遙感物理基礎(chǔ)

遙感物理基礎(chǔ)第1頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日主要內(nèi)容第一節(jié)電磁波和電磁波譜第二節(jié)電磁輻射原理及電磁輻射源第三節(jié)大氣對電磁輻射傳輸?shù)挠绊懙谒墓?jié)地物波譜特征第五節(jié)光和顏色第2頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)電磁波和電磁波譜一、電磁波及相關(guān)基本概念二、電磁波的特性三、電磁波譜第3頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日一、電磁波及相關(guān)基本概念波橫波和縱波機(jī)械波電磁波電磁輻射第4頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日波：是振動在空間的傳播。橫波和縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與傳播方向相同的為縱波；兩者垂直的為橫波。波第5頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日機(jī)械波：由機(jī)械振動產(chǎn)生的波。是振源發(fā)出的振動在彈性介質(zhì)中的傳播。聲波、水波、地震波……其共性是必須依賴于彈性介質(zhì)，振動的是彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的位移矢量，質(zhì)點(diǎn)本身并不向前運(yùn)動，傳播的是能量和振動形式。波——機(jī)械波第6頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日電磁波：由電磁振動產(chǎn)生的波。是交變電磁場在空間的傳播，它是物質(zhì)運(yùn)動，能量傳遞的一種特殊形式。電磁輻射：電磁波能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射等現(xiàn)象）。光波、熱輻射、微波、無線電波……由振源發(fā)出的電磁振蕩在空間的傳播，振蕩的是空間電場矢量E和磁場矢量B。波——電磁波和電磁輻射第7頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日電磁波：電磁波是橫波，交變的電磁場的矢量方向始終與傳播方向垂直。電場矢量E和磁場矢量B始終垂直于傳播方向V，電磁波可以在真空中傳播，不依賴于介質(zhì)。波——電磁波EBV第8頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日理論依據(jù)：麥克斯韋的電磁理論；楞茨定律；法拉第的電磁感應(yīng)定律麥克斯韋的電磁理論：變化的電場在其周圍空間產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場又在其周圍空間產(chǎn)生變化的電場，這樣，交變的電場和磁場相互激發(fā)并向外傳播，閉合的電力線和磁力線就象一個個套在一起的鏈條，在空間傳播開來，形成電磁波。同理，電磁波傳播的是電磁能。波——電磁波第9頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日電磁波是物質(zhì)存在的一種形式，以場的形式表現(xiàn)出來。不管是機(jī)械波還是電磁波，在運(yùn)動形式上都是波動。波動的基本特點(diǎn)是時空周期性，時空周期性可以由波動方程的波函數(shù)表示：＝A?sin[t-kx)+]

式中：－波函數(shù)；A－振幅；(t-kx)+－位相；－初位相；－圓頻率，＝2/T；

k－圓波數(shù)，k＝2/；t，x－時空變量波動方程第10頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日描述電磁波時空周期性的主要物理量波長：是在同一波線上兩個相位差為2的質(zhì)點(diǎn)之間的距離，即一個完整波的長度，以表示周期：以任意點(diǎn)開始，振動傳播一個波長所需的時間，以T表示。頻率：單位時間內(nèi)波動前進(jìn)過程中所包含的波數(shù)，以f表示振幅：振動點(diǎn)離開平衡位置兩邊的最大位移，以A表示，也稱強(qiáng)度初相位：波形的時間提前或延后量，以表示。波速：波在單位時間內(nèi)傳播距離。電磁波在真空中的傳播速度為每秒3108米/秒，通常用C表示。第11頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日描述電磁波時空周期性的主要物理量由方程可知，波函數(shù)有振幅和位相兩部分信息。一般的傳感器只記錄地物電磁波的振幅即強(qiáng)度信息，而舍棄位相信息。全息成像：在全息攝影中除了記錄電磁波的振幅信息，同時記錄位相信息。第12頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日二、電磁波的特性電磁波是一種橫波，是以電磁場的形式傳播的球面波，即使在真空中也能傳播。各種不同的電磁波，在真空中的傳播速度均相等，并等于光速。第13頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日電磁波的特性電磁輻射以波動形式在空間傳播——電磁波具有波動特性（如干涉、衍射、偏振、色散等現(xiàn)象）。電磁波是由密集的光子微粒組成——電磁波具有粒子（量子）性（如電磁輻射的光電效應(yīng)、光化學(xué)作用等現(xiàn)象）。電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；當(dāng)電磁輻射與物質(zhì)相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性。一般說來，波長越短，輻射的粒子性越明顯；波長越長，輻射的波動性越明顯。此即電磁波的波粒二象性。第14頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日三、電磁波譜電磁波譜的概念電磁波譜的劃分各譜段的特性第15頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日電磁波譜的概念電磁波譜：將各種電磁波按其波長的（頻率）大小，依次排列成圖表，這個圖表就叫電磁波譜。電磁波是粒子（電子、原子、分子等）發(fā)生能級躍遷時產(chǎn)生的，當(dāng)粒子從較高能級躍遷到較低能級時發(fā)射電磁波；反之，吸收電磁波。不同的粒子，發(fā)生不同的能級躍遷，產(chǎn)生不同能量，也就是不同波長的電磁波。第16頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日電磁波譜的劃分在電磁波譜中，波長最長的是無線電波，無線電波根據(jù)波長不同又分為長波、中波、短波、超短波，其次是微波、紅外線、可見光、紫外線，再次是X射線，波長最短的是射線，見下圖：10-6m1nm0.38m0.76m3m6m15m1mm1m射線X射線紫外線可見光近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外超遠(yuǎn)紅外微波無線電波1mm=1000m；1m=1000nm第17頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日電磁波譜的劃分紫外波段 0.01-0.38m可見光波段 0.38-0.76m

