第二章 遥感的物理基础

1、遥感原理第二章 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地物波谱特征的测定遥感原理第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱v电磁波及其特性v电磁波谱v电磁辐射源遥感原理一、电磁波及其特性一、电磁波及其特性1.波的概念：波是振动在空间的传播。2.机械波：声波、水波和地震波3.电磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源发出的电磁振荡在空气中传播。演示遥感原理4. 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理5. 电磁辐射:电磁能量随电磁波的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。其传播表现为光子（或称为量子）组成

2、的粒子流的运动。 E: E: 电场、电场、H: H: 磁场、磁场、: : 波长、波长、h: h: 振幅振幅 h h 电磁振源电磁振源传播方向传播方向遥感原理6. 电磁波的特性1)电磁波是横波2)在真空中以光速传播电磁波在介质中的传播速度 V 为：11 CV可见，电磁波在介质中的传播速度V总是小于在真空中的传播速度C遥感原理3）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。v波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待，用波长、频率、振幅等来描述。v粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子-光子，其能量大小用频率来描

3、述。是电磁波的一个特例 光的波动性 - 表现在光的干涉、衍射、偏振和色散等现象中； 光的粒子性 - 表现在光电效应、黑体辐射等现象中。v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。kxtAsin遥感原理 光的干涉光的干涉 小孔的衍射小孔的衍射./22. 1d 遥感原理遥感原理 hQ /hcQ Ccmcm、mmmm、 m m、nmnmHz、KHz、MHz、GHzC810998. 2C 光谱辐射通量光谱辐射通量 光 谱 辐 射 通 量光谱分布曲线光谱辐射通量 辐 射 通 量 1 2 波 长 dAdE/dAdM/dAdAd 遥感原理ddI/dAd

4、zyxO遥感原理 cos/2dAddL A cos A 辐射亮度遥感原理二、电磁波谱二、电磁波谱1. 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。 在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其次是红外线、可见光、紫外线、X射线；波长最短的是射线 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。 无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生的红外线是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的.可见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的 X射线是原子内层电子受激发产生的射线是原子核受激发产生的 遥感原理The Electromagnetic SpectrumMore than meets th

5、e eye!Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumEnergyWavelength Solar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mCO2H2OO3Terrestrial Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum = Thermal Spectrum: Sahara Desert on Nimbus 4 SatelliteTheore

6、tical Planck curves:Earth 300K, peak emission 15 mEarth SpectrumIncoming from Sun:High energy, short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 m10 m20 m遥感原理1.紫外线紫外线 波长范围为波长范围为0.010.4微米。太阳辐射中的微米。太阳辐射中的紫外线通过大气层时，波长小于紫外线通过大气层时，波长小于0.3微米紫外线微米紫外线几乎都被吸收，只有几乎都被吸收，只有0.30.4微米波长的紫外微米波长的紫外线部分能够

7、穿过大气层到达地面，能量很少，线部分能够穿过大气层到达地面，能量很少，并能使溴化银感光。紫外线在遥感中主要用于并能使溴化银感光。紫外线在遥感中主要用于探测碳酸盐分布和油污染的监测等。由于紫外探测碳酸盐分布和油污染的监测等。由于紫外线从空中可探测的高度大致在线从空中可探测的高度大致在2000m以下，因以下，因此紫外线对高空遥感不宜采用。此紫外线对高空遥感不宜采用。 2、遥感常用的电磁波波段的特性遥感原理 波长范围为波长范围为0.40.76微米，由红、橙、微米，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光的全色光和单色光都可直接感觉，可见光的全色光和单色光都

8、可直接感觉，因此可见光是作为鉴别物质特征的主要因此可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。波段。遥感原理 波长范围为波长范围为0.761000微米微米 近红外（近红外（0.763微米）主要是地面反射太阳的微米）主要是地面反射太阳的红外辐射，在遥感技术中可以采用摄影方式和红外辐射，在遥感技术中可以采用摄影方式和扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红外扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红外反射，但由于目前技术的限制，目前只能感测反射，但由于目前技术的限制，目前只能感测0.761.3微米的波长范围。微米的波长范围。 中红外（中红外（36微米），远红外（微米），远红外（615微米）微米）和超远红外（和超

