CH1電磁波與遙感物理基礎(chǔ)實(shí)用教案

1、1電磁波譜 把各種( zhn)電磁波（包括無線電波、微波、紅外波、可見光、紫外線、x射線、伽瑪射線等）按照波長或頻率的大小依次排列，就形成了電磁波譜。遙感中所用(su yn)的電磁波段：微波、紅外波、可見光第1頁/共65頁第一頁，共66頁。2物體(wt)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(fnsh)輻射 地物的反射(fnsh)波譜 可見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)第2頁/共65頁第二頁，共66頁。31、黑體、黑體(hit)輻射輻射2、實(shí)際地物的發(fā)射輻射、實(shí)際地物的發(fā)射輻射物體的發(fā)射(fsh)

2、輻射第3頁/共65頁第三頁，共66頁。4黑體(hit)輻射 黑體是一種理想的輻射體。 能夠完全吸收任何波長入射能量(nngling)的物體，稱為黑體。 黑體是一種理想的模型，在自然界里則很難找到。 自然界里有些物質(zhì)的性質(zhì)接近黑體，如黑色的煙煤、恒星和太陽等。10第4頁/共65頁第四頁，共66頁。5黑體(hit)輻射定律 （1）普朗克定律(dngl)：sJ.1063. 63411252TkchehcW其中：h為普朗克恒量(hngling) K為波耳茲曼常數(shù)KJ /1038. 123普朗克定律表明：黑體的單色輻射度是溫度和波長的函數(shù)。 第5頁/共65頁第五頁，共66頁。6黑體的輻射黑體的輻射(fs

3、h)度曲線度曲線第6頁/共65頁第六頁，共66頁。7 （3）基爾霍夫定律(dngl)：好的吸收體一定是好的輻射體。 ),(),(),(TWTaTWb（2）斯忒藩-波耳茲曼定律： 對(duì)普朗克公式(gngsh)積分得40/52112TdehcWTkch-斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)(chngsh)：)./(1067. 54212kcmW第7頁/共65頁第七頁，共66頁。8（4）瑞利-琴斯定律：當(dāng)波長(bchng)大于1mm時(shí)，普朗克定律可以近似為：212kTL（5）維恩位移(wiy)定律：bT max 為分譜輻射通量密度曲線的峰值(fn zh)所對(duì)應(yīng)波長；b為常數(shù)2898m.k 。max黑體的微波輻射亮度與

4、溫度的一次方成正比。第8頁/共65頁第八頁，共66頁。9實(shí)際(shj)地物的發(fā)射輻射 發(fā)射率 太陽輻射與大氣窗口 地球輻射 地物的輻射波譜(bp)特性第9頁/共65頁第九頁，共66頁。10（1）發(fā)射率),(),(),(TMTMTb),(T為無量(wling)綱純數(shù)根據(jù)發(fā)射率可將實(shí)際地物分為三類(sn li)：（1）黑體（2）灰體（3）選擇性輻射體 發(fā)射率隨波長 變化而變化。1),(T1),(0T第10頁/共65頁第十頁，共66頁。11 （2）太陽輻射與大氣(dq)窗口 太陽輻射太陽輻射大氣層對(duì)太陽輻射的作用大氣層對(duì)太陽輻射的作用(zuyng)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

5、第11頁/共65頁第十一頁，共66頁。12被動(dòng)遙感最主要的輻射源太陽輻射接近6000K的黑體輻射，能量集中在0.32.5微米的波段之間。太陽常數(shù)：不受大氣影響， 距太陽一個(gè)天文單位，垂直(chuzh)太陽光入射方向上，單位時(shí)間單位面積黑體所接受的太陽輻射能量。I太陽光譜2/3 .135mmW太陽輻射太陽輻射(ti yn f sh)第12頁/共65頁第十二頁，共66頁。13第13頁/共65頁第十三頁，共66頁。14大氣層次結(jié)構(gòu)與成分大氣層對(duì)太陽輻射的作用吸收(xshu)作用散射作用反射作用折射作用大氣層對(duì)太陽輻射(ti yn f sh)的作用第14頁/共65頁第十四頁，共66頁。15大氣層次結(jié)構(gòu)

6、與成分(chng fn) 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，）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。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，幾乎沒有對(duì)流和天氣現(xiàn)象。），空氣密度繼續(xù)隨高度增加而降低，幾乎沒有對(duì)流和天氣現(xiàn)象。其中其中2530KM處，臭氧含量較大，為臭氧層。處，臭氧含量較大，為

