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1、第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础2.1 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱v电磁波及其特性v电磁波谱v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。波是振动在空间的传播。2.机械波：声波、水波和地震波声波、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。由振源发出的电磁振荡在空气中传播。演示4.电磁波电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理5.5.电磁辐射电磁辐射: :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)1)电磁波是横波2)2)在真空中以光
2、速传播3)3)电磁波具有波粒二象性：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。vv波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的vv粒子性：使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波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；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。 电磁波谱示图电磁波谱示图 紫外线：紫外线：紫外线：紫外线：0.01-0.38m0.01-0.38m0.
3、01-0.38m0.01-0.38m，碳酸盐岩分布、水面油污染。碳酸盐岩分布、水面油污染。碳酸盐岩分布、水面油污染。碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：可见光：可见光：可见光：0.38-0.76 m0.38-0.76 m0.38-0.76 m0.38-0.76 m，鉴别物质特征的主要波段；鉴别物质特征的主要波段；鉴别物质特征的主要波段；鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。是遥感最常用的波段。是遥感最常用的波段。是遥感最常用的波段。红外线红外线红外线红外线(IR) (IR) (IR) (IR) ：0.76-1000 0.76-1000 0.76-1000 0.76-1000 mmmm。近红
4、外。近红外。近红外。近红外0.76-3.0 0.76-3.0 0.76-3.0 0.76-3.0 mmmm; ; ; ;中红外中红外中红外中红外3.0-6.0 3.0-6.0 3.0-6.0 3.0-6.0 mmmm；远红外；远红外；远红外；远红外6.0-15.0 6.0-15.0 6.0-15.0 6.0-15.0 mmmm；超远红外；超远红外；超远红外；超远红外15-1000 15-1000 15-1000 15-1000 mmmm。（近红外又称光红外或反射红外；中红。（近红外又称光红外或反射红外；中红。（近红外又称光红外或反射红外；中红。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热
5、红外。外和远红外又称热红外。外和远红外又称热红外。外和远红外又称热红外。）微波：微波：微波：微波：1mm-1m1mm-1m1mm-1m1mm-1m。全天时、全天候遥感；有主动与被动之。全天时、全天候遥感；有主动与被动之。全天时、全天候遥感；有主动与被动之。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。分；具有穿透能力；发展潜力大。分；具有穿透能力；发展潜力大。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1.1.1.1.自然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
6、面测得的太阳辐射叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线曲线如图所示如图所示。太阳辐射的能量主要集中在可见光和近红外，其太阳辐射的能量主要集中在可见光和近红外，其太阳辐射的能量主要集中在可见光和近红外，其太阳辐射的能量主要集中在可见光和近红外，其中中中中0.38 0.38 0.38 0.38 - - 0.76 m 0.76 m 0.76 m 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的可见光能量占太阳辐射总能量的可见光能量占太阳辐射总能量的可见光能量占太阳辐射总能量的的的的43.5%43.5%43.5%43.5%，最大辐射强度位于波长，最大辐射强度位于波长，最大辐射强度位于波长，最大辐射强
7、度位于波长0.47 m0.47 m0.47 m0.47 m左右；左右；左右；左右；到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 0.3 0.3 0.3 - -3.0 m3.0 m3.0 m3.0 m波段，波段，波段，波段，经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；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。各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。三、电磁辐射源三、电磁辐射源1.1.1.1.自然辐射源自然辐射源地球的电
8、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。2.2.人工辐射源人工辐射源 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。l l微波辐射源：0.8-30cm、优点l l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光谱特性v地物的反射光谱特性v地物的发射光谱特性v地物的透射光谱特性1.1.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：
9、l l入射电磁波的波长入射电磁波的波长l l入射角的大小入射角的大小l l地表颜色与粗糙度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一、地物的反射光谱特性2.2.地物的反射光谱：地物的反射光谱：地物的反射率随入射波地物的反射率随入射波 长变化的规律。长变化的规律。1)1)地物反射光谱曲线地物反射光谱曲线：根据地物反射率与根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电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磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。质的基本原理。2)2)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
10、差异：植被、植被、 土壤、水体、岩石土壤、水体、岩石的光谱曲线的光谱曲线3)3)同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性异性。不同植物不同植物；植物病虫害植物病虫害4)4)地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。qq时间特性时间特性qq空间特性空间特性5)5)同物异谱，异物同谱同物异谱，异物同谱课下阅读课本课下阅读课本4141页页2.3.42.3.4地物波谱特性的测量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量标准；地物的发射率是以黑体辐
