第二讲遥感物理基础讲稿

第二讲遥感物理基础讲稿第1页，共51页，2023年，2月20日，星期一第二讲遥感的物理基础遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。不同物体具有各自的电磁辐射特性，才有可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。遥感的物理基础涉及面广，但是对我们本课程来说，主要是应用遥感技术所获取的图像或磁带（经过处理）进行判读和识别。因此，本章只介绍有关遥感资料应用中所涉及到的主要物理基础知识，如电磁波与电磁波谱，及地物的反射光谱特性等。

第2页，共51页，2023年，2月20日，星期一1.电磁波与电磁波谱1.1、电磁波及其特性电磁波:在真空或物质中通过传播电磁场振动而传输能量的波.电磁波特性:波动的特性（如干涉、衍射、偏振和色散等现象）粒子（量子）性

第3页，共51页，2023年，2月20日，星期一1.2、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叫做电磁波谱

在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，无线电波又依波长不同分为长波、中波、短波、超短波和微波。其次是红外线、可见光、紫外线，再次是X射线。波长最短的是γ射线。整个电磁波谱形成了一个完整、连续的波谱图

电磁波与电磁波谱(续)第4页，共51页，2023年，2月20日，星期一电磁波谱第5页，共51页，2023年，2月20日，星期一第6页，共51页，2023年，2月20日，星期一太阳辐射与地物的作用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＋透射能量地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。第7页，共51页，2023年，2月20日，星期一太阳辐射与地物的作用一般而言，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0.45~0.56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m的深度。第8页，共51页，2023年，2月20日，星期一太阳辐射与地物的作用地表吸收太阳辐射后具有约300K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。第9页，共51页，2023年，2月20日，星期一太阳辐射与地物的作用物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。第10页，共51页，2023年，2月20日，星期一2.物质和电磁波的相互作用一切物质作为其固有的性质都反射、吸收、透射及辐射电磁波。例如，植物的叶子之所以能看出绿色是因为叶子中的叶绿素对太阳光中的蓝及红色波长的光强烈地吸收而对绿色波长的光强烈地反射的缘故。物质的这种对电磁波固有的波长特性叫光谱特性（spectralcharacteristics）第11页，共51页，2023年，2月20日，星期一3.物体的光谱反射特性地物的反射率:地物反射能量与入射总能量的百分率。即ρ=(Pρ/P0)×100%。反射率是可以测定的。地物的反射率随入射波长而变化。地物反射率的大小，与入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。第12页，共51页，2023年，2月20日，星期一.物体的光谱反射特性不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。第13页，共51页，2023年，2月20日，星期一物体的光谱反射特性(续)一般地说，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，在黑白遥感图上呈现的色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遥感图像上呈现的色调就深。在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像的重要标志。

第14页，共51页，2023年，2月20日，星期一物体的光谱反射特性(续)物体的光谱反射率根据物体的种类而变化。由于物体发出的光谱辐射亮度受光谱反射率的影响，所以通过观测光谱辐射亮度就可以识别远处的物体。

植物在近红外区有很强的反射；

土壤在可见光及短波红外区有强的反射；

水在红外区几乎没有反射第15页，共51页，2023年，2月20日，星期一物体的光谱反射特性(续)叶子中包含的叶绿素在0.45m和0.67m附近对电磁波有较强的吸收，其结果造成在可见光区0.5-0.6m（绿）范围内呈现出很高的反射率是由于叶子的细胞构造所引起的。可见光•近红外波段nearinfrared（0.76～3.0μm

）所以被广泛应用于植被调查就是利用了植物具有在红波段的强烈吸收和在近红外波段的强烈反射这种特性。第16页，共51页，2023年，2月20日，星期一第17页，共51页，2023年，2月20日，星期一第18页，共51页，2023年，2月20日，星期一第19页，共51页，2023年，2月20日，星期一第20页，共51页，2023年，2月20日，星期一TM1:0.45-0.52m蓝绿色

第21页，共51页，2023年，2月20日，星期一TM1:0.45-0.52m蓝绿色TM2:0.52-0.60m绿色TM3:0.63-0.69m红色TM4:0.76-0.90m近红外第22页，共51页，2023年，2月20日，星期一TM2:0.52-0.60m绿色第23页，共51页，2023年，2月20日，星期一TM3:0.63-0.69m红色第24页，共51页，2023年，2月20日，星期一TM4:0.76-0.90m近红外