9、远红外（151000微米）是产生热感的原微米）是产生热感的原因，所以又称热红外。在遥感技术中主要利用因，所以又称热红外。在遥感技术中主要利用316微米波段，具有全天时的特性。微米波段，具有全天时的特性。 遥感原理 波长范围为波长范围为1mm1m。微波又可分为：毫米。微波又可分为：毫米波、厘米波和分米波。微波也具有热辐射特性，波、厘米波和分米波。微波也具有热辐射特性，可以穿透云、雾不受天气影响，所以微波能进可以穿透云、雾不受天气影响，所以微波能进行全天候全天时遥感。微波遥感可以采用主动行全天候全天时遥感。微波遥感可以采用主动和被动方式成像，对某些物质如植被、冰雪、和被动方式成像，对某些物质如植被

10、、冰雪、土壤等表层覆盖物具有一定的穿透能力。因此土壤等表层覆盖物具有一定的穿透能力。因此它也是遥感中最有发展潜力的波段。它也是遥感中最有发展潜力的波段。遥感原理三、电磁辐射源三、电磁辐射源1. 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。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。遥感原理太阳辐射照度分布曲线太阳辐射能各谱段的百分比太阳辐射能各谱段的百分比 波波 段段%1000远远 红

11、红 外外微微 波波041遥感原理太阳与地球辐射的电磁波谱遥感原理2.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 微波遥感在地质构造、找矿，海洋、海水调查，土壤水分动态监测、洪涝灾害调查及军事等方面具有广阔的应用前景。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。复习遥感原理 入射能入射能 EI反射能反射能 ER吸收能吸收能 EA 透射能透射能 ET1)()( ）（对于某波段

12、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。遥感原理1 地物的反射率地物的反射率（反射系数或亮度系数）（反射系数或亮度系数）：影响地物反射率大小的因素：入射电磁波的波长入射角的大小地表颜色与粗糙度)( )()()( IREE）（入射能反射能遥感原理)cos8/(h（a）镜面反射）镜面反射 （b）漫反射）漫反射 (c) 方向反射方向反射反射的三种形式反射的三种形式遥感原理镜面反射镜面反射遥感原理漫反射漫反射cos)(0 II遥感原理方向反射方向反射遥感原理树叶为什么是绿色的？树叶为什么是绿色的？遥感原理水为什么是蓝色的？水为什么是蓝色的？遥感原理2. 地物的反

13、射光谱：地物的反射光谱：地物的反射率随入地物的反射率随入射波长变化的规律。射波长变化的规律。1)地物反射光谱曲线地物反射光谱曲线：根据地物反射率根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。地物性质的基本原理。2)2)不同地物在不同波段反射率存在差不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、异：雪、 沙漠、湿地、小麦的光谱沙漠、湿地、小麦的光谱曲线曲线遥感原理 不同地物的反射率不同地物的反射率遥感原理 传感器探测波段的设计，是通过分析传感器探测波段的设计，是通过分析比较地物光谱数据而确

14、定的。比较地物光谱数据而确定的。 多光谱扫描仪（多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：）的波段设计： MSS1(0.5-0.6 m) MSS2(0.6-0.7 m) MSS3(0.7-0.8 m) MSS4(0.8-1.1 m) 遥感原理草地与人造草皮在不同影像上的不同表现遥感原理3) 同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。不同植物；植物病虫害4) 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。q时间特性q空间特性遥感原理不同植物光谱曲线比较遥感原理植被的病虫害遥感原理时间特征遥感原理 地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。1. 黑体：在任何温度下，对各种波

15、长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。2. 黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。1. Power Source: Blackbody Radiation Plancks Law:The amount and spectrum of radiation emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperatureEmission from warm bodies peak at short wavelengthswavelength620 K380 K3、黑体辐射定律(1)

16、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。1/5212)(kTchehcTW、遥感原理黑体辐射的三个特性A.辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。B.温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。C.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。辐辐射射出出射射度度可见光波段辐射能可见光波段辐射能太阳温度太阳温度白炽灯温度白炽灯温度地 球地 球温温 度度 波长波长 (m)不同温度下的黑体辐射不同温度下的黑体辐射 (2)斯特藩玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmanns law 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

