第03講 遙感物理基礎(chǔ)之二_太陽輻射

1、遙感地質(zhì)學(xué)遙感地質(zhì)學(xué) Remote Sensing Geology遙感物理基礎(chǔ)（遙感物理基礎(chǔ)（2）地球大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懙厍虼髿鈱μ栞椛鋫鬏數(shù)挠绊懞颖惫こ檀髮W(xué)資源學(xué)院河北工程大學(xué)資源學(xué)院1/22遙感地質(zhì)學(xué)章節(jié)內(nèi)容遙感地質(zhì)學(xué)章節(jié)內(nèi)容第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 遙感物理基礎(chǔ)（電磁波譜與電磁輻射）遙感物理基礎(chǔ)（電磁波譜與電磁輻射）第三章第三章 遙感成像原理與圖像特征遙感成像原理與圖像特征第四章第四章 遙感圖像處理遙感圖像處理第五章第五章 遙感圖像地質(zhì)解譯標(biāo)志遙感圖像地質(zhì)解譯標(biāo)志第六章第六章 遙感圖像地貌解譯遙感圖像地貌解譯第七章第七章 遙感圖像的巖性解譯遙感圖像的巖性解譯第八章第八章

2、 遙感圖像構(gòu)造解譯遙感圖像構(gòu)造解譯第九章第九章 遙感應(yīng)用遙感應(yīng)用2/22第二章 遙感物理基礎(chǔ) 本章主要內(nèi)容電磁波譜與電磁輻射的概念地球大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懙厍蜉椛渑c地物波譜特征彩色原理（色度學(xué)）3/22上節(jié)主要內(nèi)容 電磁輻射是遙感技術(shù)的物理基礎(chǔ)。 電磁波譜的概念 遙感中常用的電磁波波段 黑體的概念 實(shí)際物體電磁輻射規(guī)律M= M0(，T)電磁波譜是各種電磁波按其波長（或頻率）的大小依次排電磁波譜是各種電磁波按其波長（或頻率）的大小依次排列形成的圖表。列形成的圖表。紫外波段：紫外波段：0.280.38m可見光波段：可見光波段：0.380.76m紫藍(lán)青綠黃橙紅紫藍(lán)青綠黃橙紅紅外波段：紅外波段：0

3、.761000m近中遠(yuǎn)超近中遠(yuǎn)超微波：微波：11000mm在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)恒等于恒等于1（即全部吸收（即全部吸收100% ）的物體稱為）的物體稱為“絕對黑體絕對黑體”，簡稱，簡稱“黑黑體體”。二、地球大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懚?、地球大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊?太陽輻射太陽輻射 地球大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懙厍虼髿鈱μ栞椛鋫鬏數(shù)挠绊懘髿鈱拥慕Y(jié)構(gòu)大氣層的結(jié)構(gòu)大氣的成分大氣的成分大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懘髿鈱μ栞椛鋫鬏數(shù)挠绊?大氣窗口大氣窗口5/22本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容 太陽輻射是被動遙感主要的輻射源。太陽輻射是被動遙感主

4、要的輻射源。 地球大氣對太陽輻射的傳輸影響有吸收作用、散地球大氣對太陽輻射的傳輸影響有吸收作用、散射作用、反射作用和折射作用。射作用、反射作用和折射作用。 大氣窗口的概念大氣窗口的概念 主要大氣窗口主要大氣窗口 大氣對太陽輻射的影響特征如何在遙感中應(yīng)用？大氣對太陽輻射的影響特征如何在遙感中應(yīng)用？結(jié)束21/22電磁波通過地球大氣層時較少被反射、吸收或散射，透電磁波通過地球大氣層時較少被反射、吸收或散射，透過率較高的波段，稱為大氣窗口。過率較高的波段，稱為大氣窗口。（1）可攝影波段）可攝影波段0.31.3m，紫外、可見光、近紅外；，紫外、可見光、近紅外；（2）近紅外波段）近紅外波段1.52.5m，

