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1、2 遥感物理基础,2.1 电磁波谱与电磁辐射 2.2 大气作用与地物波谱,遥感传感器记录了地物的反射与发射电磁辐射以电磁波的形式穿越空间的能量传输（Star and Estes 1990），遥感探测实际上就是对辐射能量的测定。电磁波谱范围覆盖了宇宙波直到无线电波（Jensen 1996）。,2.1 电磁波谱与电磁辐射,1、电磁波谱,1）电磁波谱：将各种电磁波在真空中传播的波长或频率按其大小长短依次排列，则形成电磁波谱。,The Electromagnetic Spectrum,射线 小于10-6m 射线 0.06-2010-4m 紫外线 0.04-0.39m 可见光 0.39-0.76m 红外
2、线 0.76-1000m 微波 1mm-1m 无线电波 1-3000m以上,2）遥感常用的电磁波波段,Electromagnetic Spectrum（suits 1983; star and Etes 1990）,可见光 紫 0.380.43 m 蓝 0.430.47 m 青 0.470.50 m 绿 0.500.56 m 黄 0.560.59 m 橙 0.590.62 m 红 0.620.76 m,红外 近红外（反射红外）0.76-3.00m 中红外（反射+热红外）3.00-6.00m 远红外（热红外）6.00-15.00 m 超远红外（热红外） 15.00-1000 m 微波 毫米波、厘
3、米波和分米波。,辐射能量（Radiant energy）W：电磁辐射的能量，单位为焦耳（J）。辐射通量（Radiant flux）=dW/dt：单位时间内通过某一面积的辐射能量，是波长的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或积分，单位为瓦（W）。辐射通量密度（Radiant flux density）E=d/dS：单位时间内通过单位面积的辐射能量，单位为W/m2。辐射照度（Irradiance）I=d/dS：被辐射物体在单位面积上接受到的辐射通量。辐射出射度M=d/dS：辐射源物体在单位面积上辐射出去的辐射通量。,2、电磁辐射度量,黑体(Blackbody)绝对黑体，对任何波长的电磁辐射都全部
4、吸收，即吸收率=1，反射率=0； 灰体吸收率1，但基本不随波长而变化； 选择性辐射体吸收率随波长而变化。,3、黑体辐射,三种辐射体的比辐射率,三种辐射体的光谱辐射通量密度,1）普朗克辐射定律,黑体辐射规律,K=1.3810-23J/K (玻尔兹曼常数) h=6.6310-34Js (普朗克常数) M为辐射出射度,2）斯忒藩-玻尔兹曼定律,用普朗克公式对波长积分，导出斯忒藩-玻尔兹曼定律。（斯忒藩-玻尔兹曼常数=5.6710-8 Wm-2K-4）,3）维恩位移定律,b=2.89810-3mK max最强辐射波长,5）实际物体的辐射基尔霍夫定律,M=M0=T4（斯忒藩-玻尔兹曼常数=5.6710-
5、8 Wm-2K-4） M0为同一波长和温度的绝对黑体辐射出射度；01,吸收系数，也称为比辐射率或发射率,与波长有关！,2.2 大气作用与 地物波谱,1、太阳辐射与地球辐射,1）太阳辐射常用5800K的黑体辐射来模拟，其辐射能量集中在短波辐射（紫外到中红外波段）。 2）地球辐射可用300K的黑体辐射来模拟，其辐射能量集中在长波辐射（热红外波段）。 3）小于3m的波长主要是太阳辐射的能量；大于6m的波长，主要是地球的热辐射；3-6m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。,太阳辐射,T地球= 300K max=9.66m； T太阳= 6000K max=0.47m。,1）吸收 2）散射 3）二次散射 4
6、）二次发射,2、大气作用（Atmospheric Effect）,太阳辐射在穿过大气层时受四种因素影响（Elachi 1987）。,1）大气吸收,大气对太阳辐射的吸收是非线性的，与大气中气体分子的浓度呈对数关系（Flaschka 1969）；大气中水蒸汽对太阳辐射吸收最强，其次是CO2、O3 ，在城市周边这些因子变化很大；大气吸收强度与温度、高度、离城镇烟雾的远近及其它因子有关。,太阳辐射在大气层中传播时，大气分子对其某些波段吸收，使辐射能量转变为分子内能，从而引起这些波段的太阳辐射强度衰减。,0.38,0.76,3,6,15,大气吸收谱,紫外 可见光 近红外 中红外 热红外,水吸收带：2.5
7、-3.0m，5-7m，0.94m，1.13m，1.38m，1.86m，3.24m，24m以上，水对红外遥感有极大的影响；二氧化碳吸收带：2.8m，4.3m，量少，吸收作用主要在红外区内，可以忽略不计；臭氧吸收带：0.2-0.32m，0.6m，9.6m，数量极少，但吸收很强，对航空遥感影响不大；氧气：0.155m，高空遥感很少使用紫外波段。,大气对太阳辐射的吸收作用,2）大气散射（Atmospheric scattering）,太阳辐射在地球大气层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，称为大气散射。,Scattering of EM energy by the atmosphe
8、re,大气散射改变了电磁波的传播方向，干扰传感器的接收，使传感器接收到的信号中噪声增加，降低遥感图像的质量，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。,（1）瑞利散射（Rayleigh Scatter） d10%）。,（2）米氏散射（Mie Scatter） d I-2 当大气中粒子的直径大于波长1/10到与辐射的波长相当时发生的散射。主要由大气中的微粒（如烟、尘埃、小水滴、气溶胶等）引起。由于大气中云、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。潮湿阴雨天气对米氏散射影响较大，对红外遥感不
