第二章 遥感物理基础

1、第二章第二章遥感基本原理遥感基本原理遥感成像过程遥感成像过程遥感基本原理遥感基本原理 地球上任何物体都在不停吸收、发射和反射信息和能量（电磁波），不同物体的电磁波特性是不同的，遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和自身发射的电磁波，来提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。13日，CCTV4 海峡两岸节目中，军事专家张召忠谈马航MH370失联事件，当讲到红外遥感卫星时，说“零下700度以上的物体”都能被观测到。辐射源辐射源 按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列，就得到电磁波谱电磁辐射波谱电磁辐射波谱电磁波谱电磁波谱 黑体概念：实验室理想的热辐射特征研究对象物理学概念（

2、黑体=全吸收体） 黑体是对外界辐射量完全吸收的理想物体，自然界并不存在。 自然界存在着灰体，即一部分能量吸收，一部分能量反射。灰体辐射的规律接近黑体。黑体黑体电磁辐射基础电磁辐射基础普朗克定律普朗克定律描述黑体的辐射出射度描述黑体的辐射出射度(W m(W m-2-2 mm-1-1) )T T 为绝对温度为绝对温度) 1(2),()/(52kThcehcTB维恩位移定律维恩位移定律mT = 2897.9 m K地球辐射地球辐射v地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称。v地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。v装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。

3、被动遥感的辐射源被动遥感的辐射源v太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.32.5um波段之间。（可见光和近红外）v地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0um以上的波段。（热红外） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.4 2.6 2.8 3.0 太阳辐射太阳辐射大地辐射大地辐射 0 3 占有占有 0.2 % 3 5 占有占有 0.6 % 5 8 占有占有 10 % 8 14 占有占有 50 % 14 30 占有占有 30 % 30 100 占有占有 9 % 1 mm 占有占有 0.2 %mmmmmm大地也近似可看为黑体

4、，向外辐射能量。大地也近似可看为黑体，向外辐射能量。大地辐射能量分布为：大地辐射能量分布为：这就是热红外的波段划分的依据。这就是热红外的波段划分的依据。注意：注意： 遥感夜晚成象可以反映地表温度。遥感夜晚成象可以反映地表温度。地球辐射的分段特性地球辐射的分段特性v在0.32.5um波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略 。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射对地表进行探测和成像。v在2.56.0um波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。v在6.0um以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主，地表

5、反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像） 地球辐射的分段特性地球辐射的分段特性了解地球辐射的分段特性的意义了解地球辐射的分段特性的意义v可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。v中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。v热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。 被动遥感和主动遥感被动遥感和主动遥感 大气能量大气能量- -物质交换作用物质交换作用电磁波传输的几种方式电磁波传输的几种方式电磁波与大气相互作用电磁波与大气相互作用大气折射与反射大气折射与反射v折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气密度越大，折射率越大。v反射现象：

6、电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪声）。 n1n3n2Optically less denseOptically more denseOptically less denseIncident radiation 2 3 1Path affected by atmospherePath unaffected by atmosphere斯涅尔定律（Snells Law）因荷兰物理学家威理博斯涅尔而命名，是一条描述光的折射规律的定律，即：光入射到不同介质的界面上会发生反射和折射。其中入射光和折射光位于同一个平面上，并且与界面法线的夹角满足如下

7、关系：n1sin1 = n2sin2其中，n1和n2分别是两个介质的折射率，1和2分别是入射光（或折射光）与界面法线的夹角，叫做入射角和折射角。大气相互作用：折射大气相互作用：折射大气相互作用：散射大气相互作用：散射大气散射是重要而且普遍发生的现象，大部分进入我们眼睛的光都是散射光。如果没有大气散射，则除太阳直接照射的地方外，都将是一片黑暗。大气散射作用削弱了太阳的直接辐射，同时又使地面除接收到经过大气削弱的太阳直接辐射外，还接收到来自大气的散射辐射，大大增加了大气辐射问题的复杂性。大气散射效应大气散射效应 瑞利散射（瑞利散射（Rayleigh-Scattering） 选择性散射要求条件为微粒

