遥感的物理基础(简).ppt

第二章 遥感的物理基础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性，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本章重点是掌握电磁波谱，大 气窗口，可见光、近红外、热红 外和微波遥感机理，以及地物波 谱特征第一节 电磁波谱与电磁辐射 (1) 电磁波与电磁波谱 (2) 电磁辐射的度量 (3) 黑体辐射 （1）电 磁波与电磁波谱n电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播 n描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等 n电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为3×108 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n 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：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线— 微波—无线电波。

1）电 磁波与电磁波谱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由于它们的波长或频率不同， 不同电磁波又表现出各自的特性和特点可见光、红 外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性电磁波 与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的 主要内容电磁波谱v紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中， 只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏 感，但探测高度在2000 m以下v可见光：波长范围：0.38～0.76μm，人眼对可见光 有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段v红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为 近红外、中红外、远红外和超远红外v微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾 的影响遥感应用的电磁波波谱段BACKn近红外：0.76～3.0 µm，与可见光相似n中红外：3.0～6.0 µm，地面常温下的辐射波 长，有热感，又叫热红外n远红外：6.0～15.0 µm，地面常温下的辐射 波长，有热感，又叫热红外n超远红外：15.0～1 000 µm，多被大气吸收 ，遥感探测器一般无法探测红外线的划分（2）电 磁辐射的度量1、辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波的整个波 段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。

2、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光 度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表BACK（3）黑体辐射n 绝对黑体如果一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部 吸收（即吸收系数恒等于1），则这个物体称为绝对黑体n 黑体辐射特性（1）黑体辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个 最大值2）温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大，不同温度的曲 线是不相交的绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的4次 方成正比斯忒藩—玻尔兹曼定律）（3）黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反 比维恩位移定律）随着温度的升高，辐射最大值所对 应的波长移向短波方向实际物体的辐射对于实际物体，都可以看作辐射源如果物体的吸收 本领大，它的发射本领也大，即越接近黑体辐射实际物体 的辐射比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同BACK第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响 (1) 太阳辐射 (2) 大气作用大气的层次与成分大气吸收大气散射大气窗口大气透射的定量分析接收预处 理用户应用 处理分析结果、图表 输出n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。

n从太阳光谱曲线可以看出(…)： n太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单 位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间 黑体所接受的太阳辐射能量1.360×103W/m2 ）太阳辐射èè太阳光谱相当于太阳光谱相当于6000 6000 K K的黑体辐射；的黑体辐射；èè太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.38 ～ 0.76 µ0.76 µmm的可见光能量占太阳辐射总能量的的可见光能量占太阳辐射总能量的46%46%，最，最 大辐射强度位于波长大辐射强度位于波长0.47 µ0.47 µmm左右；左右；èè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 ～ 3.0 µ 3.0 µmm波段波段 ，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；èè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；èè各波段的衰减是不均衡的各波段的衰减是不均衡的BACKn大气物理状况的物理量一般有气压，大 气温度和大气湿度它们在垂直方向上的 变化远远大于水平方向上的梯度，所以 在大气效应纠正中大量假定大气具有水 平均一，垂直分层结构。

n气压随高度是以负指数形式递减大气层次与成分大气层次大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可 垂直分为4层：Ø对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，空气明显垂 直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内上界随纬 度和季节而变化Ø平流层：高度在12～50 km，没有对流和天气现象底部为 同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由于 臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高Ø电离层：高度在50～1 000 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Ø大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没 有影响O3n臭氧主要分布在10～50km的平流层大气中， 极大值出现在20～25km处，对流层中的臭氧 含量不到十分之一n臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节 变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地 区60 °～70°区域内达到极大值n70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但 随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前 在南极上空已形成臭氧空洞大气是由多种气体及气溶胶所组成的混 合物气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3气溶胶大气的成分可分为常定成分（ N2，O2 ， CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶 胶）。

