遙感技術(shù)基礎(chǔ)課件第二章-遙感電磁輻射基礎(chǔ)2

第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ)2.1.1電磁波及電磁波譜2.1.2黑體輻射和實(shí)際物體輻射2.2太陽(yáng)輻射和地球輻射2.3電磁波在大氣傳輸中的影響2.4物體的反射輻射2.4各典型地物的光譜曲線1地球上的能源主要來(lái)自太陽(yáng)。地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是一個(gè)橢圓，一般認(rèn)為日地平均距離（日地系統(tǒng)的橢圓軌道半徑）等于一個(gè)天文單位（149597870KM）。由于地球距太陽(yáng)很遠(yuǎn)，因此太陽(yáng)照射到地球的光線都被看作平行光，即入射的空間方向一致。3.太陽(yáng)輻射和地球輻射2太陽(yáng)常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽(yáng)一個(gè)天文單位的區(qū)域內(nèi)，地球大氣層上界垂直于太陽(yáng)輻射方向上單位面積和單位時(shí)間黑體所接收到的太陽(yáng)輻射能量。通常表示為：I=1360W/m2太陽(yáng)常數(shù)是在地球大氣頂端接受的太陽(yáng)能量。該值基本穩(wěn)定，變化幅度不超過(guò)1%。太陽(yáng)常數(shù)對(duì)研究太陽(yáng)輻射非常重要，對(duì)遙感探測(cè)和進(jìn)一步應(yīng)用于氣象，農(nóng)業(yè)，環(huán)境等領(lǐng)域也非常重要。3.太陽(yáng)輻射和地球輻射3122335566744日出上午下午正午日落A西東地球上的某一點(diǎn)A的太陽(yáng)高度角（日）變化6不同緯度的太陽(yáng)高度角不同緯度的太陽(yáng)高度角季節(jié)7因此太陽(yáng)傾斜照射時(shí)的輻照度一定比垂直入射時(shí)少（弱），由于太陽(yáng)的高度角一年內(nèi)隨時(shí)間，季節(jié)及緯度不同而不同，因此太陽(yáng)輻照度是變化的。對(duì)于遙感所追求的定量遙感，無(wú)時(shí)不變的太陽(yáng)輻照度將成為挑戰(zhàn)。3.太陽(yáng)輻射和地球輻射8除了太陽(yáng)以外，遙感探測(cè)中被動(dòng)遙感的輻射源還來(lái)自地球。

從衛(wèi)星上測(cè)出的地球輻射與相應(yīng)黑體輻射對(duì)比CO2H2OO33.太陽(yáng)輻射和地球輻射9太陽(yáng)與地球輻射的電磁波譜10被動(dòng)遙感的輻射源太陽(yáng)輻射近似6000K的黑體輻射，能量集中在0.3～2.5μm波段之間。（可見光和近紅外）地球自身熱輻射近似300K的黑體輻射，能量集中在6.0μm以上的波段。（熱紅外）

11在0.3～2.5μm波段（主要在可見光和近紅外波段），地表以反射太陽(yáng)輻射為主，地球自身的輻射可以忽略。即在該波段范圍內(nèi)，對(duì)地觀測(cè)遙感主要以太陽(yáng)的短波輻射對(duì)地表進(jìn)行探測(cè)和成像。在2.5～6.0μm波段（主要在中紅外波段），地表反射太陽(yáng)輻射和地球自身的熱輻射均為被動(dòng)遙感的輻射源。在6.0μm以上的熱紅外波段，以地球自身的熱輻射為主，地表反射太陽(yáng)輻射可以忽略。（熱紅外成像）

太陽(yáng)輻射和地球輻射的分段特性12了解地球輻射的分段特性的意義可見光和近紅外波段遙感圖像上的信息來(lái)自地物反射特性。中紅外波段遙感圖像上，既有地表反射太陽(yáng)輻射的信息，也有地球自身的熱輻射的信息。熱紅外波段遙感圖像上的信息來(lái)自地球自身的熱輻射特性。

134電磁波在大氣傳輸中的影響太陽(yáng)輻射衰減的主要原因：大氣吸收,散射和反射電磁波經(jīng)過(guò)大氣時(shí),會(huì)被大氣衰減:14大氣對(duì)電磁波的影響受大氣中微小顆粒的影響，將產(chǎn)生散射、折射和吸收。

