遥感概论课件：2遥感电磁辐射基础

1、12 遥感电磁辐射基础2A: 能量来源：电磁能量B：辐射与大气C：与目标的作用D：记录电磁辐射（传感器/平台）E：传输、接收与处理（地面站）F：解释与分析G：应用 遥感过程的要素课程将依次介绍遥感过程的每个环节32.1 电磁辐射遥感是利用传感器主动或被动地接受地面目标反射或发射的电磁波，通过电磁波所传递的信息来识别目标，从而达到探测目标物的目的应掌握有关电磁波的知识41. 电磁波（1）电磁波的产生 电磁波是电磁振动的传播。当电磁振荡进入空间时，变化的电场和变化的磁场相互依存、又相互激发，并以有限的速度在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射周期性变化的磁场必定会激发周期性变化的电场，而周期性变化的

2、电场也会激发周期性变化的磁场。 电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直5电磁波示意图E 电场，M 磁场，C 传播方向6Wave model of electromagnetic Radiation72、电磁波的性质电磁辐射具有波的性质和粒子的性质（波粒二相性）电磁波的性质与光波相同，在真空中传播速度c为3*108m/s c=f*, f 频率，波长8波长与频率9电磁波的性质电磁波的传播，也是能量的传递，也称电磁辐射光子的能量： E=h=h c/ h: 普朗克常数波长越短（频率越高），能量越高10电磁波的性质遇到介质（气体、液体、固体），发生一系列现象：反射：镜面反射：入射角等于反射角漫反

3、射：反射向四面八方折射：射入介质，折射角一般不等于入射角吸收：部分被介质吸收透射：从入射延伸方向射出介质发射：自身向外辐射能量电磁波与物体间的相互作用图11电磁波的性质反射、吸收和透射的能量和等于入射的总能量反射率=（反射能量/入射总能量）*100%吸收率=（吸收能量/入射总能量）*100%透射率= （透射反射能量/入射总能量）*100%散射：辐射传播中，若遇到小粒子，会向四面八方散去，电磁波强度和方向发生各种变化，即散射。强度随波长改变。 散射：方向不可预测，反射：方向可预测12散射：辐射传播中，若遇到小粒子，会向四面八方散去，电磁波强度和方向发生各种变化。强度随波长改变。133、电磁波谱按

4、照电磁波在真空中传播的波长或频率排列形成的一个连续谱带14电磁波谱分段波段（Band）、通道(Channel)、区域(Region): 电磁波谱中波长（频率）间隔（或分段）几个主要的分段：宇宙射线、伽玛射线、X射线、紫外、可见光、红外（近、中、远）、微波、无线电波1516电磁波谱17电磁波区域划分（以波长为界）：波段波长无线电波长波中波和短波超短波3000以上10-3000m1-10m微波1mm-1m红外波段超远红外波段远红外（热红外）中红外近红外-短波红外0.76-1000 m15-1000 m6-15 m 3-6 m0.76-3m可见光红橙黄绿青蓝紫0.38-0.76 m0.62-0.76

5、 m0.59-0.62 m0.56-0.59 m0.50-0.56 m 0.47-0.50 m0.43-0.47 m0.38-0.43 m紫外波段10-3-3.8 10-1mX 射线10-6-10-3 m 射线10-6 m 也有人把 0.76-15 m 看作近红外 ,15-1000m看作远红外18可见光 (visible)：0.38-0.76m19红外(Infrared, IR)反射红外（Reflective IR）：0.7-3.0m热红外(Thermal IR)：6.0-100m以往用法：近红外：0.7-1.1 m中红外：1.1-3.0（6.0，8.0） m远红外：8.0-100 m目前遥感

6、界习惯用法：近红外（NIR, near-infrared）：0.7-1.1 m短波红外(SWIR, shortwave IR）：1.1-3.0（2.5） m中红外(MWIR, Mid wave IR)：3.0-6.0（8.0） m热红外(TIR, Thermal IR)：8.0-15 m20微波波段(1mm-1m, 最常用1cm-1m)遥感常用波段符号：P：30-100cmL: 15-30cmS: 7.5-15cmC: 3.75-7.5cmX: 2.4-3.75cmKu: 1.57(1.7)-2.4cmK: 1.1-1.57(1.7)cmKa: 0.75-1.1cm（请自己查找这些字母各自代表

