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1、第二部分 遥感基本原理,第一章 遥感电磁辐射基础 第二章 传感器,2018年9月19日,2,第一章 遥感电磁辐射基础,第一节 电磁波谱第二节 辐射基本定律第三节 太阳辐射第四节 太阳辐射与大气的相互作用第五节 太阳辐射与地面的相互作用第六节 三种遥感模式,第一章 遥感电磁辐射基础,本章重点:掌握电磁波谱，大气窗口，地物的反射光谱曲线。理解：1、地物反射对遥感数据的影响？2、大气窗口形成的原因及遥感数据进行校正的必要性。,遥感理论基础是电磁辐射被动遥感主要辐射源是太阳温度高于绝对零度的物体都能向外发射电磁辐射。因此,电磁辐射是传感器与远距离物体之间联系的环节。,2018年9月19日,5,第一节
2、电磁波谱,一、电磁波 二、电磁波谱 ,2018年9月19日,6,一、电磁波,波振动在空间的传播。 1、电磁波：在真空或物质中通过电磁场的振动而传输 电磁能量的波。 它不需要媒介，在真空中传播速度等于光速。c=频率波长,2、描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅（电场振动强度）、位相等。因早期光学实验者研究习惯不同，波在不同波段用不同的单位描述。可见光和红外波段的波基本以波长来描述，微波波段的波长以频率为单位描述。二战时因雷达研发的保密性，微波频率常用字母来描述，如C频段（5GHz）和K频段（13.6GHz）。注：常用的频率单位有千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等,二、电磁波谱：重点
3、按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，就构成了电磁波谱。依次为： 射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波,遥感中这3种使用较多！,电磁波谱使用分配情况：,1、无线电波： 波长范围10-3 104 m之间，是调幅（AM）调频（FM）、电视和移动电话的波段，遥感没有使用；2、微波： 波长范围为1 mm1 m ，包含被动微波遥感、主动微波遥感和大量商业、军用的通信和地面雷达业务；,电磁波谱使用分配情况：,3、红外线：波长范围为0.761000 m m ，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。,2018年9月19日,11,红外线的划分：,近红外：0.763.0m，与可见光相似。
4、中红外：3.06.0m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。 远红外：6.015.0m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。 超远红外：15.01000m，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。,电磁波谱使用分配情况：,4、可见光 波长范围：0.380.76m ，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。 5、紫外线： 波长范围为0.010.38m ，太阳光谱中，只有0.30.38m 波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m以下。 射线多被大气层阻挡，X射线主要用于医学。,第二节 辐射的基本定律,一、黑体辐射 二、普朗克 (Planck)辐射定律 三、斯
5、特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann) 定律 四、基尔霍夫(Kirchhoff)辐射定律 五、维恩(Wien)位移定律,2018年9月19日,14,一、黑体辐射,黑体是绝对黑体的简称，指在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（100%）的物体。 黑体的热辐射称为黑体辐射。,黑体模型,2018年9月19日,15,二、普朗克(Planck)辐射定律,普朗克定义了一个常数(h)，给出了黑体辐射的能量（Q）与频率（）之间的关系： Q=h hc/h 普朗克常数，6.62610-34 焦秒（JS）c 电磁波速率，3108 m/s辐射量与其波长成反比，波长越长，辐射量越低。,c=频
6、率波长,2018年9月19日,16,三、斯特藩-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann) 定律,斯蒂藩玻尔兹曼定律：辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。,:斯蒂藩玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2 . K4),红外装置测试温度的理论根据,2018年9月19日,17,四、基尔霍夫(Kirchhoff)辐射定律,给定温度下，任何地物的辐射通量密度M与吸收率之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。,发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。,是吸收率 是发射率,2018年9月19日,18,五、维恩(Wien)
7、位移定律,黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与绝对温度T的乘积是常量：,b : 常数，2.897810-3 mK,随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。若知物体温度可推算其波长，常用此法确定遥感器及热红外遥感的最佳波段。,2018年9月19日,19,第三节 太阳辐射,在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的光谱曲线，它近似于6000K的黑体辐射曲线。,太阳辐射光谱及大气的作用,2018年9月19日,20,太阳辐射能量分布,x、射线、远紫外及微波虽少但变化大；被动遥感主要利用稳定的辐射，使太阳活动对遥感的影响降低到最小。,2018年9月19日,21,太阳光谱曲线 (P27,图
