1、遥感原理第二章 遥感的物理基础 本章主要内容电磁波与电磁波谱大气和环境对遥感的影响地物的光谱特性遥感原理第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱一电磁波及其特性二电磁波谱三电磁辐射源四黑体辐射遥感原理一、电磁波及其特性一、电磁波及其特性1.波的概念：波是振动在空间的传播。2.机械波：声波、水波和地震波3.电磁波（ElectroMagnetic Spectrum)由振源发出的电磁振荡在空气中传播。演示遥感原理4.电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理5.电磁辐射:这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。遥感原理6.电磁波的特性p电磁波是横波p在真空中以光速
2、传播p满足：频率与波长的乘积是光速 能量等于普朗克常数h与频率f的乘积p电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。遥感原理v波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性v粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性v波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。遥感原理二、电磁波谱二、电磁波谱1.电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长或频率,递增或递减排列，则构成了电磁波谱。在
3、电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是射线 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。遥感原理The Electromagnetic SpectrumMore than meets the eye!遥感原理Examples from Space!遥感原理Wavelength The distance from one wave crest to the next Radio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest。遥感原理Wavelength units Meters（米
4、）More commonly in nanometers(1 nm=10-9 meters)Angstroms（埃）Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths 1 nanometer=10 Ao Speed of light=wavelength(l l)*frequency =3 x 108 m/s in vacuum Wavenumber=1/wavelength(cm-1)Frequency in GHz(1 Hz=sec 1)Language of the Energy Cycle:The Electro
5、magnetic SpectrumEnergyWavelength lSolar Spectrum=Shortwave spectrum=visible spectrum:Sun at 6000K;peak emission at 0.5 m mmCO2H2OO3Terrestrial Spectrum=Longwave Spectrum=Infrared Spectrum=Thermal Spectrum:Sahara Desert on Nimbus 4 SatelliteTheoretical Planck curves:Earth 300K,peak emission 15 m mmE
6、arth SpectrumIncoming from Sun:High energy、short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 m mm10 m mm20 m mmElectromagnetic SpectrumHigh energyShort wavelength/high frequencyEmitted at high TSunEarth遥感原理遥感原理紫外线(UV)：0.01-0.4m，碳酸盐岩分布、水面油污染,摄影紫外。可见光：0.4-0.76 m，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段,摄影和
7、扫描方式。红外线(IR)：0.76-1000 m。近红外0.76-3.0 m,中红外3.0-6.0 m；远红外6.0-15.0 m；超远红外15-1000 m。近红外又称光红外或反射红外（摄影红外)；中红外和远红外又称热红外(扫描方式)。微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。2、遥感常用的电磁波波段的特性遥感原理三、电磁辐的度量三、电磁辐的度量1.辐射源1)自然辐射源太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用6000的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。地球的电磁辐射：小于3 m的波长主要是太阳
8、辐射的能量；大于6 m的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6 m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。遥感原理太阳辐射照度分布曲线遥感原理遥感原理太阳与地球辐射的电磁波谱遥感原理2)人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。微波辐射源：0.8-30cm激光辐射源：激光雷达测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。遥感原理1/11遥感原理2/11遥感原理3/11遥感原理4/11遥感原理6/11遥感原理7/11遥感原理 地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。1.黑体：在任何温度下，对任何波长的电磁辐射都全部吸收,则 这个物体是绝对黑体。2
9、.黑体辐射(Black Body Radiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。黑色烟煤 恒星太阳四、黑体辐射3、黑体辐射定律黑体辐射定律(1)普朗克热辐射定律 表示出了黑体辐射出射度与温度的关系以及按波长分布的规律。1/5212)(kTchehcTWllll、M-1遥感原理黑体辐射的三个特性(p20)A.辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。B.温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。C.随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。(2)斯忒藩-玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmanns law 即黑体总辐射出射度随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方
10、成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射出射度很大的变化。4001/1522TdkTchehcWlll地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成是红外装置测定温度的理论基础。M-1温度3005001000200030004000500060007000波长9。665。802。901。450。970。720。580。480。41(3)(3)维恩位移定律：维恩位移定律：Wiens displacement law 随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长与黑体绝对温度成反比.即其曲线峰顶向短波方向移动。bT maxl绝对黑体温度与最
11、大辐射所对应波长关系 p4、实际物体的辐射、实际物体的辐射p基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量M和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量M 0。M/=M0 4、实际物体的辐射p发射率发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）M与同温下同波长黑体辐射出射度M黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。M/M0=在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。M/M0=M/=M0遥感原理黑WW黑WWp影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具
12、有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。遥感原理遥感原理p按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体(grey body)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。遥感原理第三节 大气和环境对遥感的影响 大气的成分和结构 大气对太阳辐射的影响 大气窗口 环境对地物光谱特性的影响遥感原理一、大气的成分和结构 大气的传输特性：大气的传输特性：大气对电磁波的反射、吸收、散射和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分有关。大气的成分：大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。遥