7、臭氧層。電離層：（電離層：（801000KM），空氣稀薄，分子被太陽輻射作用而電離成離子），空氣稀薄，分子被太陽輻射作用而電離成離子(lz)和自由和自由電子狀態(tài)。該層對(duì)無線電波可全反射。電子狀態(tài)。該層對(duì)無線電波可全反射。外大氣層（外大氣層（1000KM以外的大氣層），以外的大氣層）， 大氣厚度一般認(rèn)為約大氣厚度一般認(rèn)為約1000KM。第15頁/共65頁第十五頁，共66頁。16大氣(dq)成分大氣是由多種氣體(qt)及氣溶膠所組成的混合物大氣(dq)的氣體成份可分為常定成份和可變成份兩部分第16頁/共65頁第十六頁，共66頁。17 吸收(xshu)作用 主要是氣態(tài)分子的吸收(xshu)?？墒闺姶?/p>

8、輻射的能量衰減。大氣中含量最高的氮?dú)鈱?duì)電磁波的作用都在紫外光以外的范圍。大氣上層臭氧的存在(cnzi)，對(duì)小于 的電磁波具有極強(qiáng)的吸收能力，所以到達(dá)地面的太陽短波輻射中，很少存在(cnzi)波長小于 的短波輻射。對(duì)電磁波傳播起重要吸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。m3 . 0m3 . 0大氣層對(duì)太陽輻射(ti yn f sh)的作用第17頁/共65頁第十七頁，共66頁。18大氣在015 波長(bchng)的吸收m第18頁/共65頁第十八頁，共66頁。19 散射作用 主要是氣體(qt)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

9、再輻射到其他(qt)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(qt)方向上重新分配。 三種散射： Rayleigh 散射 Mie 散射 Nonselective 散射第19頁/共65頁第十九頁，共66頁。20Rayleigh散射(snsh)u 是氣態(tài)分子的散射u當(dāng)氣體分子的尺度遠(yuǎn)小于光波的波長時(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(qingd)與波長的4次方成反比，由此可以解釋天空為什么呈藍(lán)色。第20頁/共65頁第二十頁，共66頁。21Mie 散射(snsh)u云滴、氣溶膠的散射。

10、u當(dāng)顆粒的直徑與入射光的波長相當(dāng)(xingdng)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：u 電磁波可以穿透介質(zhì)表面而深入到散射顆粒內(nèi)部。u 由于顆粒的尺寸與波長相當(dāng)(xingdng)，所以顆粒的不同部位往往處在不同的電場強(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，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。 u 第21頁/共65頁第二十一頁，共66頁。22Nonselective 散射(snsh)u 大氣中云、粒子的散射(snsh)。u當(dāng)顆粒的直徑遠(yuǎn)大于入射波的波長時(shí)，會(huì)發(fā)生無選擇性 散射(snsh)。由此可解釋

11、霧為什么呈現(xiàn)白色。u散射(snsh)強(qiáng)度與波長無關(guān)。第22頁/共65頁第二十二頁，共66頁。23大氣散射(snsh)的特點(diǎn)； 群體散射強(qiáng)度是個(gè)體散射強(qiáng)度之線性和。大氣散射系數(shù)與高度的關(guān)系： 大氣散射系數(shù)由分子散射和氣溶膠散射兩部分組成；氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減；就平均狀況而言，4KM以下氣溶膠的Mie散射占優(yōu)勢，4KM以上(yshng)的分子散射相對(duì)占優(yōu)勢。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)各種類型的散射。如云層中的小雨滴，對(duì)可見光可發(fā)生無選擇性散射，而對(duì)微波則發(fā)生瑞利散射。第23頁/共65頁第二十三頁，共66頁。24反射作用 電磁波傳播過

12、程中，通過(tnggu)兩種介質(zhì)的交界面時(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 電磁波穿過大氣層時(shí)出現(xiàn)電磁波穿過大氣層時(shí)出現(xiàn)(chxin)傳播方向改傳播方向改變的現(xiàn)象變的現(xiàn)象 。大氣密度越大，折射率越大。大氣密度越大，折射率越大。第24頁/共65頁第二十四頁，共66頁。25大氣(dq)窗口吸收(xshu)作用散射(snsh)作用折射作用對(duì)太陽輻射有衰減作用透過率?。捍髿馄琳贤高^率大：改變太陽輻射傳輸方向電磁波通過大氣層時(shí)較少被反射、吸收和散射的，透過率較高的波段稱為大氣窗口大氣窗口。反射作用對(duì)太陽輻射有衰減作用第25頁/共65頁第二十五頁，共66頁。26可用做遙感的大氣可用

13、做遙感的大氣(dq)窗口窗口0.3-1. 3微米：紫外、可見光和近紅外波段(bdun)1.5-1.8微米，2.0-3.5微米：近中紅外波段(bdun)3.5-5.5微米：中紅外波段(bdun)8-14微米：熱紅外波段(bdun)0.8-2.5厘米：微波波段(bdun)第26頁/共65頁第二十六頁，共66頁。27第27頁/共65頁第二十七頁，共66頁。28太陽輻射進(jìn)入(jnr)傳感器前的吸收、散射過程A太陽輻射透過大氣并被地表反射(fnsh)進(jìn)入傳感器；B太陽輻射被大氣散射后被地表反射(fnsh)進(jìn)入傳感器；C太陽輻射被大氣散射后直接進(jìn)入傳感器；G太陽輻射透過大氣，被地物反射(fnsh)后又被地