5、1.51.75m和和2.12.4m；（3）中紅外波段）中紅外波段3.05.0m，3.54.2m和和4.65.0m；（4）遠(yuǎn)紅外波段）遠(yuǎn)紅外波段8.014.0m；（5）微波波段）微波波段0.8100cm。1、選擇大氣窗口。、選擇大氣窗口。2、認(rèn)識大氣傳輸對遙感圖像判讀的影響：、認(rèn)識大氣傳輸對遙感圖像判讀的影響：大氣散射使短大氣散射使短波波段（如波波段（如0.5-0.6m）的地物影像增加亮度，使景物反差）的地物影像增加亮度，使景物反差減?。粶p??；大氣的吸收使長波波段（如大氣的吸收使長波波段（如0.8-1.1m）減低亮度。）減低亮度。3、為圖像恢復(fù)或輻射校正提供依據(jù)。、為圖像恢復(fù)或輻射校正提供依據(jù)。

6、太陽輻射太陽輻射 太陽輻射：即太陽光，是遙感主要的輻射源。太陽輻射：即太陽光，是遙感主要的輻射源。 太陽常數(shù)：不受大氣影響，在地球大氣上界太陽常數(shù)：不受大氣影響，在地球大氣上界垂直于太陽輻射方向上，單位面積和單位時垂直于太陽輻射方向上，單位面積和單位時間所接收到的太陽輻射能量。間所接收到的太陽輻射能量。I1360W/m2 在大氣上界和海平面測得的太陽輻射曲線在大氣上界和海平面測得的太陽輻射曲線二、地球大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懚⒌厍虼髿鈱μ栞椛鋫鬏數(shù)挠绊懛祷胤祷?/22大氣層結(jié)構(gòu)大氣層結(jié)構(gòu)從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對流層：高度在對流層：高度在7

7、712 km,12 km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在平流層：高度在121250 km50 km，底部為同溫層（航空遙感活動層），底部為同溫層（航空遙感活動層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。同溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在電離層：高度在50501 000 km1 000 km，大氣中的，大氣中的O O2 2、N N2 2受紫外線照射而受紫外線照射而電離，對遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動空間。電離，對遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動空間。大

8、氣外層：大氣外層：80080035 000 km ,35 000 km ,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。響。二、地球大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懚?、地球大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懛祷胤祷?/22大氣成分大氣成分 大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。水滴等組成。 氣體：氣體：N N2 2，O O2 2，H H2 2O O，COCO2 2，COCO，CHCH4 4，O O3 3 懸浮微粒：懸浮微粒：塵埃塵埃返回返回8/22地球大氣對太陽輻射傳輸?shù)挠绊懙厍虼髿鈱μ栞椛鋫鬏數(shù)挠绊憊大氣的吸收作用大氣的吸收作用v大氣的

9、散射作用大氣的散射作用v大氣的反射作用大氣的反射作用v大氣的折射作用大氣的折射作用返回返回9/22大氣的吸收作用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 mH2O吸收帶吸收帶0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO2吸收帶吸收帶1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m塵埃塵埃吸收量很小吸收量很小返回返回10/22大氣的散射作用 不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。 大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。 對遙感圖

10、像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。圖像模糊不清。 散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。 大氣發(fā)生的散射主要有三種：大氣發(fā)生的散射主要有三種： 瑞利散射：瑞利散射：d d 11/22瑞利散射（Rayleigh scattering）當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長小的多時發(fā)生的散射。這種散射主要由大氣中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起。特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比I-4。12/22米氏散射（Mie scattering） 當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當(dāng)時發(fā)生的散射，由煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。米

11、氏散射的散射強(qiáng)度與波長的二次方成反比，即I-2，且散射在光線向前方向比向后方向的散射強(qiáng)度更強(qiáng)，方向性較明顯。云、霧的粒子大小與紅外線（0.7615m）的波長接近，所以云霧對紅外線的散射主要是米氏散射。因此，潮濕天氣米氏散射影響較大。13/22無選擇性散射（Non-selective scattering）當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長大的多時發(fā)生的散射。當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長大的多時發(fā)生的散射。這種散射的特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，因此，這種散射的特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，因此，在符合無選擇性散射條件的波段中，任何波長的在符合無選擇性散射條件的波段中，任何波長的散射強(qiáng)度相同，因此稱為無選擇性散射。散

