CH2電磁波及遙感物理基礎(chǔ)

1、2.1、電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜2.2、物體的電磁波特性物體的電磁波特性 （一）物體的發(fā)射輻射特性（一）物體的發(fā)射輻射特性 （二）物體的反射輻射特性（二）物體的反射輻射特性2.3 地物波譜特性的測(cè)定地物波譜特性的測(cè)定第二章電磁波及遙感物理基礎(chǔ)第二章電磁波及遙感物理基礎(chǔ)2.12.1、電磁波與電磁波譜、電磁波與電磁波譜2o 電磁輻射產(chǎn)生于各種形式的能量 （機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電能、磁能、核能）o 凡是溫度高于絕對(duì)零度（-273.16攝氏度)的物體都發(fā)射電磁波，波長(zhǎng)由物質(zhì)內(nèi)部狀態(tài)的變化決定電磁波的特性電磁波的特性o 電磁波是橫波橫波o 電磁波具有波粒二象性波粒二象性電磁波的來(lái)源電磁波的來(lái)源

2、-電磁振源電磁振源電磁波譜電磁波譜 把各種電磁波（包括無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外波、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、x射線(xiàn)、伽瑪射線(xiàn)等）按照波長(zhǎng)或頻率的大小依次排列，就形成了電磁波譜。3遙感中所用的電磁波段：微波、紅外波、可見(jiàn)光為什么遙感系統(tǒng)很少用紫外波段呢？傳感器通過(guò)探測(cè)或感測(cè)不同波段電磁波譜傳感器通過(guò)探測(cè)或感測(cè)不同波段電磁波譜的發(fā)射、反射輻射能級(jí)而成像的，電磁波的發(fā)射、反射輻射能級(jí)而成像的，電磁波的存在是獲取圖像的物理前提。根據(jù)不同的存在是獲取圖像的物理前提。根據(jù)不同的目的選擇不同的波譜段。的目的選擇不同的波譜段。電磁輻射的度量：幾個(gè)概念輻射能量：電磁波輻射的能量 焦輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一表面的輻射能量。

3、焦/秒，瓦輻射出射度：面輻射源在單位時(shí)間內(nèi)，從單位面積上輻射出的輻射能量。即物體單位面積上發(fā)出的輻射通量。瓦/平方米輻射照度：面輻射源在單位時(shí)間內(nèi)，從單位面積上接收的輻射能量。即照射到物體單位面積上的輻射通量。瓦/平方米輻射強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源在單位立體角、單位時(shí)間內(nèi)，向某一方向發(fā)出的輻射能量。即點(diǎn)輻射源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量。瓦/球面度7立體角球面上一塊截得的面積同球面半徑平方的比值 球面面積為 24 r上半球面或者下半球面的球面度 2sr輻射亮度：面輻射源在單位立體角、單位時(shí)間內(nèi)，在某一垂直于輻射方向單位面積上輻射出的輻射能量。即輻射源在單位投影面積上、單位立體角內(nèi)的輻射通量。瓦/平方米*

4、球面度2.2 物體的電磁波特性物體的電磁波特性物體的發(fā)射輻射 地物的輻射波譜 熱紅外遙感的理論基礎(chǔ)物體的反射輻射物體的反射輻射 地物的反射波譜 可見(jiàn)光和近紅外遙感的理論基礎(chǔ)物體的微波后向散射輻射 地物的后向散射波譜 微波遙感的理論基礎(chǔ)910 宇宙中的各種物體，如太陽(yáng)、各種星體、一定厚度的大氣層、人造飛行器、地球及地球上各種生物、非生物都是熱輻射源。為了便于討論一般物體的熱輻射性質(zhì)，需要有一個(gè)理想的標(biāo)準(zhǔn)熱輻射體作為參照源，這個(gè)參照源就是絕對(duì)黑體。 一般物體的發(fā)射率小于絕對(duì)黑體的發(fā)射率，因而，物體的輻射溫度小于它的實(shí)際溫度。為了求出一般物體的輻射溫度，必須采用與絕對(duì)黑體進(jìn)行比較的方法。111、黑體