紫色光 0.38-0.43m

藍(lán)色光 0.43-0.47m

青色光 0.47-0.50m

綠色光 0.50-0.56m

黃色光 0.56-0.59m

橙色光 0.59-0.62m

紅色光 0.62-0.76m近紅外（攝影紅外）波段 0.76-1.2m近紅外（反射紅外）波段 0.76-3.0m中紅外波段（熱紅外） 3.0–6.0m第18頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日電磁波譜的劃分遠(yuǎn)紅外波段（熱紅外） 6.0–15.0m超遠(yuǎn)紅外波段 15.0-1000m微波波段 1.0mm–1m

毫米波 1.0-10mm

厘米波 1.0-10cm

分米波 0.1–1.0m第19頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日各譜段的特性共性：在真空中具有相同的傳播速度，c＝3.0*108m/s

遵守相同的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律紫外線可見光紅外線微波第20頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日波長0.01-0.38m，屬于太陽輻射的范疇。波長小于0.28m的紫外線，被臭氧層及其它成份吸收。只有波長0.28-0.38的紫外線，能部分穿過大氣層，但散射嚴(yán)重，只有部分投射到地面，并使感光材料感應(yīng)，可作為遙感工作波段，稱為攝影紫外。主要用于探測碳酸鹽分布和監(jiān)測水面油污。碳酸鹽巖在0.4m以下的短波區(qū)對紫外線的反射比其它類型的巖石強(qiáng)，水面油膜比周圍水面對紫外反射強(qiáng)烈?？罩刑綔y高度大致在2000m以下，不適宜高空遙感。紫外波段的特性第21頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日波長0.38-0.76m；人眼可見，由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光組成；在太陽輻射能中所占比例高，能透過大氣層；地面物體對七色光多具有其特征的反射和吸收特性，故信息量最大，是鑒別物質(zhì)特征的主要波段；遙感中可以用光學(xué)攝影、掃描等各種方式成像，可全色，可分波段，是遙感最常用的波段?？梢姽獠ǘ蔚倪b感技術(shù)最成熟，但仍然有很大潛力。當(dāng)前分辨能力最好的遙感資料，仍然是在可見光波段內(nèi)?？梢姽獠ǘ蔚奶匦缘?2頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日波長0.76-1000m。可分為近紅外波段（0.76-3），中紅外（3-6），遠(yuǎn)紅外（6-15）和超遠(yuǎn)紅外（15-1000）近紅外波段是地表層反射太陽的紅外輻射，故又稱反射紅外。其中靠近可見光紅光的0.76-1.2波段可使膠片感光，故又稱攝影紅外。而中、遠(yuǎn)、超遠(yuǎn)紅外是地表物體發(fā)射的紅外線，故稱熱紅外。熱紅外只能用掃描方式，經(jīng)過光電信號的轉(zhuǎn)換才能成象。紅外遙感采用熱感應(yīng)方式探測地物本身的輻射（熱污染、火山、森林火災(zāi)等），可以全天時遙感，是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ倪b感波段。紅外波段的特性第23頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日波長1mm-1m?？煞譃楹撩撞ǎ?-10mm）、厘米波（1-10cm）和分米波（1-10dm）。微波的特點(diǎn)是能穿透云霧和一定厚度的植被、冰層和土壤，可獲得其它波段無法獲得的信息；具有全天候的工作能力；可以主動和被動方式成像。因此在遙感技術(shù)上是很有潛力的一個波段。微波波段的特性第24頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)電磁輻射原理及輻射源一、電磁輻射原理二、電磁輻射源第25頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日一、電磁輻射原理

概念普朗克公式史蒂芬—玻爾茲曼公式維恩位移定律基爾霍夫定律第26頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日概念——熱輻射熱輻射：自然界中一切物體。當(dāng)溫度高于絕對零度（-273℃）時，都會不斷向四周空間輻射電磁波，這種由物體內(nèi)部粒子熱運(yùn)動所引起的電磁輻射稱為熱輻射。熱輻射能量的大小及波長分布取決于物體本身的溫度T。地物發(fā)射電磁輻射的能力用發(fā)射率來表示。地物的發(fā)射率以黑體輻射作為基準(zhǔn)。第27頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日概念——吸收系數(shù)吸收系數(shù)α：物體吸收能量與入射總能量之比。第28頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日概念——黑體和白體黑體：“絕對黑體”的簡稱，是一個理想的輻射體，指在任何溫度和波長條件下的電磁輻射的吸收系數(shù)恒等于1（100％）的物體。黑體輻射：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。絕對白體（白體)：吸收系數(shù)α恒等于0的物體黑體是一種具有最大輻射能力的物體；白體是具有最大反射能力的物體。第29頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日概念——灰體和選擇性輻射體

