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1、第二章第二章 遥感的物理基础遥感的物理基础 本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱vv电磁波及其特性电磁波及其特性vv电磁波谱电磁波谱vv电磁辐射源电磁辐射源一、电磁波及其特性一、电磁波及其特性1.波的概念：波是振动在空间的传播。2.机械波：声波、水波和地震波3.电磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源发出的电磁振荡在空气中传播。演示4.电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理5.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。6.电磁波的特性1)电磁波是横波2
2、)在真空中以光速传播3)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。v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v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v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、电磁波谱二、电磁波谱1.电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。 在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波
3、长最短的是射线 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。2、遥感常用的电磁波波段的特性The Electromagnetic SpectrumMore than meets the eye!Examples from Space!WavelengthThe distance from one wave crest to the nextRadio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest!Wavelength UnitsMeters More commonly in nanometers (1 nm = 10-9 m
4、eters)Angstroms still usedNamed for Swedish Astronomer who first named these wavelengths1 nanometer = 10 AoSpeed of light = wavelength ( ) x frequency = 3 x 108 m/s in vacuumWavenumber = 1/ wavelength ( cm-1)Frequency in GHz (1 Hz = sec 1) Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumEne
5、rgyWavelength lSolar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.5 m mmEarth SpectrumIncoming from Sun:High energy, short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 m mm10 m mm20 m mmElectromagnetic SpectrumHigh energyShort wavelength / high freque
6、ncyEmitted at high TSunEarth紫外线(UV)：0.01-0.4m，碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：0.4-0.76 m，鉴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、电磁辐射源三、电磁辐射源1.自然辐射源太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用5900的
7、黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。地球的电磁辐射：小于3 m的波长主要是太阳辐射的能量；大于6 m的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6 m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量太阳辐射2.人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。微波辐射源：0.8-30cm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。 地球辐射的分段特性第二节 地物的光谱特性 任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射
8、、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。地物的反射率、吸收率和透射率地物的反射率、吸收率和透射率对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。地物的反射类型 镜面反射 漫反射 方向反射1.地物的反射率地物的反射率（反射系数或亮度系数）反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量与入射总能量之比。反射率随入射波长而变化。影响地物反射率大小的因素：l入射电磁波的波长l入射角的大小l地表颜色与粗糙度2.地物的反射光谱地物的反射光谱：地物的反射率随入射地物的反射率随入射波长变化的规律。波长变化的规律。1)地物
9、反射光谱曲线地物反射光谱曲线：根据地物反射率根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地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。地物性质的基本原理。2)2)不同地物在不同波段反射率存在差异：不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、雪、 沙漠、湿地、小麦的光谱曲线沙漠、湿地、小麦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常见地物的光谱曲线比较常见地物的光谱曲线比较传感器探测波段的设计，是通过分析传感器探测波段的设计，是通过分析比较地物光谱数据而确定的。比较地物光谱数据而确定的。多光谱扫描仪（多光谱扫描仪（MSS
10、）的波段设计：的波段设计： MSS1(0.5-0.6 m) MSS2(0.6-0.7 m) MSS3(0.7-0.8 m) MSS4(0.8-1.1 m) 3)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4)地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。q时间特性q空间特性影响地物光谱反射率变化的因素影响地物光谱反射率变化的因素 太阳位置 传感器的位置 地理位置 地形 季节 气候变化 地面温度变化 地物本身的变异 大气状况 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。1.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。
11、2.黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。1. Power Source: Blackbody Radiation Plancks Law:The amount and spectrum of radiation emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperatureMax Planck (1858 1947) Max Planck (1858 1947) Nobel Prize 1918Nobel Prize 1918Emission from warm bodies pea
12、k at short wavelengthswavelength620 K380 K3、黑体辐射定律(1)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。黑体辐射的三个特性A.辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。B.温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。C.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 Stefan-Boltzmanns law 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。温度300500100
13、0200030004000500060007000波长9。665。802。901。450。970。720。580。480。41(3)(3)维恩位移定律维恩位移定律：Wiens displacement law 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、地物的发射率和基尔霍夫定律1)发射率(Emissivity )：地物的辐射功率（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射功率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
14、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。2)基尔霍夫定律：在一定温度下，地物辐射通量密度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。地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。5、黑体的微波辐射1)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
