感的物理基礎(chǔ)幻燈片

1、12.1 電磁波、電磁波譜及大氣窗口電磁波、電磁波譜及大氣窗口 1. 電磁波電磁波-當(dāng)電磁振蕩進入空間，變化的磁場激當(dāng)電磁振蕩進入空間，變化的磁場激發(fā)了渦旋電場，變化的電場又激發(fā)了渦旋磁場，使電磁發(fā)了渦旋電場，變化的電場又激發(fā)了渦旋磁場，使電磁振蕩在空間傳播，這就是電磁波。其方向是由電磁振蕩振蕩在空間傳播，這就是電磁波。其方向是由電磁振蕩向各個不同方向傳播的。向各個不同方向傳播的。 第二章第二章 遙感的物理基礎(chǔ)遙感的物理基礎(chǔ)2電磁波的性質(zhì)：電磁波的性質(zhì)： （1）實驗證明，光是一種電磁波，具有電磁波的性）實驗證明，光是一種電磁波，具有電磁波的性質(zhì)，是一種橫波；（質(zhì)，是一種橫波；（2）在真空中以光

2、速傳播；（）在真空中以光速傳播；（3）電）電磁波具有波粒二象性。電磁波在傳播過程中遇到氣體、磁波具有波粒二象性。電磁波在傳播過程中遇到氣體、液體或固體介質(zhì)時會發(fā)生一系列現(xiàn)象。液體或固體介質(zhì)時會發(fā)生一系列現(xiàn)象。電磁波與地面物體之間的相互作用電磁波與地面物體之間的相互作用32. 電磁波譜電磁波譜定義：定義：按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排列，則構(gòu)成了列，則構(gòu)成了電磁波譜電磁波譜。該波譜以頻率從高到低排列，可以。該波譜以頻率從高到低排列，可以劃分為劃分為射線、射線、x射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波。射線、紫外線、可見光、紅外線、無線

3、電波。4名稱名稱波長范圍波長范圍頻率范圍頻率范圍紫外線紫外線10nm-0.4um750-3000thz可見光可見光0.4-0.7430-750thz紅外線紅外線近紅外近紅外短波紅外短波紅外中紅外中紅外熱紅外熱紅外遠紅外遠紅外0.7-1.3um1.3-3um3-8um8-14um14um1mm230-430thz100-230thz38-100thz22-38thz0.3-22thz 亞毫米波亞毫米波0.1-1mm0.3-3thz無線電波無線電波微波微波毫米波（毫米波（ehf）1-10mm30-300ghz厘米波（厘米波（shf）1-10cm3-30ghz分米波（分米波（uhf）0.1-1m0.

4、3-3ghz超短波（超短波（vhf）短波（短波（hf）中波（中波（mf）長波（長波（lf超長波（超長波（vlf）1-10m30-300mhz10-100m3-30mhz0.1-1km0.3-3mhz1-10km30-300mhz10-100km3-30khz52.2 太陽輻射與大氣影響太陽輻射與大氣影響一、太陽輻射一、太陽輻射 太陽的表面溫度太陽的表面溫度為為6000k。 中心溫度約達中心溫度約達15萬度萬度。 太陽表面每分鐘釋放出來的熱量在太陽表面每分鐘釋放出來的熱量在51024千卡千卡以上。以上。 地球是太陽體積的地球是太陽體積的130萬分之一，距離太陽約萬分之一，距離太陽約1.5億公里。

5、億公里。 太陽輻射的電磁波到達地球表面大概需要太陽輻射的電磁波到達地球表面大概需要8分鐘分鐘的時間。的時間。 地球表面每分鐘獲得的太陽輻射能量只有地球表面每分鐘獲得的太陽輻射能量只有1.7卡米卡米2。 除去植物的光合作用耗去的能量以外，被地球表面反射到除去植物的光合作用耗去的能量以外，被地球表面反射到空中的太陽輻射能量就更少了?？罩械奶栞椛淠芰烤透倭恕?在遙感中，一些屬于在遙感中，一些屬于可見光至近紅外波段可見光至近紅外波段的傳感器，就是的傳感器，就是靠接收和記錄這部分能量的反射特征獲取各種地物信息的?？拷邮蘸陀涗涍@部分能量的反射特征獲取各種地物信息的。6二、大氣對太陽輻射的影響二、大氣對

6、太陽輻射的影響 被反射：約被反射：約30%；被吸收：約；被吸收：約17%；被散射：；被散射：22%;到達地面的太陽輻射：約到達地面的太陽輻射：約31%。（一）大氣層的反射作用（一）大氣層的反射作用 進入大氣層前主要波長范圍：進入大氣層前主要波長范圍：0.15-4m;占太陽輻射占太陽輻射總能量的總能量的99%，其中可見光區(qū)，其中可見光區(qū) 占占50%，紅外區(qū)占，紅外區(qū)占43%，紫外區(qū)占紫外區(qū)占7%；最大輻射波長在；最大輻射波長在0.475 m。 進入大氣層后有一部分被反射回宇宙空間。反射作進入大氣層后有一部分被反射回宇宙空間。反射作用中，云反射能力變化很大，按地球平均云量用中，云反射能力變化很大，

