《遥感电磁辐射基础》ppt课件

1、第二章 遥感电磁辐射基础,学习目标： 理解电磁波与电磁波谱的概念 了解黑体辐射的特性及其与真实物体的关系 了解地球大气的基本情况，理解大气对遥感的影响 了解地物的电磁波反射、发射、散射特性 自学指导： 遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特征，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。 本章重点和难点： 重点是掌握可见光、近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征，难点是大气辐射传输。,波：振动的传播称为波。, 2.1 电磁波与电磁波谱,电磁波（电磁辐射）：当电磁振荡进入空间，变化的磁场引起变化的电场，变化的电场又引起新的变化的磁场，这种变化的磁场和电场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。电磁波是随着电磁振荡向各个不同方向传播的。,一、电磁波的产生,二、电磁波的性质：,横波； 在真空中以光速传播； 波长与频率成反比，c=，两者的乘积为光速； 具有波粒二象性； 不需要媒质也能传播，与物质发生作用时，如气体

2、、固体、液体介质时，会发生反射、吸收、透射、折射等现象。 根据能量守恒定律，全部反射、吸收、透射、折射的能量之和应该与入射的总能量相等。,按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，则构成电磁波谱。 以频率从高到低或波长从短到长排列可以划分为： 射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。,三、电磁波谱,电磁波谱,紫外线：波长范围为0.0050.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面。水面飘浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈，因此可用于油污染的监测。但是紫外波段从空中可探测的高度大致在2000m 以下，对高空遥感不宜采用。 可见光：波长范围：0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的最常用波段。 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。可以探测热辐射。 微波：波长范围为1 mm1 m，能透过云雾而不受天气影响，也能透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物，在遥感技术中是很有发展潜力的波段。 目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。,遥感应用的电磁波波谱段,任何地物都有向周围空间辐射红

3、外线和微波的能力。 遥感探测实际上是对地物辐射能量的测定。,与辐射有关的几个概念： 辐射源：任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射， 也能够向外（发出）辐射。 辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J（焦耳）。 辐射通量（ ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dW /dt，单位: W （J/s）。 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： 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：W/m2 。, 2.2 辐射,电磁辐射 指能量以电磁波形式由辐射源发射到空间的现象。 温度大于热力学温度0K（-273.15）的任何物体都具有发射电磁波的能力。,遥感需要研究的辐射类型： 1、黑体辐射 2、太阳辐射 3、地球辐射 4、大气辐射,地物的电磁波发射能力主要与其温度有关。为了衡量电磁波发射能力的大小，常以黑体辐射作为度量的标准。,1860年，基尔霍夫（Kirchhoff）得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明：凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热

4、发射能力也就弱。,黑体也称绝对黑体，是指全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射能力的理想物体。恒星和太阳的辐射接近黑体辐射。,一、黑体辐射,黑体的特性： 任何物体： （，T）+ （，T） 1 绝对黑体： （，T）1 （，T） 0，其吸收率和反射率与物体的温度和波长无关 注： （，T） ：光谱吸收系数（吸收率） （，T） ：光谱反射系数（反射率）,（一）黑体辐射的概念和特性,实验用黑体,1、斯忒藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzman） 某个温度时黑体的辐射（发射）能量辐射出射度（M），随物体温度的升高以4次方的比例增大。 M=T4 ：斯忒藩-玻尔兹曼常数， =5.6710-8W/（m2K4）,（二） 黑体辐射规律 （P31，图2.5）,应用：对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。,2、维恩位移定律（Wein） 黑体辐射光谱中最强的辐射波长max 与 黑体绝对温度T 成反比。 max T=b b为常数,b =2.89810-3mK,表明：黑体的绝对温度增高时，它的辐射最大值向短波方

5、向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。,问：如果遥感器的目的是探测人体，请问设计的遥感器应该对那个波段最敏感为宜？（注：人体表温度约为34）,（三）实际物体的辐射,自然界中黑体辐射是不存在，一般地物辐射能量总要比黑体辐射能量小。如果利用黑体辐射有关公式，则需要增加一个因子，那就是发射率（比辐射率）。 发射率是指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的辐射总通量）M与同温度的黑体辐射出射度（即黑体单位面积发出的辐射总通量）M黑的比值。,实际物体的发射率与其性质、表面状况（如粗糙度、颜色）有关，且是温度和波长的函数。P33,表2.2 依据发射率与波长的关系，将实际物体分为三种类型：黑体、灰体、选择性发射体。,1.黑体或绝对黑体，其发射率=1，即黑体发射率对所有波长都是一个常数，并且等于1。 2.灰体，其发射率=常数1（因吸收率 1）。即灰体的发射率始终小于1，不随波长变化。 3.选择性辐射体，其发射率随波长而变化，而且1（因吸收率也随波长而变化并且1）。,在红外遥感传感器设计中，可以把一些红外辐射体