5、輻射黑體輻射2、實(shí)際地物的發(fā)射輻射實(shí)際地物的發(fā)射輻射（一）物體的發(fā)射輻射（一）物體的發(fā)射輻射1.1.黑體輻射黑體輻射 黑體是一種理想的輻射體。黑體是一種理想的輻射體。 能夠完全吸收任何波能夠完全吸收任何波長(zhǎng)入射能量的物體，稱(chēng)為黑體。長(zhǎng)入射能量的物體，稱(chēng)為黑體。 黑體是一種理想的輻黑體是一種理想的輻射體，在自然界里則很難找到。射體，在自然界里則很難找到。 自然界里有些物質(zhì)的自然界里有些物質(zhì)的性質(zhì)接近黑體，如黑色的煙煤、性質(zhì)接近黑體，如黑色的煙煤、恒星和太陽(yáng)等。恒星和太陽(yáng)等。1012黑體輻射定律黑體輻射定律普朗克定律：sJ.1063. 634KJ /1038. 123132521( )1chk T

6、hcW Te其中：h為普朗克恒量 K為波耳茲曼常數(shù)14不同溫度黑體的輻射度曲線(xiàn)不同溫度黑體的輻射度曲線(xiàn))./(1067. 54212kcmW15得出黑體輻射的三個(gè)特性：得出黑體輻射的三個(gè)特性：40/52112TdehcWTkch-斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)：（1）斯忒藩-波耳茲曼定律： 對(duì)普朗克公式積分得max16（2）維恩位移定律）維恩位移定律：bT max 為分譜輻射通量密度曲線(xiàn)的峰值所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)；b為常數(shù)2898m.k 。2.2.實(shí)際地物的發(fā)射輻射實(shí)際地物的發(fā)射輻射發(fā)射率太陽(yáng)輻射與大氣窗口地球輻射地物的輻射波譜特性17（1 1）發(fā)射率）發(fā)射率18),(),(),(TMTMTb),(T為無(wú)量綱純數(shù)

7、根據(jù)發(fā)射率可將實(shí)際地物分為三類(lèi)：（1）黑體（2）灰體（3）選擇性輻射體 發(fā)射率隨波長(zhǎng) 變化而變化。1),(T1),(0T （2 2）太陽(yáng)輻射與大氣窗口 19太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用大氣窗口大氣窗口大氣透射的定量分析大氣透射的定量分析20被動(dòng)遙感最主要的輻射源被動(dòng)遙感最主要的輻射源太陽(yáng)輻射接近太陽(yáng)輻射接近6000K的黑體輻射，能量集中在的黑體輻射，能量集中在0.32.5微米的波段之間。微米的波段之間。太陽(yáng)常數(shù)：不受大氣影響，太陽(yáng)常數(shù)：不受大氣影響， 距太陽(yáng)一個(gè)天文單位，垂距太陽(yáng)一個(gè)天文單位，垂直太陽(yáng)光入射方向上，單位時(shí)間單位面積黑體所接受的直太陽(yáng)光入射方向上，

8、單位時(shí)間單位面積黑體所接受的太陽(yáng)輻射能量。太陽(yáng)輻射能量。I I太陽(yáng)光譜太陽(yáng)光譜2/1353mW太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射2122大氣層次結(jié)構(gòu)與成分大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用吸收作用散射作用反射作用折射作用大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用23 大氣物理狀況的物理量一般有氣壓、大氣溫度和大氣濕度。它們?cè)诖怪狈较蛏系淖兓h(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向上的梯度，所以在研究大氣效應(yīng)問(wèn)題時(shí)可以假定大氣具有水平均一、垂直的分層結(jié)構(gòu)。對(duì)流層對(duì)流層：（012KM）溫度、密度、氣壓隨高度的增加而降低，空氣明顯垂直對(duì)流，上界隨季節(jié)和溫度而變化。 平流層平流層：（1280KM），空氣密度繼續(xù)隨高度增加而降低，幾乎沒(méi)有對(duì)流和天氣現(xiàn)象。

