯面）的反射亮度与观测方向无关，与照射辐射的入射方向亦无关。 朗伯面 r双= Lr/ Ei= 常数单位面积辐射源的2空间辐射总出射率 朗伯面的辐射亮度在数值上等于辐射出射率的倍光谱量：L = ·E·r双 其中E为入射辐射率 在当阳高度角较小时，即i40°时，对于航天器高度，地球表面近似于朗伯体（面），传感器在太空记录的地物辐射亮度满L = ·E·r 和 L= ·E·r双当太阳照度不变，即E不变，L仅与地面物体的漫反射率r有关，从而直接反映出各种地物的固有反射特性。3、地物光谱测量方法A 样品的实验室测量： 目的

19、：主要是建立反射光谱与地物的物理、化学、生物组分等的关系，是遥感光谱信息的物理基础。样品采集和处理： 对植被：要有代表性，迅速冷藏保鲜，12h内测定 对土壤、岩矿：按专业要求制备成粉、块等进行测量。测量光谱的同时，应对相应样品的组分或其它有关物、化、生物量进行测量分析。旨在获取地物化学组分、生物物理量与反射光谱的关系。 多用分光光度计进行。测量条件：方向照射、半球接收反射率（比）与野外的测量有别B 双向反射率（比）因子场地（野外）测量 目的：使所测数据能与航空、航天传感器获取的数据进行比较。定标传感器，建立空地数据对比关系。原理：以国产302型野外分光广度计为例，其光谱范围0.41.1um，工

20、作原理如下图：由图可见，从被测物体或标准板反射出来的复合光束，经过单色仪的色散作用而被分解成单色光，单色光经接收转换、放大而变成光电流，并通过微电流计将物体的反射光能量显示出来。由于光度计到地物的高度相对于实际传感器到地面的高度小得多，大气对电磁辐射的散射影响可忽略不计。光度计测得的地物和标准板的反射辐射亮度为：L()物 = E0()sin()()物K()L()标 = E0()sin()()标K()式中E0()太阳光谱辐射度；太阳高度角；波谱段； ()大气斜程光谱透射率； K()光度计响应率（灵敏度）因为光度计输出的光电流正比于输入的光能量，所以上式进一步写为：I()物 = C·L(

21、)物 I()标 = C·L()标 其中C为转换系数取两式之比 I()物 / I()标 = ()物 / ()标 则 ()物 =()标·I()物 / I()标 方法：一般均采用传感器垂直向下测量，用比较法测量目标物和标准参考面（版）。 按g()=Vg()/Vs()·s() 计算 最好能够地面、空中、卫星三同步 一般原则：（1）仪器使用前必须进行校准和标定 （2）传感器和标准板及传感器和目标之间，几何关系固定不变 （3）标准板必须垂直光轴、充满仪器视场 （4）监测天空辐照度变化 （5）避开阴影、强反射体 （6）避开大风影响 （7）测量期间，其几何关系必须保持在一定范围，

22、如太阳天顶角i<50°，观测角r<30°，对植被r<10°。场地测量仪器及平台： 可见近红外光谱辐射计：两种波段范围：0.4-1.1um使用Si光电倍增探测；使用PbS等探测。 光学特点：光栅扫描，慢，1分钟；列阵式，快，几十个ns，集成度高，CCD硅列阵，便携（手持）。 平台：三脚架 <2m 遥感车 <25m 铁塔 <60m测量数据的标准化： 仪器不同、性能差异，必须标准化后才能统一规范，可比较（统一标定，统一测量方法） 统一标定：标准灯标定和积分球标定 标准板必须标准化，并相对于国家计量标准进行测定 应依据地物单一或复合程度

23、、仪器视场与平台高低决定测量次数 n5 X±ta·s/s 当视场角较小时必须增加测量次数C 航空光谱测量以飞机为空中测试平台，在短时间内获取大量地物光谱数据。特点：所获光谱数据易与多光谱扫描仪等传感器获得的像元对应，特别适合于与多光谱图像建立对应关系。可获得地面难以或不能获取的森林光谱、沼泽光谱、滩涂光谱。地面、航空同步测量相配合，可进行传感器辐射校正。测试仪器必须在进行定标外，还应进行准确内定标，以取得定量的遥感数据。应用：由于航空光谱平台高，采样快速，仪器本身分辨率高，因此所获数据的地物光谱在复合性、统计性上很好，也能避免许多地面干扰因素。因此，航空光谱数据对波段选择评

24、价、传感器辐射参数校正以及建立地面和空间平台的信息联系有重要价值。二、地物反射光谱特性1、地物光谱测量与分析光谱测量 反射光谱 发射光谱光谱分析2、水体反射光谱 3、植被反射光谱 4、反射光谱 5、岩石反射光谱 6、城市地物反射光谱，即人工地物光谱三、影响地物反射光谱特性的因素反射光谱 综合因素反映 表面色泽 图3。23 可见光波段 表面粗糙度 表面含水量 土壤、植被、岩石等含水量影响光谱反射率 风化程度 改变表面粗糙度和颜色 等 新的物性 成分 结构四、地物反射光谱特性与遥感地物反射光谱（测量）在遥感中的作用： “字典” 选择、设计遥感传感器通道的依据 遥感图像解译的主要依据之一 色调1、空

