遥感的物理基础

遥感的物理基础第1页，课件共75页，创作于2023年2月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性的测定第2页，课件共75页，创作于2023年2月第一节电磁波与电磁波谱电磁波及其特性电磁波谱电磁辐射源第3页，课件共75页，创作于2023年2月一、电磁波及其特性波的概念：波是振动在空间的传播。机械波：声波、水波和地震波电磁波（ElectroMagneticSpectrum)：电磁振动的传播。电磁波是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。电磁波通过电场和磁场之间相互联系进行传播电磁辐射:电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。第4页，课件共75页，创作于2023年2月电磁波四要素频率：1秒钟内波的传播次数，单位为赫兹（Hz）偏振面：包含电场方向的平面。偏振面的方向一定的情况叫直线偏振振幅：电场振动的强度，振幅的平方与电磁波具有的能量大小成正比传递方向第5页，课件共75页，创作于2023年2月电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播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。波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性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第6页，课件共75页，创作于2023年2月二、电磁波谱电磁波谱：按电磁波在真空中的波长长短，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，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是γ射线

电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。第7页，课件共75页，创作于2023年2月电磁波谱第8页，课件共75页，创作于2023年2月遥感中应用的波段第9页，课件共75页，创作于2023年2月紫外线：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：0.38-0.76μm，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线：0.76-1000μm。

近红外0.76-3.0μm，（又称光红外或反射红外）

中红外3.0-6.0μm

远红外6.0-15.0μm（中红外和远红外又称热红外）

超远红外15-1000μm微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。2、遥感常用的电磁波波段的特性第10页，课件共75页，创作于2023年2月三、电磁辐射源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3μm的波长主要是太阳辐射的能量；大于6μm的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6μm之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。第11页，课件共75页，创作于2023年2月SolarSpectrum=Shortwavespectrum=visiblespectrum:

Sunat6000K;peakemissionat0.5mm第12页，课件共75页，创作于2023年2月CO2H2OO3TerrestrialSpectrum=LongwaveSpectrum=InfraredSpectrum=ThermalSpectrum:

SaharaDesertonNimbus4SatelliteTheoreticalPlanckcurves:Earth~300K,peakemission~15mm第13页，课件共75页，创作于2023年2月EarthSpectrumIncomingfromSun:Highenergy,shortwavelengthOutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength0.5mm10mm20mm第14页，课件共75页，创作于2023年2月太阳与地表辐射的电磁波谱第15页，课件共75页，创作于2023年2月人工辐射源：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。第16页，课件共75页，创作于2023年2月3.电磁辐射度量辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J；辐射通量（φ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，φ=dw/dt，单位是W；辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，E=dφ/ds，单位为W/m2；辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，I=dφ/ds,单位是W/m2；辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=dφ/ds,单位是W/m2;辐射亮度（L）：辐射源在某一方向上单位投影表面上单位立体角内的辐射通量，L=Φ/Ω(Acosθ)，单位为W/(sr·m2)朗伯源：辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源，如粗糙的表面，涂有氧化镁的表面等。太阳常近似地被看成朗伯源。第17页，课件共75页，创作于2023年2月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。第18页，课件共75页，创作于2023年2月地物的反射率、吸收率和透射率对于某波段反射率高的地物，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。一、地物的反射光谱特性第19页，课件共75页，创作于2023年2月地物的反射率（反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率的值介于0到1之间。反射率随入射波长而变化。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第20页，课件共75页，创作于2023年2月物体的反射类型镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。入射波和反射波在同一平面内，入射角等于反射角。平静水面的反射近似认为是镜面反射。漫反射：是指不论从何方向入射，虽然反射率与镜面反射一样，但反射方向却是“四面八方”。其反射辐射亮度是一个常数，与方向无关，这种反射面又叫朗伯面。实际物体反射（方向反射）：多数都处于两种模型之间，即介于镜面和朗伯面之间。其反射辐射亮度与方向有关。第21页，课件共75页，创作于2023年2月地物的反射波谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。地物反射波谱曲线：根据地物反射率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地物性质的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线第22页，课件共75页，创作于2023年2月植被的反射光谱特性叶绿素两个反射峰0.55μm(绿)1.1μm(近红外)叶绿素两个吸收带0.45μm(蓝)0.67μm(红)水的三个吸收带1.45μm1.95μm2.7μm第23页，课件共75页，创作于2023年2月土壤的反射光谱曲线第24页，课件共75页，创作于2023年2月水体的反射光谱曲线第25页，课件共75页，创作于2023年2月岩石的反射光谱曲线第26页，课件共75页，创作于2023年2月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定的。多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：

MSS1(0.5-0.6μm)MSS2(0.6-0.7μm)MSS3(0.7-0.8μm)MSS4(0.8-1.1μm)第27页，课件共75页，创作于2023年2月同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。不同植物；植物病虫害地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。时间特性空间特性第28页，课件共75页，创作于2023年2月不同植物光谱曲线比较第29页，课件共75页，创作于2023年2月植被的病虫害第30页，课件共75页，创作于2023年2月时间特征第31页，课件共75页，创作于2023年2月

