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1、第二章 遥感的电磁辐射（物理）基础,遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。,本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、近红外、热红外地物波谱特征。,电 磁波,电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。 描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位
2、相等。 电磁波的传输特性电磁波是横波(质点的震动方向与传播方向垂直)，传播速度为3108 m/s，并且等于其频率与波长的乘积，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。（吸收率、反射率、透射率）,电磁波的叠加原理(干涉),当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。 任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波； 比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。 （白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 混合像元的分解 ）,电磁波的衍射和偏振,电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物
3、边缘改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。,最小分辨角:,(设计遥感器空间分辨率具有重要意义,电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。 偏振光，非偏振光，部分偏振,也是进行一些遥感图像处理（如图像平滑等）的依据,动量：P,能量：E,h : 普朗克常数，6.62607551034 J s,c : 光速； v : 频率,能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和X射线Y射线。,电磁波的粒子性,电磁波波长、频率,电磁波的多普勒效应,电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多
4、普勒效应。类似声波的多普勒效应。 （合成孔径雷达的工作原理）,电磁波的特点及与遥感的意义,1） 不需要传播介质 2） 横波 3） 波动性 4） 粒子性 5） 叠加原理 6） 衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像） 7）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达的工作原理）,目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。电磁波谱按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。依
5、次为：射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。（波长由短到长，频率由高到低）,（1）电 磁波与电磁波谱,电磁波谱,遥感应用的电磁波波谱段,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。 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。 红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。 微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。,BACK,遥感对地观测,波长：0.0010.38m 特征：1.大气对紫外线吸收较强；2
6、.能使溴化银底片感光；3.太阳光谱中只有0.30.38 m的光到达地面，对油污染敏感 应用：1.用于测定碳酸岩的分布2.用于油污的监测,紫外波段,波长：0.380.76m 特征：1.由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫光组成；2.人眼对可见光有敏锐的分辨率；是遥感技术应用中的重要波段。 应用：1.鉴别物质特性的主要波段2.以光学摄影或扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征,可见光波段,红外波段,微波波段,辐射源：任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外（发出）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：（1）自然辐射源：有太阳辐射(被动式遥感系统中重要的自然辐射
7、源)和地球的电磁辐射（地球辐射可分为两个部分：短波（0.32.5m）和长波（6m 以上）部分。）（2）人工辐射源主动遥感采用人工辐射源，是指人为发射的具有一定波长（或一定频率）的波束。工作时接收地物散射该光束返回的后向反射信号强弱，从而探知地物或测距，称为雷达探测。雷达又可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，目前常用的主要为侧视雷达。,（2）电磁辐射测量,（2）电 磁辐射测量,1、辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波的整个波段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。,2、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单
8、位见下表。,BACK,（1）黑体辐射和实际物体辐射,绝对黑体如果一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部吸收（即吸收系数恒等于1），则这个物体称为绝对黑体。黑体辐射 能够在热力学定律所允许的范围内，最大限度的把热能转换成辐射能的理想热辐射体。它是在一切方向上都均等的辐射。,黑体辐射特性（1）黑体辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。（2）温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大，不同温度的曲线是不相交的。绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的4次方成正比。（斯忒藩玻尔兹曼定律）（3）黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。（维恩位移定律）。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移
9、向短波方向。,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（教材P8）。从该图可以看出：,太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射； 太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，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，包括近紫外、可见光、近红外和中红外； 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。,太阳辐射（太阳光谱）的主要特征 (1)太阳辐射到达大气层顶时与60000K黑体的辐射能特征基本相同：辐射能的强度特征、辐射能随波长的
10、分布特征。(2)太阳辐射穿过大气层到达地面后，被大气反射、散射和吸收强度有所减少，而且存在多个O3、CO2、H2O的吸收带。(3)在0.30.47范围内，随波长的增加太阳辐射能急剧增长，最大辐射强度位于波长0.47左右；随波长的继续增大，太阳辐射能逐渐减少，在中红外波段，太阳辐射能已相当微弱。,(4)在0.6附近有一个O3的吸收带；在0.7、0.9、1.1附近有三个水汽的吸收带、在1.4和1.9附近太阳辐射能完全被吸收；CO2 的强吸收带在2.7和4.3附近。(5)到达地面的太阳辐射能43.5%集中在可见光波段36.8%集中在近红外波段。,地球的辐射源-地球辐射,地球辐射：地球表面和大气电磁辐
11、射的总称。 地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。 装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。,太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.32.5um波段之间。（可见光和近红外） 地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0um以上的波段。（热红外）,BACK,在0.32.5um波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略 。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射对地表进行探测和成像。 在2.56.0um波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。
12、在6.0um以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像）,地球辐射的特性 地球辐射的分段特性,了解地球辐射的分段特性的意义,可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。 中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。 热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。,地球的辐射,地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果
13、是不同的。热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。,大气物理状况的物理量一般有气压，大气温度和大气湿度它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，所以在大气效应纠正中通常假定大气具有水平均一，垂直分层结构。 气压随高度是以负指数形式递减。,大气分层与组成,大气分层,大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层： 对流层：高度在712 km,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1250 km，没有对流和天气现象。底部为同温层（航空遥感活
14、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501 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层：80035 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响，通讯卫星和气象卫星通常在该层活动。,O3,臭氧主要分布在1050km的平流层大气中，极大值出现在2025km处，对流层中的臭氧含量不到十分之一。 臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地区60 70区域内达到极大值。 70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前在
15、南极上空已形成臭氧空洞。,大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合物。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3气溶胶：指固体、液体的悬浮物大气的成分可分为常定成分（ N2，O2 ，CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶胶）。,大气成分,BACK,大气对太阳辐射的衰减太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果，是使能量不断减弱。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，约有22%被大气散射；而仅有31%的太阳辐射能量到达地面。反射、散射和吸收作用共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分，剩余强度越高，透过率越高。对遥感传感器而言，透过率
16、高的波段，才对遥感有意义。因此：太阳辐射衰减的原因是：吸收、散射、反射。,大气对辐射的吸收,大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内（ 0.2um 的电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。 大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。 真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽（10页图）。,BACK,水（H2O）：是吸收太阳辐射能量最强的介质（有气态和液态）。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，红外部分吸收最强。例如：在0.50.9m 有四个窄吸收带，在0.952.85m 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）：约占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2.8m、4.3m 与14.5m 为强吸收带。由于太阳辐射在中红外区能量很少，因此对太阳辐射而言，这一吸收带可忽略不计。大气中的其它微粒虽然也有吸收作用，但不起主导作用。,
