遥感的物理基础(简)

第二章遥感物理基础

遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上。因为不一样物体含有各自电磁波反射或辐射特征，才可能应用遥感技术探测和研究远距离物体。了解并掌握地物电磁波发射、反射、散射特征，电磁波传输特征，大气层对电磁波传输影响是正确解释遥感数据基础。

本章主要介绍遥感物理基础，包含地物电磁波特征、太阳辐射、大气对太阳辐射影响、大气窗口概念、地物反射太阳光谱特征、地物热辐射、地物与微波作用机理。本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。第1页第一节电磁波谱与电磁辐射

(1)电磁波与电磁波谱(2)电磁辐射度量(3)黑体辐射

第2页（1）电磁波与电磁波谱电磁波

交互改变电磁场在空间传输。描述电磁波特征指标

波长、频率、振幅、位相等。电磁波特征

电磁波是横波，传输速度为3×108m/s，不需要媒质也能传输，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵照同一规律。

第3页

电磁波谱

按电磁波波长长短，依次排列制成图表叫电磁波谱。

依次为：

γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。

（1）电磁波与电磁波谱

当前遥感技术中通常采取电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。因为它们波长或频率不一样，不一样电磁波又表现出各自特征和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不一样电磁波特征。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨主要内容。第4页电磁波谱第5页紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长光抵达地面，对油污染敏感，但探测高度在m以下。可见光：波长范围：0.38～0.76μm，人眼对可见光有敏锐感觉，是遥感技术应用中主要波段。红外线：波长范围为0.76～1000μm，依据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾影响。遥感应用电磁波波谱段BACK第6页近红外：0.76～3.0µm，与可见光相同。中红外：3.0～6.0µm，地面常温下辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.0～15.0µm，地面常温下辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器普通无法探测。红外线划分第7页（2）电磁辐射度量1、辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波整个波段范围为对象物理辐射量测定，其度量单位见下表。第8页2、光度测量（photometry），由人眼视觉特征（标准光度观察）评价物理辐射量测定，其度量单位见下表。BACK第9页（3）黑体辐射

绝对黑体

假如一个物体在任何温度下对任何波长电磁辐射全部吸收（即吸收系数恒等于1），则这个物体称为绝对黑体。

黑体辐射特征

（1）黑体辐射出射度随波长连续改变，每条曲线只有一个最大值。（2）温度愈高，黑体辐射出射度也愈大，不一样温度曲线是不相交。绝对黑体总辐射出射度与黑体温度4次方成正比。（斯忒藩—玻尔兹曼定律）（3）黑体辐射光谱中最强辐射波长与黑体绝对温度成反比。（维恩位移定律）。伴随温度升高，辐射最大值所对应波长移向短波方向。

第10页实际物体辐射

对于实际物体，都能够看作辐射源。假如物体吸收本事大，它发射本事也大，即越靠近黑体辐射。实际物体辐射比黑体辐射弱，而且随波长不一样而不一样。

BACK第11页第二节太阳辐射及大气对辐射影响

(1)太阳辐射(2)大气作用

大气层次与成份

大气吸收

大气散射

大气窗口

大气透射定量分析第12页接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出第13页太阳辐射：太阳是被动遥感主要辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得太阳辐射曲线如图所表示。从太阳光谱曲线能够看出(…)：太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接收太阳辐射能量。（1.360×103W/m2）

太阳辐射太阳光谱相当于6000K黑体辐射；太阳辐射能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm可见光能量占太阳辐射总能量46%，最大辐射强度位于波长0.47µm左右；抵达地面太阳辐射主要集中在0.3～3.0µm波段，包含近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层太阳辐射有很大衰减；各波段衰减是不均衡。

BACK第14页大气物理情况物理量普通有气压，大气温度和大气湿度它们在垂直方向上改变远远大于水平方向上梯度，所以在大气效应纠正中大量假定大气含有水平均一，垂直分层结构。气压随高度是以负指数形式递减。大气层次与成份第15页

大气层次大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：对流层：高度在7～12km,温度随高度而降低，空气显著垂直对流，天气改变频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而改变。平流层：高度在12～50km，没有对流和天气现象。底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度因为臭氧层对紫外线强吸收而逐步升高。电离层：高度在50～1000km，大气中O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明，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16页O3臭氧主要分布在10～50km平流层大气中，极大值出现在20～25km处，对流层中臭氧含量不到十分之一。臭氧总含量含有显著地域分布特征及季节改变，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地域60°～70°区域内到达极大值。70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大，但伴随时间发展，臭氧层厚度逐步在减小，当前在南极上空已形成臭氧空洞。第17页

大气是由各种气体及气溶胶所组成混合物。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3气溶胶

大气成份可分为常定成份（N2，O2，CO2等）与可变成份两个部分（水汽，气溶胶）。

大气成份BACK第18页大气对辐射吸收大气中氮气对电磁波作用都在紫外光以外范围内（<0.2um电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。大气上层臭氧存在，而臭氧对小于0.3um电磁波含有极强吸收能力，所以抵达地面太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um短波辐射。真正对电磁波传输起主要吸收作用是一些非常少许气体，其中作用最为显著有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽（28页图）。

