1、第一章 電磁波及遙感物理基礎1內容提綱概述概述物體的發射輻射物體的發射輻射地物的反射輻射地物的反射輻射地物波譜特性的測定地物波譜特性的測定21.1 概述 電磁波、機械波（聲波）、重力場、地磁場等都可以用作遙感，但一般而言，RS指的是電磁波遙感。 遙感之所以能夠根據收集到的電磁波來判斷地物目標和自然現象，是因為一切物體，由于其種類、特征和環境條件的不同，而具有完全不同的電磁波反射或發射輻射特征。31.1.1 電磁波 麥克斯韋電磁場理論麥克斯韋電磁場理論 電磁波是一種橫波電磁波是一種橫波4幾個重要性質 單色波可以用波函數來描述，是一個時空周期性函數，振幅、相位、波長一般成像：記錄振幅全息成像：記錄

2、振幅和相位 干涉。一般地，凡是單色波都是相干波，利用相干波進行距離測量。INSAR利用干涉原理成像。5托馬斯楊（Thomas Young）的干涉的實驗研究, 1803年.幾個重要性質 衍射 研究電磁波的衍射現象對設計遙感傳感器和提高遙感圖像的幾何分辨率具有重要意義。 偏振 電磁波有偏振波、部分偏振波和非偏振波。散射光、反射光、透射光是部分偏振波，偏振在微波技術中稱為“極化”，一般有四種極化方式。6樹木因衍射而產生的日暈1.1.2 電磁波波譜遙感信息獲取，一般指收集、探測、記錄地物的電磁波特征，即地物的發射輻射或反射電磁波特性。由于電磁波傳播的是能量，實際上也是記錄輻射能量的過程。電磁波具有不同

3、的頻率和波長，因而具有不同的特性。7Gamma? 射線X 射線紫外線可見光可見光紅外線微 波無線波紫藍綠黃紅頻率波長遙感應用的光譜范圍名稱名稱波長范圍波長范圍可見光的范圍可見光的范圍紫外線紫外線0.30.38m紫紫 0.380.43m可見光可見光0.380.76m藍藍 0.430.47m紅紅外外線線近紅外近紅外0.763.0m青青 0.470.50m中紅外中紅外36m綠綠 0.500.56m遠紅外遠紅外615m黃黃 0.560.59m超遠紅外超遠紅外151000m橙橙 0.590.62m微微波波毫米波毫米波110mm紅紅 0.620.76m厘米波厘米波110cm分米波分米波10cm1m8電磁波

4、譜的范圍非常寬，從波長最短的射線到最長的無線電波，波長之比高達1022倍以上遙感采用的電磁波段可以從紫外線一直到微波波段遙感就是根據感興趣的地物的波譜特性，選擇相應的電磁波段，通過傳感器探測不同的電磁波譜的發射或反射輻射能量而成像的。91.2 物體的發射輻射黑體輻射黑體輻射太陽輻射太陽輻射大氣對輻射的影響大氣對輻射的影響一般物體的發射輻射一般物體的發射輻射10 1.2.1 黑體輻射 1860年基爾霍夫：好的吸收體也是好的輻射體 絕對黑體任何波長的電磁輻射全部吸收 一個不透明的物體，對入射到它上面的電磁波只有吸收和反射。光譜吸收率(,T)和光譜反射率(,T)，二者之和恒等于1。 絕對黑體： (,

5、T)=1， (,T)=0 絕對白體： (,T)=0， (,T)=111普朗克定律 1900年普朗克用量子理論推導出普朗克定律 黑體輻射通量密度與溫度、波長的關系滿足普朗克定律：12W() 分譜輻射通量密度，單位W/(cm2m）； 波長，單位是m； h 普朗克常數(6.625610-34Js)； c 光速(31010cm/s)； k 玻耳茲曼常數(1.3810-23JK)； T 絕對溫度，單位是K。黑體輻射特性（一） 與曲線下的面積成正比的總輻射通量密與曲線下的面積成正比的總輻射通量密度度W W是隨溫度是隨溫度T T的增加而迅速增加。的增加而迅速增加。 對普朗克公式進行積分，可得到從1cm2面積

