第二章遙感的物理基礎(chǔ)可用ppt

1、遙感原理煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院第二章 遙感的物理基礎(chǔ) 本章主要內(nèi)容電磁波與電磁波譜地物的光譜特性大氣和環(huán)境對(duì)遙感的影響v電磁波及其特性v電磁波譜v電磁輻射源遙感原理波的概念：波是振動(dòng)在空間的傳播。念：波是振動(dòng)在空間的傳播。遙感原理機(jī)械波：聲波、水波和地震波：聲波、水波和地震波電磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源發(fā)出的電磁振蕩在空氣中傳播。演示電磁波是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的：是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的：原理原理遙感原理電磁波的特性電磁波是橫波電磁波是橫波在真空中以光速傳播在真空中以光速傳播電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過程中，電磁波具

2、有波粒二象性：電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)相互作用時(shí)，主主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。v波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳播的，波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳播的，因此具有波動(dòng)性因此具有波動(dòng)性 波動(dòng)性形成了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象波動(dòng)性形成了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象遙感原理v 粒子性：它是由密集的光子微粒組成的粒子性：它是由密集的光子微粒組成的 電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng) 電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)電磁波的粒子

3、性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計(jì)性計(jì)性v 波粒二象性的程度與電磁波的波長有關(guān)：波長波粒二象性的程度與電磁波的波長有關(guān)：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動(dòng)特性愈明顯。的波動(dòng)特性愈明顯。遙感原理7.電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長按其長短，將各種電磁波在真空中的波長按其長短，依次排列制成的圖表。依次排列制成的圖表。遙感原理煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院1.1.黑體輻射黑體輻射絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體: :對(duì)任何波長的電磁輻射都全部吸收的物體。對(duì)任何波長的電磁輻射都全部吸收的物體。絕對(duì)黑體的吸收率絕對(duì)黑體的吸收率 (,T)1 (,T)1、反射率、反射

4、率 （,T,T） 0 0絕對(duì)白體則能反射所有的入射光反射率絕對(duì)白體則能反射所有的入射光反射率 （,T,T） 1 1、吸、吸收率收率(,T)0(,T)0與溫度和波長無關(guān)與溫度和波長無關(guān)。(1)譜朗克熱輻射定律 表示出了黑體輻射通量表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及密度與溫度的關(guān)系以及按波長分布的規(guī)律按波長分布的規(guī)律。1/5212)(kTchehcTW、輻射通量密度隨波長連輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)最大值。一個(gè)最大值。溫度越高，輻射通量密溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲度越大，不同溫度的曲線不同。線不同。隨著溫度的升高，輻射隨著溫度的升高，輻射最

5、大值所對(duì)應(yīng)的波長向最大值所對(duì)應(yīng)的波長向短波方向移動(dòng)。短波方向移動(dòng)。 (2)玻耳茲曼定律 Stefan-Boltzmanns lawStefan-Boltzmanns law 即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會(huì)引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫會(huì)引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。度的理論基礎(chǔ)。4001/1522TdkTchehcW溫度3005001000200030004000500060007000波長9。665。80

6、2。901。450。970。720。580。480。41(3)(3)維恩位移定律維恩位移定律： 隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值波長向短波方向移動(dòng)。波長向短波方向移動(dòng)。bT max b : 常數(shù)，b=2.898 10 mK 高溫物體發(fā)射較短的電磁波，低溫物體發(fā)射較長的電磁波。常溫針對(duì)要探測的目標(biāo)，選擇最佳的遙感波段和傳感器。2.2.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；常用太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用59005900的黑體輻射來模擬；其輻射波長范圍極大；輻射的黑體輻射來模擬；其輻射波長范圍極大；輻射能量集中能量集中-

7、 -短波輻射。大氣層對(duì)太陽輻射的吸收、反射短波輻射。大氣層對(duì)太陽輻射的吸收、反射和散射。和散射。 太陽常數(shù)：是指不受大氣影響，在距太陽一個(gè)天文單位內(nèi)，垂直于太陽光輻射方向上，單位面積單位時(shí)間黑體所接收的太陽輻射能量。地球的電磁輻射：小于地球的電磁輻射：小于3 m3 m的波長主要是太陽輻射的的波長主要是太陽輻射的能量；大于能量；大于6 m6 m的波長，主要是地物本身的熱輻射；的波長，主要是地物本身的熱輻射；3-6 m3-6 m之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。遙感原理遙感原理遙感原理太陽與地球輻射的電磁波譜3.3.人工輻射源人工輻射源：主動(dòng)式遙感的輻射源。雷達(dá)探