14、表反射(fnsh)進(jìn)入傳感器；I被視場以外地物反射(fnsh)后進(jìn)入視場的交叉輻射項(xiàng)。多光譜(gungp)遙感（可見光和近紅外波段）第28頁/共65頁第二十八頁，共66頁。29(3)(3)地球地球(dqi)(dqi)輻輻射射地球輻射(fsh)是地球表面和大氣電磁輻射(fsh)的總稱。被動(dòng)遙感主要的輻射(fsh)源。地球輻射(fsh)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)上的傳感器接收來自地球輻射(fsh)所攜帶的地物信息，經(jīng)過處理而形成的。地球輻射(fsh)的分段特性第29頁/共65頁第二十九頁，共66頁。30插圖：地球(dqi)輻射圖地球(dqi)輻射的分段特性第30頁

15、/共65頁第三十頁，共66頁。31（4）地物的輻射）地物的輻射(fsh)波譜波譜特性特性反映地物自身輻射電磁(dinc)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)第31頁/共65頁第三十一頁，共66頁。32幾種(j zhn)硅酸鹽的紅外發(fā)射波譜 第32頁/共65頁第三十二頁，共66頁。331、地物、地物(dw)的反射的反射2、地物、地物(dw)的反射類別的反射類別3、地物、地物(dw)的反射光譜特性的反射光譜特性（二）物體的反射（二）物體的反射(fnsh)輻射輻射第33頁/共65頁第三十三頁，共66頁。341、地物的反射 可見光和近紅外波段地物的波譜(bp)特性。太陽光通

16、過大氣層照射到地球表面，地物會(huì)發(fā)生吸收、透射(tu sh)和反射作用，反射后的短波輻射一部分被遙感器所接收。入射到物體的總能量=吸收+透射(tu sh)+反射除水體、植被等物體，多數(shù)地物透過率幾乎為零，可以忽略不計(jì)。反射率與光譜反射率%100PP%100PP第34頁/共65頁第三十四頁，共66頁。352、地物的反射類別 根據(jù)地表目標(biāo)物體(wt)表面性質(zhì)的不同， 物體(wt)反射可分為三種類型。鏡面反射漫反射方向(fngxing)反射了解物體反射(fnsh)類型的意義第35頁/共65頁第三十五頁，共66頁。36鏡面反射鏡面反射 發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。光滑表面

17、的定義光滑表面的定義光滑是一個(gè)相對(duì)的概念，它由入光滑是一個(gè)相對(duì)的概念，它由入射波長和表面起伏共同決定：射波長和表面起伏共同決定：當(dāng)時(shí)，表面光滑；當(dāng)時(shí)，表面光滑；當(dāng)時(shí)，表面粗糙。當(dāng)時(shí)，表面粗糙。 特點(diǎn)是：反射滿足反射定律。即特點(diǎn)是：反射滿足反射定律。即入射波和反射波在同一入射波和反射波在同一(tngy)平面平面內(nèi)，入射角等于反射角。內(nèi)，入射角等于反射角。 dd第36頁/共65頁第三十六頁，共66頁。37漫反射漫反射 發(fā)生發(fā)生(fshng)在非常粗糙表在非常粗糙表面上的一種反射現(xiàn)象。面上的一種反射現(xiàn)象。 特點(diǎn)是：當(dāng)入射輻照度特點(diǎn)是：當(dāng)入射輻照度I一定時(shí)，一定時(shí)，從任何角度觀察反射面，其反射輻射從任

18、何角度觀察反射面，其反射輻射亮度是一個(gè)常數(shù)；這種反射面叫朗伯亮度是一個(gè)常數(shù)；這種反射面叫朗伯面。面。第37頁/共65頁第三十七頁，共66頁。38方向反射方向反射 也叫實(shí)際地物的反射、非朗伯面反也叫實(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。是介于鏡面和朗伯面之間的一種反射。射。特點(diǎn)是：實(shí)際地物表面由于地形起特點(diǎn)是：實(shí)際地物表面由于地形起伏，對(duì)太陽短波輻射伏，對(duì)太陽短波輻射(fsh)的反射具的反射具有各向異性。即在有入射波時(shí)，各個(gè)方有各向異性。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。個(gè)方向上反射最強(qiáng)烈。第3