BACK第19页

大气散射散射概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来传输方向一个现象。不一样于吸收作用，只改变传输方向，不能转变为内能。大气散射是太阳辐射衰减主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据质量，造成图像含糊不清。散射主要发生在可见光区。大气发生散射主要有三种：瑞利散射：d<<λ米氏散射：d≈λ非选择性散射：d>>λ

第20页瑞利散射：因为气体分子尺度远小于光波波长时发生散射，属小颗粒散射。小颗粒散射特征：

（1）散射光强度与波长4次方成反比，由此能够解释天空为何呈蓝色。（2）假如入射光为自然光，散射光相函数为（1＋cos2Q)。（3）当Q取0或180°时，散射光偏振度为0。（4）当Q取90°时，散射光偏振度为1（线偏振），其它角度为部分偏振光。

第21页米氏散射：大气中气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等直径与入射光波长能够比拟或大于入射光波长时发生散射。米氏散射特征：（1）电磁波能够穿透介质表面而深入到散射颗粒内部。（2）因为颗粒尺度与波长能够比拟，所以颗粒不一样部位往往处于不一样电场强度下，造成诱发电流产生，首先这高度电流会产生高变磁场，另首先电流存在意味着焦耳热损耗出现——电磁波吸收。

第22页无选择散射：大气粒子直径比波长大得多时发生散射，散射强度与波长无关，在符合无选择散射条件波段中，任何波长散射强度相同。

第23页大气散射特点群体散射强度是个体散射强度线性和。大气散射系数与高度关系：—大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成。—气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减。—就平均情况而言，4km以下气溶胶米氏散射占优势，4km以上分子散射占相对优势。分子散射与气溶胶散射光强之比随角度和能见度改变规律。

BACK第24页大气窗口折射现象：电磁波传过大气层时出现传输方向改变，大气密度越大，折射率越大。反射现象：电磁波在传输过程中，经过两种介质交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成噪声）。

第25页大气窗口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，剩下部分即为透过部分。因为大气层反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射各波段受到衰减作用轻重不一样，因而各波段透射率也各不相同。电磁波经过大气层时较少被反射，吸收和散射，透射率较高波段称为大气窗口。（对地遥感要用部分）

第26页大气窗口主要光谱波段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、SPOTHRV近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μmNOAAAVHRR远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100RadarsatBACK第27页在可见光和近红外波段，太阳辐射30％被云或其它粒子反射，22％被散射，17％被吸收，抵达地面能量31％。

大气透射定量分析第28页光学厚度

光学厚度：沿某一路径长度总衰减系数，波长函数（无因次量）。

大气总光学厚度：在某一垂直路径上，从大气顶层到地表总衰减系数。

第29页透过率——经过大气后辐照度与经过大气前辐照度之比。

第30页太阳辐射透过大气并被地表反射（有用）；太阳辐射被大气散射后被地表反射（纠正后有用）；太阳辐射被大气散射后直接进入传感器；太阳辐射透过大气被地物反射后又被地表发射进入传感器；被视场以外地物反射后进入视场交叉辐射项。

太阳光在地—气系统吸收、散射过程BACK第31页

第三节地球辐射与地物波谱

(1)地球辐射源(2)地球辐射特征（分段特征）(3)地物波谱特征（反射波谱特征）(4)地物波谱特征测量(5)微波辐射与雷达遥感

第32页地球辐射源地球辐射地球辐射：地球表面和大气电磁辐射总称。地球辐射是被动遥感中传递地物信息载体。装载在航天航空平台上遥感器，接收来自地球辐射携带地物信息，经过处理形成遥感影像。

第33页被动遥感辐射源太阳辐射近似6000K黑体辐射，能量集中在0.3～2.5um波段之间。（可见光和近红外）地球本身热辐射近似300K黑体辐射，能量集中在6.0um以上波段。（热红外）

BACK第34页在0.3～2.5um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，地球本身辐射能够忽略。即在该波段范围内，对地观察遥感主要以太阳短波辐射对地表进行探测和成像。在2.5～6.0um波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球本身热辐射均为被动遥感辐射源。在6.0um以上热红外波段，以地球本身热辐射为主，地表反射太阳辐射能够忽略。（热红外成像）

地球辐射特征地球辐射分段特征第35页了解地球辐射分段特征意义可见光和近红外波段遥感图像上信息来自地物反射特征。中红外波段遥感图像上，现有地表反射太阳辐射信息，也有地球本身热辐射信息。热红外波段遥感图像上信息来自地球本身热辐射特征。

第36页第37页BACK第38页地物波谱：地物电磁波响应特征随电磁波长改变而改变规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。地物波谱特征是电磁辐射与地物相互作用一个表现。地物波谱作用：不一样类型地物，其电磁波响应特征不一样，所以地物波谱特征是遥感识别地物基础。