6、的黑體輻射到半球空間里的總輻射通量密度的表達式為： 為斯忒藩-玻耳茲曼常數，T為絕對黑體的絕對溫度（K）ThckW從上式可以看出：絕對黑體表面上，單位面積發出的總輻射能與絕對溫度的四次方成正比，稱為斯忒藩玻耳茲曼公式，Stefan-Boltzmann law 。圖圖1-5 幾種溫度下的黑體波譜輻幾種溫度下的黑體波譜輻射曲線射曲線黑體輻射特性（二）分譜輻射能量密度的峰值波長隨溫度的增加向短波方向移動。分譜輻射能量密度的峰值波長隨溫度的增加向短波方向移動。可可微分普朗克公式，并求極值。微分普朗克公式，并求極值。溫度溫度300500100020003000400050006

7、0007000波長波長9.665.802.901.450.970.720.580.480.4114維恩位移定律：黑體輻射特性（三） 每根曲線彼此不相交，故溫度每根曲線彼此不相交，故溫度T越高所有波長上的波譜輻射通量越高所有波長上的波譜輻射通量密度也越大。密度也越大。15 在波長大于1mm的微波波段，hv99）來源于太陽 太陽輻射:太陽輻射的波長范圍，大約在0.15-4微米之間 5% 紫外線 45% 可見光 50% 紅外線161.2.2 太陽輻射17輻射源 自然輻射源：自然輻射源： 太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900K的黑體輻射來模擬。大氣層對太陽輻射的吸收、反射和散射。 地球

8、的電磁輻射：近似300K的黑體輻射。 小于3m的波長主要是太陽輻射的能量；大于6m的波長主要是地物本身的熱輻射；3-6m之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。 人工輻射源：人工輻射源： 微波輻射源：0.8-30cm 激光輻射源：激光雷達(測定衛星的位置、高度、速度、測量地形等)。18太陽輻射照度分布曲線 太陽常數：指不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位內，垂直于太陽光輻射的方向上，單位面積單位時間黑體所接收的太陽輻射能量：I=1.353103 W/m2 太陽輻射的光譜是連續的，它的輻射特性與絕對黑體的輻射特性基本一致。 191.2.2 1.2.2 太陽輻射太陽輻射20太陽與地球的輻射照度太陽輻射的

9、特點 太陽光譜是連續的。 輻射特性與黑體基本一致。 近紫外到中紅外波段區間能量集中、穩定。 被動遙感主要利用可見光、紅外波段等穩定輻射。 海平面處的太陽輻射照度分布曲線與大氣層外的曲線有很大不同，這主要是地球大氣層對太陽輻射的吸收和散射造成的。211.2.3 大氣對輻射的影響22(1)大氣的垂直分布231.2.3 (2)大氣對太陽輻射的吸收 在紫外、紅外與微波區，電磁波衰減的主要原因是大氣吸收 引起大氣吸收的主要成分：氧氣、臭氧、水、二氧化碳 大氣吸收的影響主要是造成遙感影像暗淡。 大氣對紫外線有很強的吸收作用，因此，現階段中很少使用紫外線波段。241.2.3 (2)大氣對太陽輻射的散射 在可

10、見光波段范圍內，大氣分子吸收的影響很小，主要是散射引起的衰減。 太陽輻照到地面又反射到傳感器的過程中，二次通過大氣，傳感器所接收到的能量除了反射光還增加了散射光。這二次影響增加了信號中的噪聲部分，造成遙感影像質量的下降。 散射的方式隨電磁波波長與大氣分子直徑、氣溶膠微粒大小之間的相對關系而變, 主要有米氏(Mie)散射、均勻散射、瑞利（Rayleigh）散射等。 25 介質中不均勻顆粒的直徑a與入射波長同數量級時，發生米氏散射 介質中不均勻顆粒的直徑a入射波長時，發生均勻散射 介質中不均勻顆粒的直徑a小于入射波長的十分之一時，發生瑞利散射26氣溶膠 大氣中的三大可變成分：水、云、氣溶膠 氣溶膠

