遙感物理基礎(chǔ)課件

第二章遙感物理基礎(chǔ)2.1電磁波與電磁波譜2.2地物的光譜特性2.3大氣和環(huán)境對遙感的影響2.1電磁波與電磁波譜電磁波及其特性電磁波譜電磁輻射源一、電磁波及其特性波的概念：波是振動在空間的傳播。機械波：聲波、水波和地震波電磁波（ElectroMagneticSpectrum)

由振源發(fā)出的電磁振蕩在空氣中傳播。演示電磁波的特性電磁波是橫波在真空中以光速傳播電磁波具有波粒二象性：

在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；

在與物質(zhì)相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性。波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳播的粒子性：使電磁輻射的能量具有統(tǒng)計性波粒二象性的程度與電磁波的波長有關(guān)：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動特性愈明顯。二、電磁波譜電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長(或頻率)按其長短，依次排列制成的圖表。

電磁波譜示圖

三、電磁輻射源自然輻射源太陽輻射：太陽是被動遙感主要的輻射源，又叫太陽光，在大氣上界和海平面測得的太陽輻射曲線如圖所示。太陽輻射的能量主要集中在可見光和近紅外，其中0.38-0.76μm的可見光能量占太陽輻射總能量的43.5%，最大輻射強度位于波長0.47μm左右；到達地面的太陽輻射主要集中在0.3-3.0μm波段，經(jīng)過大氣層的太陽輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的。三、電磁輻射源自然輻射源地球的電磁輻射：小于2.5μm的波長主要是太陽輻射的能量；大于6μm的波長，主要是地物本身的熱輻射；2.5-6μm之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。人工輻射源

主動式遙感的輻射源,被稱為

雷達探測;分為微波雷達和激光雷達。微波輻射源：0.8-30cm、優(yōu)點激光輻射源：激光雷達—測定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測量地形等。地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：

地物對某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長而變化。影響地物反射率大小的因素：入射電磁波的波長入射角的大小地表顏色與粗糙度地物的反射率總是小于等于1一、地物的反射光譜特性地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率與波長之間的關(guān)系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識別地物性質(zhì)的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差異：植被、土壤、水體、巖石的光譜曲線同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。不同植物；植物病蟲害地物的光譜特性具有時間特性和空間特性。時間特性空間特性同物異譜，異物同譜課下閱讀課本41頁2.3.4地物波譜特性的測量3、黑體輻射定律(1)普朗克熱輻射定律

表示出了黑體輻射出射度與溫度的關(guān)系以及按波長分布的規(guī)律。輻射出射度：輻射源物體表面在單位時間內(nèi)，從單位面積上輻射出的輻射能量P19黑體輻射的三個特性輻射出射度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。溫度越高，輻射出射度越大，不同溫度的曲線是不相交的。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應的波長向短波方向移動。輻射出射度(2)斯忒藩-玻耳茲曼定律黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。輻射通量：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量總輻射通量：各波段輻射通量之和或輻射通量的積分值4、實際物體的輻射地物發(fā)射率：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。它也是遙感探測的基礎(chǔ)和出發(fā)點。影響地物發(fā)射率的因素：

地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。灰體(greybody)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長而變化。基爾霍夫定律：

在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W黑。紅外遙感的理論依據(jù)瑞里—金斯公式

黑體輻射的微波功率與溫度成正比，與波長的平方成反比。

k波爾茲曼常數(shù)4）微波波段與紅外波段發(fā)射率的比較結(jié)論：一些在紅外波段不容易識別的地物，在微波波段中則容易識別。2.3大氣和環(huán)境對遙感的影響大氣的成分和結(jié)構(gòu)大氣對太陽輻射的影響大氣窗口環(huán)境對地物光譜特性的影響一、大氣的成分大氣的傳輸特性：大氣對電磁波的吸收、散射和透射的特性。這種特性與電磁波波長、大氣的成分和環(huán)境的變化有關(guān)。大氣的成分：多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微粒混合組成的。大氣物質(zhì)與太陽輻射相互作用，是太陽輻射衰減的重要原因。二、大氣的結(jié)構(gòu)大氣的垂直分層：對流層、平流層、中間層、熱層和大氣外層。對流層：航空遙感活動區(qū)。遙感側(cè)重研究電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。平流層：較為微弱。中間層：溫度隨高度增加而遞減。熱層：增溫層。電離層。衛(wèi)星的運行空間。大氣外層：1000公里以外的星際空間。三、大氣對太陽輻射的影響太陽輻射的衰減過程：

30%被云層反射回宇宙空間；17%被大氣吸收；22%被大氣散射；31%到達地面。大氣的透射率透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)。1.大氣的吸收作用氧氣：小于0.2μm；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強。對航空遙感影響不大。0.2-0.36μm,0.6μm水：吸收太陽輻射能量最強的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此，水氣對紅外遙感有極大的影響。二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)?？梢院雎圆挥?。2.大氣的散射作用散射作用：太陽輻射在長波過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開。改變了電磁波的傳播方向；干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。大氣散射集中在太陽輻射能量最強的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減的主要原因。三種散射作用1）瑞利散射：當微粒的直徑比輻射波長小得多時，此時的散射稱為瑞利散射。散射率與波長的四次方成反比，因此，瑞利散射的強度隨著波長變短而迅速增大。瑞利散射的影響：對可見光的影響

，對紅外輻射的影響

，對微波的影響

。較大，很小，可以不計在微波波段一般發(fā)生瑞利散射，但強度甚小。無云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍色？朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？多波段遙感中一般不用藍紫光，為何？米氏散射：當微粒的直徑與輻射波長差不多時的大氣散射。云、霧的粒子大小與紅外線的波長（0.76-15μm

）接近，所以云霧對紅外線的米氏散射不可忽視。無選擇性散射：當微粒的直徑比輻射波長大得多時所發(fā)生的散射。符合無選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強度相同。水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散射。云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？結(jié)論

大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。微波為何穿云透霧？四、大氣窗口1、大氣窗口：通過大氣而較少被反射、吸收或散射的透射率較高的電磁輻射波段。大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)。常見的大氣窗口0.3～1.3μm紫外可見近紅外1.5～1.8μm和2.0～3.5μm近紅外、中紅外3.5～5.5μm中紅外8～14μm遠紅外0.8～2.5cm微波五、