9、其中2530KM處，臭氧含量較大，為臭氧層。電離層電離層：（801000KM），空氣稀薄，分子被太陽(yáng)輻射作用而電離成離子和自由電子狀態(tài)。該層對(duì)無(wú)線(xiàn)電波可全反射。外大氣層外大氣層（1000KM以外的大氣層）， 大氣厚度一般認(rèn)為約1000KM。24大氣成分大氣是由多種氣氣體體及氣溶膠氣溶膠所組成的混合物大氣的氣體成份可分為常定成份和可變成份兩部分25 吸收作用吸收作用 主要是氣態(tài)分子的吸收?？墒闺姶泡椛涞哪芰克p。主要是氣態(tài)分子的吸收?？墒闺姶泡椛涞哪芰克p。大氣上層臭氧的存在，對(duì)小于 的電磁波具有極強(qiáng)的吸收能力，所以到達(dá)地面的太陽(yáng)短波輻射中，很少存在波長(zhǎng)小于 的短波輻射。對(duì)電磁波傳播傳播起重要吸

10、收作用的是一些非常少量的氣體，其中作用最為顯著的有臭氧、二氧化碳、甲烷和水汽。大氣吸收的影響：主要是造成遙感影像暗淡，由于大氣對(duì)紫外線(xiàn)有很強(qiáng)的吸收作用，因此，現(xiàn)階段遙感中很少用到紫外線(xiàn)波段。m3 . 0m3 . 0大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用26大氣在015 波長(zhǎng)的吸收m27 散射作用散射作用 主要是氣體分子和氣溶膠的散射主要是氣體分子和氣溶膠的散射 散射是由于電磁輻射與物質(zhì)相互作用導(dǎo)致部 分能量再輻射到其他方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰減。 與吸收作用不同的是，散射并未引起能量的損失，而只是導(dǎo)致能量在其他方向上重新分配。28Rayleigh散射u 是氣態(tài)分子的散射u

11、當(dāng)氣體分子的尺度遠(yuǎn)小于光波的波長(zhǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生Rayleigh散射。uRayleigh散射屬于小顆粒散射。u 散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比，由此可以解釋天空為什么呈藍(lán)色。29Mie 散射u云滴、氣溶膠的散射。u當(dāng)顆粒的直徑與入射光的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，往往發(fā)生Mie散射。uMie散射是強(qiáng)烈的前向散射。u屬于大顆粒散射。大顆粒散射的特征： 電磁波可以穿透介質(zhì)表面而深入到散射顆粒內(nèi)部。 由于顆粒的尺寸與波長(zhǎng)相當(dāng)，所以顆粒的不同部位往往處在不同的電場(chǎng)強(qiáng)度下，導(dǎo)致誘發(fā)電流的產(chǎn)生，一方面這種高度電流會(huì)產(chǎn)生高變的磁場(chǎng)，另一方面電流的存在意味著焦耳熱損耗的出現(xiàn)電磁波的吸收。 30Nonselective 散射u 大氣中

12、云、霧的散射。u當(dāng)顆粒的直徑遠(yuǎn)大于入射波的波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)生無(wú)選擇性 散射。由此可解釋霧為什么呈現(xiàn)白色。u散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。31大氣散射的特點(diǎn)； 群體散射強(qiáng)度是個(gè)體散射強(qiáng)度之線(xiàn)性和。大氣散射系數(shù)與高度的關(guān)系：p 大氣散射系數(shù)由分子散射和氣溶膠散射兩部分組成；p氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減；p就平均狀況而言，4KM以下氣溶膠的Mie散射占優(yōu)勢(shì)，4KM以上的分子散射相對(duì)占優(yōu)勢(shì)。分子散射與氣溶膠散射光強(qiáng)之比隨角度的變化而變。實(shí)際上，當(dāng)大氣狀況相同時(shí)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種類(lèi)型的散射。如云層中的小雨滴，對(duì)可見(jiàn)光可發(fā)生無(wú)選擇性散射，而對(duì)微波則發(fā)生瑞利散射。32反射作用反射作用 電磁波傳播過(guò)程中，通過(guò)兩種介質(zhì)的交

