1、第二章 遙感物理基礎(chǔ)2.1 電磁波與電磁波譜2.2 地物光譜特性2.3 大氣和環(huán)境對(duì)遙感影響第1頁(yè)第1頁(yè)2.1 電磁波與電磁波譜電磁波及其特性電磁波譜電磁輻射源第2頁(yè)第2頁(yè)一、電磁波及其特性波概念：波是振動(dòng)在空間傳播。機(jī)械波：聲波、水波和地震波電磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源發(fā)出電磁振蕩在空氣中傳播。演示第3頁(yè)第3頁(yè)電磁波是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間互相聯(lián)系傳播：原理電磁輻射:電磁能量傳遞過(guò)程（包括輻射、吸取、反射和透射）稱(chēng)為電磁輻射。第4頁(yè)第4頁(yè)電磁波特性電磁波是橫波在真空中以光速傳播電磁波含有波粒二象性：在傳播過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)互相作用時(shí)，主要表

2、現(xiàn)為粒子性。波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)形式在空間傳播粒子性：使電磁輻射能量含有統(tǒng)計(jì)性第5頁(yè)第5頁(yè)波粒二象性程度與電磁波波長(zhǎng)相關(guān)：波長(zhǎng)愈短，輻射粒子性愈明顯；波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，輻射波動(dòng)特性愈明顯。第6頁(yè)第6頁(yè)二、電磁波譜電磁波譜：將各種電磁波在真空中波長(zhǎng)(或頻率)按其長(zhǎng)短，依次排列制成圖表。 電磁波譜示圖 第7頁(yè)第7頁(yè)紫外線：0.01-0.38m，碳酸鹽巖分布、水面油污染。可見(jiàn)光：0.38-0.76 m，判別物質(zhì)特性主要波段；是遙感最慣用波段。紅外線(IR) ：0.76-1000 m。近紅外0.76-3.0 m;中紅外3.0-6.0 m；遠(yuǎn)紅外6.0-15.0 m；超遠(yuǎn)紅外15-1000 m。（近紅外又稱(chēng)光

3、紅外或反射紅外；中紅外和遠(yuǎn)紅外又稱(chēng)熱紅外。）微波：1mm-1m。全天時(shí)、全天候遙感；有積極與被動(dòng)之分；含有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ蟆?、遙感慣用電磁波波段特性第8頁(yè)第8頁(yè)三、電磁輻射源自然輻射源太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)是被動(dòng)遙感主要輻射源，又叫太陽(yáng)光，在大氣上界和海平面測(cè)得太陽(yáng)輻射曲線如圖所表示。太陽(yáng)輻射能量主要集中在可見(jiàn)光和近紅外，其中0.38 - 0.76 m可見(jiàn)光能量占太陽(yáng)輻射總能量43.5%，最大輻射強(qiáng)度位于波長(zhǎng)0.47 m左右；到達(dá)地面太陽(yáng)輻射主要集中在0.3 -3.0 m波段，通過(guò)大氣層太陽(yáng)輻射有很大衰減；各波段衰減是不均衡。第9頁(yè)第9頁(yè)三、電磁輻射源自然輻射源地球電磁輻射： 小于2.5m波長(zhǎng)主

4、要是太陽(yáng)輻射能量；不小于6m波長(zhǎng)，主要是地物本身熱輻射；2.5-6m之間，太陽(yáng)和地球熱輻射都要考慮。第10頁(yè)第10頁(yè)人工輻射源 積極式遙感輻射源,被稱(chēng)為 雷達(dá)探測(cè);分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。微波輻射源：0.8-30cm、長(zhǎng)處激光輻射源：激光雷達(dá)測(cè)定衛(wèi)星位置、高度、速度、測(cè)量地形等。第11頁(yè)第11頁(yè)2.2 地物光譜特性地物反射光譜特性地物發(fā)射光譜特性地物透射光譜特性第12頁(yè)第12頁(yè)地物反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）： 地物對(duì)某一波段反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長(zhǎng)而改變。影響地物反射率大小原因：入射電磁波波長(zhǎng)入射角大小地表顏色與粗糙度地物反射率總是小于等于1一、地物反射光譜特性第13頁(yè)第13