7、的含义！）214、电磁辐射的度量为了定量地描述电磁辐射，必须了解下面辐射测量的定义及其度量单位。辐射能量 W: 电磁辐射的能量，单位是 J 。辐射通量: 单位时间内通过某一面积的辐射能量，是辐射能流的单位，记为=dW/dt。用W（J/s）表示；辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该是各波段辐射通量之和或辐射通量的积分值。辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量辐照度I (irradiance)：被辐照的物体表面单位面积上的辐射通量，记为:I=d/dS。单位是W/m2, S为面积。辐射出射度M (exitance)：温度为T的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，记为:d/dS。单位也是

8、 W/m2，S为面积。(在单位时间内从物体表面单位面积上发出的各种波长的电磁波能量的总和) 辐照度I与辐射出射度 M 都是辐射通量密度的概念，只不过前者为物体接收的辐射，后者为物体发出的辐射, 它们都与波长有关。22The concept of radiant flux density for an area on the surface of the earth. Irradiance is a measure of the amount of incoming energy in Watts m-2. Exitance is a measure of the amount of energ

9、y leaving in Watts m-2.辐射通量密度(radiant flux density):辐照度（irradiance）辐射出射度(exitance)235、电磁辐射规律（黑体辐射和实际物体辐射）黑体（Blackbody）：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，又能全部发射，则该物体是绝对黑体。-理想的辐射体吸收率为1，反射率为0，发射率为1，与温度和波长无关达到最大的吸收，最大的发射黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体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和吸收现象时，物体的光谱吸收系数和反射系数之和恒等于1。实际物体的温度不同或入射电磁波的波长不

10、同，都会导致不同的吸收和反射。任何温度高于0k物体都会产生电磁辐射24 用不透明材料制成的开有小孔的空腔(如上图)就是一个黑体模型。空腔外面的辐射能够通过小孔进入空腔，进入空腔的射线，在空腔内进行多次反射，每反射一次内壁吸收一部分能量，最后全部被吸收掉，从小孔穿出的辐射能可以略去不计。小孔即相当于黑体的表面。上图演示了这样一个黑体模型。黑体实验25黑体的辐射规律根据实验结果和理论分析，得到关于黑体辐射的基本定律：斯忒藩-玻尔兹曼定律（J. Stefan, 1835-1893; L E Boltzmann, 1844-1906）维恩位移定律(W. Wein, 1846-1928)普朗克定律 (P

11、lank law)26斯忒藩-玻尔兹曼定律：绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比， M= T4式中， 为斯忒藩-玻尔兹曼常数， =5.67 10-8 W/m2K4。整个电磁波谱的总辐射出射度 M, 可以用某一单位波长间隔的辐射出射度M对波长 由 0 到无穷大的整个电磁波段积分，27Blackbody Radiation CurvesBlackbody radiation curves for several objects including the Sun and the Earth which approximate 6,000 K and 300 K blackbodies,

12、respectively. Notice that as the temperature of the object increases, its dominant wavelength shifts toward the short wavelength portion of the spectrum.28维恩位移定律：黑体辐射光谱中最强辐射的波长（主波长）max与黑体绝对温度T成反比： max= b/T b为常数， b =2.898*10-3mK 温度越高，最强辐射波长越短太阳辐射：6000K， max = 0.483m =2898mK/6000K地球辐射：300K， max = 9.66

13、m =2898mK/300K温度对黑体辐射的强度有很大的影响。连续的、但不同波长强度不同主波长(dominant wavelength): 黑体辐射强度最大值所对应的波长当绝对黑体的温度升高时，其辐射强度最大值对应的波长（主波长）向短波方向移动29Blackbody Radiation CurvesBlackbody radiation curves for several objects including the Sun and the Earth which approximate 6,000 K and 300 K blackbodies, respectively. Notice t

14、hat as the temperature of the object increases, its dominant wavelength shifts toward the short wavelength portion of the spectrum.30普朗克定律普朗克公式：c, 真空中的光速；k, 波尔兹曼常数，为1.38*10-23 J/K；h, 普朗克常数，6.63*10-34 Js; M, 辐射出射度；T温度，波长 根据量子理论，将辐射、波长和温度联系起来，可以解释上述所有经验关系31实际物体的辐射实际物体的辐射不同于绝对黑体的辐射，在相同温度下，实际物体的辐射出射度（辐射

15、通量密度）比绝对黑体的要低。 地物发射某一波长的辐射出射度（辐射通量密度）与同温下黑体在同一波长上的辐射出射度之比，称地物光谱发射率（emissivity）(也称比辐射率)，即： = M /M 发射率是一个数字，其值介于0和1之间，作为比较一辐射源接近黑体的程度。不同地物有不同的，同一地物在不同波段的波谱发射率也不同。随温度变化表 32实际物体辐射：上述定律（公式）前都需乘以发射率斯忒藩-玻尔兹曼定律： Mobject= .T4普朗克定律：33实际物体的辐射实际地物的发射分两种情况（1）选择性辐射体，在各波长处的发射率不同；（2）灰体，在一定温度下，其各处的发射率相等。按发射率变化情况，将物体