11、射作为参照标准。参照标准。1.1.黑体：黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于辐射的吸收系数等于1 1（100%100%）的物体。）的物体。2.2.2.2.黑体辐射黑体辐射(Black Body Radiation )(Black Body Radiation )：黑体黑体的热辐射称为黑体辐射。的热辐射称为黑体辐射。二、地物的发射光谱特性二、地物的发射光谱特性3 3、黑体辐射定律、黑体辐射定律(1)(1)普朗克热辐射定律普朗克热辐射定律 表示出了表示出了黑体辐射出射度黑体辐射出射度与与温度温度的关系以的关系以及按及按波长波长分布的规律。分布的规律。
12、辐射出射度：辐射源物体表面在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量P19黑体辐射的三个特性黑体辐射的三个特性A.A.辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。B.B.温度越高，辐射出射度越大，不同温度的曲线是不相交的。C.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。辐射出射度 (2) (2)斯忒藩斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体黑体总辐射通量总辐射通量随温度的增加而迅速增加，随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起变化，就会引起辐射通量密度辐射通量密度很大的变化。是很大的变化。是红外
13、装置测定温度的理论基础。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温度温度温度温度30030050050010001000 20002000 30003000 40004000 50005000 60006000 70007000波长波长波长波长9.669.665.805.802.902.901.451.450.970.970.720.720.580.580.480.480.410.41(3)(3)维恩位移定律维恩位移定律 随着温度的升高，辐射最大值对应随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。的峰值波长
14、向短波方向移动。b=28970.4m k4 4、实际物体的辐射、实际物体的辐射1)1)1)1)地物发射率：地物发射率：地物的辐射出射度（单位面积地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）上发出的辐射总通量）W W与同温下的黑体辐射与同温下的黑体辐射出射度出射度W W黑黑的比值。它也是遥感探测的基础和的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。出发点。l l影响地物发射率的因素：影响地物发射率的因素： 地物的性质、表面状况、温度（比热、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，反之发射率温作用的地物，一
15、般发射率大，反之发射率就小。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。2)2)基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：3)3) 在一定温度下，地物单位面积上的辐在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量射通量W W和吸收率之比，对于任何物体都是和吸收率之比，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一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量射通量W W黑。黑。红外遥感的理论依据红外遥感的理论依据5 5、黑体的微波辐射、黑体的微波辐射1)1)任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红
16、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。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，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。温度越低，微波辐射越明显。2)2)微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以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。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，与黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。波长的平方成反比。 k波尔兹曼常数4）微波波段与红外波段发射率的比较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
17、别的结论：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。地物，在微波波段中则容易识别。6 6、地物的发射光谱、地物的发射光谱发射光谱：地物的发射率随波长变发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。之间的关系绘成的曲线。l l透射率：入射光透射过地物的能量与入射透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。总能量的百分比。l l透射率随着电磁波的波长和地物的性质而透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。不同。l l可见光、红外、微波的透射能力可见光、红外、微波的透射能力三、地物的透射光谱特
18、性三、地物的透射光谱特性2.3 大气和环境对遥感的影响大气和环境对遥感的影响l l大气的成分和结构l l大气对太阳辐射的影响l l大气窗口l l环境对地物光谱特性的影响一、大气的成分l l大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与散射和透射的特性。这种特性与电磁波波电磁波波长长、大气的成分和环境的变化大气的成分和环境的变化有关。有关。l l大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。的微粒混合组成的。l l大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐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。射衰减的重要原因。二、大
19、气的结构l l大气的垂直分层：对流层、平流层、中间层、大气的垂直分层：对流层、平流层、中间层、热层和大气外层。热层和大气外层。1.1.1.1.对流层对流层 ：航空遥感活动区。遥感侧重研究：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。电磁波在该层内的传输特性。2.2.2.2.平流层：较为微弱。平流层：较为微弱。3.3.3.3.中间层：温度随高度增加而递减。中间层：温度随高度增加而递减。4.4.4.4.热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。5.5.5.5.大气外层：大气外层：10001000公里以外的星际空间。公里以外的星际空间。三、大气对太阳辐射的