7、按地球平均云量54%計算，計算，1/4的太陽輻射能量被反射回宇宙空間去。的太陽輻射能量被反射回宇宙空間去。7（二）大氣層的吸收作用（二）大氣層的吸收作用 主要成分：氣體分子、水滴和塵埃等；主要成分：氣體分子、水滴和塵埃等； o2：占占1/5，主要吸收，主要吸收0.2 m的太陽輻射能量；的太陽輻射能量； o3：主要在：主要在10-40km高層大氣層；兩個吸收帶為高層大氣層；兩個吸收帶為0.2-0.32 m（藍光區(qū)）、（藍光區(qū)）、0.6 m（橙光區(qū)）；（橙光區(qū)）； h2o：主要吸收物質(zhì)，吸收帶紅外線和可見光的紅光：主要吸收物質(zhì)，吸收帶紅外線和可見光的紅光波段內(nèi)。波段內(nèi)。 co2：只存在于低層大氣層

8、中，而且含量很少，主要：只存在于低層大氣層中，而且含量很少，主要吸收吸收4.3 m的太陽輻射能量的太陽輻射能量 塵埃：塵埃：8（二）大氣的散射作用（二）大氣的散射作用說明：說明：is：地物直接反射的太陽輻射；：地物直接反射的太陽輻射；id：漫入輻射地：漫入輻射地面，而又反射到大氣中再進入感器的部分：面，而又反射到大氣中再進入感器的部分：io：直接進：直接進入入sensor的部分；的部分；9 大氣的散射現(xiàn)象發(fā)生時的物理現(xiàn)象規(guī)律與大氣中的分大氣的散射現(xiàn)象發(fā)生時的物理現(xiàn)象規(guī)律與大氣中的分子或其他微粒的直徑及輻射波長的長短密切相關(guān)。通常有子或其他微粒的直徑及輻射波長的長短密切相關(guān)。通常有以下三種情況：

9、以下三種情況： 1、瑞利散射、瑞利散射 大氣中的粒子（大氣中的粒子（n、co2、o3、o2等）直徑比波長小等）直徑比波長小的多時所發(fā)生的散射稱為瑞利散射的多時所發(fā)生的散射稱為瑞利散射。其散射強度與波長的。其散射強度與波長的關(guān)系為：關(guān)系為： i-4 即波長越長，散射越弱。即波長越長，散射越弱。 可見光波段影響最明顯，藍光波長短，散射越強。所可見光波段影響最明顯，藍光波長短，散射越強。所以，晴朗的天空會出現(xiàn)藍色。以，晴朗的天空會出現(xiàn)藍色。1011 2、米氏散射、米氏散射 在粒子（在粒子（煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等）煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等）直徑較大，直徑較大，與輻射的波長相當(dāng)時所發(fā)生的散射稱為米

10、氏散射與輻射的波長相當(dāng)時所發(fā)生的散射稱為米氏散射。其與。其與波長的關(guān)系式：波長的關(guān)系式：i-2 即散射的強度與波長的二次方成反比，并且散射光的即散射的強度與波長的二次方成反比，并且散射光的向前方向比向后方向的散射強度更強，方向比較明顯。向前方向比向后方向的散射強度更強，方向比較明顯。123、無選擇性散射、無選擇性散射 無選擇性散射發(fā)生在大氣中無選擇性散射發(fā)生在大氣中粒子的直徑比波長粒子的直徑比波長大得多時大得多時。并且散射強度與波長無關(guān)，即。并且散射強度與波長無關(guān)，即無選擇性無選擇性散射的波段，任何波長的散射強度都相同。散射的波段，任何波長的散射強度都相同。13（三）大氣窗口（三）大氣窗口 通

11、常把電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或通常把電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射而透過率較高的波段稱為大氣窗口。散射而透過率較高的波段稱為大氣窗口。大氣窗口的光譜主要有：大氣窗口的光譜主要有： 0.3-1.3um，即紫外線、可見光、近紅外波段，即紫外線、可見光、近紅外波段。這一這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段，如描成像的常用波段，如landsat衛(wèi)星的衛(wèi)星的tm1-4波段，波段，spot衛(wèi)星的衛(wèi)星的hrv波段。波段。 1.51.8um和和2.0-3.5um，即近、中紅外波段，即近、中紅外波段。這是這是白天日照