17、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。4001/1522TdkTchehcW(3)(3)维恩位移定律维恩位移定律：Wiens displacement law 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。bT maxmax)( KT地球温度地球温度太阳温度太阳温度4、地物的发射率和基尔霍夫定律1)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。它也是遥感探测的基础和出发点。影响地物发射率的因素： 地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及

18、具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。黑WW遥感原理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(grey body)：发射率小于1，常数选择性辐射体：发射率小于1，且随波长而变化。2)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。黑WW黑WW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。4TW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。遥感原理5、黑体

19、的微波辐射1)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。2)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。3)瑞里瑞里金斯公式金斯公式 黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。 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。（表2-6）2)(2kTW遥感原理遥感原理6、地物的发射光谱发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。岩

20、石的发射光谱分析（图2-12）遥感原理 亮度温度：衡量地物辐射特征的重要指标。指物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。 The temperature of the black body which radiates the same radiant energy as an observed object is called the brightness temperature of the object. 亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。TTB遥感原理遥感原理遥感原理 白白-红红 表征表征 “热点热点” 遥感原理 a. 清晨清晨 6点点 （空气温度

21、（空气温度9） ； b. 上午上午8点；点； c. 午后午后14点点 （空气温度（空气温度2） ； d. 第二天上午第二天上午11点点 （空气温度（空气温度4）遥感原理 透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。 透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。（如：水体对0.45-0.56um的蓝绿光具有一定的透射能力，较浑浊水体的透射深度为12m，一般水体的透射深度可达1020m。） 可见光、红外、微波的透射能力。遥感原理遥感原理上海技物所遥感原理第三节 大气和环境对遥感的影响 大气的成分和结构 大气对太阳辐射的影响 大气窗口 环境对地物光谱特性的影响复习遥感原理遥感原理遥感原理一、大

22、气的成分遥感原理遥感原理* a concentration near the earths surface遥感原理遥感原理遥感原理遥感原理遥感原理二、大气的结构遥感原理二、大气的结构 大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外层。1.对流层 ：上界往往随纬度、季节等因素而变化（7-19km）。它集中了主要的大气现象。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。2.平流层： （至50km）包括底部的“同温层”（至20km）和随高度上升温度缓慢上升的“暖层”。层内除季节性的风外，几乎没有什么天气现象。对电磁波传输表现较为微弱。3.中气层： （至80km）介于上下两个暖层之间，又

23、称“冷层”，温度随高度增加而递减，大约在 80 km处降到最低点约178 K （-95），也是整个大气最低点。 。4.热层：又称增温层，电离层。层内空气稀薄，温度很高.可达1500 K。无线电波在该层发生全反射现象 而对遥感使用的可见光、红外直至微波的影响较小，基本上是透明的。卫星的运行空间。5.大气外层：1000公里以外的星际空间。对卫星的运行基本上没有影响。遥感原理遥感原理三、大气对太阳辐射的影响 太阳辐射的衰减过程：30%被云层和其他大气成分反射回宇宙空间；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。 大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。遥感原理一、遥感原理遥感

24、原理遥感原理遥感原理遥感原理大气的吸收作用（总结）A.大气中的氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内B.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。C.臭氧：数量极少（0.01%-0.1%)，但吸收很强。两个吸收带(0.2-0.3 m 、0.6 m )；对高度10km的航空遥感影响不大。D.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。而水汽的含量随时间、地点而变化。E.二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。特别是在以14.5 m为中心，形成了一个1317 m强吸收波段，由于CO2的相对含

25、量近似恒定，该吸收波段用以遥测大气温度垂直分布的主要手段。F.尘埃：有一定的吸收作用，量少。遥感原理Absorption of EM energy by the atmosphere遥感原理（二）大气的散射作用 散射作用：太阳辐射在传播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。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。Scattering of EM energy by the atmosphere遥感原理遥感原理三种散射作用三种散射作用Relationship between path length of EM radiation and the level of atmospheric scat