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1、第二章 遥感原理,本章提要()1 电磁波谱 2电磁辐射 3 太阳辐射 4 太阳辐射与大气的作用 5 太阳辐射与地表的相互作用 6 地表自身的热辐射 7 地物的反射 8 微波与地物的作用,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。,波振动的传播称为波。纵波(弹簧)、横波（绳子）（根据质点振动方向与波的传播方向来判断）电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播：当电磁振荡进入空间，变化的电场激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播。描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性
2、电磁波是横波，传播速度为3108 m/s，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。在近代物理中电磁波也称为电磁辐射。,1 电磁波谱,电磁波是横波，在真空中传播满足满足方程：*f=c;E=h*f,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。依次为：射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。电磁波谱示图,To be continued,1电磁波谱,电磁波谱：,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
3、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。,遥感应用的电磁波波谱段,一、辐射源任何物体都是辐射源，不仅能吸收其它物体对它的辐射，也能够向外辐射。电磁波传递就是电磁能量的传递。遥感探测实际上是辐射能量的测定。二、辐射测量 辐射能量（W）：电磁波辐射的能量，单位（J）。辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dW/dt，单位是W；辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该是各谱段辐射通量之和或辐射通量的积分值。辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐
4、射能量，E=d/dS，单位是W/m2。辐照度（I）:被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，I=d/dS，单位是W/m2。辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=d/dS，单位是W/m2。,2 电磁辐射,辐射亮度（L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则L定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即 朗伯源：辐射亮度L与观察角无关的辐射源。一些粗糙的表面可以近似看作朗伯源；涂有氧化镁的表面也可近似看作朗伯源，常被用作遥感光谱测量时的标准板；太阳通常近似地被看成朗伯源，简化研究；严格地讲，只有绝对黑体才是朗伯源。,2 电磁辐射,三、黑体辐
5、射 1、绝对黑体一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。对于不透明物体，对电磁波只有反射和吸收现象，该物体的光谱吸收系数与光谱反射系数之和恒为1。对于绝对黑体，有绝对黑体模拟试验：用一个带有小孔的空腔（空墙壁由不透明的材料制成）。自然界中近似绝对黑体：黑色的烟煤（吸收系数达99%）,2 电磁辐射,2、黑体辐射规律(1)绝对黑体辐射公式（普朗克公式）c真空中的光速，k波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/Kh普朗克常数，h=6.6310-34 J/KM辐射出射度,2 电磁辐射,（2）斯忒藩-玻尔兹曼定律整个电磁波谱的总辐射出射度M，为某一单位波长的辐射出射度M对波长做
6、0到无穷大的积分。用普朗克公式对波长积分，便导出斯忒藩-玻尔兹曼定律，即绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。斯忒藩-玻尔兹曼常数，=5.6710-8 Wm-2K-4在黑体辐射曲线中，曲线下面所围面积为积分值，即该温度时绝对黑体的总辐射出射度M。,2 电磁辐射,（3）维恩位移定律黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反比：b常数，b=2.89810-3 mK 几何意义：在黑体辐射曲线中，黑体温度越高，其曲线的峰值就越往左移，即往波长短的方向移动（位移）。如果辐射最大值落在可见光波段，物体的颜色会随着温度的升高而变化，波长逐渐变短，颜色由红外到红色再逐渐变蓝变紫（如烟煤燃