地物波谱特征地物波谱第39页不一样电磁波段中地物波谱特征可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物吸收作用。（树叶苍翠欲滴、水下温度）热红外波段：主要表现地物热辐射作用。（热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带）微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。

第40页可见光和近红外波段地物波谱特征——地物反射波谱特征太阳辐射抵达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：抵达地面太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量。普通而言，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，对一定波长电磁波则透射能力较强，尤其是0.45~0.56μm蓝绿光波段。普通水体透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m深度。地表反射太阳辐射成为遥感统计主要辐射能量。

地物反射第41页地物反射：太阳光经过大气层照射到地球表面，地物会发生发射作用，反射后短波辐射一部分为遥感器所接收。反射率（ρ）：地物反射能量与入射总能量比，即ρ=(Pρ/P

0)×100%。表征物体对电磁波谱反射能力。反射率是能够测定。地物在不一样波段反射率是不一样，利用地物反射率差异，能够判断地物属性。反射率也与地物表面颜色、粗糙度和湿度等相关。地物反射率第42页地物反射类型：依据地表目标物体表面性质不一样，物体反射大致上能够分为3种类型，即镜面反射、漫反射、实际物体反射（1）镜面反射：发生在光滑物体表面一个反射。物体反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，入射角等于反射角。只有在反射波射出方向才能探测到电磁波。

例子：水面是近似镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成。物体表面性质对反射影响第43页（2）漫反射：发生在非常粗糙表面上一个反射现象。不论入射方向怎样，其反射出来能量在各个方向是一致。即当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。（3）实际物体反射：介于镜面和朗伯面（漫反射）之间一个反射。自然界种绝大多数地物反射都属于这种类型反射，又叫非朗伯面反射。对太阳短波辐射反射含有各向异性，即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不一样。

第44页遥感图像上统计辐射亮度，既与辐射入射方位角和天顶角相关，也与反射方向方位角和天顶角相关。因为镜面反射会造成太阳光直接进入遥感器，在成像时间选择上，应防止中午成像，预防形成镜面反射。不然水体会形成非常亮耀斑，周围地物反射信息有受到干扰和减弱。了解物体表面性质对反射影响意义第45页地物反射波谱：是研究可见光至近红外波段上地物反射率随波长改变规律。表示方法：普通采取二维几何空间内曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。地物反射波谱第46页植被土壤水体岩石常见几个地物类型波谱特征第47页植被波谱特征在0.45um附近（蓝色波段）有一个吸收谷；在0.55um附近（绿色波段）有一个反射峰；在0.67um附近（红色波段）有一个吸收谷。从0.76um处反射率快速增大，形成一个爬升“陡坡”,至1.1um附近有一个峰值，反射率最大可达50％，形成植被独有特征。在可见光波段在近红外波段第48页1.5～1.9um光谱区反射率增大；以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水吸收带，其附近区间受到绿色植物含水量影响，反射率下降，形成低谷。第49页植物光谱曲线第50页影响植被波谱特征主要原因植物类型植物生长季节病虫害影响等植被波谱特征大同小异，依据这些差异能够区分植被类型、生长状态等。第51页不一样植被类型光谱曲线比较Tobecontinued…第52页土壤波谱特征自然状态下土壤表面反射曲线呈比较平滑特征，没有显著反射峰和吸收谷。在干燥条件下，土壤波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和此生矿物）和土壤有机质相关。土壤含水量增加，土壤反射率就会下降，在水各个吸收带（1.4um、1.9um、2.7um处附近区间），反射率下降尤为显著。第53页三种不一样类型土壤在干燥环境下光谱曲线第54页水体波谱特征纯净水体反射主要在可见光中蓝绿光波段，在可见光其它波段反射率很低。近红外和中红外纯净自然水体反射率很低，几乎趋近于0。第55页水中其它物质对波谱特征影响水中含有泥沙，在可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率显著抬高。第56页叶绿素含量不一样时水体光谱曲线第57页岩石矿物光谱曲线岩石反射波谱主要由矿物成份、矿物含量、物质结构等决定。影响岩石矿物波谱曲线原因包含岩石风化程度、岩石含水情况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等。第58页岩石光谱曲线第59页地物波谱曲线作用物体波谱曲线形态，反应出该地物类型在不一样波段反射率，经过测量该地物类型在不一样波段反射率，并以此与遥感传感器所取得数据相对照，能够识别遥感影像中同类地物。第60页应用地物波谱特征需要注意问题绝大部分地物波谱值含有一定变幅，它们波谱特征不是一条曲线，而是含有一定宽度曲带。地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。“同物异谱”是指两个类型个体地物，在某个波段上波谱特征不一样；“异物同谱”是指不一样类型地物含有相同波谱特征。BACK第61页地物波谱特征测量可见光和近红外波段是研究地表主要波段。可见光和近红外地物光谱测试作用：（1）传感器波段选择、验证、评价；（2）建立地面、航空和航天