15大氣垂直分層結(jié)構(gòu)16

大氣是由多種氣體及氣溶膠所組成的混合物。氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3氣溶膠

大氣的成分可分為常定成分（N2，O2，CO2等）與可變部分（水汽，氣溶膠）。

大氣成分BACK17折射作用折射：電磁波傳播方向發(fā)生了改變。電磁波傳播過(guò)程中折射率的變化，使電磁波在大氣中傳播的軌跡成為一條曲線，地面接收的電磁波方向與實(shí)際太陽(yáng)輻射的方向相比偏離了一個(gè)角度，稱為折射值。18大氣的折射率與大氣密度相關(guān)，密度越大折射率越大。地面越高，空氣越稀薄折射也越小。當(dāng)太陽(yáng)垂直入射時(shí)，天頂距為0，折射值也為0；隨太陽(yáng)天頂距加大，折射值增加；當(dāng)天頂距為90度時(shí)，折射值達(dá)到最大。這也是為什么早晨看到的太陽(yáng)比中午時(shí)看到的太陽(yáng)大的緣故。19反射作用電磁波傳播過(guò)程中，若通過(guò)兩種介質(zhì)的交界面，還會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象。氣體、塵埃的反射作用很小，反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量，而且各波段均受到不同程度的影響，削弱了電磁波到達(dá)地面的強(qiáng)度。因此，應(yīng)該選擇無(wú)云的天氣接收遙感信號(hào)。20大氣中的各種成分對(duì)太陽(yáng)輻射有選擇性的吸收，形成太陽(yáng)輻射的大氣吸收帶。吸收作用使輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膬?nèi)能，從而引起這些波段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的衰減，甚至某些波段的電磁波完全不能通過(guò)大氣。大氣的吸收21O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強(qiáng)O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm22大氣的散射散射：懸浮在空氣中的粒子（分子、塵埃、煙塵、水滴等直徑不同的粒子）引起電磁波能量方向的改變。大氣散射集中在太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。23不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。大氣散射性質(zhì)和強(qiáng)度主要取決于大氣分子或微粒半徑,主要有三種：瑞利散射：d<<λ

米氏散射：d

≈λ

非選擇性散射：d>>λ大氣的散射24瑞利（Rayleigh）散射

當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)小得多時(shí)，此時(shí)的散射稱為瑞利散射。散射率與波長(zhǎng)的四次方成反比，瑞利散射的強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍(lán)光是4微米紅外線散射的1萬(wàn)倍。瑞利散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系25瑞利散射對(duì)可見光的影響較大，對(duì)紅外輻射的影響很小，對(duì)微波的影響可以不計(jì)。多波段中不使用藍(lán)紫光的原因晴朗的天空為什么呈藍(lán)色?夕陽(yáng)紅？26當(dāng)日光與大氣相互作用時(shí)，可見光中的藍(lán)光散射要比可見光中其他光線的散射強(qiáng)，因而天空呈現(xiàn)藍(lán)色。27清晨日出和傍晚日落時(shí)，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅光不易被散射，故呈現(xiàn)出紅色霞光。28質(zhì)點(diǎn)直徑和電磁波波長(zhǎng)差不多時(shí)（d≈λ）大氣中的懸浮顆粒：霾、水滴、塵埃、煙、花粉、微生物、海上鹽粒、火山灰等顆粒對(duì)紅外波段的散射屬于此類。其強(qiáng)度受氣候影響較大。米氏散射29當(dāng)質(zhì)點(diǎn)直徑大于電磁波波長(zhǎng)時(shí)（d>λ）,散射率與波長(zhǎng)沒有關(guān)系。正因?yàn)榇祟惿⑸鋵?duì)所有可見光區(qū)段藍(lán)、綠，紅光的散射等量，所以我們看到的云和霧呈白色或灰白色。無(wú)選擇性散射3031大氣窗口太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層時(shí)，反射，吸收和散射共同衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分即為透過(guò)的部分。由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽(yáng)輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少被反射，吸收和散射的，透射率較高的波段稱為大氣窗口。（對(duì)地遙感要用的部分）

32大氣窗口受大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外可見光近紅外0.3～1.3μm＞90攝影和掃描成像的方式在白天感測(cè)和記錄目標(biāo)電磁波輻射信息近-中紅外1.5～1.8μm80掃描成像，白天記錄中紅外3.5～5.5μm白天夜間，掃描成像記錄遠(yuǎn)紅外8～14μm60～70白天夜間，掃描記錄微波0.8～2.5cm100白天夜間，掃描記錄。33大氣窗口34在可見光和近紅外波段，太陽(yáng)輻射30％被云或其它粒子反射，22％被散射，17％被吸收，到達(dá)地面能量31％。

大氣透射的定量分析35太陽(yáng)輻射被大氣散射后直接進(jìn)入傳