7、烧）。太阳、地球、恒星看作球形绝对黑体太阳光max=0.47m，则T=6150K;地球 max=9.66m（温暖季节白天），则T=300K(侧重红外遥感)。,2 电磁辐射,3、实际物体的辐射（1）研究思路 问题：斯忒藩-玻尔兹曼定律、维恩位移定律只适用于黑体辐射，但在自然界中，黑体辐射是不存在的，一般地物辐射能量总要比黑体辐射能量要小。发射率：在同温度下辐射源与黑体二者之辐射出射度的比值。发射率与地物的性质、表面状况（粗糙度、颜色等）有关，且是波长和温度的函数。表面粗糙或颜色较深发射率较高。地物发射率的差异也是遥感探测的基础和出发点。通常，将发射率与波长的关系，将地物分为三类：a)绝对黑体：=
8、1 b)灰体：=常数（1）c)选择性辐射体：发射率随波长而变化，且1,2 电磁辐射,3、实际物体的辐射（2）基尔霍夫定律基尔霍夫现象：在任何给定温度下，地物的辐射出射度M与吸收率之比，对任何地物都是一个常数，并等与该温度下绝对黑体的M0。出发点：把实际物体看作辐射源，研究其辐射特性，将其与绝对黑体比较。首先研究物体在单位光谱区间内的辐射出射度M与吸收系数的关系。,2 电磁辐射,3、实际物体的辐射（2）基尔霍夫定律试验假设：假定在温度保持为T的真空容器（C）内，有四个不同物体B0、B1、B2、B3。腔内能量交换不能通过对流和传导，只能以辐射方式进行。由于空腔内保持恒温不变，根据热辐射平衡原理，每
9、个物体向外辐射和吸收的能量必然相等。,2 电磁辐射,I1=I2=I,意义：A)任何物体的辐射出射度与吸收率的比值，都等于同温度下绝对黑体的辐射出射度。B)发射率等于吸收率。C)强发射率的物体同时也是弱反射的物体；好的吸收体也是好的辐射体。D)绝对黑体不仅具有最大的吸收率，也具有最大的发射率，丝毫不存在反射；E)对于实际物体，都可以看作辐射源，如果物体的吸收本领大，则其发射本领也大。,2 电磁辐射,（3）实际物体的辐射A)基尔霍夫定律表现了实际物体的辐射出射度与同一温度、同一波长绝对黑体辐射的关系，B)自然界的物体与绝对黑体辐射比较，都有与石英类似的性质，只不过吸收系数不同而已。C)对于实际物体
10、，都可以看作辐射源，如果物体的吸收本领大，即越接近1，它的发射本领也越大，即越接近黑体辐射。D)黑色烟煤在常温下是黑色，说明它发射很弱，发射也少；一旦燃烧，温度身高，可以达到很强的发射，性质也越接近黑体。,2 电磁辐射,举例：石英温度为250k,分别作出250k时绝对黑体的辐射曲线和石英的辐射曲线，图中可以看出，石英的辐射显然比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同，即比辐射率与波长有关。,2 电磁辐射,石英,实际物体的辐射 例1：已知太阳常数推算出太阳表面的辐射出射度M=6.284107W/m2；求太阳的有效温度和太阳光谱辐射中辐射强度最强的波长max。例2：没有显著的选择吸收，吸收率虽然小于1，
11、但基本不随波长变化，这种物体叫做灰体。一般的金属材料都可近似看作灰体。已知已氧化的铜表面的温度为1000 K，比辐射率（吸收系数）为0.7，求这时该物体的总辐射出射度M。,2 电磁辐射,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。从太阳光谱曲线可以看出()：,3 太阳辐射,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
12、阳辐射有很大的衰减；衰减最大的区间便是大气分子吸收的最强波段；各波段的衰减是不均衡的。,4 太阳辐射与大气的作用,一、大气结构 二、大气成分 三、大气吸收作用 四、大气散射作用 五、大气窗口,地球被大气圈包围，大气圈上界无明显界线，离地面越高大气越稀薄，逐步过渡到太阳系空间。一般认为，大气厚度约1千公里，且在垂直方向自下而上分为对流层、平流层、电离层、外大气层。,大气结构,从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在712 km,空气作垂直运动而形成对流，热量的传递产生天气现象。空气温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在1250 km，底部为同温层（航空遥感
13、活动层），同温层以上，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，反射地面发射的无线电波，对遥感波段是透明的（因波段短），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。,BACK,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 99%H2O，CO2，CO，CH4，O3 1%悬浮微粒：尘埃 烟气溶胶（是一种固体、液体的悬浮物；其核心是固体，如尘埃、花粉、微生物、海水的盐粒等，在核心外包有液体，直径在0.01-30 m,多分布在高度5km以下。）,大气成分,BA