9、利。,（3）无选择性散射（Non-selective scatter） d I与无关当大气中粒子的直径大于波长时，对任何波长的辐射而言，其散射强度都相同，散射强度与波长无关，这种散射称为无选择性散射。,大气中的水滴、雾、烟、尘埃、气溶胶等（5-100m），对太阳辐射，常常出现这种散射。无选择性散射将使传感器接收到的数据严重衰减。,3）大气窗口（Atmospheric Windows）,现今的TM和spot传感器充分考虑了水蒸汽的吸收波段特点，避开了这些吸收带，而其它气体的吸收波段尚未被充分考虑。,电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射，透过率较高的波段被称为大气窗口。大气窗口是选择遥感工作波
10、段的重要依据。,raindrops,常用遥感大气窗口,0.3-1.3m，紫外、可见光、近红外波段，摄影成像最佳波段，Landsat TM1-41.5-1.8和2.0-3.5，近、中红外波段，日照条件好时扫描成像常用波段，TM5、73.5-5.5，中红外波段，反射、发射热辐射能量，NOAA AVHRR8-14，远红外波段，地物热辐射，夜间成像0.8-2.5cm，微波波段，全天候，主动式,3、地物波谱,1）地物光谱特性：任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、吸收、透射、发射电磁波的特性，地物的这种特性称为地物的光谱特性。,2）地物反射/吸收波谱（Reflectance/Absorption sp
11、ectra） 运用遥感影像区分目标，如矿产、植被、人造物甚至大气本身，是基于这些物质的反射/吸收波谱特征地物的反射率 /吸收率随入射波长而变化的特征。每种物质因其化学组成不同而有各自的特征反射/吸收波谱。用光谱辐射计来测定。,太阳辐射在到达地面目标时，将会与地面物质发生三种作用：吸收（absorption）、反射（reflection）、透射（transmission）。其中，反射辐射可以被遥感传感器接收到。,怎样理解地物反射/吸收波谱,P0=P+P+P（入射的总能量=反射能量+吸收能量+透射能量）1=P / P0 +P / P0 +P / P01=+（反射率+吸收率+透射率）对于不透明地物：
12、1=+，即= 1-,在可见光与近红外波段（0.3-2.5m），地物自身的热辐射几乎等于零，地物发出的波谱以反射太阳辐射为主。影响地物反射率大小的因素：物质组成、入射电磁波的波长、入射角的大小、地表颜色与粗糙度。,当阳光照射到目标时，一部分因物质的化学约束而被吸收，其它部分则被反射和（或）透射。地物对电磁波的吸收基于物质（表面）的分子耦合，吸收波长与物质的化学组成和结构有关。因此，地物的反射/吸收波谱特征可以反映其物质组成的信息。对于纯净的化合物而言，其吸收波段是很独特的，在短波红外区域常常称之为“红外指纹”（infrared fingerprint）。,相同的地物具有相同的电磁波谱特性，不同的
13、地物由于物质组成和内部结构、表面状态不同，具有相异的电磁波谱特性，这是遥感识别地物属性的基本原理。传感器探测波段的设计，基于地物波谱数据的分析和比较。地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。“同质异谱、同谱异质”需要辩证分析！,3）研究地物反射/吸收波谱特征的意义,4）常见地物反射/吸收波谱特征,地物波谱测定仪器：分光度计光谱仪摄谱仪光谱辐射计 实验室或野外测定,（1）植被的反射波谱特征,0.55（绿）有一个小的反射峰，0.45（蓝）和0.67（红）则有两个吸收带；0.7-0.8（近红外）反射陡坡；1.3-2.5（中红外）吸收率大增，尤其是1.45、1.95、2.7,不同植物光谱曲线比较,植被的
14、病虫害,时间特征,（2）土壤的波谱特征,没有明显的峰值和谷值，土质越细，反射率越高；湿度越高，反射率越低；有机质、氧化铁含量的增加会降低土壤反射率。,（3）水体的波谱特征,水体反射=水面反射+水体底部物质反射+水中悬浮物反射。清水的反射率在蓝绿可见光部分为4-5%，在0.6m处降至2-3%，到0.75m以后的近红外波段则完全吸收。在红外波段识别水体比较容易。,无统一特征，矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、表面结构和色调都会对曲线形态产生影响。一般而言，反射率与岩石中SiO2含量成正比。,（4）岩石的波谱特征,随着岩石中SiO2含量的减少，比辐射率（发射率）波谱特性曲线的谷底对应的波长从9
15、.3m向10.7m增加，曲线形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体。,（5）人工建筑,5）地物波谱的测量,（1）地物的反射作用当电磁辐射到达两种不同介质的分界面时，入射能量的一部分或全部返回原介质的现象，称之为反射。,反射率=反射能/入射能=F（波长，入射角，电学性质，表面粗糙度，质地） 表面粗糙度的瑞利判别准则：h/8cos h为反射面的起伏大小，以波长计量；为波长；为入射角。满足判别标准的为光滑表面；反之，为粗糙表面。,镜面反射（Specular reflection） 入射能量全部或几乎全部反射，且反射角等于入射角，称为镜面反射。镜面反射分量相位相干，振幅变化小，有极化（偏振）。可见光：镜面、光滑金属表面、平静水体表面；微波：公路路面。,漫反射Diffuse reflection当入射能量在所有方向均匀反射，即入射能量以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向同性地反射能量的现象，称为漫反射，又称朗伯（Lambert）反射，也称各向同性反射。相位和振幅的变化无规律，且无极化（偏振）。一个完全的漫反射体称为朗伯体，其表面介质均匀、各向同性。朗伯余弦定律：I=I0（cos）,