16、分为以下几个类型：绝对黑体： = =1灰体： = 0 1 （大多数物体可看作灰体）选择性辐射体: =f()理想反射体: = =0342.2 太阳辐射和地球辐射1. 太阳光谱：太阳是太阳系的中心天体，在太阳系空间，布满了从太阳发射的电磁波的全波辐射及粒子流，地球上的能量主要来自太阳。太阳光谱是连续的，且辐射特性与绝对黑体辐射特性近似；能量各波段所占比例不同，近紫外、可见光、近红外和中红外部分约占太阳总辐射的84.62%；X射线、射线、远紫外及微波波段的总能量不到1%。地表接受的太阳辐射曲线与大气外的曲线不同，差异主要由大气引起。太阳辐照度分布曲线352.2 太阳辐射和地球辐射2 地球辐射地表自身

17、热辐射地球辐射与相应的黑体辐射的关系：地球辐射接近于300K黑体辐射，但由于大气影响（主要是吸收），实际的辐射曲线为不平滑的折线。362.2 太阳辐射和地球辐射 3 太阳辐射和地球辐射的分段性： 太阳辐射接近于温度为6000K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为0.48m，地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为9.66 m，二者相差较远； 太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即0.3-2.5 m，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。 地球自身发出的辐射主要集中在波长较长的部分，即6 m以上的热红外区段。 在2.5-6 m的中红外波段，地球对太阳

18、辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略372.3 大气及其对电磁辐射的影响用于对地遥感的主要的电磁辐射源：太阳： 两次穿过大气地球： 一次其他人工辐射源：微波、激光雷达（0.7-1.5um）382.3 大气及其对电磁辐射的影响大气分层： 对流层、平流层、电离层、外大气层39大气组成：两类：分子和其他微粒：分子: 氮和氧占99%，臭氧、二氧化碳、水分子及其它（N2O, CH4, NH3等）约占1%；颗粒：烟、尘埃、雾、小水滴和气溶胶。气溶胶是一种固体、液体的悬浮物，直径0.01-30m大气对电磁辐射的影响作用：折射、反射、吸收、散射、透射 。（自身辐射）40大气折射 （Refraction）

19、电磁波穿过大气层时，会产生传播方向改变，即折射现象。大气密度越大，折射率越大；离地面高度越大，空气越稀薄，折射率越小。地面接收的电磁波方向与实际太阳辐射方向偏离了一个角度，称为折射值。41大气的反射（Reflection）主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，且波段不同大气影响不同，削弱了电磁波强度42大气吸收(atmospheric absorption)地球大气选择性地吸收电磁辐射，严重影响传感器对电磁辐射的探测，导致电磁辐射强度衰减；吸收作用越强的波段，辐射强度衰减越大，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。在太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些吸收带。主要吸收带：水： 0.94 m

20、， 1.38 m ， 1.86 m ， 2.5-3.0 m ， 3.24 m ， 5-7 m ，7.13 m ，24 m-1mm；二氧化碳：2.8 m ，4.3 m臭氧：0.2-0.32 m ，0.6 m ，9.6 m氧气：0.2 m ，0.6 m ，0.76 m4344大气在波长0-15m的吸收45大气散射(atmospheric scattering) 电磁辐射被气体分子和悬浮粒子向各方向发散（diffusion）的结果 由于粒子的散射作用使电磁波在原传播方向上的辐射强度减弱，增加了向其它各方向的辐射 散射大大减少了遥感数据的信息量，图像的对比度降低，不同地物的区分更困难三种散射类型：瑞利

21、散射、米氏散射、无选择性散射 瑞利散射（ Rayleigh scattering ）和米氏散射（ Mie scattering ）为选择性散射46散射作用减弱了电磁波在原传播方向上的辐射强度，增加了向其它各方向的辐射lC散射47大气散射(atmospheric scattering)散射类型与以下因素有关： 入射电磁波的波长； 气体分子、颗粒和水滴的大小粒子与波长： 小于 （瑞利） 等于（米氏） 大于（无选择性）48大气散射类型1 瑞利散射（ Rayleigh scattering ） 也称分子散射，由大气中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起，粒子直径比波长小很多条件： (2a/