現(xiàn)實(shí)中并不存在絕對黑體，黑體模型的基本結(jié)構(gòu)為能保持恒定溫度的空腔。它能夠全部吸收進(jìn)入腔體內(nèi)的各種波長的電磁輻射，又能100％的發(fā)射某一波長的輻射?；殷w：0<α<1，α不隨波長而變化。選擇性輻射體：

0<α<1，α隨波長而變化。第30頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日概念——輻射度量輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位J。輻射通量（Φ）：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量,Φ=dW/dt，單位W。輻射通量是波長的函數(shù)，總輻射通量是各譜段輻射通量之和或輻射通量的積分值。輻射通量密度（E）：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量，E=dΦ/dS，單位W/M2，S為面積。第31頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日概念——輻射度量輻照度（I）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量，單位W/M2

。輻射出射度（M）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，單位W/M2

。輻照度（I）與輻射出射度（M）都是輻射通量密度（E）的概念,不過，I為物體接收的輻射，M為物體發(fā)出的輻射，它們都與波長有關(guān)。第32頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日普朗克公式絕對黑體在波長為，絕對溫度為T時的輻射通量密度E0(,T)為：式中：C—31010cm

/秒，光速；h—6.625610-34瓦.秒2，普朗克常數(shù)；K—1.3810-23瓦.秒/K，玻爾茲曼常數(shù)；—波長；T—絕對溫度；第33頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日普朗克公式

普朗克公式表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系及按波長分布的情況。反映黑體輻射的三個特性：輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，溫度一定時，輻射通量密度隨波長變化的曲線只有一個最大值溫度越高，輻射通量密度也越大，不同溫度下的曲線不相交。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長向短波方向移動。E06000K3000K1000K200K第34頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日史蒂芬—玻爾茲曼公式將普朗克公式對波長積分得：

————史蒂芬—玻爾茲曼公式式中：0(T)—絕對溫度時，黑體單位時間和單位面積上發(fā)出的總輻射能；為史蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)；T—絕對溫度。第35頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日史蒂芬—玻爾茲曼公式由上式可見（在遙感技術(shù)上的意義）：絕對黑體表面上，單位面積發(fā)出的總輻射能與絕對溫度的四次方成正比，對于一般物體,可用上式概略推算出總輻射能與絕對溫度的關(guān)系。黑體總輻射通量密度與溫度的四次方成正比，因而隨溫度的增加迅速增大——紅外測溫的理論依據(jù)。第36頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日維恩位移定律對普朗克公式對波長微分后求極大值，即得出黑體最大輻射能所對應(yīng)的波長（m）及其絕對溫度（T）的關(guān)系式為:第37頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日維恩位移定律上式說明（在遙感技術(shù)上的意義）：黑體的絕對溫度增高時，它輻射能最大的波段向短波方向移動。據(jù)此可對特定的目標(biāo)選擇紅外遙感的最佳波段。第38頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律發(fā)射率：又稱“比輻射率”，是指地物的輻射出射度（即地物單位面積發(fā)出的輻射總通量）M與同溫度黑體的輻射出射度（即黑體單位面積發(fā)出的輻射總通量）M0的比值。＝M

/M0

地物的發(fā)射率與地物的性質(zhì)、表面狀況（粗糙度、顏色等）有關(guān)，且是溫度和波長的函數(shù)。a、同一溫度表面粗糙或顏色較深的，發(fā)射率較高；b、不同溫度的同一地物，有不同的發(fā)射率；c、發(fā)射率與波長有關(guān)。第39頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律基爾霍夫定律：任何物體在任一給定的溫度和波長條件下，它的輻射通量密度E和吸收系數(shù)α之比是一個常數(shù)，并且等于同一溫度波長下，絕對黑體的輻射通量密度E0

。由此可見：任何物體在給定溫度條件下，在某一波長處的發(fā)射系數(shù)數(shù)值上等于相同條件下的吸收系數(shù)。因此，一個好的吸收體也是一個好的發(fā)射體。因?yàn)镋和M是一個概念，則有：第40頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律基爾霍夫定律在遙感技術(shù)上的意義：在一定溫度下的物體，如它對某一波長的輻射有強(qiáng)吸收，則發(fā)射這一波長的能力也強(qiáng)，反之亦然。如不吸收某種波長的輻射，則亦不發(fā)射這種波長的輻射。第41頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日二、電磁輻射源

自然輻射源（太陽、地球）人工輻射源第42頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日自然輻射源自然輻射源主要包括太陽輻射和地物的熱輻射。太陽輻射是被動遙感中可見光和近紅外遙感最主要的輻射源。地球是地學(xué)遙感探測的對象，又是目前遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源。第43頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日自然輻射源——太陽概況太陽電磁輻射強(qiáng)度太陽輻射光譜太陽輻射在大氣中的損耗第44頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日概況太陽是地球環(huán)境中最強(qiáng)大的天然電磁輻射源，是被動遙感中可見光和近紅外遙感最主要的輻射源。太陽是一個表面溫度約6000K的熾熱發(fā)光球體。太陽是地球上除核能外一切有用能量的源泉。地球距太陽1.5億KM，太陽輻射能經(jīng)500秒方到達(dá)地球，地球接收太陽輻射能約二十二億分之一。太陽輻射是一種十分復(fù)雜的連續(xù)電波光譜，從波長10-4m或更短的X射線延伸到大于10m的無線電波。第45頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日太陽電磁輻射強(qiáng)度總能量用太陽常數(shù)表示太陽常數(shù)：指在不受大氣影響的情況下，距太陽一個天文單位（通常指日—地平均距離處，約1.496108km）處，垂直于太陽入射方向上，單位面積單位時間內(nèi)所接收到的所有波段的太陽輻射總能量：