8、測。分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。微波輻射源：微波輻射源：0.8-30cm0.8-30cm激光輻射源：激光雷達(dá)激光輻射源：激光雷達(dá)測定衛(wèi)星的位置、高度、測定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測量地形等速度、測量地形等。遙感原理 任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。地物的這種特性稱為：地物的光譜磁波的特性。地物的這種特性稱為：地物的光譜特性。特性。遙感原理發(fā)射率(Emissivity )：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）的輻射總通量）W

9、W與同溫下的黑體輻射出射度與同溫下的黑體輻射出射度WW黑黑的比值。的比值。黑WW1.地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1 1，常數(shù)。，常數(shù)。灰體灰體(grey body)(grey body)：發(fā)射率小于：發(fā)射率小于1 1，常數(shù)，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于選擇性輻射體：反射率小于1 1，且隨波長而變化。，且隨波長而變化?；鶢柣舴蚨桑涸谝欢囟认?，地物單位面在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量積上的輻射通量WW和吸收率之比，對(duì)和吸收率之比，對(duì)于任何物體都

10、是一個(gè)常數(shù)，并等于該于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量溫度下同面積黑體輻射通量W W 黑。黑。黑WW黑WW在給定的溫度下，物體的發(fā)射率在給定的溫度下，物體的發(fā)射率= =吸收率（同一波吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。4TW地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量的明顯變化。這微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。任何物體在一定的溫度下，不僅向外發(fā)射紅外輻射，任何物體在一

11、定的溫度下，不僅向外發(fā)射紅外輻射，也發(fā)射微波輻射。也發(fā)射微波輻射。 二者基本相似。但微波是地物低溫狀態(tài)下的重要輻射二者基本相似。但微波是地物低溫狀態(tài)下的重要輻射特性，溫度越低，微波輻射越明顯。特性，溫度越低，微波輻射越明顯。微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術(shù)上可以經(jīng)過處微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術(shù)上可以經(jīng)過處理來接收。理來接收。遙感原理瑞里瑞里金斯公式金斯公式 黑體輻射的微波功率與溫度成黑體輻射的微波功率與溫度成正比，與波長的平方成反比。正比，與波長的平方成反比。 2)(2kTW遙感原理 微波波段與紅外波段發(fā)射率的比較：微波波段與紅外波段發(fā)射率的比較：不同地物之間微波發(fā)射率的差異比紅外發(fā)射率

12、要明顯得多，因此，不同地物之間微波發(fā)射率的差異比紅外發(fā)射率要明顯得多，因此，在可見光和紅外波段中不易識(shí)別的地物，在微波波段中則容易識(shí)在可見光和紅外波段中不易識(shí)別的地物，在微波波段中則容易識(shí)別別當(dāng)電磁輻射能量入射到地物表面時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)三當(dāng)電磁輻射能量入射到地物表面時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)三種情況：反射、吸收、透射，遵循能量守恒定律種情況：反射、吸收、透射，遵循能量守恒定律 反射率、吸收率和透射率之和為反射率、吸收率和透射率之和為1 1對(duì)于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻對(duì)于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低

13、。一：大氣的成分和結(jié)構(gòu)二：大氣對(duì)太陽輻射的影響三：大氣窗口四：環(huán)境對(duì)地物光譜特性的影響遙感原理大氣的成分：多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微?；旌辖M成的。遙感原理（一）大氣成分大氣的垂直分層：對(duì)流層、平流層、中氣層、熱層和大氣外大氣的垂直分層：對(duì)流層、平流層、中氣層、熱層和大氣外層。層。溫度隨高度增加而遞減冷熱不均引起空氣對(duì)流熱冷天氣復(fù)雜多變對(duì)流層對(duì)流層 ：航空遙感活動(dòng)區(qū)。遙感側(cè)重研究：航空遙感活動(dòng)區(qū)。遙感側(cè)重研究電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。冷空氣溫度隨著高度增加而遞增熱空氣天氣晴朗2 2 平流層平流層（對(duì)流層頂?shù)剑▽?duì)流層頂?shù)?5km）：）：最初最初20km以下，以下，氣溫隨

