第2章 電磁波及遙感物理基礎(chǔ)

1、地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY第第2章電磁波與遙感物理基礎(chǔ)章電磁波與遙感物理基礎(chǔ)地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY波：波：是振動(dòng)在空間的傳播。如聲波、水波、地震波等。是振動(dòng)在空間的傳播。如聲波、水波、地震波等。 電磁波：在空間傳播的交變電磁場(chǎng)。電磁波：在空間傳播的交變電磁場(chǎng)。當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變化當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)了變化的電場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波，的磁場(chǎng)

2、激發(fā)了變化的電場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波，也稱電磁輻射。也稱電磁輻射。 電磁波電磁波地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY波：波：是振動(dòng)在空間的傳播。如聲波、水波、地震波等。是振動(dòng)在空間的傳播。如聲波、水波、地震波等。 電磁波電磁波地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY電磁波的基本特征：電磁波的基本特征： 電磁波是橫波，質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，電磁波是橫波，質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)方向與波的傳播

3、方向垂直，傳播速度為傳播速度為3108 m/s，不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)會(huì)有反射、吸收、透射、散射等。電磁波是遙感信息作用時(shí)會(huì)有反射、吸收、透射、散射等。電磁波是遙感信息的載體，電磁波理論是遙感的物理理論基礎(chǔ)。的載體，電磁波理論是遙感的物理理論基礎(chǔ)。 E 電場(chǎng)，電場(chǎng)，M 磁場(chǎng)，磁場(chǎng)，C 傳播方向傳播方向地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY描述電磁波的物理量：波長(zhǎng)、頻率、振幅、位相等。描述電磁波的物理量：波長(zhǎng)、頻率、振幅、位相等。 c=f* , f 頻率，

4、頻率， 波長(zhǎng)波長(zhǎng)地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 麥克斯韋麥克斯韋（1831-1879） 普朗克普朗克（1858-1947） 愛因斯坦愛因斯坦（1879-1955） 波動(dòng)性波動(dòng)性粒子性粒子性地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY當(dāng)兩列波在同一空間傳播當(dāng)兩列波在同

5、一空間傳播時(shí)，空間上各點(diǎn)的振動(dòng)為各時(shí)，空間上各點(diǎn)的振動(dòng)為各列波單獨(dú)振動(dòng)的合成。列波單獨(dú)振動(dòng)的合成。任何復(fù)雜的電磁波都可以任何復(fù)雜的電磁波都可以分解成許多比較簡(jiǎn)單的電磁分解成許多比較簡(jiǎn)單的電磁波；波；比較簡(jiǎn)單的電磁波也可以比較簡(jiǎn)單的電磁波也可以合成為復(fù)雜的電磁波。合成為復(fù)雜的電磁波。（白白光的色散和合成，計(jì)算機(jī)顯示器的工光的色散和合成，計(jì)算機(jī)顯示器的工作原理，作原理， 混合像元的分解混合像元的分解 ） 地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí)，能夠繞過障礙物而電磁波遇到有

6、限大小的障礙物時(shí)，能夠繞過障礙物而彎曲地向障礙物地后面?zhèn)鞑?。把這種通過障礙物邊緣改變傳彎曲地向障礙物地后面?zhèn)鞑ァ０堰@種通過障礙物邊緣改變傳播方向地現(xiàn)象，稱為電磁波的衍射。播方向地現(xiàn)象，稱為電磁波的衍射。 地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 電磁波遇到電磁波遇到“狹縫狹縫”的障礙物時(shí)，能夠通過狹縫的振動(dòng)的障礙物時(shí)，能夠通過狹縫的振動(dòng)分量，稱為電磁波的偏振。分量，稱為電磁波的偏振。 地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE &

7、TECHNOLOGY 把電磁波作為粒子對(duì)待時(shí)，能量把電磁波作為粒子對(duì)待時(shí)，能量: : h : 普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62607551034 J sc : 光速；光速； v : 頻率頻率 能量越大，波長(zhǎng)越短，粒子性越強(qiáng)，直線性越強(qiáng)。能量越大，波長(zhǎng)越短，粒子性越強(qiáng)，直線性越強(qiáng)。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGYv波粒二象性的程度與電磁波的波長(zhǎng)有關(guān)：波長(zhǎng)愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，輻射的波動(dòng)特性愈明顯。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORM

8、ATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 定義：按照電磁波的波長(zhǎng)（頻定義：按照電磁波的波長(zhǎng)（頻率的大小）長(zhǎng)短，依次排列成的率的大?。╅L(zhǎng)短，依次排列成的圖表，稱為電磁波譜。圖表，稱為電磁波譜。 依次為：依次為： 射線射線X X射線射線紫外線紫外線可見光可見光紅外線紅外線微波微波無線電無線電波。波。電磁波譜電磁波譜地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理

9、與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY各種電磁波的特點(diǎn)各種電磁波的特點(diǎn)地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY常用的遙感波段常用的遙感波段：地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOG

10、Y地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY電磁輻射源：能輻射任何波長(zhǎng)電磁波電磁輻射源：能輻射任何波長(zhǎng)電磁波 的物質(zhì)。的物質(zhì)。 自然輻射源自然輻射源 人工輻射源人工輻射源 (主動(dòng)式遙感的輻射源 ，雷達(dá)探測(cè)。分為微 波雷達(dá)和激光雷達(dá)) 不同輻射源的電磁輻射信息存在一定的差異，可由相不同輻射源的電磁輻射信息存在一定的差異，可由相應(yīng)探測(cè)波段的遙感器以成像或非成像的方式進(jìn)行記錄。應(yīng)探測(cè)波段的遙感器以成像或非成像的方式進(jìn)行記錄。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORM

11、ATION SICENCE & TECHNOLOGY自然輻射源自然輻射源太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900的黑體輻射來模擬；其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對(duì)太陽輻射的吸收、反射和散射。地球的電磁輻射：小于3 m的波長(zhǎng)主要是太陽輻射的能量；大于6 m的波長(zhǎng)，主要是地物本身的熱輻射；3-6 m之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY1.電磁輻射的度量術(shù)語電磁輻射的度量術(shù)語 地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSI

12、TY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY（3）輻照度（）輻照度（E） 單位面積上接收的輻射通量。 E= d F / dA ，單位：W . m-2（4）輻射出射度（輻射出射度（M） 單位面積上輻射出的輻射通量。 M= d F / dA ，單位：W . m-2（5）輻射強(qiáng)度（輻射強(qiáng)度（I） 點(diǎn)輻射源在某一方向單位立體角內(nèi) 的輻射通量。 I = d F / dW，單位：W . sr-1地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING U

13、NIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY2.物體的熱輻射物體的熱輻射 熱輻射熱輻射由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)所引起的由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)所引起的電磁輻射。電磁輻射。 物體熱輻射的強(qiáng)弱取決于地物自身性質(zhì)和溫度，輻射能物體熱輻射的強(qiáng)弱取決于地物自身性質(zhì)和溫度，輻射能量分布隨波長(zhǎng)的不同而變化。量分布隨波長(zhǎng)的不同而變化。 太陽（表面溫度太陽（表面溫度6000K） 熱輻射體熱輻射體 地球（平均溫度地球（平均溫度300K）地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHN

14、OLOGY3.絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體 （1 1）絕對(duì)黑體：對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射，吸收率等于）絕對(duì)黑體：對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射，吸收率等于1 1，反射率和透射率都等于反射率和透射率都等于0。與溫度和波長(zhǎng)無關(guān)。與溫度和波長(zhǎng)無關(guān)。黑體是一種理想的吸收體，自然界沒有真正的黑體。黑體是一種理想的吸收體，自然界沒有真正的黑體。 地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 用不透明材料制成的開有小孔的空腔用不透明材料制成的開有小孔的空腔(如上圖如上圖)就是一個(gè)就是一個(gè)黑體模型。空腔外面的輻射能夠通過小孔進(jìn)入空腔，進(jìn)入空黑體模型?？?/p>

15、腔外面的輻射能夠通過小孔進(jìn)入空腔，進(jìn)入空腔的射線，在空腔內(nèi)進(jìn)行多次反射，每反射一次內(nèi)壁吸收一腔的射線，在空腔內(nèi)進(jìn)行多次反射，每反射一次內(nèi)壁吸收一部分能量，最后全部被吸收掉，從小孔穿出的輻射能可以略部分能量，最后全部被吸收掉，從小孔穿出的輻射能可以略去不計(jì)。小孔即相當(dāng)于黑體的表面。去不計(jì)。小孔即相當(dāng)于黑體的表面。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY52( , )(1)2bhckThcMTeh: 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù), 6.6260755*10-34 Ws2k: 玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)，k=1.