I☉=135.3毫瓦/厘米2=1352w/m2可以認(rèn)為太陽常數(shù)是在大氣層頂部接收到的太陽輻射能量。第46頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日太陽輻射光譜太陽輻射的各種電磁波稱為太陽光譜。太陽輻射的光譜是連續(xù)光譜，且輻射特性近似于溫度為5900K的絕對黑體輻射。太陽輻射能主要集中在0.3—3m波段。最大輻射對應(yīng)的波長約為0.48m。由于太陽輻射的大部分能量集中在可見光波段，所以稱為短波輻射。第47頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日太陽輻射能量的組成波長/

m波段能量(%)波長/

m波段能量(%)<10-3X、射線0.020.76～1.5

近紅外36.810-3

～0.2遠(yuǎn)紫外1.5～5.6

中紅外120.2～0.31

中紫外1.955.6～1000

遠(yuǎn)紅外0.410.31～0.38

近紫外5.32>1000

微波0.38～0.76

可見光43.5第48頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日太陽輻射光譜太陽輻射從近紫外到中紅外（0.31-5.6m）這一波段區(qū)間能量最集中，且相對最穩(wěn)定，太陽強(qiáng)度變化小。在其他波段，如X射線、射線、遠(yuǎn)紫外及微波波段，盡管它們的能量加起來不到1%，可是卻變化很大，特別是太陽活動劇烈，如黑子和耀斑爆發(fā)，其強(qiáng)度有劇烈增長。第49頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日太陽輻射在大氣中的損耗大氣及其它成份反射：30%大氣吸收：17%大氣散射：22%到達(dá)地面:31%地球太陽大氣層第50頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日自然輻射源——地球

地球電磁輻射的特性與太陽輻射的相互作用第51頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日

地球電磁輻射的特性地球是地學(xué)遙感探測的對象，又是目前遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源。地球輻射接近于溫度為300K的黑體輻射，最大輻射對應(yīng)的波長為9.66m，屬于遠(yuǎn)紅外波段。其電磁輻射的波長范圍為：2.5-50m，大部分能量集中在8-14m的范圍內(nèi)。第52頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日與太陽輻射的相互作用地球輻射曲線與太陽輻射曲線在5.5m處相交，3m處地球輻射減弱至接近于0，6m處，太陽輻射減至接近于0。第53頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日與太陽輻射相互作用波長0.3-3m，即紫外、可見光和近紅外波段，地表主要的輻射是反射太陽輻射，地球自身的輻射幾乎可以忽略不計。波長3-6m中紅外波段，太陽與地球輻射均不能忽略。進(jìn)行該波段的紅外遙感時，常選擇在清晨時分，以減少太陽輻射影響。波長>6m的熱紅外波段，主要是地表物體自身的熱輻射，太陽輻射的影響幾乎可以忽略不計。第54頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日人工輻射源人工輻射源：指能人為發(fā)射具有一定波長的電磁波束的發(fā)射裝置。目前主要有微波輻射源和激光輻射源。主動式遙感采用人工輻射源。工作時向地表發(fā)射電磁波束而接收其反射回波，并據(jù)其反射信號強(qiáng)弱探知地物性質(zhì)或測距。又稱雷達(dá)探測。雷達(dá)又可以分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。第55頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日人工輻射源——微波輻射源

微波遙感中常用的波段為0.8～30cm，其探測波段與相應(yīng)頻率如表：波段名稱頻率(10MHz)波長(cm)PLSCXKuKKaQVW0.225~0.390.39~1.551.55~3.93.9~5.755.75~10.910.9~1818~26.526.5~4040~4646~5656~100133~76.976.9~19.419.4~7.697.69~5.215.21~2.752.75~1.671.67~1.131.13~0.830.83~0.630.63~0.530.53~0.3第56頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日微波遙感特點(diǎn)微波屬無線電波中波長最短的部分，頻率高，可用頻帶寬，信息容量大。微波具有似光性，即傳播特性與光相似。微波遙感具有全天候全天時探測能力。（主動式傳感器不依靠太陽輻射；波長長，受大氣干擾小）。微波對某些物質(zhì)具有一定的穿透能力，如植被、冰、雪、土壤。某些物質(zhì)的光譜在微波波段有較大的差異，因此一些物體在微波遙感中容易區(qū)別。第57頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日人工輻射源——激光輻射源光譜：短波可至0.24m以下，長波可達(dá)1000m，甚至微波，激光器發(fā)射光譜的波長范圍較寬。輸出功率：低者幾微瓦，高者可達(dá)幾兆瓦以上。激光的方向性好，光細(xì)、發(fā)散面非常小，能產(chǎn)生極高分辨率的圖像。高亮度：可比太陽亮度高幾十億倍。單色性好。用途日益廣泛，如激光雷達(dá)，可精確測定衛(wèi)星的位置、高度和速度，測量地形、海浪情況，監(jiān)測污染等。第58頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)大氣對電磁輻射傳輸?shù)挠绊懱栞椛浠虻孛孑椛浣?jīng)過大氣層時，會受到大氣的反射、吸收和散射作用而發(fā)生衰減。不同波長的電磁波所受的衰減作用輕重不同，即不同波長的電磁波在大氣中的透射率不同。第59頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣對電磁輻射傳輸?shù)挠绊?/p>