6、看成灰体（例如人体、喷气式飞机尾喷管、无动力空间飞行器、地球背景及空间背景等），也可以在某些波段内把选择性辐射体看成灰体（如果其发射率在某些波段内近似不变），这样就简化了计算工作。,一、太阳辐射（太阳光）太阳是被动遥感最主要的辐射源, 太阳常数：在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，约1.496108km）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑体接受到的太阳辐射能量。其数量为：1.360 103 瓦/平方米（1.95cal/cm2min）。1卡=4.184焦, 太阳辐射（太阳光谱）的主要特征 (P35,图2.8) （1）太阳辐射的能量大部分集中在可见光波段。 （2）太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致。,被动遥感主要利用可见光、近红外、中红外等稳定的辐射。, 2.2太阳辐射和地球辐射,太阳能量随波长的分布,红外波段38%,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。,二、地球的电磁波辐射,地球表面的平均温度约为300K，其电磁波辐射近似于该温度下的黑体辐射。 当辐射通过大气射入大气外遥感平台时，由于大气中水、二

7、氧化碳、臭氧等对辐射的吸收，曲线显示为不平滑的折线。,地球表面辐射和大气电磁辐射的总称。,地球辐射的分段特性,见P37,图2.10,进行遥感探测时： 接收到波长 小于 3微米的电磁波，主要是地物反射的太阳辐射能量 接收到波长 大于 6微米的电磁波，主要是地物本身发射的热辐射能量 接收到波长 3-6 m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑,2.3 太阳辐射与大气的作用,一、大气结构 二、大气成分 三、大气对太阳辐射的影响（折射、反射、吸收和散射） 四、大气窗口,一、大气结构,外大气层：1000-35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。 电离层：高度在80-1 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 平流层：高度在12-80 km，底部为同温层（航空遥感活动层），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。 对流层：高度在7-12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，影响遥感数据，航空遥感区域。,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，CO，CH4，O3 悬浮微粒：

8、尘埃,二、大气成分,这些气体分子和微粒对电磁辐射具有吸收和散射作用。,太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果，是使能量不断减弱。约有30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；约有17%被大气吸收，约有22%被大气散射；而仅有31%的太阳辐射辐射到地面。其中反射作用影响最大，由于云层的反射对电磁波各波段均有强烈影响，造成对遥感信息接受的严重障碍。 因此，被动遥感应尽量选择无云的天气接收遥感信号。目前在大多数遥感方式中，都只考虑无云天气情况下的大气吸收、散射的衰减作用。P46,三、大气对太阳辐射的影响,（一）大气的吸收作用,大气的吸收作用：P41 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（图2.14）。 主要在紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减。引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等。 大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡，由于大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段遥感中很少用到紫外线波段。 遥感器一般都设在大气透过率较高的区间，即尽量避开大气吸收作用能力强的区间。,（二）大气的散射作用,大气中各种成分对太阳辐射吸收的明显特

9、点，是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了。 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。 大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：d （）,瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射；主要由大气分子和原子引起；散射强度与波长的四次方成反比。(P43) -天为什么是蓝的？日出日落的太阳为何红？,米氏散射：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引起。散射强度与波长的二次方成反比。米氏散射在光线前进方向比向后方的散射更强。 (P43),非选择性散射：大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射；散射强度与波长无关 。 -云为什么是白色的？(P44), 大气散射作用与波长的关系P44： 在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。当波长超过1m 时，可忽略瑞利散射的影响。米氏散射对近紫外直到红外波段的影响都存在。但在当波长大于0.5m 时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。在微波波段，由于波长比云中小雨滴的直径还要大，所以小雨滴对微波波段散射是属于瑞利散射，散射强度与波长的四次方成反比，因此，微波有极强的穿透云层的能力。而红外辐射穿透云层的能力虽然不如微波，但比可见光的穿透能力大10 倍以上。,（三）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。大气窗口的光谱段主要有P45-46：,0.3-1.3m，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。 1.5-1.8m，2.0-3.5m，即近、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。 3.5-5.5m

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