16、380658*10-23 WsK K-1-1 c: 光速光速; : 波長(zhǎng)（波長(zhǎng)（m）; T: 絕對(duì)溫度（絕對(duì)溫度（K）M, , 輻射出射度輻射出射度（2）黑體輻射規(guī)律：普朗克公式 1900年，普朗克由量子論推導(dǎo)出熱輻射定理，即普朗克公式：地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY變化特點(diǎn)：變化特點(diǎn)：(1) 輻射通量密度隨波輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，只有一個(gè)長(zhǎng)連續(xù)變化，只有一個(gè)最大值；最大值；(2) 溫度越高，輻射通溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度量密度越大，不同溫度的曲線不相交；的曲線不相交；(

17、3) 隨溫度升高，輻射隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動(dòng)。最大值向短波方向移動(dòng)。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY斯蒂芬玻爾茲曼定律斯蒂芬玻爾茲曼定律 整個(gè)電磁波譜的總輻射出射度整個(gè)電磁波譜的總輻射出射度 M, , 可以用某一單位波長(zhǎng)可以用某一單位波長(zhǎng)間隔的輻射出射度間隔的輻射出射度M對(duì)波長(zhǎng)對(duì)波長(zhǎng) 由由 O O 到無窮大的整個(gè)電磁到無窮大的整個(gè)電磁波段積分，波段積分，用普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)積分，得到斯忒藩一玻爾茲曼定律，即用普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)積分，得到斯忒藩一玻爾茲曼定律，即絕對(duì)黑體的總輻射出射度

18、與黑體溫度的四次方成正比，絕對(duì)黑體的總輻射出射度與黑體溫度的四次方成正比， M= T= T4 4式中，式中，為斯忒藩一玻爾茲曼常數(shù)，為斯忒藩一玻爾茲曼常數(shù)， =5.67 =5.67 10 10-8-8 W/mW/m2 2K K4 4。0( )MMd地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY維恩位移定律維恩位移定律： 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) 向短波方向移動(dòng)向短波方向移動(dòng)黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng)黑體輻射光

19、譜中最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng) maxmax與黑體絕對(duì)溫度與黑體絕對(duì)溫度T T成反成反比：比： b b為常數(shù)，為常數(shù)， b =2.898 10b =2.898 10-3-3mKmK 波長(zhǎng)越長(zhǎng)，最強(qiáng)輻射波長(zhǎng)越短波長(zhǎng)越長(zhǎng)，最強(qiáng)輻射波長(zhǎng)越短 例如太陽光例如太陽光 =490=490nmnm ，可估計(jì)出太陽表面溫度可估計(jì)出太陽表面溫度近似為近似為5900K；地表溫度為地表溫度為300K，地地表輻射的表輻射的 約為約為1010m mm。maxTb地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY溫度溫度T/K300500100020

20、0030004000500060007000波長(zhǎng)波長(zhǎng)max/m9.665.802.901.450.970.720.580.480.41地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY4.實(shí)際物體的輻射實(shí)際物體的輻射發(fā)射率（比輻射率）發(fā)射率（比輻射率） 實(shí)際物體的輻射不同于絕對(duì)黑體的輻射，在相同溫度實(shí)際物體的輻射不同于絕對(duì)黑體的輻射，在相同溫度下，實(shí)際物體的輻射出射度（輻射通量密度）比絕對(duì)黑體下，實(shí)際物體的輻射出射度（輻射通量密度）比絕對(duì)黑體的要低。的要低。 地物發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射出射度（輻射通量密度）與地物

21、發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射出射度（輻射通量密度）與同溫下黑體在同一波長(zhǎng)上的輻射出射度之比，稱地物光譜同溫下黑體在同一波長(zhǎng)上的輻射出射度之比，稱地物光譜發(fā)射率（發(fā)射率（emissivity）(也稱比輻射率也稱比輻射率)，即：，即： = = M /M 發(fā)射率是一個(gè)數(shù)字，其值介于發(fā)射率是一個(gè)數(shù)字，其值介于0和和1之間，作為比較一之間，作為比較一輻射源接近黑體的程度。輻射源接近黑體的程度。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY物體按其發(fā)射輻射特性可分為：物體按其發(fā)射輻射特性可分為：地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NA