傳感器接收地物對太陽輻射反射的過程受到兩次衰減：一是太陽輻射從大氣外界通過傾斜路徑到達(dá)地面；二是到達(dá)地面的太陽輻射經(jīng)過地物的反射，垂直向上又一次經(jīng)過大氣。太陽高度角傳感器大氣層頂部太陽輻照度E（）()地面反射率z()天頂透過率LA傳感器探測到的散射輻射LS地面反射輻射地面()斜程透過率R()傳感器的濾光片的作用第60頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日主要內(nèi)容大氣的層次和結(jié)構(gòu)大氣反射大氣吸收大氣散射大氣透過率大氣窗口和大氣屏障 電磁輻射大氣傳輸?shù)难芯渴乾F(xiàn)代遙感技術(shù)中的基本理論研究之一第61頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣的層次和成份大氣層次大氣成份第62頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣層次

地球外圍的大氣圈并沒有一個確切的界限，只是離地面越高，空氣逐漸變得越稀薄。大氣在垂直方向的分層如下：對流層：頂部平均距地面20km以內(nèi)，集中了大氣質(zhì)量的3/4，層內(nèi)大氣活動活躍，經(jīng)常發(fā)生氣象變化，是航空遙感的主要工作區(qū)。平流層：頂部平均位于距地面50km處，無垂直對流，由于存在臭氧層，吸收紫外線而升溫。中層：頂部平均位于距地面80km處，氣溫隨高度增加而遞減，大致在80km處氣溫降到最低，約170K，是整個大氣層的最低氣溫。 也有將平流層和中層合稱為平流層。第63頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣層次熱層（也叫增溫層）：頂部平均位于距地面800km處，層內(nèi)氣溫隨高度增加而急劇遞增，在300km的高度上，溫度達(dá)到1000°C以上，該層對遙感使用的可見光、紅外直至微波波段的影響較小，大氣十分稀薄，處于電離狀態(tài)，又叫電離層，是衛(wèi)星遙感的主要空間。大氣外層：該層距離地面800km以上，空氣極為稀薄，不斷向星際空間散逸，該層對衛(wèi)星運(yùn)行基本沒有影響，又稱散逸層。對電磁輻射傳輸有顯著影響的主要是對流層和平流層。第64頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地球大氣由多種氣體、固態(tài)及液態(tài)懸浮微粒組成。主要?dú)怏w包括N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4及O3等；大氣中的懸浮微粒包括塵埃、冰晶、水滴等，直徑約為0.01-30m，這些懸浮物通稱為氣溶膠粒子，形成霾、霧、云。大氣成份第65頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣反射主要是云層反射云層越厚反射量越大：厚度大于50m時，反射量達(dá)50%以上，厚度為500m時，反射量超過80%.大氣層中直徑大于10-6m的其它微粒也會產(chǎn)生反射作用.故對地球溫度有調(diào)節(jié)作用.第66頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣吸收在紫外—微波之間，具明顯吸收作用的主要是O3、O2、CO2和H20；此外N2O、CH4對電磁輻射也有吸收，多種成份對電磁波有不同的吸收能力，從而形成相應(yīng)的吸收帶。氧（O2）：大氣中氧氣含量約占21％，它主要吸收小于0.2m的太陽輻射能量，在波長0.155m吸收最強(qiáng)，在0.6m和0.76m附近，各有一個窄吸收帶，吸收能力較弱。第67頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣吸收臭氧（O3）：大氣中含量很少，只占0.01-0.1％，但對太陽輻射能量吸收很強(qiáng)，有兩個吸收帶：一個為波長0.2～0.36m強(qiáng)吸收帶，另一個為0.6m附近的吸收帶。主要分布在30km高度附近，因此對小于10km的航空遙感影響不大，而主要影響航天遙感。水（H2O）：是吸收太陽輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)，主要吸收帶位于紅外和可見光的紅光波段，其中紅外部分吸收最強(qiáng)。在0.5～0.9m有四個窄吸收帶，在0.95～2.85m有五個寬吸收帶，在6.25m附近有一個強(qiáng)吸收帶。因此水氣對紅外遙感有很大影響。液態(tài)水的吸收比水氣吸收更強(qiáng)，但主要在長波方面。第68頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣吸收CO2：大氣中含量很少，占0.3%，吸收帶主要在紅外區(qū)內(nèi)，在1.35～2.85m有3個寬的弱吸收帶，在2.7m、4.3m與14.5m為強(qiáng)吸收帶?！獙μ栞椛涞奈湛珊雎圆挥洝m埃：對太陽輻射有一定的吸收作用，但吸收量很少。當(dāng)有沙暴、煙霧和火山爆發(fā)發(fā)生時，大氣中的塵埃急劇增加，這時，它的吸收作用才比較明顯。