12、條件好時，掃描成像的常用波段，如白天日照條件好時，掃描成像的常用波段，如tm的的5,7波段等，用以探測植物含水量以及云、雪等，用于波段等，用以探測植物含水量以及云、雪等，用于地質(zhì)制圖等。地質(zhì)制圖等。 1415 3.5-5.5um，即中紅外波段，即中紅外波段。該波段除通透反射光外，該波段除通透反射光外，也通透地面物體自身發(fā)射的熱輻射能量。如也通透地面物體自身發(fā)射的熱輻射能量。如noaa衛(wèi)星衛(wèi)星的的avhrr傳感器用傳感器用3.55-3.93探測海面溫度，獲得晝夜云探測海面溫度，獲得晝夜云圖。圖。 814um,即遠紅外波段。即遠紅外波段。主要通透來自地物熱輻射主要通透來自地物熱輻射的能量，適于夜間

13、成像。的能量，適于夜間成像。 0.8-2.5cm，即微波波段，即微波波段。由于微波穿云透霧能力強，由于微波穿云透霧能力強，這一區(qū)間可以全天候觀測，而且是主動遙感方式，如側(cè)這一區(qū)間可以全天候觀測，而且是主動遙感方式，如側(cè)視雷達。視雷達。radarsat的衛(wèi)星雷達影像也在這一區(qū)間，常用的衛(wèi)星雷達影像也在這一區(qū)間，常用的波段為的波段為0.8cm，3cm，5cm，10cm，甚至可將該窗口擴，甚至可將該窗口擴展至展至0.05-300cm。162.3 地物反射波譜特征地物反射波譜特征 在在可見光與近紅外可見光與近紅外波段（波段（0.3-2.5um），地表），地表物體自身的熱輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜物

14、體自身的熱輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。當(dāng)然，太陽輻射到達主要以反射太陽輻射為主。當(dāng)然，太陽輻射到達地面后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射地面后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸收作用，如黑色物體的吸收能力較強。最后，的吸收作用，如黑色物體的吸收能力較強。最后，電磁輻射未被吸收和反射的其作部分則是透過的電磁輻射未被吸收和反射的其作部分則是透過的部分，即：部分，即： 到達地面的太陽輻射能量反射能量吸到達地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量透射能量收能量透射能量 17 一般說，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備一般說，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能透射能力，力，而有些

15、物體，例如，水對一定波長的電磁波則透而有些物體，例如，水對一定波長的電磁波則透射能力較強，特別是射能力較強，特別是0.45-0.56um的藍、綠光波段，一的藍、綠光波段，一般水體的透射深度可達般水體的透射深度可達1020m，混濁水體則為，混濁水體則為1-2m，清澈水體甚至可透到清澈水體甚至可透到100m的深度。的深度。 地物地物反射波譜曲線反射波譜曲線除隨不同地物（反射率）不同除隨不同地物（反射率）不同而外，同種地物在不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件下形態(tài)表而外，同種地物在不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件下形態(tài)表現(xiàn)（反射率）也不同。一般說，地物反射率隨波長變現(xiàn)（反射率）也不同。一般說，地物反射率隨波長變化有規(guī)律可

16、循，從而為遙感數(shù)據(jù)與對應(yīng)地物的識別規(guī)化有規(guī)律可循，從而為遙感數(shù)據(jù)與對應(yīng)地物的識別規(guī)律。例如律。例如植被的遙感反射光譜有以下特點：植被的遙感反射光譜有以下特點：18 可見光波段（可見光波段（0.4-0.76um）有一個小的反射峰，位置在）有一個小的反射峰，位置在0.55um（綠）處，兩側(cè)（綠）處，兩側(cè)0.45um（藍）和（藍）和0.67um（紅）則有兩（紅）則有兩個吸收帶。這一特征是由于葉綠素的影響，葉綠素對藍光和紅個吸收帶。這一特征是由于葉綠素的影響，葉綠素對藍光和紅光吸收作用強，而對綠光反射作用強。光吸收作用強，而對綠光反射作用強。 在近紅外波段在近紅外波段（0.7-0.8um）有一反射的）

17、有一反射的“陡坡陡坡”，至，至1.1um附近有一峰值，形成植被的獨有特征。這是由于植被葉附近有一峰值，形成植被的獨有特征。這是由于植被葉細胞結(jié)構(gòu)的影響，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。細胞結(jié)構(gòu)的影響，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。 在中紅外波段在中紅外波段(1.3-2.5um)受到綠色植物含水量的影響，吸受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率大大下降，特別地，以收率大增，反射率大大下降，特別地，以1.45um、1.95um和和2.7um為中心是水的吸收帶，形成低谷。為中心是水的吸收帶，形成低谷。 植物波譜在上述基本特征下仍有細部差別，這種差別與植植物波譜在上述基本特征下仍有細部差別，這種差別與植物種類、季節(jié)、病蟲害影響、含水量多少等有關(guān)系。為了區(qū)分物種類、季節(jié)、病蟲害影響、含水量多少等有關(guān)系。為了區(qū)分植被種類，需要對植被波譜進行研究。植被種類，需要對植被波譜進行研究。19反射率反射率(%)波長波長(um)0.551.10.670.451.4511.952.7