遥感的物理基础

遥感的物理基础遥感原理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2页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理一、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)由振源发出的电磁振荡在空气中传播。演示第3页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理电磁辐射:这种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,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理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第5页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理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,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理二、电磁波谱电磁波谱：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。2、遥感常用的电磁波波段的特性第7页,共74页，2024年2月25日，星期天TheElectromagneticSpectrumMorethanmeetstheeye!第8页,共74页，2024年2月25日，星期天ExamplesfromSpace!第9页,共74页，2024年2月25日，星期天WavelengthThedistancefromonewavecresttothenextRadiowaveshavelongestwavelengthandGammarayshaveshortest!第10页,共74页，2024年2月25日，星期天WavelengthUnitsMeters(likeonlastslideandinbook,p.613)Morecommonlyinnanometers(1nm=10-9

meters)AngstromsstillusedNamedforSwedishAstronomerwhofirstnamedthesewavelengths1nanometer=10Ao第11页,共74页，2024年2月25日，星期天Speedoflight=wavelength(l)xfrequency

=3x108m/sinvacuumWavenumber=1/wavelength(cm-1)FrequencyinGHz(1Hz=sec–1)LanguageoftheEnergyCycle:

TheElectromagneticSpectrumEnergyWavelengthl第12页,共74页，2024年2月25日，星期天SolarSpectrum=Shortwavespectrum=visiblespectrum:

Sunat6000K;peakemissionat0.5mm第13页,共74页，2024年2月25日，星期天CO2H2OO3TerrestrialSpectrum=LongwaveSpectrum=InfraredSpectrum=ThermalSpectrum:

SaharaDesertonNimbus4SatelliteTheoreticalPlanckcurves:Earth~300K,peakemission~15mm第14页,共74页，2024年2月25日，星期天EarthSpectrumIncomingfromSun:Highenergy,shortwavelengthOutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength0.5mm10mm20mm第15页,共74页，2024年2月25日，星期天ElectromagneticSpectrumHighenergyShortwavelength/highfrequencyEmittedathighTSunEarth第16页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理第17页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理紫外线(UV)：0.01-0.4μm，碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：0.4-0.76μm，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线(IR)

：0.76-1000μm。近红外0.76-3.0μm’中红外3.0-6.0μm；远红外6.0-15.0μm；超远红外15-1000μm。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。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18页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理三、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19页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理太阳辐射照度分布曲线第20页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理太阳与地球辐射的电磁波谱第21页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理人工辐射源：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22页,共74页，2024年2月25日，星期天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。第23页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理地物的反射率、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24页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理地物的反射率（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25页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。地物反射光谱曲线：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26页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理第27页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理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28页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理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29页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理不同植物光谱曲线比较第30页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理植被的病虫害第31页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理时间特征第32页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理

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。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33页,共74页，2024年2月25日，星期天1.

PowerSource:BlackbodyRadiation

Planck’sLaw:TheamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperatureMaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengthswavelength620K380K第34页,共74页，2024年2月25日，星期天3、黑体辐射定律(1)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。第35页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理黑体辐射的三个特性(p20)

辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。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。第36页,共74页，2024年2月25日，星期天

(2)玻耳兹曼定律

Stefan-Boltzmann'slaw

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37页,共74页，2024年2月25日，星期天温度3005001000200030004000500060007000波长9。665。802。901。450。970。720。580。480。41(3)维恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw

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。第38页,共74页，2024年2月25日，星期天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）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，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。第39页,共74页，2024年2月25日，星期天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(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40页,共74页，2024年2月25日，星期天基尔霍夫定律：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。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41页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理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42页,共74页，2024年2月25日，星期天瑞里—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。（表2-6）第43页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理第44页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理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。岩石的发射光谱分析（图2-12）第45页,共74页，2024年2月25日，星期天亮度温度：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46页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理透射率：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。可见光、红外、微波的透射能力。三、地物的透射光谱特性第47页,共74页，2024年2月25日，星期天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第48页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理一、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：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。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49页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理二、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。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：较为微弱。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50页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理三、大气对太阳辐射的影响太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。（图2-3）大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。第51页,共74页，2024年2月25日，星期天第52页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理第53页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理（一）大气的吸收作用氧气：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54页,共74页，2024年2月25日，星期天AbsorptionIncontrasttoscatter,atmosphericabsorptionresultsintheeffectivelossofenergytoatmosphericconstituents.Thisnormallyinvolvesabsorptionofenergyatagivenwavelength.Themostefficientabsorbersofsolarradiationinthisregardare:WaterVapourCarbonDioxideOzone第55页,共74页，2024年2月25日，星期天AbsorptionofEMenergybytheatmosphere第56页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理（二）大气的散射作用

散射作用：太阳辐射在长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57页,共74页，2024年2月25日，星期天ScatteringAtmosphericscatteringistheunpredictablediffusionofradiationbyparticlesintheatmosphere.Threetypesofscatteringcanbedistinguished,dependingontherelationshipbetweenthediameterofthescatteringparticle(a)andthewavelengthoftheradiation(

).第58页,共74页，2024年2月25日，星期天ScatteringofEMenergybytheatmosphere第59页,共74页，2024年2月25日，星期天RayleighScattera<

Rayleighscatteriscommonwhenradiationinteractswithatmosphericmolecules(gasmolecules)andothertinyparticles(aerosols)thataremuchsmallerindiameterthatthewavelengthoftheinteractingradiation.TheeffectofRayleighscatterisinverselyproportionaltothefourthpowerofthewavelength.Asaresult,shortwavelengthsaremorelikelytobescatteredthanlongwavelengths.Rayleighscatterisoneoftheprincipalcausesofhazeinimagery.Visuallyhazediminishesthecrispnessorcontrastofanimage.第60页,共74页，2024年2月25日，星期天RelationshipbetweenpathlengthofEMradiationandthelevelofatmosphericscatter第61页,共74页，2024年2月25日，星期天第62页,共74页，2024年2月25日，星期天第63页,共74页，2024年2月25日，星期天MieScattera<=>

Miescatterexistswhentheatmosphericparticlediameterisessentiallyequaltotheenergywavelengthsbeingsensed.WatervapouranddustparticlesaremajorcausesofMiescatter.ThistypeofscattertendstoinfluencelongerwavelengthsthanRayleighscatter.AlthoughRayleighscattertendstodominateundermostatmosphericconditions,Mie

scatterissignificantinslightlyovercastones.第64页,共74页，2024年2月25日，星期天Non-selectivescattera>

Non-selectivescatterismoreofaproblem,andoccurswhenthediameteroftheparticlescausingscatteraremuchlargerthanthewavelengthsbeingsensed.Waterdroplets,thatcommonlyhavediametersofbetween5and100mm,cancausesuchscatter,andcanaffectallvisibleandnear-to-mid-IRwavelengthsequally.Consequently,thisscatteringis“non-selective”withrespecttowavelength.Inthevisiblewavelengths,equalquantitiesofbluegreenandredlightarescattered.第65页,共74页，2024年2月25日，星期天Non-SelectivescatterofEMradiationbyacloud第66页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理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，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。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67页,共74页，2024年2月25日，星期天遥感原理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68页,共74