第69頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣散射大氣散射概念瑞利散射米氏散射無選擇性散射第70頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣散射概念大氣散射：電磁波在傳播的路徑上遇到原子、分子或氣溶膠等小微粒時，會改變傳播方向，向各個方向散開，這種現(xiàn)象稱為散射。散射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是電磁波在傳輸過程中遇到大氣微粒而產(chǎn)生的一種衍射現(xiàn)象，因此，這種現(xiàn)象只有當(dāng)大氣中的分子或其他微粒的直徑小于或相當(dāng)于輻射波長時才發(fā)生。散射主要集中在太陽輻射能量較強(qiáng)的可見光區(qū)，所以散射是造成太陽輻射衰減的主要原因。第71頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣散射概念散射的性質(zhì)和強(qiáng)度取決于微粒的半徑r與電磁波長兩者之間的關(guān)系。散射強(qiáng)度可用散射系數(shù)（）表示，散射系數(shù)與電磁波波長的關(guān)系如下：∝1/

式中：為波長的指數(shù)，它由大氣微粒直徑大小（d）與波長的關(guān)系決定。根據(jù)輻射的電磁波波長與微粒直徑的大小的關(guān)系，散射分三種情況：瑞利散射、米氏散射、非（無）選擇性散射。第72頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日瑞利散射：當(dāng)微粒的直徑d比輻射波長小得多時，此時散射為瑞利散射。此時，＝4，∝1/4，主要是由大氣分子對可見光的散射引起的，所以也叫分子散射。由于散射系數(shù)與波長的四次方成反比，當(dāng)>1m時，瑞利散射可以忽略不計，因此，紅外、微波可以不考慮瑞利散射的影響。但是對于可見光來說，由于波長較短，瑞利散射影響較大。為什么天空是藍(lán)色的？為什么朝霞和夕陽都偏橘紅色？大氣散射——瑞利散射

第73頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日米氏散射：微粒半徑與波長接近時，取＝2，∝1/2，稱米氏散射。散射主要由大氣中的煙塵、氣溶膠、小水滴等引起，米氏散射的方向性明顯，在光線向前方向比向后方向更強(qiáng)。如云霧的粒子大小與紅外線（0.76-15m

）的波長接近，所以主要是米氏散射，因此，潮濕天氣米氏散射影響較大。大氣散射——米氏散射第74頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日非（無）選擇性散射：當(dāng)微粒的直徑比波長大得多時，所發(fā)生的散射稱非選擇性散射。此時，＝0，＝常數(shù)，散射與波長無關(guān)，對任何波長的散射強(qiáng)度相同。對于近紅外、中紅外也滿足d>，屬非選擇性散射。大氣中的云、霧、煙、塵埃等氣溶膠對太陽輻射常出現(xiàn)這種散射，且云、霧對各種波長的可見光散射均相同?！獮槭裁丛旗F看起來是白色的？這種散射使傳感器接受到的數(shù)據(jù)嚴(yán)重的衰減。大氣散射——非選擇性散射

第75頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日散射造成太陽輻射的衰減，但是散射強(qiáng)度遵循的規(guī)律與波長密切相關(guān)。在可見光和近紅外波段，瑞利散射是主要的。當(dāng)波長大于1m時，可忽略瑞利散射的影響。米氏散射從近紫外到紅外波段都有影響。在短波中，瑞利散射和米氏散射相當(dāng)；但在波長大于0.5

m時，米氏散射超過了瑞利散射的影響。大氣層越厚，散射越強(qiáng)。為什么微波具有穿透云霧的能力?大氣散射對各波段的影響第76頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣透過率為太陽高度角.Ｍ１第77頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日太陽輻射通過大氣的透射率（）為：＝e-(+)/cosθ＝e-(+)L

式中：—吸收系數(shù)；

—散射系數(shù)；(+)為衰減系數(shù)，它隨波長變化而變化，總趨勢是隨波長的增大，大氣衰減系數(shù)減少；L—路徑長度，即大氣光學(xué)厚度，與太陽的入射角有關(guān)。大氣透過率第78頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日

由上式可以看出：大氣透射率（）與所通過的路程密切相關(guān)，其中路程與太陽高度角和傳感器的入射角有關(guān)。當(dāng)高度角越大、入射角越小，大氣厚度L就越小，透射率就大；反之，透射率就小，能量衰減越大。大氣的吸收、散射則與大氣成分和微粒大小有關(guān)。太陽輻射短波能量的衰減比長波部分大。大氣透過率第79頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日大氣窗口和大氣屏障大氣窗口：指電磁輻射在大氣轉(zhuǎn)輸過程中較少被反射、吸收和散射的透射率較高的波段。大氣屏障：有些波段的電磁波在大氣轉(zhuǎn)輸過程中被嚴(yán)重反射、吸收和散射，幾乎不能到達(dá)地面，這些波段稱大氣屏障。遙感中常用的大氣窗口見P19表2-1。第80頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日