25、中遥测地物辐射亮度的基本模式L = L地 + L天光 L地 = L天光 = L = 式中为大气层顶部的太阳光谱辐照度； 为传感器通道的光谱响应函数； 为地面物体的光谱反射率； 为地球大气的反射和散射因子 为太阳高度角时的大气透射率； 为大气在天顶方向的光谱透射率空中遥测地面辐射亮度的基本模式：它表示：在一定的太阳辐照度和大气条件下，遥感系统任何一个通道测取的地物辐射亮度，与相应波段地物光谱反射率成正相关关系。决定于探测器性能，每个通道有确定的值。2、视反射率图像及其生成方法3、光谱数据比较 土壤与植被的比较 雪、沙漠、小麦、湿地的比较 典型沉积岩的比较 铁氧化物的比较 TM探测波段及其用途 S

26、OPT卫星HRV探测波段及其用途 CBERS1中巴资源卫星 蚀变岩识别的方案选择4、MSS、TM、SPOT图像中地物光谱特征与地物光谱关系实习TM1(0.450.52um) 蓝绿光对水体穿透力强，对叶绿素浓度敏感，植被、水体、土壤等在该波段反射率差别明显。有助于判读水质、水深、水中叶绿素分布、沿岸水流、泥沙和近海水域制图。可用于土壤和植被分类。植被呈暗色调，水体次之。MSS4、TM2(0.520.60um) 绿黄光被段，对水体有较强的透射能力，水体色调浅，可反映一定深度（>10m）水下地形，有利于识别水体混浊度、沿岸流、沙州等。MSS5、TM3(0.630.69um) 橙红光波段，对水体

27、有一定的透射能力（约2M），可反映水中泥沙含量、水下地貌和泥沙流。为叶绿素的主要吸收波段，健康植被影像色调深，病害植被、伪装枯树等呈浅色调。反映不同植物叶绿素吸收和健康状况，用于区分植物种类和覆盖度。MSS6、MSS7、TM4(0.760.90um) 摄影红外波段，是水的强吸收和植被的强反射波段，图像清晰，反差大，立体感强，能显示各种地形细节，如微水系、微地貌和一些人工建筑物。水体黑色，浅层地下水丰富、土壤湿度大的地段、城镇色调较深。有利于研究水体分布，划分水陆界线，找水等工作。健康植被具有强反射，为明亮的浅色调，病害植被呈较深色调。阔叶林色调浅，针叶林色调相对深。易于圈定植被分布范围，区分树

28、林、农作物、草地等植被类型，调查植物量和测定作物长势。TM5(1.551.75um) 近红外波段，对地物含水量反映较敏感，可用于土壤湿度、植物含水量调查、水分状况研究、作物长势分析。区分云与雪。检测蚀变岩。TM7(2.082.35um) 近红外波段，为地质研究追加的波段。水体强吸收呈黑色。大部分岩石高反射率。含OH-、CO2-3的矿物具有特征标志性吸收带。可探测热液蚀岩（带），检测粘土类矿化蚀变。TM6(10.412.5um) 热红外波段，反映地物的热辐射信息。用于绘制地表热异常图、探测植被病虫害、区分岩石类型、找水、生态环境监测等。SPOT卫星 Xs1 绿波段（0.50.59um）位于叶绿素

29、光谱反射曲线极大值的波长处，同时也是水体最小衰减值的一边，能探测水的混蚀度和1020m的水深。 Xs2 红波段（0.610.68um）与MSS5、TM3相同，提供作物识别，裸露土地和岩石表面情况。 Xs3 近红外（0.790.89um）植被表现特亮，水体表现非常黑，大气穿透性好，红和红外波段综合使用对植被和生物的研究相当有利。第四章 物体热辐射内容：讲解主要要点，布置自学，介绍热红外遥感图像的应用一、热辐射的概念 平衡热辐射 为什么热辐射受温度影响？二、绝对黑体 任何温度下，对任何波长的入射辐射完全吸收 即 a（,T）=1, t=t=0 灰体 a（,T）=a ，其中a<(0,1) 基尔霍

30、夫定律 良的吸收体也是良的发射体 吃什么，吐什么 基尔霍夫定律的微观量子解释三、绝对黑体的热辐射定律 内容： 1 不同温度的辐射光谱曲线不相交，温度升高，各个波长的辐射量都增加 2 对某一温度值的热辐射，热辐射的光谱曲线只有一个峰值 3 最大辐射所处波长值与黑体的温度成反比 维恩位移定律 4 总辐射出射度随温度升高迅速增大 M(T)=T4 斯忒潘玻尔兹曼定律 解释： 普朗克黑体辐射公式 量子解释 能量是一份一份地按不连续方式发射的， 最小单位 e=h. 是辐射的电磁波的频率 h是普朗克常数 每份能量都是e的整数倍四、一般物体的热辐射 一般物体发射率<b(b=1) 一般物体辐射温度T辐<T实1、色温度 辐射温度 与绝对黑体比较热辐射曲线求得，主要是比较最大辐射波长2、一般物体的热辐射公式M(T) = 物体亮度温度Tb = 1/4T 3、比辐射率（发射率）决定于物体的性质和表面状况，是温度和波长的函数发射光谱：物体在某一特定温