14、高度不變；氣溫隨高度不變；20-50km20-50km溫度上升很快。原因：溫度上升很快。原因：臭氧吸收紫外太臭氧吸收紫外太陽能加熱了大氣；陽能加熱了大氣；30km30km以上臭氧減少，但紫外以上臭氧減少，但紫外輻射強(qiáng)烈，空氣稀薄，加熱很少的分子，即可達(dá)較輻射強(qiáng)烈，空氣稀薄，加熱很少的分子，即可達(dá)較高的溫度。高的溫度。1.幾乎沒有臭氧吸收太陽輻射。2.氮和氧能直接吸收的太陽輻射大部分被上層大氣吸收掉，大氣失去比得到能量多，結(jié)果能量損失冷卻。4 熱層熱層 85-500km氣溫隨高氣溫隨高度增加度增加原因是氮和氧原子吸收了大量的原因是氮和氧原子吸收了大量的太陽短波輻射，加熱了大氣。這太陽短波輻射，加

15、熱了大氣。這層溫度可達(dá)層溫度可達(dá)1000-2000K1000-2000K太陽輻射的衰減過程：30%30%被云層反射回；被云層反射回；17%17%被大被大氣吸收；氣吸收；22%22%被大氣散射；被大氣散射；31%31%到達(dá)地面到達(dá)地面。氧氣：小于0.2 m；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強(qiáng)。兩個(gè)吸收帶；對(duì)航空遙感影響不大。水：吸收太陽輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此，水對(duì)紅外遙感有極大的影響。二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)?？梢院雎圆挥?jì)。遙感原理 散射作用散射作用：太陽輻射在長太陽輻射在長波過程中

16、遇到小微粒而使傳播波過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個(gè)方向散開。方向改變，并向各個(gè)方向散開。改變了電磁波的傳播方向；干改變了電磁波的傳播方向；干擾傳感器的接收；降低了遙感擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。判讀。 大氣散射集中在太陽輻射大氣散射集中在太陽輻射能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。瑞利散射： d 當(dāng)微粒的直徑比輻射波長大得多時(shí)所發(fā)生的散射。符合無選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強(qiáng)度相同。水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散射。射。云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？云霧為什么通

17、常呈現(xiàn)白色？散射類型條件特點(diǎn)作用微粒瑞利散射d粒子粒子散射波長與強(qiáng)度無關(guān)符合條件的波段中任何任何波長散射強(qiáng)度的散射能力相同三種散射比較太陽輻射衰減的原因是什么？在可見光和近紅外波段，大氣最主要的散射作用是什么？無云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？微波為什么具有極強(qiáng)的穿透云層的作用？為什么在選擇遙感工作波段時(shí)，要考慮大氣層的散射和吸收作用？遙感原理1、大氣窗口：通過大氣而較少被反射、吸收或散射的投射率較高的電磁輻射波段。大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)。常見的大氣窗口：遙感原理煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院1 ）0.3 1.3 m m 包括全部可見光（95 ），部分紫

18、外光（70 ），部分近紅外光（80 ）。 攝影和掃描成像的方式在白天感測和記錄目標(biāo)電磁波輻射信息。即紫外、可見光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成傷的常用波段，如Tandsat衛(wèi)星的TM14波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段。2 ）1.5 2.8 m m近紅外窗口，60 95 ，掃描成像，白天記錄。15一l 8 m 和20一35 m即近、中紅外波段；是白天日照條件好時(shí)掃描成像的常用波段，如TM的5，7波段等，用以探測植物含水量以及云、雷，或用于地質(zhì)制圖等。3 ）3.5 5.5 m 中紅外窗口，60 70 ，白天夜間，掃描成像記錄。該波段除通透反射光外，也通透地面物體自身發(fā)射的熱輻射的能量。如NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.553.93探測海