22、)0.3。 颗粒半径a, 入射波长。特点：散射强度与波长的四次方成反比， 即 I -4，波长越长，散射越弱； 短波长比长波长的散射更强（水分子的直径约0.4nm） 在紫外和蓝色波长区最强，波长大于1m 时可忽略 “蓝天”、“晚霞”、“晨晖”（红日）是瑞利散射的结果（路径长短有关）492、米氏散射(Mie scattering) 大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等（大颗粒）引起的散射，粒子直径与辐射的波长相当。这种散射的强度受气候影响大。 (直径在0.001100m之间 ) 在低层大气更常见米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比， 即 I-2云雾对红外线（0.76-15 m ）的散射主要氏

23、米氏散射503、无选择性散射(Non-selective scattering)发生在大气粒子的直径比波长大得多时。散射的特点时散射强度与波长无关，任何波长的散射强度相同 尘埃、云和雾 云和雾：白色，（对所有可见光波长同等散射）51散射特征总结散射强度遵循的规律与波长密切相关。在大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。 对于大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段。波长超过1m 后，瑞利散射的影响大大减弱，而米氏散射的影响逐渐超过瑞利散射。 大气中的云层、小雨滴等，由于直径较大，对不同波长产生不同散射作用。对于可见光而言只有无选择性散射发生 , 云层越厚无选择散射越强。云雾对

24、红外线（0.76-15 m ）的散射主要氏米氏散射； 对于微波而言，粒子的直径比微波波长小很多，则属于瑞利散射的类型，散射强度与波长四次方成反比，波长越长，散射强度越小。在这一条件下，微波探测便可以发挥优越性，将有最小散射、最大透射，而具有“穿云透雾”的能力。52大气窗口(atmospheric window)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辐射能量能穿过大气的波长范围折射改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐射的强度。太阳辐射经过大气传输后，主要是反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过部分。遥感传感器只能选择透过率较高的波段才有意义。53太阳辐射与

25、大气窗口54大气窗口0.1-30m的太阳电磁辐射被各种大气成分吸收的状况（a）在海平面测得的太阳辐射光谱（b）550.3-1.3m，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段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。如，Landsat 卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。1.5-1.8m, 2.0-3.5m，即短波、中红外波段。比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。3.5-5.5m，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。如NOAA卫星AVHRR传感器用3.55-3.93m

26、探测海面温度，获得昼夜云图。8-14m，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。0.8-2.5cm至更长, 即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作，工作方式为主动遥感。主要的大气窗口光谱段56对地遥感常用的大气窗口波段区波长范围辐射源反映的地表特征可见光0.4-0.7m太阳反射率近红外0.7-1.1m太阳反射率短波红外1.1-1.35m1.4-1.8m2-2.5m太阳反射率中红外3-4m4.5-5m太阳、地球反射率温度（发射率）热红外8-9.5m10-14m地球温度（发射率）微波（包括雷达）1mm-1m地球（被动）人工（主动）温度（被动

27、）粗糙度（主动）57进入传感器的辐射由三部分组成： 地物直接反射的太阳辐射IS； 漫入射辐射射入地面，又反射到大气中，再进入传感器ID； 由于大气散射没有到达地面就直接进入传感器的部分IO，增加的不必要成分。582.4 地面物体反射光谱研究地物反射光谱的意义： 被动遥感在遥感探测中占重要地位，主要为反射太阳辐射可准确识别地面目标到达地面的太阳辐射能量（I）可分为三部分：反射（R）、吸收（A）、透射（T）59反射率：反射能量与总入射能量的百分比=（P/P0）*100%反射率大小与物体本身的性质和表面状况、波长、入射角等有关三种反射状况：镜面反射、漫反射、方向反射朗伯面：对于漫反射面，当入射照度一

28、定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面称朗伯面实际物体多数为方向反射，介于镜面和朗伯面间反射6162朗伯面(Lambertian surface)与非朗伯面63双向反射分布函数（BRDF）Bidirectional Reflectance Distribution Function 双向反射分布函数是描述了在一定的波长下反射率如何随光照角度和观察角度（组合）变化而变化的数学表达式6465大豆的BRDF反射朝着模型的右侧增加，即从太阳光照射的方向看，反射率通常高；突出的最高峰位于模型的中心，称为热区（hotspot），传感器的方位角和天顶角与太阳的方位角和天顶角相等，只观察到被太阳照射没有任何阴影的那部分表面66BRDF67加拿大北方森林区的黑云杉林左：太阳位于观察者后方，注意亮区，所有的阴影被隐藏。 （后向散射）右：太阳位于观察者对面，注意阴影中心以及透过树冠的光线 Photograph by Don Deering. BRDF 实例68BRDF 实例大豆田左：太阳位于观察者后方右：太阳位于观察者对面，注意叶子的镜面反射 Photograph by Don