遥感原理与应用-第二三四章

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1、第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,第一节 电磁辐射与地物光谱特性 RS的理论基础主要是物理学，也涉及天文、大气、地理、地质、数学和计算机等学科。迄今为止，在各部门中应用的遥感技术大多是电磁波RS。因此可以说，RS的理论基础是物理学，其核心是电磁波理论。 1.电磁波与电磁辐射 （1）波：振动在空间的传播。 如声波、水波、地震波等都是振源发出的振动在弹性媒介中的传播， 称为机械波。 （2）电磁波：由振源发出的电磁振动在空间的传播。 振动的是空间电场矢量E和磁场矢量B。电磁波是通过电场和磁场间的 相互联系和转化传播的。变化的电场能够在它周围空间产生磁场。交变电 场周围会产生交变磁场。交变

2、磁场周围会产生交变电场，它们互相套环， 沿直线迅速向远方传播。 即：交变电场和交变磁场迅速向远方传播的过程叫做电磁波。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,图2-1 电磁震荡的传播,图3-2 电磁波,电磁波性质： 电场矢量E和磁场矢量B互相垂直，且都垂直于电磁波传播方向V，因此， 电磁波是横波。（声波是典型的纵波） 在真空中以光速传播 电磁波的几个主要参量：周期（T），频率（f），波长（），C=f=/T 其中，C为真空中的光速，C=31010cm/s 电磁波具有波粒二象性,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,（3）波段：两个波长之间的全体波长的集合。 （4）辐射：电磁波在空

3、间中的传播叫做电磁辐射，简称辐射。 分为入射、发射、反射、透射、散射、吸收。 （5）辐射源：任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其它物体对它的辐射， 也能够向外辐射。 （6）辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dW/dt， 单位为W（瓦）。 （7）辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量， E= d /Ds，单位为W/m2。 （8）辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量， I= d /Ds （9）辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量， M= d /Ds。 辐照度与辐射出射度都是辐射通量密度的概念，但I为物体接收的辐射， M是物体发出的辐射，都与

4、波长有关。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,（10）黑体：绝对黑体，指能够将外来辐射能量全部吸收的物体。 （11）发射率：地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同面积黑体 发射能量M黑之比值。即：=M/M黑 （12）反射率：地物的反射能量与入射总能量之比，其数值用百分数表示。 （13）透射率：地物的透射度与其表面的辐照度之比。 （14）吸收率：地物的吸收度与其表面的辐照度之比。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,2.电磁波谱 （1）定义： 按照波长的长短顺序将各种电磁波排列制成的一张图表叫做电磁波谱。 在电磁波谱中，从左到右，波长逐渐增大。从左到右依次是宇宙射线

5、、 射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、以及其它无线电波等。,图2-3 电磁波谱,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,（2）遥感中常用的电磁波段： 可见光、红外线、微波是RS中常用的三大波段。 紫外线（UV）：波长范围是0.01 m0.38m（1 m=10-6m）， 其中波长0.3 m的能量被大气层吸收，只有0.30.38 m。 由于紫外线在大气中传输时受到很大衰减，在RS中很少被应用。一般 只用来探测海面石油污染的范围和油膜厚度，以及测定碳酸盐岩分布。 紫外线从空中可探测的高度2000m，对高空遥感不适用。 可见光（VI）：波长范围是0.38 m0.76 m，由红、橙、黄、

6、绿、青、 蓝、紫色光组成，是摄影方式常用的遥感波段。 可以粗分为蓝、绿、红三色： 蓝：0.38 m0.50 m； 绿：0.50 m0.60 m； 红：0.60 m0.76 m。 可见光是RS中最早和最常使用的波段。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,红外线（IR）：波长是0.76 m1000m，可分为4个光谱段： 近红外（NIR）：0.76m3m，在性质上与可见光相似， 在RS技术中采用摄影和扫描方式，可接收和记录光红外反射。 中红外（MIR）：3m6m， 远红外（FIR）： 6m15m， 热红外（产生热感的原因） 超远红外（MIR）：15m1000m， 红外线也是RS中常用的波段

7、之一，使用率仅次于可见光。 红外RS采用热感应方式探测地物本身的热辐射。红外线在云、雾、雨中传播时，受到严重的衰减，因此红外RS不是全天候RS，不能在云、雾、雨中进行，但不受日照条件的限制。 微波：1mm1m的无线电波。 微波和红外两者的特征相似，都属于热辐射性质。微波能穿透云雾、小雨，是全天候遥感，昼夜均可进行。微波对植被、冰雪、干沙、干土均有较强的穿透力，常被用来探测被冰雪、植被、沙土所遮掩的地物。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,RS技术使用电磁波段分类名称和波长范围,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,3.大气窗口： 电磁波在进入地球之前必须通过大气层，在通过大

8、气层时，约有30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间，约有17%被大气吸收，22%被大气散射。仅有31%的太阳辐射直射到地面。 大气吸收：太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段由吸收作用，引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气，从而形成了在太阳辐射到达地面时电磁波的某些缺失带。 大气散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射。散射造成太阳辐射的衰减，散射的强度与波长密切相关。 对于大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段； 对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外波段都有影响，特别是对 红外波段的影响；