22、NJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY5.太陽輻射太陽輻射（1）太陽和太陽常數(shù)：）太陽和太陽常數(shù)： 太陽是太陽系的中心天體，在太陽系空間，布滿了從太太陽是太陽系的中心天體，在太陽系空間，布滿了從太陽發(fā)射的電磁波的全波輻射及粒子流，地球上的能量主要陽發(fā)射的電磁波的全波輻射及粒子流，地球上的能量主要來自太陽。來自太陽。 太陽常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽一個(gè)天文單位太陽常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽一個(gè)天文單位（日地平均距離，（日地平均距離，149,597,870*103m）的區(qū)域內(nèi)，垂直于太的區(qū)域內(nèi)，垂直于太陽輻射方向上單位面積和

23、單位時(shí)間黑體所接收到的太陽輻陽輻射方向上單位面積和單位時(shí)間黑體所接收到的太陽輻射能量。是在地球大氣頂端接受的太陽能量，沒有大氣影射能量。是在地球大氣頂端接受的太陽能量，沒有大氣影響響 I=1.95 cal/cm2 min=1.360*103 W/m2地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY（2）太陽光譜）太陽光譜太陽光譜是連續(xù)的，且輻射特性與絕對(duì)黑體輻射特性近似太陽光譜是連續(xù)的，且輻射特性與絕對(duì)黑體輻射特性近似。 太陽輻照度分布曲線太陽輻照度分布曲線地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNI

24、VERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY太陽輻射及其能量分布太陽輻射及其能量分布1）5900K的黑體輻射。的黑體輻射。 2）短波輻射（）短波輻射（太陽輻射總能量的太陽輻射總能量的40集中于集中于0.40.76um的的可見光范圍內(nèi)，可見光范圍內(nèi)，5151在紅外部分）在紅外部分） 地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY6.大氣對(duì)太陽輻射的影響作用：大氣對(duì)太陽輻射的影響作用：折射、吸收、反射、散射、透射折射、吸收、反射、散射、透射地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院

25、NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY（1）大氣折射大氣折射 電磁波穿過大氣層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生傳播方向改變，即折射現(xiàn)象。大氣密度電磁波穿過大氣層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生傳播方向改變，即折射現(xiàn)象。大氣密度越大，折射率越大；離地面高度越大，空氣越稀薄，折射率越小。越大，折射率越大；離地面高度越大，空氣越稀薄，折射率越小。 地面接收的電磁波方向與實(shí)際太陽輻射方向偏離了一個(gè)角度，稱為折地面接收的電磁波方向與實(shí)際太陽輻射方向偏離了一個(gè)角度，稱為折射值。射值。 1 2 3 Optically less dense atmosphere Optically

26、more dense atmosphere Optically less dense atmosphere Path of energy in homogeneous atmosphere 3 n n 1 = index of refraction for this layer of the atmosphere n 2 Incident radiant energy Normal to the surface Path of radiant energy affected by atmospheric refraction Atmospheric Refraction 地理與遙感學(xué)院地理與遙

27、感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY（2）大氣吸收）大氣吸收大氣層次大氣層次電離層電離層：距地面：距地面85km直到幾百千米的直到幾百千米的范圍均為熱電離層，熱電離層的溫度范圍均為熱電離層，熱電離層的溫度范圍為范圍為500K到到2000K。在電離層中，在電離層中，由于太陽紫外輻射和高能宇宙射線的由于太陽紫外輻射和高能宇宙射線的轟擊而使空氣電離成離子，因而在熱轟擊而使空氣電離成離子，因而在熱電離層中空氣以稀薄的等離子體的形電離層中空氣以稀薄的等離子體的形式存在。式存在。平流層平流層：在平流層最下面直到：在平流層最下面直