第25页，共51页，2023年，2月20日，星期一TM5:1.55-1.75m

短波红外

第26页，共51页，2023年，2月20日，星期一物体的光谱反射特性(续)波长较长的约1.5m和1.9m附近水的吸收波段中，可以明显看出反射率有一个跌落，其跌落的程度取决于叶子中水分的含量。识别岩石种类时多利用1.3m-3.0m的短波红外区。为了辨别这种微小的光谱反射率特性必须利用能把光谱分成微小波段的多波段遥感器（成像光谱仪）。第27页，共51页，2023年，2月20日，星期一地物的反射光谱地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做地物反射光谱。按地物反射率与波长之间关系绘成的曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物反射光谱曲线.不同地物由于物质组成和结构不同具有不同的反射光谱特性。因而可以根据遥感传感器所接收到的电磁波光谱特征的差异来识别不同的地物，这就是遥感的基本出发点。第28页，共51页，2023年，2月20日，星期一不同地物的反射光谱曲线第29页，共51页，2023年，2月20日，星期一第30页，共51页，2023年，2月20日，星期一水稻:99-15高光谱图像特征---像、谱合一五七农场,常州水稻:武香5021水稻:99-1580波段第31页，共51页，2023年，2月20日，星期一光谱辐射空间辐射成像遥感（单波段成像）地物光谱测量成像光谱遥感（谱-像的合一）地物地物三大属性及其遥感特征第32页，共51页，2023年，2月20日，星期一遥感技术使用的电磁波分类名称和波长范围

名称波长范围紫外线100A°～0.4μm紫0.38～0.43μm可见光0.4～0.7μm蓝0.43～0.47μm红外线近红外0.76～3.0μm青0.47～0.50μm中红外3～6μm绿0.50～0.56μm远红外6～15μm黄0.56～0.60μm超远红外15～1000μm橙0.60～0.63μm微波毫米波1～10mm红0.63～0.76μm厘米波1～10cm分米波10cm～1m第33页，共51页，2023年，2月20日，星期一遥感应用的电磁波波谱段紫外线：：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下可见光：波长范围：0.38～0.76μm，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第34页，共51页，2023年，2月20日，星期一遥感应用的电磁波波谱段红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。第35页，共51页，2023年，2月20日，星期一大气结构从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在7～12km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在12～50km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在50～1000km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：800～35000km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。第36页，共51页，2023年，2月20日，星期一大气成分

大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。

气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3

悬浮微粒：尘埃第37页，共51页，2023年，2月20日，星期一大气的吸收作用大气的吸收作用：

大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）O2吸收带 <0.2μm，0.155μm最强O3吸收带 0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收带 0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收带 1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm尘埃 吸收量很小第38页，共51页，2023年，2月20日，星期一大气的散射作用不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三种：瑞利散射：d<<λ米氏散射：d

≈λ非选择性散射：d>>λ第39页，共51页，2023年，2月20日，星期一大气窗口概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得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。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口第40页，共51页，2023年，2月20日，星期一人们把能到达地面的波段形象地称为“大气窗口”，这种“窗口”有三个。光学窗口是最重要的一个窗口，波长在300～700纳米之间，包括了可见光波段（400～700纳米），光学遥感一直是对地观测的主要工具。大气窗口第41页，共51页，2023年，2月20日，星期一大气窗口(续)第二个窗口是红外窗口，红外波段的范围在0.7～1000微米之间，由于地球大气中不同分子吸收红外线波长不一致，造成红外波段的情况比较复杂。对于对地观测常用的有近红外、短波红外、中红外和远红外窗口。第三个窗口是微波窗口，微波波段是指波长大于1毫米的电磁波。

第42页，共51页，2023年，2月20日，星期一大气窗口第43页，共51页，2023年，2月20日，星期一二、MODIS简介主要技术指标轨道：705km，太阳同步，近极地轨道辐射灵敏度：12b波段范围：36个波段、0.4~14.4µm空间分辨率：

2个波段为250m5个波段为500m29个波段为1000m带宽：2330km，1~2天全球覆盖设计寿命：5年第44页，共51页，2023年，2月20日，星期一遥感图像中的分辨率空间分辨率：通常指一个像素对应地面的实际大小。一般遥感图像分辨率指的是地面分辨率；光谱分辨率：成象范围内波谱带数目；时间分辨率：重复获取某地区图像的周期；温度分辨率（热红外）：可探测的温度变化幅度。第45页，共51页，2023年，2月20日，星期一100m10m1m