12、射強(qiáng)度相同，因此稱為無選擇性散射。14/22散射與波長的關(guān)系u對大氣分子、原子引起的瑞利散射主要發(fā)生在可見光和近對大氣分子、原子引起的瑞利散射主要發(fā)生在可見光和近紫外。紫外。u對于大氣微粒引起的米氏散射從近紫外到紅外都有影響，對于大氣微粒引起的米氏散射從近紫外到紅外都有影響，當(dāng)波長進(jìn)入紅外波段后，米氏散射的影響超過瑞利散射。當(dāng)波長進(jìn)入紅外波段后，米氏散射的影響超過瑞利散射。u大氣云層中小水滴的直徑相對較大，對可見光只有無選擇大氣云層中小水滴的直徑相對較大，對可見光只有無選擇性散射發(fā)生，大氣層越厚，散射越強(qiáng)，對于微波，它的波性散射發(fā)生，大氣層越厚，散射越強(qiáng)，對于微波，它的波長比大氣中微粒大，主要

13、出現(xiàn)瑞利散射。長比大氣中微粒大，主要出現(xiàn)瑞利散射。返回返回15/22大氣的反射作用電磁波傳播過程中通過兩種介質(zhì)的交界面上時，還會出現(xiàn)反射現(xiàn)象。而通過大氣時，氣體、塵埃反射作用很小，反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量和云霧，而且各個波段均受到不同程度的影響，嚴(yán)重地削弱了電磁波強(qiáng)度。 當(dāng)云層厚度達(dá)50m時，反射量達(dá)50以上，厚度為500m時，反射量超過80。另外，大氣中直徑大于10-6m的微粒也會產(chǎn)生反射作用。返回返回16/22大氣的折射作用 折射現(xiàn)象：傳播方向改變，電磁波在大氣折射現(xiàn)象：傳播方向改變，電磁波在大氣中傳播軌跡實(shí)際上是一條曲線。中傳播軌跡實(shí)際上是一條曲線。 朝日大還是中日大？朝日

14、大還是中日大？返回返回孔子?xùn)|游，見兩小兒辯斗，問其故。孔子?xùn)|游，見兩小兒辯斗，問其故。一兒曰：一兒曰：“我以日始出時去人近，而日中時遠(yuǎn)也。我以日始出時去人近，而日中時遠(yuǎn)也?！币粌涸唬阂粌涸唬骸拔乙匀粘醭鲞h(yuǎn)，而日中時近也。我以日初出遠(yuǎn)，而日中時近也?！币粌涸唬阂粌涸唬骸叭粘醭龃笕畿嚿w。及日中，則如盤盂，此不為遠(yuǎn)者小而近者大乎？日初出大如車蓋。及日中，則如盤盂，此不為遠(yuǎn)者小而近者大乎？”一兒曰：一兒曰：“日初出滄滄涼涼，及其日中如探湯，此不為近者熱而遠(yuǎn)者涼乎？日初出滄滄涼涼，及其日中如探湯，此不為近者熱而遠(yuǎn)者涼乎？”孔子不能決也。兩小兒笑曰：孔子不能決也。兩小兒笑曰：“孰為汝多知乎？孰為汝多知乎？