13、界面時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象。反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云頂。折射作用折射作用 電磁波穿過(guò)大氣層時(shí)出現(xiàn)傳播方向改變的現(xiàn)象 。大氣密度越大，折射率越大。33大氣窗口吸收作用散射作用折射作用對(duì)太陽(yáng)輻射有衰減作用透過(guò)率?。捍髿馄琳贤高^(guò)率大：改變太陽(yáng)輻射傳輸方向電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少被反射、吸收和散射的，透過(guò)率較高的波段稱(chēng)為大氣窗口大氣窗口。反射作用對(duì)太陽(yáng)輻射有衰減作用34可用做遙感的大氣窗口可用做遙感的大氣窗口0.3-1. 3微米：紫外、可見(jiàn)光和近紅外波段 主要是反映地物對(duì)太陽(yáng)光的反射。通常采用攝影或掃描的方式在白天感測(cè)、收集目標(biāo)信息成像1.3-2.5微米：近紅外波段大氣窗口白天夜間都可應(yīng)用，是以?huà)呙璧某上穹绞礁袦y(cè)

14、、收集目標(biāo)信息，主要應(yīng)用于地質(zhì)遙感。3.5-5.0微米：中紅外波段 包含地物反射及發(fā)射光譜，用來(lái)探測(cè)高溫目標(biāo)。8-14微米：熱紅外波段 屬于地物的發(fā)射波譜，是常溫下地物熱輻射能量最集中的波段，所探測(cè)的信息主要反映地物的發(fā)射率及溫度。1mm-1m：微波波段 遙感中常采用被動(dòng)式遙感（微波輻射測(cè)量）和主動(dòng)式遙感，前者主要測(cè)量地物熱輻射，后者是用雷達(dá)發(fā)射一系列脈沖，然后記錄分析地物的回波信號(hào)。353637太陽(yáng)輻射進(jìn)入傳感器前的吸收、散射過(guò)程A太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣并被地表反射進(jìn)入傳感器；B太陽(yáng)輻射被大氣散射后被地表反射進(jìn)入傳感器；C太陽(yáng)輻射被大氣散射后直接進(jìn)入傳感器；G太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣，被地物反射后又被地表

15、反射進(jìn)入傳感器；I被視場(chǎng)以外地物反射后進(jìn)入視場(chǎng)的交叉輻射項(xiàng)。多光譜遙感多光譜遙感（可見(jiàn)光和近紅外波段）38(3)(3)地球輻射地球輻射地球輻射是地球表面和大氣電磁輻射的總稱(chēng)。被動(dòng)遙感主要的輻射源。地球輻射是被動(dòng)遙感中傳遞地物信息的載體。遙感圖像就是由裝載在遙感平臺(tái)上的傳感器接收來(lái)自地球輻射所攜帶的地物信息，經(jīng)過(guò)處理而形成的。地球輻射的分段特性地球輻射的分段特性39插圖：地球輻射圖地球輻射的分段特性地球輻射的分段特性40（4）地物的輻射波譜特性）地物的輻射波譜特性反映地物自身輻射電磁能量的特性，主要針對(duì)紅外波段；地物的輻射波譜是紅外遙感的理論基礎(chǔ)41幾種硅酸鹽的紅外發(fā)射波譜 421、地物的反射、

16、地物的反射2、地物的反射類(lèi)別、地物的反射類(lèi)別3、地物的反射光譜特性、地物的反射光譜特性（二）物體的反射輻射（二）物體的反射輻射431、地物的反射、地物的反射 可見(jiàn)光和近紅外波段地物的波譜特性。太陽(yáng)光通過(guò)大氣層照射到地球表面，地物會(huì)發(fā)生吸太陽(yáng)光通過(guò)大氣層照射到地球表面，地物會(huì)發(fā)生吸收、透射和反射作用，反射后的短波輻射一部分被遙收、透射和反射作用，反射后的短波輻射一部分被遙感器所接收。感器所接收。入射到物體的總能量入射到物體的總能量=吸收吸收+透射透射+反射反射除水體、植被等物體，多數(shù)地物透過(guò)率幾乎為零，除水體、植被等物體，多數(shù)地物透過(guò)率幾乎為零，可以忽略不計(jì)?？梢院雎圆挥?jì)。反射率與光譜反射率反射