28、到20km的的高度之內(nèi)，溫度幾乎為常數(shù)，在其之高度之內(nèi)，溫度幾乎為常數(shù)，在其之上直到大約上直到大約50km高度的范圍之內(nèi)，溫高度的范圍之內(nèi)，溫度隨高度的增加而增加。臭氧主要存度隨高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流層之中。在于平流層之中。對(duì)流層對(duì)流層：厚約為：厚約為10km，其特點(diǎn)為溫度其特點(diǎn)為溫度隨高度的增加而降低，隨高度的增加而降低，1000m/6.5C。所有天氣活動(dòng)均發(fā)生在對(duì)流層層中。所有天氣活動(dòng)均發(fā)生在對(duì)流層層中。在大氣層接近地球表面大約在大氣層接近地球表面大約2km的厚的厚度，存在著一層氣溶膠粒子，氣溶膠度，存在著一層氣溶膠粒子，氣溶膠的濃度隨高度的增加呈指數(shù)衰減。的濃度隨高度的增加

29、呈指數(shù)衰減。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY大氣成分組成大氣成分組成：在大氣：在大氣層中這些氣體的層中這些氣體的濃度幾乎是保持濃度幾乎是保持恒定不變的。恒定不變的。氮氮(N2)：78.084%氧氧(O2)：20.948% 氬氬(Ar)：0.934% 二氧化碳二氧化碳(CO2)：0.033% 其他惰性氣體其他惰性氣體(Ne, He, Kr, Xe) 氫氫(H2) 甲烷甲烷(CH4) 一氧化二氮一氧化二氮(N2O) 一氧化碳一氧化碳(CO) 其濃度可以其濃度可以隨空間和時(shí)隨空間和時(shí)間發(fā)生很大間發(fā)

30、生很大的變化。的變化。水蒸汽水蒸汽(H2O) 臭氧臭氧(O3) 二氧化硫二氧化硫(SO2) 二氧化氮二氧化氮(NO2) 氨氨(NH3) 一氧化氮一氧化氮(NO) 硫化氫硫化氫(H2S) 硝酸蒸汽硝酸蒸汽(HNO3) 如煙霧、水滴和冰如煙霧、水滴和冰晶體，這些粒子可晶體，這些粒子可以聚集在一起形成以聚集在一起形成云和霾。云和霾。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY大氣對(duì)太陽輻射吸收大氣對(duì)太陽輻射吸收大氣的吸收作用：大氣的吸收作用： 大氣中的各種成分對(duì)太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻大氣中的各種成分

31、對(duì)太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）。射的大氣吸收帶（如下表）。O2吸收帶吸收帶0.2m，0.155 m最強(qiáng)最強(qiáng)O3吸收帶吸收帶0.20.36 m，0.6 m，0.96 mH2O吸收帶吸收帶0.94 m mm ， 1.38 m mm ， 1.86 m mm ， 2.5-3.0 m mm ， 3.24 m mm ， 5-7 m mm ，7.13 m mm ，24 m mm以上（微波）以上（微波）CO2吸收帶吸收帶1.352.85 m, 2.8 m,4.3 m,14.5 m塵埃塵埃吸收量很小吸收量很小地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF IN

32、FORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY（3）大氣的反射作用 主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量和云霧，云量越多、云層越厚， 反射越強(qiáng)。且波段不同大氣影響不同，削弱了電磁波強(qiáng)度。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY（4 4）大氣散射）大氣散射 電磁輻射在大氣中傳播時(shí)，遇到各種大氣微粒（氣體分子、塵埃）將發(fā)生散射。散射的性質(zhì)主要取決于： 電磁輻射的

33、波長(zhǎng) 微粒半徑r三種散射類型：瑞利散射、米氏散射、無選擇性散射三種散射類型：瑞利散射、米氏散射、無選擇性散射地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY大氣散射類型大氣散射類型瑞利散射（瑞利散射（ Rayleigh scattering ） 發(fā)生在大氣粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)。散射的特點(diǎn)時(shí)發(fā)生在大氣粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)。散射的特點(diǎn)時(shí)散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無關(guān)，任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度相同。散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無關(guān)，任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度相同。人看到的人看到的云和霧是白色的，就是非選擇性散射的結(jié)果云和霧是白色的，就是非選擇性

34、散射的結(jié)果 。r地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY7.大氣窗口大氣窗口定義：電磁波在大氣中傳輸過程中吸收和散射很小，透射率定義：電磁波在大氣中傳輸過程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。很高的波段。研究意義：為遙感信息獲取最佳探測(cè)波段。研究意義：為遙感信息獲取最佳探測(cè)波段。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY大氣窗口大氣窗口地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF

35、INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY常用的大氣窗口常用的大氣窗口地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SI

36、CENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY1.地球輻射地球輻射地球輻射地球輻射 太陽輻射接近于溫度為太陽輻射接近于溫度為6000K的黑體輻射，最大輻射的對(duì)的黑體輻射，最大輻射的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為應(yīng)波長(zhǎng)為0.48m mm，地球輻射接近于溫度為地球輻射接近于溫度為300K的黑體輻射，的黑體輻射，最大輻射的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為最大輻射的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為9.66 m mm，二者相差較遠(yuǎn)；二者相差較遠(yuǎn)； 太陽輻射主要集中于波長(zhǎng)較短的部分，從紫外、可見光到太陽輻射主要集中于波長(zhǎng)較短的部分，從紫外、可見

37、光到近紅外區(qū)域，即近紅外區(qū)域，即0.3-2.5 m mm，在這一波段地球的輻射主要是反在這一波段地球的輻射主要是反射太陽的輻射。射太陽的輻射。 地球自身發(fā)出的輻射主要集中在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的部分，即地球自身發(fā)出的輻射主要集中在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的部分，即6 m mm以上的熱紅外區(qū)段。以上的熱紅外區(qū)段。 在在2.5-6 m mm的中紅外波段，地球?qū)μ栞椪盏姆瓷浜偷乇淼闹屑t外波段，地球?qū)μ栞椪盏姆瓷浜偷乇砦矬w自身的熱輻射均不能忽略。物體自身的熱輻射均不能忽略。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地表自身熱輻射地表

38、自身熱輻射 地球輻射于相應(yīng)的黑體輻射的關(guān)系：地球輻射于相應(yīng)的黑體輻射的關(guān)系： 從中看出：地球輻射接近于從中看出：地球輻射接近于300K黑體輻射，但由于大氣影黑體輻射，但由于大氣影響（主要是吸收），實(shí)際的輻射曲線為不平滑的折線。響（主要是吸收），實(shí)際的輻射曲線為不平滑的折線。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY2.地物波譜特征地物波譜特征波譜特征波譜特征地物輻射（發(fā)射、反射、吸收、透地物輻射（發(fā)射、反射、吸收、透射）電磁波的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的不同而變化的特征。射）電磁波的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的不同而變化的特征。

39、另外，由于另外，由于成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、表面狀態(tài)以成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、表面狀態(tài)以及環(huán)境、時(shí)間及環(huán)境、時(shí)間等諸多因素的影響，不同地物具有等諸多因素的影響，不同地物具有不同的電磁波譜特性，而同類地物在相同條件下不同的電磁波譜特性，而同類地物在相同條件下則具有相似的地物波譜特性。則具有相似的地物波譜特性。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 電磁波與物體相互作用過程中，會(huì)出現(xiàn)三種情況：反射、電磁波與物體相互作用過程中，會(huì)出現(xiàn)三種情況：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。吸收、透射，遵守能量守恒定律。( )

40、( )( )( )EsEEE ( )( )( )1 地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地物反射波譜特征地物反射波譜特征n研究地物反射光譜的意義：研究地物反射光譜的意義： n被動(dòng)遙感在遙感探測(cè)中占重要地位，主要為反射太陽輻射被動(dòng)遙感在遙感探測(cè)中占重要地位，主要為反射太陽輻射n可準(zhǔn)確識(shí)別地面目標(biāo)可準(zhǔn)確識(shí)別地面目標(biāo)地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIV

41、ERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY反射率：反射率： 反射能量與總?cè)肷淠芰康陌俜直确瓷淠芰颗c總?cè)肷淠芰康陌俜直?=（P /P0）*100% 反射率大小與物體本身的性質(zhì)和表面狀況、波長(zhǎng)、入射角反射率大小與物體本身的性質(zhì)和表面狀況、波長(zhǎng)、入射角等有關(guān)等有關(guān)地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY反射分類反射分類判斷物體光滑或粗糙程度的瑞利準(zhǔn)則：判斷物體光滑或粗糙程度的瑞利準(zhǔn)則：8cosh 根據(jù)物體表面的粗糙程度，根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：反射分為：