5、頁(yè)地物反射光譜：地物反射率隨入射波 長(zhǎng)改變規(guī)律。地物反射光譜曲線：依據(jù)地物反射率與波長(zhǎng)之間關(guān)系而繪成曲線。地物電磁波光譜特性差異是遙感識(shí)別地物性質(zhì)基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差異：植被、 土壤、水體、巖石光譜曲線第14頁(yè)第14頁(yè)同類(lèi)地物反射光譜含有相同性，但也有差異性。不同植物；植物病蟲(chóng)害地物光譜特性含有時(shí)間特性和空間特性。時(shí)間特性空間特性同物異譜，異物同譜課下閱讀書(shū)本41頁(yè)2.3.4地物波譜特性測(cè)量第15頁(yè)第15頁(yè) 地物發(fā)射電磁波能力以發(fā)射率作為衡量原則；地物發(fā)射率是以黑體輻射作為參考原則。黑體：在任何溫度下，對(duì)各種波長(zhǎng)電磁輻射吸取系數(shù)等于1（100%）物體。黑體輻射(Black

6、Body Radiation )：黑體熱輻射稱(chēng)為黑體輻射。二、地物發(fā)射光譜特性第16頁(yè)第16頁(yè)3、黑體輻射定律(1)普朗克熱輻射定律 表示出了黑體輻射出射度與溫度關(guān)系以及按波長(zhǎng)分布規(guī)律。輻射出射度：輻射源物體表面在單位時(shí)間內(nèi)，從單位面積上輻射出輻射能量P19第17頁(yè)第17頁(yè)黑體輻射三個(gè)特性輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)改變，每條曲線只有一個(gè)最大值。溫度越高，輻射出射度越大，不同溫度曲線是不相交。伴隨溫度升高，輻射最大值所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。輻射出射度第18頁(yè)第18頁(yè) (2)斯忒藩-玻耳茲曼定律 黑體總輻射通量隨溫度增長(zhǎng)而快速增長(zhǎng)，它與溫度四次方成正比。因此，溫度微小改變，就會(huì)引起輻射通量密度很大改變

7、。是紅外裝置測(cè)定溫度理論基礎(chǔ)。輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積輻射能量總輻射通量：各波段輻射通量之和或輻射通量積分值第19頁(yè)第19頁(yè)溫度300500100030004000500060007000波長(zhǎng)9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(3)維恩位移定律 伴隨溫度升高，輻射最大值相應(yīng)峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。b=28970.4m k第20頁(yè)第20頁(yè)4、實(shí)際物體輻射地物發(fā)射率：地物輻射出射度（單位面積上發(fā)出輻射總通量）W與同溫下黑體輻射出射度W黑比值。它也是遙感探測(cè)基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。影響地物發(fā)射率原因： 地物性質(zhì)、表面情況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以

8、及含有保溫作用地物，普通發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。第21頁(yè)第21頁(yè)按照發(fā)射率與波長(zhǎng)關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。灰體(grey body)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長(zhǎng)而改變。第22頁(yè)第22頁(yè)基爾霍夫定律： 在一定溫度下，地物單位面積上輻射通量W和吸取率之比，對(duì)于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W黑。紅外遙感理論依據(jù)第23頁(yè)第23頁(yè)5、黑體微波輻射任何物體在一定溫度下，不但向外發(fā)射紅外輻射，也發(fā)射微波輻射。兩者基本相同。但微波是地物低溫狀態(tài)下主要輻射特性，溫度越低，微波輻射越明顯。微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術(shù)上能夠通過(guò)處

9、理來(lái)接受。第24頁(yè)第24頁(yè)瑞里金斯公式 黑體輻射微波功率與溫度成正比，與波長(zhǎng)平方成反比。 k波爾茲曼常數(shù)第25頁(yè)第25頁(yè)4）微波波段與紅外波段發(fā)射率比較結(jié)論：一些在紅外波段不容易辨認(rèn)地物，在微波波段中則容易辨認(rèn)。第26頁(yè)第26頁(yè)6、地物發(fā)射光譜發(fā)射光譜：地物發(fā)射率隨波長(zhǎng)改變規(guī)律。發(fā)射光譜曲線：按照發(fā)射率和波長(zhǎng)之間關(guān)系繪成曲線。第27頁(yè)第27頁(yè)透射率：入射光透射過(guò)地物能量與入射總能量百分比。透射率伴隨電磁波波長(zhǎng)和地物性質(zhì)而不同。可見(jiàn)光、紅外、微波透射能力三、地物透射光譜特性第28頁(yè)第28頁(yè)2.3 大氣和環(huán)境對(duì)遙感影響大氣成份和結(jié)構(gòu)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射影響大氣窗口環(huán)境對(duì)地物光譜特性影響第29頁(yè)第29頁(yè)一