11、粒子是指氣溶膠粒子是指懸浮在大氣中的直徑千分之一微米到直徑千分之一微米到十微米的固態、液態粒子十微米的固態、液態粒子。 氣溶膠大多集中在底層大氣0-4km范圍內。由于地球重力作用，氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數衰減，氣溶膠顆粒尺度與可見光波長相當，故它對光的散射作用屬于米氏散射米氏散射。由于來源的不同，構成成分有差別，其變介電常數不盡相同，對電磁波的吸收散射作用差別較大，故大氣氣溶膠可分為不同類型。27氣溶膠的來源 自然：火山沙塵暴森林和草原火災活的陸地與海洋植物海水的飛沫 人為：工業、交通、取暖燃燒的石油和煤炭土地覆蓋和土地利用變化、森林砍伐和沙漠化28氣溶膠圖29瑞利散射中，散射強度與波長的關

12、系3042sin2sEI藍光散射較強紅光散射較弱 為什么微波具有穿透云霧的能力？1.2.3 (2)大氣對太陽輻射的反射 由于大氣中有云層，當電磁波到達云層時，就象到達其他物體界面一樣，不可避免的要產生反射現象，這種反射同樣滿足反射定律。而且各波段受到不同程度的影響，削弱了電磁波到達地面的程度。因此應盡量選擇無云的天氣接收遙感信號。31四川省江油市四川省江油市1.2.3 (3)大氣窗口太陽輻射在到達地面之前穿過大氣層，大氣折射只是改變太陽太陽輻射在到達地面之前穿過大氣層，大氣折射只是改變太陽輻射的方向，并不改變輻射的強度。但是大氣反射、吸收和散輻射的方向，并不改變輻射的強度。但是大氣反射、吸收和

13、散射的共同影響卻衰減了輻射強度，剩余部分才為透射部分。射的共同影響卻衰減了輻射強度，剩余部分才為透射部分。不同電磁波段通過大氣后衰減的程度是不一樣的，因而遙感所不同電磁波段通過大氣后衰減的程度是不一樣的，因而遙感所能夠使用的電磁波是有限的。有些大氣中電磁波透過率很小，能夠使用的電磁波是有限的。有些大氣中電磁波透過率很小，甚至完全無法透過電磁波。這些區域就難于或不能被遙感所使甚至完全無法透過電磁波。這些區域就難于或不能被遙感所使用，稱為用，稱為“大氣屏障大氣屏障”；反之，反之，有些波段的電磁輻射通過大氣后衰減較小，透過率較高，有些波段的電磁輻射通過大氣后衰減較小，透過率較高，對遙感十分有利，這些

14、波段通常稱為對遙感十分有利，這些波段通常稱為“大氣窗口大氣窗口”。研究和選擇有利的大氣窗口、最大限度地接收有用信息是遙感研究和選擇有利的大氣窗口、最大限度地接收有用信息是遙感技術的重要課題之一。技術的重要課題之一。 32可以用作遙感的大氣窗口 1.32.5m大氣窗口：屬于近紅外波段。3.55.0m大氣窗口：屬于中紅外波段，透射率為60-70%左右，用于探測高溫物體。814m熱紅外窗口：熱紅外窗口，透射率為80%左右，屬于地物的發射波譜。 1.0mm1m微波窗口。 33 0.30 1.15m大氣窗口：這個窗口包括全部可見光波段、部分紫外波段和部分近紅外波段，是遙感技術應用最主要的窗口之一。 1.