8、半径选择性散射要求条件为微粒半径 r 瑞利散射具有如下特点：散射光强与波长四次方成反比。粒子前半部和后半部的散射光通量相等。前向和后向的散射光最强，都比垂直方向强一倍。米氏散射散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变化不如瑞利散射那样剧烈。随着粒子增大，散射的总能量很快增加，并最后以振动的形式趋于一定值。散射光强随角度变化出现许多极大值和极小值。当粒子尺度参数增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大大气相互作用：吸收大气相互作用：吸收大气窗口大气窗口v太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。v由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得

9、太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。v电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。（对地遥感要用的部分） Atmospheric windows大气窗口大气窗口大气窗口大气窗口 示例应用 如果希望观测地表信息如果希望观测地表信息 选择大气窗口段的波段选择大气窗口段的波段 如果希望观测大气信息，可以选择非大气窗口段如果希望观测大气信息，可以选择非大气窗口段思考题思考题 结合电磁波谱以及大气窗口的概念分析遥感应用结合电磁波谱以及大气窗口的概念分析遥感应用的电磁波波段主要有哪些的电磁波波段主要有哪些遥感应用的电磁波波谱段遥感应用的电磁波

10、波谱段遥感应用的电磁波波谱段遥感应用的电磁波波谱段 紫外线：波长范围为波长范围为0.010.010.38m0.38m，太阳光谱中，只，太阳光谱中，只有有0.30.30.38m0.38m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 m2000 m以下。以下。可见光：波长范围：波长范围：0.380.380.76m0.76m，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。红外线：波长范围为波长范围为0.760.761000m1000m，根据性质分为近，根据性质分为近红外、中红外、远红外

11、和超远红外。红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为微波：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。地物波谱特征地物波谱特征地物表面电磁波能量地物表面电磁波能量地物反射地物反射电磁波到达地面会与地物发生相互作用，可表现为perfect specular (mirror-like) - incidence angle = exitance angleperfectly diffuse (Lambertian) - same reflectance in all directions independent of illumination

12、 angle)Natural surfaces somewhere in between电电磁波与地物的相互作用磁波与地物的相互作用Real surfaces usually display some degree of reflectance ANISOTROPYLambertian surface is isotropic by definitionMost surfaces have some level of anisotropyFigure 2.1 Four examples of surface reflectance: (a) Lambertian reflectance (b)

13、 non-Lambertian (directional) reflectance (c) specular (mirror-like) reflectance (d) retro-reflection peak (hotspot).(a)(b)(c)(d)双向反射双向反射: BRDF: BRDFReflectance of most real surfaces is a function of not only , but viewing and illumination anglesDescribed by the Bi-Directional Reflectance Distributi

14、on Function (BRDF) BRDF of area A defined as: ratio of incremental radiance, dLe, leaving surface through an infinitesimal solid angle in direction (v, v), to incremental irradiance, dEi, from illumination direction (i, i) i.e.1)(),() ,(srdEdLBRDFie is viewing vector (v, v) are view zenith and azimu

15、th angles; is illum. vector (i, i) are illum. zenith and azimuth anglesSo in sun-sensor example, is position of sensor and is position of sunNote that BRDF defined over infinitesimally small solid angles , and interval, so cannot measure directlyIn practice measure over some finite angle and and ass

16、ume validsurface area Asurface tangent vectori2-vviincident solid angle incident diffuse radiationdirect irradiance (Ei) vector exitant solid angle viewerConfiguration of viewing and illumination vectors in the viewing hemisphere, with respect to an element of surface area, A.双向反射双向反射: BRDF: BRDFSpe

17、ctral behaviour depends on illuminated/viewed amounts of materialChange view/illum. angles, change these proportions so change reflectance Information contained in angular signal related to size, shape and distribution of objects on surface (structure of surface)Typically CANNOT assume surfaces are

18、Lambertian (isotropic)Modelled barley reflectance, v from 50o to 0o (left to right, top to bottom).双向反射双向反射: BRDF: BRDFv地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。v地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。v地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。 地物波谱的特性地物波谱的特性地物反射波谱特征地物反射波谱特征v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： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量。v一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0. 450. 56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达1020 m，清澈水体可达100 m的深度。v地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。 地物波谱特征地物波谱特征地物波谱曲线的作用地物波谱曲线的作用v物