9、大气云层中，对可见光只有无选择性散射，云层越厚，散射越强，而对 微波来说，则属于瑞利散射，波长越长散射强度越小。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,大气折射：电磁波穿过大气层时，还会出现折射。大气的折射与大气密度有关，密度越大。折射率越大，离地面越高，折射率越小。 折射改变了太阳辐射的方向，但不改变太阳辐射的强度。 大气反射：电磁波传播过程中，若通过两种介质的交界面，还会发生反射现象。反射主要发生在云层顶部。由于反射的存在，削弱了电磁波到达地面的强度。 大气窗口的定义： 电磁波在大气中传输时，通过大气层未被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段范围，称为大气窗口。 目前，遥感技术选用

10、的大气窗口，多为下表所列光谱段。在这六个光谱段内各种地物的反射和发射光谱可以很明显地区别开来。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,遥感常用大气窗口,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,图2-4 遥感种常用的大气窗口,4.地物的光谱特性 （1）意义： 地物的光谱特性是RS技术的重要理论基础。因为它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是RS数据正确分析和判读的理论基础，同时也可作为利用电子计算机进行数字图象处理和分类时的参考标准。 （2）含义： 自然界中的任何地物都具有本身的特有规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；具有发射红外线、微波的特

11、性（都能进行热辐射）；少数地物具有透射电磁波的特性。 地物的反射光谱特性： 反射率大小与入射光的波长、入射角大小及地物表面粗糙度等有关。其中，地物的反射率随入射波长变化的规律是地物反射光谱特性的主要反映。一般地，反射率大，传感器记录的亮度值大，在象片上呈现的色调浅；反之，反射率小，传感器记录的亮度值小，在象片上呈现的色调深。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性, 地物的反射率： 地物的反射能量与入射的总能量之比。 辐射能量入射到任何地物表面上，会出现三种过程：反射、吸收、透射。 根据能量守恒定律： P=P+P+P 其中：P为入射总能量；P为地物的反射能量；P为地物的吸收能量； P为地

12、物的透射能量。 由式可得：1= P/P+ P/P+ P/P 设： =P/P100%， =P/P 100%， =P/P 100%， 因此1=+，对于不透明的地物=0， 则=1 式表明：反射率高的地物，吸收率低。地物的反射率可以测定，吸收率通过反射率推求。 地物的反射光谱曲线： 地物的反射率随入射波长变化的规律。 以波长为横坐标，反射率为纵坐标，绘成的曲线图称为地物反射光谱曲线。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,水：一般地，水的反射率很低，小于10%。纯净水反射率在蓝光谱段最高。 雪：在可见光的大部分区域（0.380.70m）内，雪的反射

13、率都很高。 云：与雪接近（在可见光到近红外短波段）。在近红外中波段（1.551.75m）和长波段（2.102.35m），云的反射率远远大于雪的反射率。 植物：在蓝光波段（0.380.50m）反射率低，绿光波段（0.500.60m）的中点0.55m左右，形成一个反射率小峰，这就是植物叶子呈绿光的原因。在红光波段（0.600.76m），起先反射率甚低，在0.65m附近达到一个低谷，随后又上升，在0.700.80 m反射率陡峭上升，到0.80m附近达到最高峰。,图2-5 典型地物的光谱反射特征,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,图2-6 植物反射光谱曲线,影响植物反射率的主要因素包括叶色

14、、细胞结构和含水量等。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,不同颜色叶子的植物反射光谱曲线,不同类型的植物反射光谱曲线,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,遭受不同程度损害的植物反射光谱曲线,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,水分含量对玉米叶子反射率的影响,地物的发射光谱特性： 任何地物当温度高于绝对温度0K时，就存在着分子运动，不断地向外发射电磁波。实际上，世界上任何物体的温度都高于0K（0K=273.15）。所以，任何物体都有热辐射。 黑体热辐射定律： 黑体辐射通量密度，可以用普朗克公式表示： 式中，c为真空中的光速； k为玻尔兹蔓常数，k=1.3810-2

15、3 J/K； h为普朗克常数，h=6.63 10-34 Js； M为辐射出射度。单位为w cm2 m1,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,不同温度的黑体辐射的光谱能量分布,辐射通量密度随波 长连续变化，曲线只 有一个最大值； 温度愈高，辐射通量 密度也愈大，不同温 度的曲线不相交； 随着温度的升高，辐 射最大值所对应的波 长移向短波方向。 由普朗克公式可以导出黑体辐射的两个定律：史蒂芬玻尔兹曼辐 射定律 维恩位移定律 以及一般地物的辐射定律基尔霍夫定律。, 史蒂芬玻尔兹曼辐射定律： 将普朗克公式对波长在0到范围内作定积分，可以得到： 黑

16、体在温度T下的总发射度：M黑(T)=T4 其中：为常数，=5.670108瓦米2开4(w m2 K4) 表明：黑体总辐射度与温度的4次方成正比。 维恩位移定律： 对普朗克公式中求导，可以得到以下公式： max T=b， 其中：b为常数，b=2.898 103 m K 说明：黑体辐射峰值波长与绝对温度成反比，温度升高时，峰值波长变短， 即向短波方向移动。 基尔霍夫定律： 在任何一个给定的温度T下，任何一个物体的发射度M(T)与其吸收率(T)之比都等于同一温度下的黑体的发射度M黑(T)，即： M(T) /(T)= M黑(T)， 即 (T) = (T)，发射率=吸收率， 或者： (T)= M(T) / M黑(T) 。,