10、、大氣成份大氣傳播特性：大氣對(duì)電磁波吸取、散射和透射特性。這種特性與電磁波波長(zhǎng)、大氣成份和環(huán)境改變相關(guān)。大氣成份：各種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮微粒混合構(gòu)成。大氣物質(zhì)與太陽(yáng)輻射互相作用，是太陽(yáng)輻射衰減主要原因。第30頁(yè)第30頁(yè)二、大氣結(jié)構(gòu)大氣垂直分層：對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和大氣外層。對(duì)流層 ：航空遙感活動(dòng)區(qū)。遙感側(cè)重研究電磁波在該層內(nèi)傳播特性。平流層：較為微弱。中間層：溫度隨高度增長(zhǎng)而遞減。熱層：增溫層。電離層。衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)空間。大氣外層：1000公里以外星際空間。第31頁(yè)第31頁(yè)三、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射影響太陽(yáng)輻射衰減過(guò)程： 30%被云層反射回宇宙空間；17%被大氣吸取；22%被大氣散射；31%到達(dá)

11、地面。大氣透射率 透射率與路程、大氣吸取、散射相關(guān)。第32頁(yè)第32頁(yè)1.大氣吸取作用氧氣：小于0.2 m；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段原因。臭氧：數(shù)量很少，但吸取很強(qiáng)。對(duì)航空遙感影響不大。0.2-0.36 m, 0.6 m水：吸取太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)介質(zhì)。處處都是吸取帶。主要吸取帶處于紅外和可見(jiàn)光紅光部分。因此，水氣對(duì)紅外遙感有極大影響。二氧化碳：量少；吸取作用主要在紅外區(qū)內(nèi)。能夠忽略不計(jì)。第33頁(yè)第33頁(yè)2.大氣散射作用 散射作用：太陽(yáng)輻射在長(zhǎng)波過(guò)程中碰到小微粒而使傳播方向改變，并向各個(gè)方向散開(kāi)。改變了電磁波傳播方向；干擾傳感器接受；減少了遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。 大氣散

12、射集中在太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)可見(jiàn)光區(qū)。因此，散射是太陽(yáng)輻射衰減主要原因。第34頁(yè)第34頁(yè)三種散射作用1）瑞利散射：當(dāng)微粒直徑比輻射波長(zhǎng)小得多時(shí)，此時(shí)散射稱(chēng)為瑞利散射。散射率與波長(zhǎng)四次方成反比，因此，瑞利散射強(qiáng)度伴隨波長(zhǎng)變短而快速增大。瑞利散射影響：對(duì)可見(jiàn)光影響 ，對(duì)紅外輻射影響 ，對(duì)微波影響 。 較大，很小，能夠不計(jì)在微波波段 普通發(fā)生瑞利散射，但強(qiáng)度甚小。第35頁(yè)第35頁(yè)無(wú)云晴天，天空為何呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽(yáng)為何都偏橘紅色？多波段遙感中普通不用藍(lán)紫光，為何？第36頁(yè)第36頁(yè)米氏散射：當(dāng)微粒直徑與輻射波長(zhǎng)差不多時(shí)大氣散射。云、霧粒子大小與紅外線波長(zhǎng)（0.76-15 m ）靠近，因此云霧對(duì)紅外線米氏

13、散射不可忽略。無(wú)選擇性散射：當(dāng)微粒直徑比輻射波長(zhǎng)大得多時(shí)所發(fā)生散射。符合無(wú)選擇性散射條件波段中，任何波段散射強(qiáng)度相同。水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠經(jīng)常產(chǎn)生非選擇性散射。云霧為何通常呈現(xiàn)白色？第37頁(yè)第37頁(yè)結(jié)論 大氣散射是太陽(yáng)輻射衰減主要原因。對(duì)遙感圖像來(lái)說(shuō)，減少了傳感器接受數(shù)據(jù)質(zhì)量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見(jiàn)光區(qū)。微波為何穿云透霧？第38頁(yè)第38頁(yè)四、大氣窗口1、大氣窗口：通過(guò)大氣而較少被反射、吸取或散射透射率較高電磁輻射波段。大氣窗口是選擇遙感工作波段主要依據(jù)。第39頁(yè)第39頁(yè)常見(jiàn)大氣窗口0.31.3m 紫外 可見(jiàn) 近紅外1.51.8m和2.03.5m 近紅外、中紅外3.55.5m 中紅