15、2.3 (4)輻射傳輸方程 傳感器從高空探測地面物體時，所接收到的電磁波能量包括 ： 太陽經大氣衰減后照射地面，經地物反射后，又經大氣第二次衰減進入傳感器的能量 地面物體本身輻射的能量經大氣后進入傳感器 大氣散射和輻射的能量等 341.2.4 一般物體的發射輻射 自然界中實際物體的發射和吸收的輻射量都比相同條件下絕對黑體的要低。 不僅依賴于波長和溫度，還與構成物體的材料、表面狀況等因素有關。 我們用發射率來表示它們之間的關系：= W/ W。發射率就是實際物體與同溫度的黑體在相同條件下輻射功率之比。 35 按照發射率與波長的關系，把地物分為： 黑體或絕對黑體：發射率為1，常數。 灰體：發射率小于

16、1，常數。 選擇性輻射體：發射率小于1，且隨波長而變化。 理想反射體：發射率等于0。 影響地物發射率的因素：地物的性質、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物一般發射率大，反之發射率就小。36主要地物發射率37等效黑體溫度等效黑體溫度TT等效38 實際測定物體的光譜輻射通量密度曲線并不像描繪的黑體光譜輻射通量密度曲線那么光滑 常常用一個最接近灰體輻射曲線的黑體輻射曲線作為參照，這時的黑體輻射溫度稱為等效黑體輻射溫度（或稱等效輻射溫度） 4TWW4TT等效實際物體的溫度基爾霍夫定律基爾霍夫定律 在任一給定溫度下，輻射通量密度與吸收率之比對任何材料都是一個常數，并

17、等于該溫度下黑體的輻射通量密度。 39WW4TW4TW任何材料的發射率等于其吸收率 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 根據能量守恒定理，入射在地表面的輻射功率等于吸收功率、透射功率和反射功率三個分量之和。 對于不透射電磁波的物體 40EEEE101吸收率1.3 地物的反射輻射411.3 地物的反射輻射地物的反射類別地物的反射類別光譜反射率以及地物的反射光譜特性光譜反射率以及地物的反射光譜特性影響地物光譜反射率變化的因素影響地物光譜反射率變化的因素42 1.3.1 地物的反射類型 鏡面反射：是指物體的反射滿足反射定律。當發生鏡面反射時，對于不透明物體，其反射能量等于入射能量減去物體吸收的能量。自然界中真

18、正的鏡面很少，非常平靜的水面可以近似認為是鏡面。 漫反射：如果入射電磁波波長不變，表面粗糙度h逐漸增加，直到h與同數量級，這時整個表面均勻反射入射電磁波，入射到此表面的電磁輻射按照朗伯余弦定律反射。 方向反射：實際地物表面由于地形起伏，在某個方向上反射最強烈，這種現象稱為方向反射。是鏡面反射和漫反射的結合。它發生在地物粗糙度繼續增大的情況下，這種反射沒有規律可尋。 431.3.1 地物的反射類型 粗糙度：相對概念，由入射波的波長和地表微地貌的垂直高度決定。例如：對于波長較長的無線電波，粗糙的巖石構成的地表是光滑的（鏡面）；對于可見光，細沙構成的地面也顯得粗糙（漫反射）。441.3.2光譜反射率

19、以及地物反射光譜特性 反射率 反射率是物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比 這個反射率是在理想漫反射體的情況下，整個電磁波長的反射率。 光譜反射率 45EE 實際上由于物體固有的結構特點，對于不同波長的電磁波有選擇的反射，例如綠色植物的葉子由于表皮、葉綠素顆粒組成的柵欄組織和多孔薄壁細胞組織構成，入射到葉子上的太陽輻射透過上表皮，藍、紅光輻射能被葉綠素吸收進行光合作用；綠光也吸收了一大部分，但仍反射一部分，所以葉子呈現綠色；而近紅外線可以穿透葉綠素，被多孔薄壁細胞組織所反射。因此，在近紅外波段上形成強反射。 46EE光譜反射率：反射波譜 反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長變化的規律

20、，以波長為橫坐標，反射率為縱坐標所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線。 物體的反射波譜限于紫外、可見光和近紅外，尤其是后兩個波段。47反射波譜特性曲線 正因為不同地物在不同波段有不同的反射率這一特性，物體的反射特性曲線才作為判讀和分類的物理基礎反射特性曲線才作為判讀和分類的物理基礎，廣泛地應用于遙感影像的分析和評價中。48圖圖1-14 1-14 四種地物的反射波譜特性曲線圖四種地物的反射波譜特性曲線圖1-15 1-15 四種植物的反射波譜特性曲線四種植物的反射波譜特性曲線 反射波譜特性曲線 同一地物的反射波譜特性 時間效應 空間效應 不同地物的反射波譜特性 城市道路、建筑物的反射波譜特性