19、8頁/共65頁第三十八頁，共66頁。393、地物(dw)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(b tn)地物的反射波譜應(yīng)用地物波譜曲線時(shí)應(yīng)注意的問題影響地物光譜反射率變化的因素第39頁/共65頁第三十九頁，共66頁。40地物(dw)的反射波譜定義：可見光至近紅外波段(bdun)上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示反射率。第40頁/共65頁第四十頁，共66頁。41同一(tngy)地物的反射波譜同一地物(dw)的反射波譜特性隨時(shí)間和空間的改變而變化：時(shí)間效應(yīng)空間效應(yīng)第41頁/共65頁第四十一頁，共66頁。42不同地物的反

20、射波譜常見的幾種地物類型波譜特征植被水體(shu t)土壤巖石第42頁/共65頁第四十二頁，共66頁。43u植被(zhbi)l可見光波段：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(l s)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(l s)植物含水量的影響,是水的吸收帶,反射率下降,形成低谷

21、。第43頁/共65頁第四十三頁，共66頁。44第44頁/共65頁第四十四頁，共66頁。45影響植被波譜特征影響植被波譜特征(tzhng)的的主要因素：主要因素： 植物類型植被生長季節(jié)(jji)病蟲害影響植被波譜特征大同小異，根據(jù)這些差異 可以區(qū)分植被種類，生長狀態(tài)等。第45頁/共65頁第四十五頁，共66頁。46對(duì)植物(zhw)健康狀況的檢測：第46頁/共65頁第四十六頁，共66頁。47u 水體(shu t)l純凈水體的反射主要在可見光中的藍(lán)綠光波段，可見光其他波段反射很低；l近紅外和中紅外波段純凈的自然(zrn)水體的反射率很低，幾乎趨近于零；l水中含有泥沙，可見光波段反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在

22、黃紅區(qū)；l水中含有水生植物葉綠素時(shí)，近紅外波段反射明顯抬高。第47頁/共65頁第四十七頁，共66頁。48清水(qn shu)和混水的反射率對(duì)照第48頁/共65頁第四十八頁，共66頁。49葉綠素不同含量時(shí)水體的波譜(bp)曲線第49頁/共65頁第四十九頁，共66頁。50u 土壤(trng)自然狀態(tài)下，土壤表面反射曲線呈比較平滑的特征，沒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(c shn kun w)）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。第50頁/共65頁第五

23、十頁，共66頁。51三種不同類型的土壤在干燥環(huán)境下的反射(fnsh)光譜曲線第51頁/共65頁第五十一頁，共66頁。52粉砂土壤不同含水良情況(qngkung)下的光譜反射率曲線第52頁/共65頁第五十二頁，共66頁。53u巖石(ynsh)巖石礦物的波譜曲線主要由礦物成份、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)，等決定。影響(yngxing)巖石礦物波譜曲線的因素有巖石風(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。第53頁/共65頁第五十三頁，共66頁。54不同巖石礦物的反射(fnsh)波譜曲線第54頁/共65頁第五十四頁，共66頁。55應(yīng)用地物的波譜特征時(shí)需要應(yīng)用地物的波譜特征時(shí)需要(xy

24、o)注注意的問題意的問題 地物波譜曲線形態(tài)，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過測量(cling)該地物在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器獲得的數(shù)據(jù)相對(duì)照，就可以識(shí)別遙感影像中同類地物。 應(yīng)用地物的波譜特征時(shí)應(yīng)注意以下問題： 絕大部分地物的波譜值具有一定的變幅，它們的波譜特征不是一條曲線，而是具有一定寬度的曲帶。 巖石存在不同程度的風(fēng)化，巖石表面附著物（土壤、濕度、低等植物等）的不同，它們的波譜值也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化。地物存在著“同物異譜”和“異物同譜”的現(xiàn)象。 第55頁/共65頁第五十五頁，共66頁。56 “同物異譜”是指兩個(gè)相同類型的個(gè)體(gt)地物，在某個(gè)波段上波譜特征不同。 “異

25、物同譜”是指不同類型的地物具有相同(xin tn)的波譜特征。第56頁/共65頁第五十六頁，共66頁。57影響地物(dw)光譜反射率變化的因素：太陽位置傳感器位置地理位置地形季節(jié)氣候變化地面濕度變化地物本身的變異(biny)大氣狀況 等。第57頁/共65頁第五十七頁，共66頁。58后向散射沿入射方向返回的散射。地物的微波后向散射特性是主動(dòng)微波遙感的理論基礎(chǔ)。雷達(dá)遙感中獲取的信息(xnx)就是從入射電波與地物目標(biāo)相互作用后的后向散射回波中提取的。雷達(dá)圖像是地物目標(biāo)對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)散射的回波強(qiáng)度分布圖。（三）物體的微波(wib)后向散射第58頁/共65頁第五十八頁，共66頁。59地物波譜(bp)特性 各種地物(dw)各自所具有的電磁波特性