20、影响三、大气对太阳辐射的影响l l太阳辐射的衰减过程： 30%30%被云层反射回宇宙空间；被云层反射回宇宙空间；17%17%被大气被大气吸收；吸收；22%22%被大气散射；被大气散射；31%31%到达地面。到达地面。l l大气的透射率 透射率与路程、大气的吸收、散射有关。透射率与路程、大气的吸收、散射有关。1.1.大气的吸收作用大气的吸收作用A.A.氧气：氧气：小于小于0.2 m0.2 m；0.1550.155为峰为峰值。高空遥值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。感很少使用紫外波段的原因。B.B.臭氧：臭氧：数量极少，但吸收很强。对航空遥感数量极少，但吸收很强。对航空遥感影响不大。影响不大。0
21、.2-0.36 0.2-0.36 mm, 0.6 , 0.6 mmC.C.C.C.水：水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都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是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。的红光部分。因此，水气对红外遥感有极大因此，水气对红外遥感有极大的影响。的影响。D.D.D.D.二氧化碳：二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。可以忽略不计。2.2.大气的散射作用大气的散射作用 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。粒而使传
22、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，影收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。响判读。 大气散射集中在太阳辐射能量最强的可大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。原因。三种散射作用1 1）瑞利散射）瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，当微粒的直径比辐射波长小得多时，当微粒的直径比辐射波长小得多时，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。此时的散射称为瑞利散射。此时的散射称为瑞利散射。此时
23、的散射称为瑞利散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射散射率与波长的四次方成反比，因此，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。的强度随着波长变短而迅速增大。的强度随着波长变短而迅速增大。的强度随着波长变短而迅速增大。瑞利散射的影响：对可见光的影响瑞利散射的影响：对可见光的影响瑞利散射的影响：对可见光的影响瑞利散射的影响：对可见光的影响 ，对红外，对红外，对红外，对红外辐射的影响辐射的影响辐射的影响辐射的影响 ，对微波的影响，对微波的影响，对微波的影响，对微波的影响 。 较大，很小，可以不计较大，很小，可
24、以不计较大，很小，可以不计较大，很小，可以不计在微波波段在微波波段在微波波段在微波波段 一般发生瑞利散射，但强度甚小。一般发生瑞利散射，但强度甚小。一般发生瑞利散射，但强度甚小。一般发生瑞利散射，但强度甚小。无无云的云的晴天，天空为什么呈现蓝色？晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？多波段遥感中一般不用蓝紫光，为何？多波段遥感中一般不用蓝紫光，为何？2.2.米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时当微粒的直径与辐射波长差不多时当微粒的直径与辐射波长差不多时当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。的大气散射。的大气散射。的大气散射。云、雾的粒子大小与
25、红外线的波长（云、雾的粒子大小与红外线的波长（云、雾的粒子大小与红外线的波长（云、雾的粒子大小与红外线的波长（0.76-15 0.76-15 mmmm ）接近，所以云雾对红外线的米氏散射不）接近，所以云雾对红外线的米氏散射不）接近，所以云雾对红外线的米氏散射不）接近，所以云雾对红外线的米氏散射不可忽视。可忽视。可忽视。可忽视。3.3.无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大当微粒的直径比辐射波长大当微粒的直径比辐射波长大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得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件得多时所发生的散射。符合无选择性散
26、射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。的波段中，任何波段的散射强度相同。的波段中，任何波段的散射强度相同。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水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。择性散射。择性散射。择性散射。云雾为什么通常呈现白色？云雾为什么通常呈现白色？云雾为什么通常呈现白色？云雾为什么通常呈现白色？结论 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊
27、不清。的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。散射主要发生在可见光区。微波为何穿云透雾？微波为何穿云透雾？四、大气窗口四、大气窗口1 1、大气窗口大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段。散射的透射率较高的电磁辐射波段。l l大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。常见的大气窗口常见的大气窗口0.30.31.3m 1.3m 紫外紫外 可见可见 近红外近红外1.51.51.8m1.8m和和2.02.03.5m 3.5m 近红外、中红外近红外、中红外3.53.55.5m 5.5m 中红外中红外8
28、814m 14m 远红外远红外0.80.82.5cm 2.5cm 微波微波五、环境对地物光谱特性的影响五、环境对地物光谱特性的影响1.1.地物的物理性状地物的物理性状地物的物理性状地物的物理性状2.2.光源的辐射强度：光源的辐射强度：光源的辐射强度：光源的辐射强度：纬度与海拔高度纬度与海拔高度纬度与海拔高度纬度与海拔高度3.3.季节：季节：季节：季节：太阳高度角太阳高度角太阳高度角太阳高度角不同不同不同不同4.4.探测时间：探测时间：探测时间：探测时间：时间不时间不时间不时间不同，反射率不同。同，反射率不同。同，反射率不同。同，反射率不同。5.5.气象条件气象条件气象条件气象条件思考题：思考题：l l1.遥感遥感技术中常用的电磁波波段波段有哪些？各有哪些特性？l l2.太阳辐射穿过大气层能量衰减的原因是什么？作业：作业：l l3.什么是大气窗口？常用于遥感遥感的大气窗口有哪些？l l4.植被、沙、雪和湿地的反射光谱各有哪些特点？