大气成分BACK大气对辐射的吸收v大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外 的范围内（ >λv瑞利散射：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时 发生的散射，属小颗粒散射v小颗粒散射的特征：（1）散射光强度与波长4次方成反比，由此可以解释 天空为什么呈蓝色2）如果入射光的为自然光，散射光的相函数为（1 ＋cos2Q)3）当Q取0或180°时，散射光的偏振度为04）当Q取90°时，散射光的偏振度为1（线偏振） ，其它角度为部分偏振光v米氏散射：大气中的气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等的 直径与入射光的波长可以比拟或大于入射光的波长时 发生的散射v米氏散射的特征：（1）电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒的 内部2）由于颗粒尺度与波长可以比拟，所以颗粒的不 同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的 产生，一方面这高度电流会产生高变的磁场，另一方 面电流的存在意味着焦耳热损耗的出现——电磁波的 吸收v无选择散射：大气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，在符合无选择散射的条件的波段中，任何波长的散射强度相同大气散射的特点v群体散射强度是个体散射强度的线性和v大气散射系数与高度的关系：—大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成。

—气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减—就平均状况而言，4km以下的气溶胶米氏散射占优 势，4km以上的分子散射占相对优势v分子散射与气溶胶散射光强之比随角度和能见度的 变化规律BACK大气窗口v折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改 变，大气密度越大，折射率越大v反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的 交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云 顶（云造成的噪声）大气窗口v太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同 衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分v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v电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的， 透射率较高的波段称为大气窗口对地遥感要用 的部分）大气窗口主要光谱波段大气窗口主要光谱波段大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光 近红外0.3～1.3 μm＞90TM1-4、SPOT的 HRV近红外1.5～1.8 μm80TM5近-中红外2.0～3.5 μm80TM7中红外3.5～5.5 μmNOAA的AVHRR远红外8～14 μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100RadarsatBACKv在可见光和近红外波段，太阳辐射30％ 被云或其它粒子反射，22％被散射，17 ％被吸收，到达地面能量31％。

大气透射的定量分析v光学厚度光学厚度：沿某一路径长度的总衰减系数，波长的函数（无因次量）大气的总光学厚度：在某一垂直路径上，从大气顶层到地表的总衰减系数v透过率——通过大气后的辐照度与通过大气前的辐照度之比v太阳辐射透过大气并被地表反射（有用的）；v太阳辐射被大气散射后被地表反射（纠正后有用 ）；v太阳辐射被大气散射后直接进入传感器；v太阳辐射透过大气被地物反射后又被地表发射进 入传感器；v被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项太阳光在地—气系统的吸收、散射过程BACK第三节 地球的辐射与地物波谱 (1) 地球的辐射源 (2) 地球辐射的特性（分段特性） (3) 地物波谱的特征（反射波谱特征） (4) 地物波谱特性的测量 (5) 微波辐射与雷达遥感地球的辐射源地球辐射v地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称v地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体v装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐 射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像被动遥感的辐射源v太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.3～ 2.5um波段之间可见光和近红外）v地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在 6.0um以上的波段。

热红外）BACKv在0.3～2.5um波段（主要在可见光和近红外波段） ，地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以 忽略 即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太 阳的短波辐射对地表进行探测和成像v在2.5～6.0um波段（主要在中红外波段），地表反 射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐 射源v在6.0um以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为 主，地表反射太阳辐射可以忽略热红外成像）地球辐射的特性地球辐射的分段特性了解地球辐射的分段特性的意义v可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反 射特性v中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的 信息，也有地球自身的热辐射的信息v热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐 射特性BACKv地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改 变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物 波谱v地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种 表现v地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响 应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地 物的基础地物波谱的特性地物波谱不同电磁波段中地物波谱特性v可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地 物的吸收作用。

树叶苍翠欲滴、水下温度）v热红外波段：主要表现地物热辐射作用热红外 灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白 天成像河流为暗色条带）v微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感 利用地物微波辐射可见光和近红外波段地物波谱特征——地物反射波谱特。