02遥感的物理基础

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1、遥感技术系统组成,遥感的物理基础,第二章 遥感的物理基础,电磁波谱与电磁辐射 太阳辐射及大气对辐射的影响 地球的辐射与地物辐射,2.1 电磁波谱与电磁辐射,地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式电磁波。不同的物体具有不同的物质组成和结构,由此导致其电磁波谱特征（特征光谱）不同。遥感就是根据地物电磁波谱特征来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。,2.2.1 电磁波谱,1.波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。,二、电磁波,当电磁振荡进入空间，变化的磁场产生变化的电场，变化的电场又激发了斡旋

2、磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。,实验证明，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、射线等都是电磁波，只是波源不同，波长（或频率）也各不同。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。,2.电磁波谱,各种电磁波的特点,micrometers (mm) 10-6 meters nanometers (nm) 10-9 meters,0.38 0.76 3.0 6.0 15.0微米 1 10 100 1000毫米 波长,紫外,可见光,近红外,中红外,热红外,远红外,毫米波,厘米波,分米波,米波,红外波段,微波波段,遥感技术应用的电磁波谱段,0.38 0.

3、43 0.47 0.50 0.56 0.59 0.62 0.76,微米,可见光波段,Speed of light = wavelength (l) x frequency = 3 x 108 m/s in vacuum Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1) Frequency in GHz (1 Hz = sec 1),3. 电磁波性质,Energy,Wavelength l,1. 黑体 黑体是个假设的理想的辐射体。它既是完全的吸收体，又是完全的辐射体。1860年 基尔霍夫 “好的吸收体也是好的辐射体”注：是一理想的吸收体，在自然界不易找到。（黑色煤烟、恒星与太

4、阳）吸收率反射率,2.1.2 黑体辐射,二、黑体辐射规律,2. 黑体辐射定律,普朗克定律,普朗克（1900）成功地给出了绝对黑体辐射出射度（即单位时间、单位面积上发射的辐射能量）,绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比. =5.67*10-8Wm-2K-4,为斯忒藩玻尔兹曼常数；,红外装置测试温度的理论根据。,斯忒藩玻尔兹曼定律,对普朗克公式从零到无穷大的波长范围内积分，得,随着温度的增加，辐射能增加是很迅速的。当黑体温度增高1倍时，其总辐射出射度将增为原来的16 倍。在这里我们仅强调黑体的发射能量是温度的函数。,(1) 辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值； (2) 温度越高，

5、辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交； (3) 随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。,黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反比，即：maxT =b其中： b为常数， b=2.898*10-3mK, 维恩位移定律,维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）,如当对一块铁加热时，我们可以观察到随着铁块的逐渐变热铁块的颜色也从暗红橙黄白色，向短波变化的现象。 太阳的表面温度是5778K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点，为黄光。 通电的白炽灯的温度要低数千度，所以白炽灯的辐射光谱偏橙。至于处于“

6、红热”状态的电炉丝等物体，温度要更低，所以更加显红色。,黑体辐射的峰值波长与绝对温度温度T成反比，即温度越高， max愈小，即向短波方向移动。,太阳看作具6000K的黑体，其辐射的峰值波长max0.5m； 地球表面平均温度为27(即300K) max9.6 m；人体37(即310K) max9.34 m,所以通过记录某物体的max处的辐射特性来识别它最为便利.维恩定律为识别特定物体而设计遥感器的响应波段提供了理论基础。,3、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

7、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。,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(grey body)：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。,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。,2.2 电磁辐射源,自然界中一切物体在发射电磁波的同时，也被其它物体发

8、射电磁波所辐射。 遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类，它们之间没有什么原则区别。就象电磁波谱一样，从高频率到低频率是连续的。物质发射的电磁辐射也是连续的。 自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射。太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源。,2.2.1 太阳辐射,太阳辐射是地球上生物、大气运动的能源，也是被动式遥感系统中重要的自然辐射源。太阳表面温度约有6000K，内部温度则更高。 太阳常数太阳辐射在大气上界处的垂直入射通量密度。平均太阳常数1400W/m2,通过大气到达地面的大气有效辐射通量密度913W/m2,2.5,2.0,1.0,1.5,0.

9、5,0.5,0.2,1.0,2.0,1.5,2.5,3.0,大气上界太阳 辐照度分布曲线,海平面太阳辐 照度分布曲线,辐射度（KWm-2m-1）,波长m,大气上界面和海平面 太阳平均辐照度分布曲线,绝大部分太阳辐射能分布范围,太阳辐射能主要集中在0.33m段，最大辐射强度位于波长0.47m左右。 由于太阳辐射的大部分能量集中在0.40.76m之间的可见光波段，所以太阳辐射一般称为短波辐射。,2.2.2 大气和环境对遥感的影响,传感器在天底方向所接收到的辐射是两次通过大气而受到衰减的太阳辐射：一次是太阳辐射从大气外界通过倾斜路径到达地面（包括太阳直接辐射和天空光形式的散射辐射）；二次是到达地面的