15、”17/22折射角度大。折射角度大。大氣窗口大氣窗口 大氣窗口大氣窗口 主要大氣窗口和主要大氣窗口和遙感波譜通道遙感波譜通道(波段波段)：P13表表2-4（1 1）0.3-1.3m0.3-1.3m：紫外波段、可見光波段、近紅外波段紫外波段、可見光波段、近紅外波段（2 2）1.5-2.5m1.5-2.5m：近紅外波段近紅外波段（3 3）3.0-5.0m3.0-5.0m：中紅外波段中紅外波段（4 4） 8-14m8-14m：遠(yuǎn)紅外波段遠(yuǎn)紅外波段（5 5）0.8-100cm0.8-100cm：微波波段微波波段電磁波通過地球大氣層時較少被反射、吸收或散射，透過率電磁波通過地球大氣層時較少被反射、吸收或

16、散射，透過率較高的波段，稱為大氣窗口。較高的波段，稱為大氣窗口。包括部分紫外（包括部分紫外（0.30.38m）、全部可見光（）、全部可見光（0.380.76m）及近紅外波段（及近紅外波段（0.761.3m），是攝影成像的最佳波段，也），是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段，比如，是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段，比如，Landsat 衛(wèi)星衛(wèi)星的的TM的的1-4波段，波段，SPOT衛(wèi)星的衛(wèi)星的HRV波段等。波段等。電磁波信息來自地面目標(biāo)物的反射光譜；可以用攝影方式來獲電磁波信息來自地面目標(biāo)物的反射光譜；可以用攝影方式來獲得和記錄地物的電磁波信息得和記錄地物的電磁波信息 ；

17、電磁波的透射率在；電磁波的透射率在90以上。以上。近紅外窗口，在白天日照條件好的時候掃描成像常用這些波段，近紅外窗口，在白天日照條件好的時候掃描成像常用這些波段，比如比如TM的的5、7波段等用以探測植物含水量以及云、雪或用于波段等用以探測植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖等。地質(zhì)制圖等。 電磁波信息仍來自地面目標(biāo)物的反射光譜，但不能用膠片攝影，電磁波信息仍來自地面目標(biāo)物的反射光譜，但不能用膠片攝影，只能用掃描儀和光譜儀以及射線測試儀來測量和記錄；由于水只能用掃描儀和光譜儀以及射線測試儀來測量和記錄；由于水汽、二氧化碳等的作用，汽、二氧化碳等的作用，1.8m附近有一個吸收帶，因此使此附近有一個吸

18、收帶，因此使此窗口又分為兩個小窗口窗口又分為兩個小窗口1.51.75m和和2.12.4m。中紅外波段，物體的熱輻射較強(qiáng)。如中紅外波段，物體的熱輻射較強(qiáng)。如NOAA衛(wèi)星的衛(wèi)星的AVHRR傳傳感器用感器用3.55-3.93m探測海面溫度，獲得晝夜云圖。探測海面溫度，獲得晝夜云圖。中紅外波段電磁波信息中紅外波段電磁波信息由地面物體反射太陽輻射和地面物體自由地面物體反射太陽輻射和地面物體自身的發(fā)射輻射混合身的發(fā)射輻射混合而成，用掃描儀和光譜儀探測和記錄；也分而成，用掃描儀和光譜儀探測和記錄；也分為兩個小窗口：為兩個小窗口：3.54.2m透過率為透過率為95，4.65m透過率透過率約為約為6070。遠(yuǎn)紅

19、外波段：主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測遠(yuǎn)紅外波段：主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標(biāo)的地物溫度。量探測目標(biāo)的地物溫度。遠(yuǎn)紅外波段：探測或記錄目標(biāo)物的發(fā)射光譜，利用掃描儀和熱遠(yuǎn)紅外波段：探測或記錄目標(biāo)物的發(fā)射光譜，利用掃描儀和熱輻射計、光譜計；輻射計、光譜計；是地表物體在常溫下輻射能量最強(qiáng)的波段；是地表物體在常溫下輻射能量最強(qiáng)的波段；在在9.6m附近處，分為兩個小窗口，透射率約在附近處，分為兩個小窗口，透射率約在6080。微波波段：其常用的波段為微波波段：其常用的波段為0.8cm，3cm，5cm，10cm等等等等, 有時也可將該窗口擴(kuò)展為有時也可將該窗口擴(kuò)展為0.0