13、感原理大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。气体：N2，O2，O3，H2O，CO2，CO，CH4，悬浮微粒：尘埃遥感原理二）、大气的结构（垂直分布）二）、大气的结构（垂直分布）1.对流层对流层：航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。2.平流层平流层：较为微弱。3.电离层电离层：（中间层、热层散逸层）温度随高度增加而递减。卫星的运行空间。4.大气外层大气外层：1000公里以外的星际空间。遥感原理从地面到大气上界，大气的结构分层为：从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在对流层：高度在7 712 km,12 km,温度随高度而降低，天气变温度随高度而降低，天
14、气变化频繁，航空遥感主要在该层内。化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在平流层：高度在121280 km80 km，底部为同温层（航空遥感，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高强吸收而逐渐升高(暖层暖层)，以上为冷层。，以上为冷层。电离层：高度在电离层：高度在80801 000 km1 000 km，大气中的，大气中的O O2 2、N N2 2受紫受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。活动空间。大气外层：大气外层：1000100
15、035 000 km,35 000 km,空气极稀薄，对卫星基空气极稀薄，对卫星基本上没有影响，静止卫星。本上没有影响，静止卫星。遥感原理二、大气对太阳辐射的影响 太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。吸收、散射是太阳辐射衰减的主要原因。遥感原理遥感原理（一）大气的吸收作用1.氧气：小于0.2 m；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。2.臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。3.水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见
16、光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。4.二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。遥感原理O2吸收带吸收带0.2m，0.155 m最强最强O3吸收带吸收带0.20.36 m，0.6 mH2O吸收带吸收带0.50.9 m,0.952.85 m，6.25 mCO2吸收带吸收带1.352.85 m,2.7 m,4.3 m,14.5 m尘埃尘埃吸收量很小吸收量很小遥感原理Absorption of EM energy by the atmosphere遥感原理（二）大气的散射作用 散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向，
17、不能转变不能转变为内能为内能；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。Scattering of EM energy by the atmosphere遥感原理三种散射作用1.瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。d d 水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色？Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud遥感原理三、大气窗口1、大气窗口、大气窗口：。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。
18、遥感原理 折射现象:大气的反射:大气窗口:太阳 辐射经过大气传输后,主要是反射反射 吸收吸收 和散射和散射的共同影响衰减可辐射强度.烟台师范学院地理与资源管理学院遥感原理大气窗口大气窗口波段波段透射率透射率/%/%应用举例应用举例紫外可见光紫外可见光近红外近红外0.30.31.3 m1.3 m9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近红外近红外1.51.51.8 m1.8 m8080TM5TM5近近-中红外中红外2.02.03.5 m3.5 m8080TM7TM7中红外中红外3.53.55.5 m5.5 mNOAANOAA的的AVHRRAVHRR远红外远红外8 814 m
19、14 m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatRadarsat遥感原理第四节 地物的光谱特性 任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。同时任何高于绝对零度的物体都能惊醒热辐射,具有发射红外线微波的特性 地物的这种特性称为：地物的光谱特性。遥感原理太阳辐射与地物的作用n太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即收，一部分透射，即：到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量能量透射能量n 地表反射的
20、太阳辐射成为遥感记录的主要辐射地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。能量。遥感原理n 一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是波则透射能力较强，特别是0.450.56m的蓝的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达绿光波段。一般水体的透射深度可达1020 m，清澈水体可达清澈水体可达100 m的深度。的深度。n 地表吸收太阳辐射后具有约地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为而形成自身的热辐射，其峰值波长
21、为9.66 m，主要集中在长波，主要集中在长波，即即6m6m以上的热红外区段。以上的热红外区段。遥感原理地物的反射率、吸收率和透射率地物的反射率、吸收率和透射率 对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低（非透明物体）。遥感原理1.地物的反射率地物的反射率（反射系数或亮度系数）反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。影响地物反射率大小的因素：l入射电磁波的波长l入射角的大小l地表颜色与粗糙度和湿度等有关。和湿度等有关。遥感原理2.地物的反射光谱：地物的反射光谱：地物的反射率随入射地物的反射率随入射波长变
22、化的规律。波长变化的规律。1)地物反射光谱曲线地物反射光谱曲线：根据地物反射率根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。别地物性质的基本原理。2)2)不同地物在不同波段反射率存在差异：不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线沙漠、湿地、小麦的光谱曲线遥感原理遥感原理3)同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。不同植物；植物病虫害4)地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。q时间特性q空间特性遥感原理遥感原理不同植物光谱曲线比较遥感原理遥感原理植被的
23、病虫害遥感原理时间特征遥感原理遥感原理 地物波谱特征的研究是遥感的重要部分:研究遥感成像机理;选择 遥感仪器最佳探测波段;研制遥感仪器;遥感图像分析数字图像处理中最佳波段波段组合的选择;专题信息提取;提高遥感精度等的重要依据.遥感原理2、地物的发射光谱 辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。岩石的发射光谱分析（图2-22）遥感原理 透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同
24、。可见光、红外、微波的透射能力。光绿光波段具有 一定蓝光绿光波段具有一定的透射能力，故深水体显一定蓝光绿光波段具有一定的透射能力，故深水体显兰绿色。透射深度可达兰绿色。透射深度可达10-20米，对浑浊水体为米，对浑浊水体为1-2米。米。红外线只对半导体地物有一定的透射力。微波对云雾红外线只对半导体地物有一定的透射力。微波对云雾冰雪、干沙、干土和植被等具有较强的穿透深度，但冰雪、干沙、干土和植被等具有较强的穿透深度，但对金属和水体不能穿透，微波波长越大，透射率越大，对金属和水体不能穿透，微波波长越大，透射率越大，透射深度也越深。透射深度也越深。遥感原理各典型地物的光谱曲线 植被光谱曲线 土壤光谱曲线 水体光谱曲线 岩石光谱曲线 常见地物比较光谱曲线遥感原理植物的光谱曲线遥感原理土壤的光谱曲线遥感原理水体的光谱曲线遥感原理岩石的光谱曲线遥感原理常见地物的光谱曲线比较遥感原理常见地物的光谱曲线比较遥感原理四、环境对地物光谱特性的影响地物的物理性状表面粗糙度，反射系数差距大 光源的辐射强度：纬度与海拔高度季节：太阳高度不同探测时间：时间不同，反射率不同。气象条件如岩石在午晚差距大