21、水體的反射波譜特性 土壤的反射波譜特性 植物的反射波譜特性 巖石的反射波譜特性 49同一地物的反射波譜特性 花期的春小麥反射率明顯高于灌漿期和乳熟期。 黃葉期，由于不具備綠色植物特征，其反射光譜近似于一條斜線。這是因為黃葉的水含量降低，導致在1.45m，1.95m，2.7m附近3個水吸收帶的減弱。 當葉片有病蟲害時，也有與黃葉期類似的反射率。 50圖圖1-15 同一春小麥在花期、灌漿期、同一春小麥在花期、灌漿期、乳熟期、黃葉期的光譜測試所得的結果。乳熟期、黃葉期的光譜測試所得的結果。不同地物的反射波譜特性51不同地物的反射波譜特性52不同地物的反射波譜特性 城市道路、建筑物的反射波譜特性 水體

22、的反射波譜特性 土壤的反射波譜特性 植物的反射波譜特性 巖石的反射波譜特性 53城市道路、建筑物的反射波譜特性 在城市遙感影像中，通常只能看到建筑物的頂部或部分建筑物的側面，所以掌握建筑材料所構成的屋頂的波譜特性是我們研究的主要內容之一。 54城市道路、建筑物的反射波譜特性55 城市道路、建筑物的光譜反射特性 紅外波段較可見光波段反射強 石棉瓦較其他材料反射強 瀝青較其他材料反射弱水體的反射波譜特性 水體的反射主要在藍綠光波段； 近紅外、中紅外波段有很強的 吸收帶，反射率幾乎為零； 但是當水中含有其他物質時， 反射光譜曲線會發生變化56圖7-13 不同葉綠素含量的海水的反射特性曲線(p177)

23、57Green ReflectanceNIR Reflectance土壤的反射波譜特性 自然狀態下土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值 。 土壤的光譜特性曲線與土壤質地組成有關 土壤反射波譜特性曲線較平滑，因此在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區別不明顯。58植物的反射波譜特性59葉綠素葉綠素吸收帶吸收帶水吸收帶水吸收帶0.450.45m(m(藍藍) )、 0.670.67m(m(紅紅) )：吸收帶：吸收帶 0.550.55m(m(綠綠) )：強反射：強反射0.80.81.01.0（近紅外）：（近紅外）：1.11.1植被特有的峰值植被特有的峰值1.3 1.3 2.52.5（近紅外）：（近紅外

24、）：1.451.45、1.951.95、2.72.7水的吸收帶水的吸收帶60植物的反射波譜特性幾種不同反射波譜特性對比 巖石成分、礦物質含量、含水狀況、風化程度、顆粒大小、色澤、表面光滑程度等都影響反射波譜特性曲線的形態。 在遙感探測中可以根據所測巖石的具體情況選擇不同的波段。 6162武漢大學武測校區武漢大學武測校區彩紅外影像彩紅外影像1.3.3 影響地物光譜反射率變化的因素 63太陽高度（日期、時間）太陽高度（日期、時間）大氣條件大氣條件地形（陰影）地形（陰影）地形（坡度）地形（坡度）氣候、植物的病變氣候、植物的病變環境狀況環境狀況1.4地物波譜特性的測定地物波譜特性的概念地物波譜特性的概

25、念地物波譜特性的測定原理地物波譜特性的測定原理地物波譜特性的測定步驟地物波譜特性的測定步驟641.4.1 地物波譜特性的概念 地物波譜也稱地物光譜。 地物波譜特性是指各種地物各自所具有的電磁波特性（發射輻射或反射輻射）。 測量地物的反射波譜特性曲線主要作用： 它是選擇遙感波譜段、設計遙感儀器的依據 在外業測量中，它是選擇合適的飛行時間的基礎資料 它是有效地進行遙感圖像數字處理的前提之一，是用戶判讀、識別、分析遙感影像的基礎。 651.4.2 地物波譜特性的測定原理 對于不透明的物體，其發射率與反射率有下列關系：()=1-() 各種地物發射輻射電磁波的特性可以通過間接地測試各種地物反射輻射電磁波