8、2.5),1、太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射； 2、太阳辐射的能量主要集中在可见光, 最大辐射度位于波长 0.47m左右; 3、到达地面的太阳辐射主要集中在0.33.0m波段内，包括近紫外、可见光、近红外和中红外； 4、经过大气层的太阳辐射有很大衰减;各波段的衰减不均衡。,被动遥感主要集中在可见光、红外等稳定辐射区，使太阳活动对遥感的影响减至最小。,2018年9月19日,22,第四节 太阳辐射与大气的相互作用,一、大气概况 二、大气的吸收作用 三、大气的散射作用 四、大气窗口,1、大气层次： 大气厚度约1000km，在垂直方向上，自下而上可分为：对流层、平流层、电离层、外大气层。 详述如
9、下：,一、大气概况：,对流层：高度在712km,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而变化。平流层：高度在1250km，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，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在501000km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是气象卫星、陆地卫星、航天飞机、侦察卫星的活动空间。外大气层：80035 000km ,空气极稀薄，只有静止气象卫星和通讯卫星活动。,大气是由多种气体、气溶胶、水蒸气、水滴等组成。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4
10、，O3等。气溶胶：是一种固体、液体悬浮物，有固定的核心， 如尘埃、花粉、微生物等。它们对电磁辐射具有吸收和散射作用。,2、大气成分,气溶胶多集中在04km范围之内。其来源主要有2种： 自然：火山、沙尘暴、森林和草原火灾、活的陆地和海洋植物、海水的飞沫等。 人为：工业，交通，取暖燃烧的石油和煤炭、土地覆盖和土地利用变化，森林砍伐和沙漠化等。 气溶胶不仅是环境监测的指标，还是重要的军事指标（气溶胶直接决定大气能见度）。,气溶胶简介,二、大气的吸收作用,太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。 如水汽、二氧化碳、臭氧等，约17被大气吸收。,潮湿地区
11、水蒸气主要吸收红外光,CO2主要吸收中远红外光,三、大气的散射作用,大气散射不同于吸收,它只改变传播方向,不转变为内能。大气散射是太阳辐射衰减的主要原因。散射降低了传感器接收遥感数据的质量，造成遥感图像模糊不清，影响遥感判读。散射主要发生在可见光区,是太阳辐射衰减主要原因。,2018年9月19日,30,大气散射的主要形式(三种)：,2、非选择性散射散射强度与波长无关 d ，如大气中的云、雾、水滴、尘埃(直径5-100m )的散射，约同等地散射所有可见光、近红外光，故看到的云雾是白色或灰白色。,（2）米氏散射：d ，其散射强度受气象条件影响大； 如大气中悬浮微粒霾、水滴、尘埃、烟、花粉、微生物、
12、海上盐粒、火山灰等气溶胶的散射。,（1）瑞利散射：d 0.5m 时，米氏散射影响大。微波的波长 云中的小雨滴的直径，而散射强度与波长四次方成反比，波长越长，散射强度越小，因此，微波具有极强的穿透云层的能力；红外辐射穿透云层能力10倍以上。 大气对太阳光的散射和吸收造成了遥感图像清晰度下降。,四、大气窗口,通常把电磁波通过大气层时衰减较少而透射率较高的波段称为大气窗口。这是对地遥感要用的部分。,2018年9月19日,34,1、紫外线：0.010.4m，太阳辐射中0.30.4m波长的光能到达地面，探测碳酸盐岩的分布，监测油污染，探测高度常在2000 m以下。 2、可见光：0.380.76m，人眼对
13、可见光有敏锐的感觉，是遥感技术中的重要波段。 3、红外线：0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。 4、微波：1mm1m，穿透性好，不受云雾的影响，能全天时全天候的遥感探测。,遥感中常用的大气窗口,2018年9月19日,35,太阳辐射在地-气系统中的物理过程：,电磁波在大气中传播时，主要受大气的吸收、散射和反射等物理过程的影响。,2018年9月19日,36,第五节 太阳辐射与地面的相互作用,一、反射作用 二、反射率 三、反射光谱曲线 四、常见地物的光谱曲线 五、吸收作用 六、透射作用,到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量但多数地物对可见光没有透射能力，吸收太
14、阳辐射后，形成的辐射很弱可以忽略，因此，在可见光和近红外波段的遥感，主要以地面地物反射太阳辐射为主,2018年9月19日,38,一、反射作用,2018年9月19日,39,二、反射率,反射率（）：地物的反射能量与入射总能量的百分比，即：=(P/ P0)100%地物在不同波段的反射率是不同的。它可以测定。 反射率与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。 反射率大，影像上色调浅；反之，色调深。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。,2018年9月19日,40,三、反射光谱曲线,地物反射率随波长是变化的，以波长作为横坐标，反射率作为纵坐标，将地物反射率随波长的变化绘制成曲线 地物的反射光谱曲线地物的反射率随波长变化的曲线。,1,2,4,5,3,不同地物的反射波谱曲线不同,四、常见地物的光谱曲线,1）可见光区域(0.4-0.76m )有一反射峰，在0.55m 绿光处， 2侧有2个吸收带； 2）近红外区域(0.76-1.3m )有一反射陡坡(0.74m )，至1.1m 附近有一峰值； 3）在短波红外区域（ 1.3-2.5m ），受植物含水量影响，吸收率增大,反射率降低，形成以1.45m 、 1.95m 、 2.7m 为中心的吸收带。,