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。黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。二、地物的发射光谱特性第32页，课件共75页，创作于2023年2月3、黑体辐射定律(1)普朗克热辐射定律表示出了黑体辐射出射度与温度的关系以及按波长分布的规律。MaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918第33页，课件共75页，创作于2023年2月黑体辐射的三个特性

辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射出射度越大，不同温度的曲线不同。随着温度的升高，辐射出射度最大值所对应的波长向短波方向移动。第34页，课件共75页，创作于2023年2月(2)玻耳兹曼定律

即黑体总辐射出射度随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。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。第35页，课件共75页，创作于2023年2月(3)维恩位移定律：

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。T/K3005001000200030004000500060007000λmax/μm9.665.802.901.450.970.720.580.480.41第36页，课件共75页，创作于2023年2月4、地物的发射率和基尔霍夫定律发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）M与同一温度、同一波长的黑体辐射出射度M0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，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。第37页，课件共75页，创作于2023年2月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(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化第38页，课件共75页，创作于2023年2月基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射出射度M和吸收率α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出射度M0。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。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。第39页，课件共75页，创作于2023年2月5、黑体的微波辐射

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。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。第40页，课件共75页，创作于2023年2月瑞里—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。第41页，课件共75页，创作于2023年2月第42页，课件共75页，创作于2023年2月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。第43页，课件共75页，创作于2023年2月

亮度温度：衡量地物辐射特征的重要指标。指等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。

Thetemperatureoftheblackbodywhichradiatesthesameradiantenergyasanobservedobjectiscalledthebrightnesstemperatureoftheobject.

亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。第44页，课件共75页，创作于2023年2月透射率：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。可见光、红外、微波的透射能力。三、地物的透射光谱特性第45页，课件共75页，创作于2023年2月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第46页，课件共75页，创作于2023年2月一、大气的成分大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分有关。大气的成分：分子和微粒分子：N2、O2、O3、CO2、H2O、N2O、CH4、NH3等微粒：气溶胶、尘埃、水滴、烟、雾等大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。第47页，课件共75页，创作于2023年2月二、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。对流层：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。平流层：没有天气现象。中气层：温度随高度增加而递减。热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。大气外层：1000公里以外的星际空间。第48页，课件共75页，创作于2023年2月三、大气对太阳辐射的影响太阳辐射的衰减：30%消失于外太空(主要通过大气散射和地面反射）；19%被大气吸收；51%透射到地面，被地面吸收。

大气的透射率：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。第49页，课件共75页，创作于2023年2月第50页，课件共75页，创作于2023年2月（一）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吸收量很小尘埃1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μmCO2吸收带0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmH2O吸收带0.2～0.36μm，0.6μmO3吸收带<0.2μm，0.155μm最强O2吸收带第51页，课件共75页，创作于2023年2月氧气：小于0.2

μm；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。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。二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。第52页，课件共75页，创作于2023年2月大气对太阳辐射的吸收作用第53页，课件共75页，创作于2023年2月（二）大气的散射作用

散射作用：太阳辐射在传波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。第54页，课件共75页，创作于2023年2月不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气发生的散射主要有三种：瑞利散射：d<<λ

米氏散射：d≈λ

无选择性散射：d>>λ第55页，课件共75页，创作于2023年2月大气对太阳辐射的散射作用第56页，课件共75页，创作于2023年2月第57页，课件共75页，创作于2023年2月第58页，课件共75页，创作于2023年2月三种散射作用瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时(d<<λ)，此时的散射称为瑞利散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍。散射主要由大气中的原子和分子，如N2，CO2，O3和O2分子等引起的。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光的原因。第59页，课件共75页，创作于2023年2月颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？第60页，课件共75页，创作于2023年2月米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射(d≈λ)。散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。云雾的粒子大小与红外线（0.76~15μm）的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。因此，潮湿天气米氏散射影响较大。第61页，课件共75页，创作于2023年2月3.无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射(d>>λ)。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。散射强度与波长无关，即对发生无选择性散射的波段，任何波长的散射强度都相同。由于云雾中水滴直径比可见光波长大很多，所以无论从哪个角度看，云都是白色的。第62页，课件共75页，创作于2023年2月无选择性散射第63页，课件共75页，创作于2023年2月四、大气窗口1、大气窗口：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。通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段，即受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。第64页，课件共75页，创作于2023年2月2、常见的大气窗口：大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat第65页，课件共75页，创作于2023年2月大气窗口第66页，课件共75页，创作于2023年2月五、环境对地物光谱特性的影响地物的物理性状光源的辐射强度：纬度与海拔高度季节：太阳高度不同探测时间：时间不同，反射率不同气象条件第67页，课件共75页，创作于2023年2月地物波谱复杂性---遥感数据的不确定性地物波谱特性的特点和影响的因素，决定了地物波谱特性的复杂性，遥感传感器所获取的数据的不确定性；在进行遥感图象解译的时候，要充分认识地物波谱特性的复杂性，减少外界因素的影响；为提高定量遥感的精度，需要通过大量的地面样本分析建立先验知识，确定遥感模型的约束条件。第68页，课件共75页，创作于2023年2月第四节地物波谱