10、太阳辐射经过地物的反射，垂直向上又一次经过大气。 因此，由于大气对太阳辐射的反射、吸收和散射，使传感器在天底方向记录的总辐射亮度包括地物的辐射亮度和天空光的辐射亮度（云的反射和大气微粒的散射辐射）二部分。,1. 大气成分和结构,大气成分 大气中的主要气体包括N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4及O3。 悬浮在大气中的微粒有尘埃、冰晶、水滴等，这些弥散在大气中的悬浮物统称为气溶胶，形成霾、雾和云 。 以地表面为起点，在80km以下的大气中，除H2O、O3等少数可变气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变，所以把80km以下的大气层称为均匀层。,大气结构 大气在垂直地表方向上的分布可

11、分为：对流层、平流层、中气层、热层（也称增温层）和大气外层。 对流层内经常发生气象变化，是现代航空遥感主要活动的区域。 由于大气条件及气溶胶的吸收作用，使电磁波传输受到减弱。因此，在遥感中侧重研究电磁波在对流层层内的传输特性。,Troposphere,Stratosphere,Exosphere,Mesosphere,Thermosphere,2.2.3 大气吸收,氧（O2） 大气中氧含量约占21%，它主要吸收小于0.2m的太阳辐射能量，在波长0.155m处吸收最强，由于氧的吸收，在低层大气内几乎观测不到小于0.2m的紫外线，在0.6m和0.76m附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。因此，在

12、高空遥感中很少应用紫外波段。 臭氧（O3） 大气中臭氧的含量很少，只占0.01-0.1%，但对太阳辐射能量吸收很强。臭氧有两个吸收带：一个波长0.20.36m的强吸收带，另一个波长为0.6m附近的吸收带，该吸收带处于太阳辐射的最强部分，因此该带吸收最强。臭氧主要分布在30km高度附近，因而对高度小于10km的航空遥感影响不大，而主要对航天遥感有影响。,水（H2O） 水在大气中以气态和液态的形式存在，它是吸收太阳辐射能量最强的介质。从可见光、红外直至微波波段，到处都有水的吸收带，主要吸收带是处于红外和可见光中的红光波段，其中红外部分吸收最强。例如：在0.50.9m有四个窄吸收带，在0.952.8

13、5m有5个宽吸收带。此外，在6.25m附近有个强吸收带。因此，水气对红外遥感有很大影响，而水气的含量随时间、地点而变化。液态水的吸收比水气吸收更强，但主要是在长波方面。 二氧化碳（CO2） 大气中二氧化碳含量很少，占0.03%，它的吸收作用主要在红外区内。例如：在1.352.85m有3个宽弱吸收带。另外在2.7m、4.3m与14.5m为强吸收带。由于太阳辐射在红外区能量很少，因此对太阳辐射而言，这一吸收带可忽略不计。 尘埃 它对太阳辐射也有一定的吸收作用，但吸收量很少，当有沙暴、烟雾和火山爆发等发生时，大气中尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较显著。物质 氧气主要吸收波长小于0.2um的， 尘

14、埃吸收作用很少。,2.2.4 大气散射,电磁辐射在传播路径上过程中，遇到原子、分子、气溶胶等小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开的现象为散射。在可见光范围内，吸收作用对光波影响很小(3%)，消光的主要是因散射作用。,1. 使到达地面的辐射削弱，或地面辐射到外界的强度减弱；2. 改变了太阳辐射的方向。太阳辐射的大部分能量仍以原方向直射地面，而散射的太阳光以漫入射的形式辐照地面；3. 散射光中一部分向下辐射，增加地面的辐照，还有一部分向上辐射进入传感器。向上与向下辐射的强度一般不同。,散射的影响,散射强度可用散射系数（ ）表示，散射系数与电磁波波长有下列关系,为波长的指数，它由大气微粒直径（d

15、）的大小决定,根据辐射的波长与散射微粒的大小之间的关系，散射作用可分为三种：瑞利散射、米氏散射和非选择性散射。,1.瑞利散射 当微粒的直径比辐射光的波长小的多时，,所以瑞利散射也叫分子散射。由于散射系数与波长的四次方成反比，当波长大于1um 时，瑞利散射基本上可以忽略不计。 因此红外线、微波可以不考虑瑞利散射的影响。 但对可见光来说，瑞利散射影响较大。如晴朗天空呈碧蓝色，就是由于大气中的气体分子把波长较短的蓝光散射到天空中的缘故。,2.米氏散射。 当微粒的直径与辐射光的波长差不多时（即d），引起的散射。 大气中云、雾等悬浮粒子的大小与 0.7615m的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。,3.非选择性散射。 当微粒的直径比辐射光的波长大得多时（即d）引起的散射。 大气中的水滴、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐射，常常出现这种散射。 云或雾之所以看起来是白色，是因为它对各种波长的可见光散射均是相同的。对近红外、中红外波段来说，由于d ，所以属非选择性散射，这种散射将使传感器接收到的数据严重的衰减。,2.2.4 大气窗口,大气窗口：电磁波在大气中传输过程中损耗较小，透射率很高的波段。,