42、a）鏡面反射鏡面反射b）漫反射（朗伯反射）漫反射（朗伯反射）c）有向反射有向反射d）混合反射混合反射地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY鏡面反射鏡面反射 當(dāng)目標(biāo)物的表面粗糙高度大大低于電磁波的波長(zhǎng)當(dāng)目標(biāo)物的表面粗糙高度大大低于電磁波的波長(zhǎng)時(shí)，那么目標(biāo)物對(duì)電磁波的反射稱為鏡面反射。時(shí)，那么目標(biāo)物對(duì)電磁波的反射稱為鏡面反射。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY2) 朗伯反射朗伯反射 當(dāng)目標(biāo)物的表面足夠

43、粗糙，以致于它對(duì)太陽短波輻射當(dāng)目標(biāo)物的表面足夠粗糙，以致于它對(duì)太陽短波輻射的散射輻射亮度在以目標(biāo)物的中心的的散射輻射亮度在以目標(biāo)物的中心的2空間中呈常數(shù)，即空間中呈常數(shù)，即散射輻射亮度不隨觀測(cè)角度而變，稱該物體為漫反射體，散射輻射亮度不隨觀測(cè)角度而變，稱該物體為漫反射體，亦稱朗伯體。嚴(yán)格講自然界中只存在近似意義下的朗伯體。亦稱朗伯體。嚴(yán)格講自然界中只存在近似意義下的朗伯體。只有黑體才是真正的朗伯體。只有黑體才是真正的朗伯體。3) 有向反射有向反射4) 混合反射混合反射 一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSIT

44、Y OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 波譜特征曲線波譜特征曲線表示地物輻射電磁波強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化規(guī)律的曲線。表示地物輻射電磁波強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化規(guī)律的曲線。 波譜特征曲線通常以橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示波譜反射率、發(fā)射波譜特征曲線通常以橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示波譜反射率、發(fā)射率等。縱坐標(biāo)為反射率時(shí)為反射波譜曲線。率等?？v坐標(biāo)為反射率時(shí)為反射波譜曲線。幾種地物的反射幾種地物的反射波譜特征曲線波譜特征曲線地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)

45、院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 植被反射波譜曲線植被反射波譜曲線地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY植被反射波譜的影響因素植被反射波譜的影響因素地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理

46、與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 水體反射波譜曲線水體反射波譜曲線地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY12地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地理與遙感學(xué)院地理與遙

47、感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY雪與云 地理與遙感學(xué)院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY地物波譜特性的測(cè)量地物波譜特性的測(cè)量 地物光譜測(cè)試的作用地物光譜測(cè)試的作用：傳感器波段選擇、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)的依據(jù)；傳感器波段選擇、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)的依據(jù)；建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系；建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系；將地物光譜數(shù)據(jù)直接與地面特征進(jìn)行相關(guān)分析并建立應(yīng)將地物光譜數(shù)據(jù)直接與地面特征進(jìn)行相關(guān)分析并建立應(yīng) 用模型。用模型。地理與遙感學(xué)

48、院地理與遙感學(xué)院NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY野外光譜測(cè)量野外光譜測(cè)量( (垂直垂直) )1）測(cè)量?jī)x器：美國產(chǎn)）測(cè)量?jī)x器：美國產(chǎn)ASD FieldSpec（FR 3502500nm）光）光譜儀，光譜儀耦合譜儀，光譜儀耦合25 光纖探頭、參考板（每次出野外測(cè)試波光纖探頭、參考板（每次出野外測(cè)試波譜時(shí)，須把野外的參考板和室內(nèi)的參考板進(jìn)行標(biāo)定）、羅盤、譜時(shí)，須把野外的參考板和室內(nèi)的參考板進(jìn)行標(biāo)定）、羅盤、水準(zhǔn)儀、相機(jī)等。水準(zhǔn)儀、相機(jī)等。 2）測(cè)定環(huán)境：選擇晴朗無云，風(fēng)力較小，視場(chǎng)范圍內(nèi)太陽直）測(cè)定環(huán)境：選擇晴朗無云，風(fēng)力較小，視場(chǎng)范圍內(nèi)太陽直接照射，當(dāng)?shù)貢r(shí)間接照射，當(dāng)?shù)貢r(shí)間10:3014:00間進(jìn)行測(cè)定。間進(jìn)行測(cè)定。 3）測(cè)試過程：）測(cè)試過程： 記錄各種觀測(cè)儀器和設(shè)備