14、CK,大气的吸收作用：太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用。吸收作用使辐射能量转变为分子的内能，从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至完全不能通过大气。,大气的吸收作用,大气吸收带：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（缺失带）。,大气的吸收作用,BACK,大气的散射作用,概念：辐射在传播过程中，遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，即为散射。散射影响：使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向的辐射。尽管强度不大，但太阳辐射在照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，在照射地面时，由于增加了漫入射的成分，使反射的成分有所改变
15、。对遥感图像来说，增加了信号中的噪声成分，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。散射主要发生在可见光区。,大气的散射作用,本质：电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象；该现象只有当大气中分子或其它微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生。大气散射类型：1、瑞利散射：d 由大气中的原子和分子，如 O2、N2等分子引起。对可见光，瑞利散射非常明显，散射强度与波长的四次方成反比。瑞利散射对于红外和微波，由于波长更长，散射强度更弱，基本不受影响。例如：无云的晴空呈现蓝色，因为蓝光波长短，散射强度大。朝霞和
16、夕阳,大气的散射作用,大气的散射作用,2、米氏散射：d 由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶引起。潮湿天气米氏散射影响大。散射强度与波长的二次方成反比。3、非选择性散射：d 散射强度与波长无关。,大气折射,折射：电磁波穿过大气层时，除发生吸收和散射外，还会出现传播方向的改变，即折射。折射改变了太阳辐射的方向，但不改变辐射的强度。大气的折射与大气密度有关，密度越大，折射率越大。,BACK,大气反射,反射：电磁波穿过大气层时，若通过两个介质的交界面，还会出现反射。气体、尘埃的反射作用很小；反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量。而且，各波段均受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的强度。遥
17、感应尽量选择无云的天气。,大气窗口,概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。,大气窗口,意义：对于遥感传感器而言，只能选择透过率较高的波段，才有观测意义。,BACK,5 太阳辐射与地表的相互作用,太阳辐射近似于温度6000K的黑体辐射，最大辐射对应的波长为0.47 m左右，最小辐射对应的波长为9.66 m。太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些
18、物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.450.56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达1020 m，清澈水体可达100 m的深度。地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66 m，主要集中在长波，即6m以上的热红外区段。就短波而言，地表反射的太阳辐射称为地表的主要辐射来源，而地表自身的辐射可以忽略不计。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。,返回,5.1 地球辐射地球表面和大气辐射的总称,5.2 地球辐射的分段特性,温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。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，
19、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。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。,6 地表自身的热辐射,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是不同的。温度一定时，地物的发射率随波长变化，描述这种变换的曲线叫发射光谱曲线。分析发射光谱曲线的特性，可以发现地物某些规律。曲线特征可以反映地面物体本身的特征，包括组成、温度、表面粗糙度等特征。可以用发射率来识别物体，尤其在夜间太阳辐射消失后，地面发出的能量以发射光谱为主，探测红外辐射及微波辐射并与同温度下的发射率曲线比较。,6
20、 地表自身的热辐射,6 地表自身的热辐射,谷底对应波长从9.3向10.7增加，反映出岩石中的SiO2含量的减少。,返回,1、地物的反射率反射率（）：地物的反射能量与入射总能量的比，即=(P/P 0)100%。不同地物的反射率是不同的，取决于物体本身的性质（表面状况），以及入射电磁波的波长和入射角度。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。利用反射率可以判断物体的性质。,7 地物的反射（一）,2、物体的反射类型（1）镜面反射 物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探
