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1、第二章 遥感物理基础,2.1 电磁波与电磁波谱 2.2 地物的光谱特性 2.3 大气和环境对遥感的影响,2.1 电磁波与电磁波谱,电磁波及其特性 电磁波谱 电磁辐射源,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（ElectroMagnetic Spectrum )由振源发出的电磁振荡在空气中传播。,演示,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。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。,电磁波的特性 电磁波是横波 在真空中以光速传播
2、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。,二、电磁波谱,电磁波谱：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。电磁波谱示图,紫外线：0.01-0.38m，碳酸盐岩分布、水面油污染。 可见光：0.4-0.76 m，鉴
3、别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。 红外线(IR) ：0.76-1000 m。近红外0.76-3.0 m;中红外3.0-6.0 m；远红外6.0-15.0 m；超远红外15-1000 m。（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。全天时、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,三、电磁辐射源,自然辐射源 太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。,太阳辐射的能量主要集中在可见光和近红外，其中0.38 - 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的
4、43.5%，最大辐射强度位于波长0.47 m左右； 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 -3.0 m波段，经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 各波段的衰减是不均衡的。,三、电磁辐射源,自然辐射源 地球的电磁辐射：小于2.5m的波长主要是太阳辐射的能量；大于6m的波长，主要是地物本身的热辐射；2.5-6m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。,人工辐射源主动式遥感的辐射源,被称为 雷达探测;分为微波雷达和激光雷达。 微波辐射源：0.8-30cm、优点 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。,2.2 地物的光谱特性,地物的反射光谱特性 地物的发射光谱特性 地物的透射光谱特性,地物
5、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 地物的反射率总是小于等于1,一、地物的反射光谱特性,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： 植被、 土壤、水体、岩石的光谱曲线,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
6、同物异谱，异物同谱,阅读课本41页2.3.4地物波谱特性的测量,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(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。,二、地物的发射光谱特性,3、黑体辐射定律,(1)普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。,辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能量,黑体辐射的三个特性,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，不同温度的曲线是
7、不相交的。 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。,(2)玻耳兹曼定律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。,辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量 总辐射通量：各波段辐射通量之和或辐射通量的积分值,(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。,4、实际物体的辐射,地物发射率：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
8、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。,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
9、处理来接收。,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。,4）微波波段与红外波段发射率的比较,结论：一些在红外波段不容易识别的地物，在微波波段中则容易识别。,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。,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,2.3 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,一、大气的成分,大气的传输特性：大气对电磁
10、波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与电磁波波长、大气的成分和环境的变化有关。 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。,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。,三、大气对太阳辐射的影响,太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回宇宙空间；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。 大气的透
11、射率透射率与路程、大气的吸收、散射有关。,1.大气的吸收作用 氧气：小于0.2 m；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。,Absorption of EM energy by the atmosphere,2.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
12、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。,Scattering of EM energy by the atmosphere,三种散射作用,1）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：,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？
13、,米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。 云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。 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。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。 云雾为什么通常呈现白色？,结论,太阳辐射衰减的原因是什么？ 在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？ 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？ 微波为什么具有极强的穿透云层的作用？ 为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？,四、大气窗口,1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射的投射率较高的电磁辐射波段。 大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。 常见的大气窗口：,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,电磁波谱,电磁波谱示意图,电磁波谱,太阳辐射,P34, 图 2.20,波长(nm),大气上界太阳辐照度,海平面太阳辐照度,太阳光谱辐照度,太阳辐射,0,太阳与地球辐射的电磁波谱,常见地物的光谱曲线比较,植物的光谱曲线,土壤的光谱曲线,水体的光谱曲线,岩石的光谱曲线,不同植物光谱曲线比较,植被的病虫害,时间特征,