從紫外到微波，目前用于遙感的有下列5個:0.3-1.3m：包括全部可見光、部分紫外和攝影紅外波段。是攝影成像的最佳波段，也是掃描成像的常用波段。應(yīng)用范圍廣，如Landsat衛(wèi)星的TM的1-4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段。屬地物的反射光譜，透射率達(dá)90％以上。1.5-2.5m：近紅外波段。屬地物反射光譜，只能用光譜儀和掃描儀記錄地物的電磁波信息，白天強(qiáng)光照射下掃描成像。在波段(1.5-1.75m)和波段(2.1-2.4m)，透射率都近80％，如TM(1.55-1.75m)和(2.08-2.35m)波段的影像可用以探測植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖等。大氣窗口第81頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日3.5-5.5m

：中紅外波段，白天或黑夜都可用，掃描方式成像。該波段除了反射外，地面物體也可以自身發(fā)射熱輻射能量，如NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.55-3.93探測海面溫度，獲得晝夜云圖。8-14m

：遠(yuǎn)紅外（熱紅外）波段，屬熱輻射波段范圍內(nèi)，采用掃描或紅外輻射計檢測，白天、黑夜都能成像。由于O3、水汽、CO2的影響，透射率僅約為60-70％。0.8-2.5cm

：屬微波段，不受大氣干擾，透射率可達(dá)100％。采用雷達(dá)成像或微波輻射計檢測，可全天候工作。大氣窗口第82頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)地物波譜特征自然界任何地物都有其自身特有的電磁輻射規(guī)律，都具有吸收和反射一定波長電磁波（紫外線、可見光、紅外線和微波）的特性；又都具有發(fā)射某些紅外線、微波的特性；少數(shù)地物還具有透射某些波長電磁波的特性。各種地物由于組成物質(zhì)的分子、原子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)規(guī)模不同，因而對不同波長的電磁波的反射、發(fā)射及透射本領(lǐng)也有差異。這種地物反射、發(fā)射及透射電磁波的本領(lǐng)隨入射波長改變而改變的特性稱為地物的光（波）譜特性。 波譜信息是一切其它遙感信息的基礎(chǔ)。第83頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地物與電磁輻射的相互作用電磁輻射到物體上有三個分量：反射、吸收和透射，各分量大小取決于物體性質(zhì)。反射率：透射率：吸收率：自然界中，大部分物體是不透明的，則有：所以高反射率的物體是弱發(fā)射體，同時也說明對絕大部分地物，只要測定其反射率就可以推算其發(fā)射率。第84頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日主要內(nèi)容地物的反射波譜特征地物的發(fā)射波譜特征地物的透射波譜特征地物波譜的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)第85頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地物的反射波譜特征概念決定反射波譜的基本因素幾種典型地物的反射波譜特征第86頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日概念——反射反射：電磁波從較稀疏的空氣介質(zhì)進(jìn)入到較緊密的物體介質(zhì)的界面上時，將產(chǎn)生反射。依照界面的平滑程度不同，可分為鏡面反射，漫反射和混合反射。這里所說的界面的平滑程度是相對的，由入射電磁波的波長與界面起伏高度之比來確定。第87頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日概念——地物表面和反射鏡面反射：界面起伏高度相對入射電磁波波長很小時產(chǎn)生，反射的電磁波具有方向性，即反射角=入射角。——平靜水面漫反射：界面起伏高度相對入射波波長而言較大（即界面很粗糙）時發(fā)生，電磁波被向各方向均勻反射出去，各方向上反射的亮度值是一樣的，這樣的界面也叫朗伯面?！迈r的氧化鎂、硫酸鋇、碳酸鎂表面混合反射：界面起伏界于上述兩種情況之間，即界面起伏高度相對波長具有中等粗糙度；把入射電磁波向各方向反射出去，但不同方向亮度值不同，一般鏡面反射方向輻射亮度較強(qiáng)，其它方向較弱。第88頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日反射率：是指地物對某一波段電磁波的反射能量與入射能量之比，其數(shù)值用百分率表示。不同物體的反射率不同，主要取決于物體本身的性質(zhì)（表面狀況），以及入射電磁波的波長和入射角度。概念——反射率第89頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日反射光譜:地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律，叫做地物反射光譜。按地物反射率隨波長變化繪成的曲線（橫軸為波長，縱軸為反射率）稱為地物反射光譜曲線。不同地物由于物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的不同，具有不同的反射光譜特性。因而可以根據(jù)遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異來識別不同的地物?！b感的基本出發(fā)點(diǎn)概念——反射光譜第90頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日決定反射波譜的基本因素物體的組成成份結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)所處環(huán)境在漫反射情況下，物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)是影響反射光譜的主要因素。第91頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日幾種典型地物的波譜特征水體的波譜特征(清潔的深水)植被的波譜特征土壤的波譜特征濕地的波譜特征雪地的波譜特征沙漠的波譜特征第92頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日水體的波譜特征(清潔的深水)反射率在各波段內(nèi)都低（一般在3%左右），在可見光部分為4-5%，在0.6處降至2-3%，到0.75以后的近紅外波段，水成了全吸收體。水體反射光譜曲線第93頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日植物反射光譜曲線植被的波譜特征第94頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日植被的波譜特征不同種類的植物均具有相似的反射波譜曲線可見光區(qū)域，由于葉綠素的強(qiáng)烈吸收，植物的反射、透射率均低，僅在0.55附近有一10-20%的反射峰而呈綠色。近紅外區(qū)域，在0.7—1.3之間形成50-60%的強(qiáng)反射峰，由于不同種植物的葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)差異大，不同種植物的反射率在該波段具有最大的差值，故是區(qū)分植物種類的最佳波段。1.45、1.95、2.7為中心的三個吸收帶，這三個吸收帶之間有兩個較強(qiáng)的反射峰（1.65及2.2）。第95頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日土壤的波譜特征反射率：與土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、氧化含量和含水量及鹽份等因素有關(guān)；粉砂>砂土>腐質(zhì)土。反射光譜曲線由可見光到紅外呈舒緩向上的緩傾延伸土壤反射光譜曲線第96頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日濕地的波譜特征濕地：在整個波長范圍內(nèi)的反射率均較低，反射率與含水量有關(guān)，當(dāng)含水量增加時，其反射率就會下降，因此在黑白像片上，其色調(diào)呈深暗色調(diào)反射率（％）2004060801000.40.60.81.01.2波長(m)第97頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日雪地的波譜特征雪：在0.4～0.6m波段有一個很強(qiáng)的反射峰，反射率幾乎接近百分百，所以顏色接近于白色，隨波長增加反射率逐漸降低，進(jìn)入近紅外波段吸收逐漸增強(qiáng)，而變成了吸收體。反射率（％）2004060801000.40.60.81.01.2波長(m)第98頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日沙漠的波譜特征沙漠：在橙紅光波段0.6m附近有一個強(qiáng)反射峰，所以呈現(xiàn)出橙紅色，在波長達(dá)到0.8m以上的長波范圍，其反射率比雪還強(qiáng)。反射率（％）2004060801000.40.60.81.01.2波長(m)雪沙漠第99頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日不同地物具有不同的反射光譜特性，因而可以根據(jù)遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異來識別不同地物，這是遙感的基本出發(fā)點(diǎn)。同類地物反射光譜相似，但隨著地物內(nèi)在差異而有所變化。影響因素包括：物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面光滑程度、顆粒大小、幾何形狀、風(fēng)化程度、表面含水量、色澤等。例如，對植被來說，不同類型植物之間反射光譜曲線存在著一定的差異，利用這種差異可以區(qū)分不同的植被類型。對于同類植物來說，隨著葉子的新老、疏密、土壤的水分含量及有機(jī)質(zhì)含量或受大氣污染和病蟲害等的影響，反射光譜曲線略有差異。地物的反射波譜第100頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地物的發(fā)射波譜發(fā)射率：地物光譜輻射率與黑體光譜輻射率之比。發(fā)射波譜：物體的輻射發(fā)射率隨波長而變化的曲線即發(fā)射波譜。測定地物的發(fā)射波譜的最簡單的方法，是通過測量地物的反射率實(shí)現(xiàn)的。地物的發(fā)射率以黑體輻射作為基準(zhǔn)。第101頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地物的發(fā)射波譜測量地物的輻射量常用亮溫來衡量地物的輻射特征。亮溫：如黑體的輻射發(fā)射量與某溫度條件下的物體的輻射發(fā)射量相同，該黑體的溫度即為該物體的亮溫