21、测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。自然界真正的镜面很少。,7 地物的反射（二）,2、物体的反射类型（2）漫反射不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。把反射出来的能量分散到各个方向，因此从某一方向看反射面，其亮度一定小于镜面反射的亮度。严格来说，对漫反射面，当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐射度是一个常数，该反射面叫朗伯面。,6 地物的反射（三）,2、物体的反射类型（3）实际物体的反射多数处于镜面和漫反射之间。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。,7 地物的反射（四）,3、各典型地物的光
22、谱曲线反射光谱波谱曲线：地物的反射率随波长的变化规律，用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。作用：同一物体的波谱曲线反映出不同波段的不同反射率，将此与遥感传感器的对应波段接受的辐射数据相对照，可以得出遥感数据与对应地物的识别规律，作为遥感影像判读依据。植被光谱曲线 土壤光谱曲线 水体光谱曲线 岩石光谱曲线 常见地物比较光谱曲线,7地物的反射（五）,返回,在电磁波谱中，波长在1mm1m范围的波称微波。（微波波段划分）微波遥感特性：能全天候、全天时工作()；对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力()；对海洋遥感具有特殊意义()；分辨率较低，但特征明显()。,8 微波与地物的作用,由
23、于微波的波长较长，因而散射相对较小，在大气中衰减少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本不受烟、云、雨的限制。对于热带雨林地区更有意义。,微波传感器的波长分辨率比较低，是由于其波长较长，衍射现象显著的缘故。同时，观察精度和取样速度往往不能协调。,这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波振幅减少1/e倍（37%）的穿透深度定义为趋肤深度H:H=(5.310-31/2)/式中：为地物的介电常数；为地物的导电率。,微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。,返回,近红
24、外：0.763.0 m，与可见光相似。中红外：3.06.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.015.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.01 000 m，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。,红外线的划分,BACK,太阳辐射（1）,P34,图 2.20,To be continued,地面太阳辐射,波长(nm),大气上界太阳辐照度,海平面太阳辐照度,太阳光谱辐照度,太阳辐射（2）,BACK,微波的波段划分,BACK,植物的光谱曲线,返回,（1）可见光短（0.4-0.76m）有一个小反射峰（0.55 m绿），两侧0.45 m（蓝）和0.6
25、7 m（红）各有两个吸收带。叶绿素影响。（2）在近红外波段（0.7-0.8 m）有一反射的陡坡，至1.1 m附近有一峰值，反射率最大可达50，形成植被的独有特征。植物叶细胞结构的影响，除了吸收和透射外，形成的高反射率。（3）在中红外波段（1.3-2.5 m）吸收率大增，反射率大降，形成低谷。绿色植物含水量的影响，特别1.45 m、1.95 m、2.7 m为中心是水的吸收带。,影响植物波谱特征的因素主要有：植被类型、生长季节、生长状态（病虫害影响）等。,（1）自然状态下，土壤表面的反射率没有明显的峰值和峰谷。（2）土质越细，反射率越高；有机质含量越高和含水量越高，反射率越低。（3）土壤反射波谱曲
26、线比较平滑，在不同光谱段的遥感图像中，土壤亮度区别不明显。,土壤的光谱曲线,返回,水体的光谱曲线,返回,（1）水体的反射主要在蓝绿波段，其它波段吸收都很强，特别在近红外波段。（2）在遥感影像，特别是近红外影像上，水体呈黑色。（3）当水中含有杂质，反射光谱曲线也会改变。含有泥沙，由于泥沙散射，可见光波段反射率会增加，峰值在黄红区；含有植物，仅红外波段明显抬升。,岩石的光谱曲线,返回,（1）岩石的反射光谱曲线无统一的特征。（2）矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽都会对曲线有影响。,常见地物的光谱曲线比较,To be continued,常见地物的光谱曲线比较,返回,电磁波谱,BACK,思考题：1.大气散射有几种类型？根据不同散射类型的特点分析可见光遥感与微波遥感的区别，说明为什么微波具有穿云透雾能力而可见光不能？2.阐述太阳辐射和地球辐射的特点，当这些电磁辐射经过大气时阐述哪些物理过程？,