15、射特性，温度越低，微波辐射越明显。2)微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。3)瑞里瑞里金斯公式金斯公式 黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。 微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。（表2-6）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。岩石的发射光谱分析透射率：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。地物波谱特
16、性1 定义：指各种地物各自所具有的电磁波特性，也叫地物光谱，包括发射辐射或者反射辐射2 作用： 1）选择遥感波普段、设计传感器的依据 2）选择合适的飞行时间的基础资料 3）有效的进行遥感图像数字处理的前提第三节 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：大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分有关。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。 大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。 气体：N2，O2，H2O，CO2，
17、CO，CH4，O3 悬浮微粒：尘埃 大气成分二、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。1.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。2.平流层：较为微弱。3.中气层：温度随高度增加而递减。4.热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。5.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；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。（图2-3）大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。（一）大气的吸收作用A.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。
18、B.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。C.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。D.二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。大气的吸收作用： 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。大气的吸收作用O2吸收带吸收带0.2m，0.155 m最强最强O3吸收带吸收带0.20.36 m，0.6 mH2O吸收带吸收带0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO2吸收带吸收带1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m
19、尘埃尘埃吸收量很小吸收量很小AbsorptionIn contrast to scatter, atmospheric absorption results in the effective loss of energy to atmospheric constituents.This normally involves absorption of energy at a given wavelength.The most efficient absorbers of solar radiation in this regard are:Water VapourCarbon DioxideOz
20、oneAbsorption of EM energy by the atmosphere（二）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。ScatteringAtmospheric scattering is the unpredictable diffusion of radiation by particles in the atmosphere.Three types of sc
21、attering can be distinguished, depending on the relationship between the diameter of the scattering particle (a) and the wavelength of the radiation ( ).Scattering of EM energy by the atmosphereRayleigh Scattera Rayleigh scatter is common when radiation interacts with atmospheric molecules (gas mole
22、cules) and other tiny particles (aerosols) that are much smaller in diameter that the wavelength of the interacting radiation.The effect of Rayleigh scatter is inversely proportional to the fourth power of the wavelength. As a result, short wavelengths are more likely to be scattered than long wavel
23、engths.Rayleigh scatter is one of the principal causes of haze in imagery. Visually haze diminishes the crispness or contrast of an image.Relationship between path length of EM radiation and the level of atmospheric scatterMie Scattera Mie scatter exists when the atmospheric particle diameter is ess
24、entially equal to the energy wavelengths being sensed. Water vapour and dust particles are major causes of Mie scatter. This type of scatter tends to influence longer wavelengths than Rayleigh scatter. Although Rayleigh scatter tends to dominate under most atmospheric conditions, Mie scatter is sign
25、ificant in slightly overcast ones.Non-selective scattera Non-selective scatter is more of a problem, and occurs when the diameter of the particles causing scatter are much larger than the wavelengths being sensed. Water droplets, that commonly have diameters of between 5 and 100mm, can cause such sc
26、atter, and can affect all visible and near - to - mid-IR wavelengths equally. Consequently, this scattering is “non-selective” with respect to wavelength. In the visible wavelengths, equal quantities of blue green and red light are scattered.Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud三种散射作用1.瑞利
27、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：颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.62 0.570.530.470.4 0.3散射率11.62.23.34.95.4 30.0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？2.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
28、红外线的米氏散射不可忽视。3.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 1.太阳辐射衰减的原因是什么？2.在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？3.无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？4.朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？5.微波为什么具有极强的穿透云层的作用？6.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
29、见的大气窗口：大气窗口大气窗口大气窗口波段波段透射率透射率/%/%应用举例应用举例紫外可见光紫外可见光近红外近红外0.30.31.3 1.3 mm9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近红外近红外1.51.51.8 1.8 mm8080TM5TM5近近- -中红外中红外2.02.03.5 3.5 mm8080TM7TM7中红外中红外3.53.55.5 5.5 mmNOAANOAA的的AVHRRAVHRR远红外远红外8 814 14 mm60607070TM6TM6微波微波0.80.82.52.5cmcm100100RadarsatRadarsat五、环境对地物光谱特性的影响1.地物的物理性状2.光源的辐射强度：纬度与海拔高度3.季节：太阳高度不同4.探测时间：时间不同，反射率不同。5.气象条件