TB＝εT TB－物體亮溫，ε－物體發(fā)射率，T－物體溫度因01，因此，地物的亮溫總是小于其實(shí)際溫度。地物發(fā)射波譜主要集中在3-5m和8-14m第102頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地物的透射波譜有些地物具有透射一定波長的電磁波的能力，通常把這些地物叫做透明地物。地物的透射能力用透射率來表示。透射率也隨波長而變化，水體對0.45～0.56m的蘭綠光波具有一定的透射能力，較渾濁水體的透射深度為1到2米，一般水體的透射深度可達(dá)10到20米。冰雪、植被、土壤對微波具有一定透射能力。遙感技術(shù)中，可以根據(jù)地物的特性，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽硖綔y水下、冰下某些地物的信息。第103頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日地物波譜的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)。時間效應(yīng)：指同一位置上的同一地物的波譜特征隨時間的推移而產(chǎn)生一定的變化?？臻g效應(yīng)：由于空間（地理）位置不同而導(dǎo)致同類地物波譜特征的變化。當(dāng)然，對于同一類地物，特別是狀態(tài)穩(wěn)定的地物，無論時間、空間條件如何，它們的波譜曲線形態(tài)總是相似的，因?yàn)槠鹂刂谱饔玫闹鲗?dǎo)因素并沒有改變。因此在以遙感圖像識別地物和現(xiàn)象的屬性及其研究他們之間的關(guān)系和演化變化規(guī)律時，必須首先了解地物的光譜特性，其次是它們隨時間和空間特性的變化。第104頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日第五節(jié)光和顏色能夠被眼睛感覺到的、并產(chǎn)生視覺現(xiàn)象的輻射稱可見輻射或可見光，簡稱光色彩和色覺物體的顏色彩色三要素三原色、三間色和三補(bǔ)色顏色的混合彩色分解和彩色合成第105頁，共117頁，2023年，2月20日，星期日色彩和色覺色覺：人對不同色光所產(chǎn)生的彩色視覺稱為色覺。光視網(wǎng)膜感光細(xì)胞感光視覺神經(jīng)色覺大腦感光細(xì)胞桿狀細(xì)胞錐狀細(xì)胞感光強(qiáng)弱感光顏色感藍(lán)單元感綠單