26、的特性得到。 地物波譜特征（反射波譜）測定的原理是：用光譜測定儀器（置于不同波長或波譜段）分別探測地物和標準板，測量、記錄和計算地物對每個波譜段的反射率，其反射率的變化規律即為該地物的波譜特性。 66測定地物反射波譜特性的儀器 分光光度計，光譜儀，攝譜儀 儀器由收集器、分光器、探測器和顯示或記錄器組成。 收集器的作用是收集來自物體或標準板的反射輻射能量。它一般由物鏡、反射鏡、光欄（或狹縫）組成； 分光器的作用是將收集器傳遞過來的復色光進行分光（色散），它可選用棱鏡、光柵或濾光片； 探測器的類型有光電管、硅光電二極管、攝影負片（現多為感光器件）等； 顯示或記錄器是將探測器上輸出信號顯示或記錄下來

27、。 67測量的原理 分別測量地物和標準板的反射輻射通量密度 經光電管轉變為電流強度在電表上指示讀數 電流強度相比，求得地物的光譜反射率 繪制地物的反射特性曲線68GE1GE001kI 00II00kI 1.4.3 地物波譜特性的測定步驟 架設好光譜儀，接通電源并進行預熱；架設好光譜儀，接通電源并進行預熱； 安置波長位置，調好光線進入儀器的狹縫寬度；安置波長位置，調好光線進入儀器的狹縫寬度； 將照準器分別照準地物和標準板，并測量和記錄地物、標將照準器分別照準地物和標準板，并測量和記錄地物、標準板在波長準板在波長1 1 ，2 2，n n處的觀測值處的觀測值I I和和I I00； 按照（按照（1-3

28、81-38）式計算）式計算1 1 ，2 2，n n處的處的； 根據所測結果，以根據所測結果，以為縱坐標軸，為縱坐標軸，為橫坐標軸畫出地為橫坐標軸畫出地物反射波譜特性曲線。物反射波譜特性曲線。 6970本章結束711.1 1.1 概述概述電磁波的幾個重要性質：干涉、衍射、偏振電磁波的幾個重要性質：干涉、衍射、偏振電磁波波譜及遙感應用的光譜范圍電磁波波譜及遙感應用的光譜范圍遙感采用的電磁波段可以從遙感采用的電磁波段可以從紫外線紫外線一直到一直到微波波段微波波段72黑體輻射：絕對黑體、吸收率、反射率黑體輻射：絕對黑體、吸收率、反射率普朗克定律普朗克定律黑體輻射的三個特性黑體輻射的三個特性1.2.1

29、1.2.1 物體的發射輻射物體的發射輻射- -黑體輻射黑體輻射小結小結第一章第一章 電磁波及遙感物理基礎電磁波及遙感物理基礎輻射源輻射源自然輻射源：自然輻射源：太陽輻射、地球的電磁輻射人工輻射源：人工輻射源：微波輻射源、激光輻射源731.2.2 1.2.2 物體的發射輻射物體的發射輻射- -太陽輻射太陽輻射太陽輻射的特點太陽輻射的特點太陽光譜是連續的，其輻射特性與黑體基本一致。近紫外到中紅外波段區間能量集中、穩定。近紫外到中紅外波段區間能量集中、穩定。被動主要利用可見光、紅外波段等穩定輻射。被動主要利用可見光、紅外波段等穩定輻射。海平面處的太陽輻射照度分布曲線與大氣層外的曲線有很大不同，這主要是地球大氣層對太陽輻射的吸收和散射造成的。1.2.3 1.2.3 大氣對輻射的影響大氣對輻射的影響 (1)(1)大氣的垂直分布大氣的垂直分布 (2)(2)大氣對太陽輻射的大氣對太陽輻射的吸收、散射及反射吸收、散射及反射