17、率與光譜反射率%100PP%100PP442、地物的反射類(lèi)別、地物的反射類(lèi)別 根據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同， 物體反射可分為三種類(lèi)型。鏡面反射漫反射方向反射了解物體反射類(lèi)型的意義45鏡面反射鏡面反射 發(fā)生在光滑物體表面光滑物體表面的一種反射。光滑表面的定義光滑是一個(gè)相對(duì)的概念，它由入射波長(zhǎng)和表面起伏共同決定：當(dāng)時(shí)，表面光滑；當(dāng)時(shí)，表面粗糙。 特點(diǎn)是：反射滿(mǎn)足反射定律。即入射波和反射波在同一平面內(nèi)，入射角等于反射角。 dd46漫反射漫反射 發(fā)生在非常粗糙表面上的一種反射現(xiàn)象。 特點(diǎn)是：當(dāng)入射輻照度I一定時(shí)，從任何角度觀(guān)察反射面，其反射輻射亮度是一個(gè)常數(shù)；這種反射面叫朗伯面。47方向反射方向反射

18、 也叫實(shí)際地物的反射、非朗伯面反射。是介于鏡面和朗伯面之間的一種反射。特點(diǎn)是：實(shí)際地物表面由于地形起伏，對(duì)太陽(yáng)短波輻射的反射具有各向異性。即在有入射波時(shí)，各個(gè)方向上都有反射能量，但大小不同，在某個(gè)方向上反射最強(qiáng)烈。483、地物的反射光譜特性、地物的反射光譜特性地物的反射波譜同一地物的反射波譜不同地物的反射波譜應(yīng)用地物波譜曲線(xiàn)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題影響地物光譜反射率變化的因素49地物的反射波譜定義：可見(jiàn)光至近紅外波段上地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律。表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)的曲線(xiàn)表示，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示反射率。50同一地物的反射波譜同一地物的反射波譜特性隨時(shí)間和空間的改變而變化：同一地物的反

19、射波譜特性隨時(shí)間和空間的改變而變化：時(shí)間效應(yīng)時(shí)間效應(yīng)空間效應(yīng)空間效應(yīng)51不同地物的反射波譜常見(jiàn)的幾種地物類(lèi)型波譜特征u植被u水體u土壤u巖石52ul可見(jiàn)光波段：在0.45微米附近區(qū)間(蘭色波段)有一個(gè)吸收谷,在0.55微米附近區(qū)間(綠色波段)有一個(gè)反射峰,在0.67微米附近區(qū)間(紅色波段)有一個(gè)吸收谷。l近紅外波段:從0.67微米處反射率迅速增大,形成一個(gè)爬升的陡坡,至1.1微米附近有一個(gè)峰值,反射率最大可大50%,形成植被的獨(dú)有特征。l中紅外波段:1.51.9微米光譜區(qū)反射率增大,1.45微米、1.95微米和2.7微米為中心的附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響,是水的吸收帶,反射率下降,形成低

20、谷。5354影響植被波譜特征的主要因素：影響植被波譜特征的主要因素： 55對(duì)植物健康狀況的檢測(cè)：5657清水和混水的反射率對(duì)照58葉綠素不同含量時(shí)水體的波譜曲線(xiàn)59自然狀態(tài)下，土壤表面反射曲線(xiàn)呈比較平滑的特征，沒(méi)有明顯的峰值和谷值。干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和次生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。土壤含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸收帶（1.4、1.9和2.7微米附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。60三種不同類(lèi)型的土壤在干燥環(huán)境下的反射光譜曲線(xiàn)61粉砂土壤不同含水良情況下的光譜反射率曲線(xiàn)62巖石礦物的波譜曲線(xiàn)主要由礦物成份、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等決定。影響巖石礦物波譜曲線(xiàn)的因素有巖石風(fēng)化程度、巖石含水狀況、礦物顆粒大小、巖石表面光滑程度、巖石色澤等。63不同巖石礦物的反射波譜曲線(xiàn)64應(yīng)用地物的波譜特征時(shí)需要注意