第二章 遙感物理基礎(chǔ)

第二章遙感的物理基礎(chǔ)

主講：賴格英教授江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院本章內(nèi)容2.1電磁波及其與地物的相互作用2.2黑體輻射與實(shí)際物體輻射2.3光色原理2.4黑白影象和彩色影象記錄的原理2.1電磁波及其與地物的相互作用2.1.1電磁波與電磁波譜2.1.2電磁波在大氣傳輸中的影響2.1.3電磁波與地物的相互作用2.1.4地物的反射光譜特性及測(cè)量

2.1.1電磁波與電磁波譜2.1.1.1電磁波波：是振動(dòng)在空間的傳播。如聲波、水波、地震波、電磁波等。機(jī)械波：振動(dòng)的是彈性媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的位移矢量。電磁波：電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量在空間的傳播。(振源發(fā)出的電磁振蕩在空間的傳播）。電場(chǎng)磁場(chǎng)電磁波的產(chǎn)生：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。電磁波譜滿足：其中V為頻率，λ為波長(zhǎng)，C為常數(shù)。

2.1.1.2電磁波的性質(zhì)不需要傳播介質(zhì)；橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直；波動(dòng)性：電磁波傳播到氣體、液體、固體介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射、吸收、透射等現(xiàn)象；粒子性：傳播過(guò)程中，若碰到會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，從而引起電磁波的強(qiáng)度、方向等發(fā)生改變；疊加原理：兩列以上的波在同一空間傳播時(shí)，空間質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)表現(xiàn)為各單列波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的矢量合成；相干性和非相干性；衍射和偏振（遙感器的幾何圖象分辨率，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，偏振現(xiàn)象越顯著，偏振攝影和雷達(dá)成像）；多譜勒效應(yīng)（合成孔徑側(cè)視雷達(dá)）。

2.1.1.3電磁波譜按照電磁波的波長(zhǎng)（頻率的大?。╅L(zhǎng)短，依次排列制成的圖表，稱為電磁波譜。電磁波譜圖

2.1.1.3電磁波譜（2）不同的電磁波，其傳播的方向性、穿透性、可見(jiàn)性、顏色可能不同。共性：傳播速度相同遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律無(wú)線電波：電磁振蕩紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線等由分子、原子、核子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變或能級(jí)躍遷而產(chǎn)生。紫外線（0.01－0.4微米），碳酸鹽巖，油污可見(jiàn)光（0.4－0.76微米），人眼、單色、全色紅外線（0.76－1000微米）微波（1－1000毫米）：4個(gè)優(yōu)點(diǎn)

一些電磁波的主要用途

電磁輻射源與電磁輻射的度量輻射源：能夠向外輻射電磁波的物體。任何物體都能夠吸收其他物體對(duì)它的輻射，也能夠向外輻射電磁波。自然輻射源人工輻射源——人為發(fā)射，如雷達(dá)（微波雷達(dá)輻射源，激光雷達(dá)輻射源）太陽(yáng)輻射——可見(jiàn)光及近紅外遙感的重要輻射源地球電磁輻射——遠(yuǎn)紅外遙感的輻射源

輻射的量測(cè)（1）輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位：J輻射通量（φ）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的輻射能量，φ=dw/dt，單位是w；輻射通量密度（E）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積上的輻射能量，E=dφ/ds，單位：w/m2，S為面積

輻射的量測(cè)（2）輻照度（I）：被輻射物體表面單位面積上的輻射通量，I=E=dφ/ds，單位：w/m2，S為面積輻射出射度（M）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，M=E=dφ/ds，單位：w/m2，S為面積輻射亮度（L）：面狀輻射源在某一方向，單位投影表面，單位立體角內(nèi)輻射通量，即2.1.2電磁波在大氣傳輸中的影響大氣的組成成分2.1.2.1大氣的特征均勻?qū)樱瑢?duì)太陽(yáng)輻射的相互作用是太陽(yáng)能衰減的主要原因。大氣分層結(jié)構(gòu)10004003001101008055251262外大氣層電離層平流層對(duì)流層上層中層下層C電離層D電離層E電離層下電離層O3冷層暖層同溫層

大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減太陽(yáng)輻射衰減的原因：反射吸收透射

遙感器接受的電磁輻射遙感器接受的電磁輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射直接輻射：太陽(yáng)輻射經(jīng)大氣衰減后到達(dá)地面的部分。天空輻射：太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣散射后輻射到地面的部分。傳感器受到的太陽(yáng)輻射BBs：太陽(yáng)輻射經(jīng)地面目標(biāo)反射后到達(dá)傳感器的輻射能。BA：太陽(yáng)輻射經(jīng)大氣散射到傳感器的輻射能。B＝BS＋BA2.1.2.2大氣的散射作用散射：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。太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，受到大氣中氣體分子的散射和大氣中固體、微粒、液體的散射。

散射的類型質(zhì)點(diǎn)的直徑

（1）瑞利（Rayleigh）散射質(zhì)點(diǎn)的直徑d<<λ(電磁波波長(zhǎng))時(shí)，一般認(rèn)為（d<λ/10）大氣中的氣體分子；晴朗的天空為藍(lán)色；出現(xiàn)藍(lán)色蒙霧，紫外區(qū)不適于進(jìn)行遙感。

（2）米氏散射質(zhì)點(diǎn)直徑和電磁波波長(zhǎng)差不多時(shí)，即d≈λ時(shí)，發(fā)生米氏散射。主要是大氣中的氣溶膠引起的散射。云、霧等的懸浮粒子的直徑和0.76－15μm之間的紅外線波長(zhǎng)差不多，需要注意。（3）

無(wú)選擇性散射當(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(méi)有關(guān)系各種散射及其與波長(zhǎng)的關(guān)系

2.1.2.3吸收作用大氣吸收電磁輻射的主要物質(zhì)是：水、二氧化碳和臭氧。水：分為氣態(tài)水和液態(tài)水水汽吸收電磁輻射的波段范圍較寬，從可見(jiàn)光、紅外直至微波，都有水汽的吸收帶。液態(tài)水的吸收更強(qiáng)，主要在長(zhǎng)波方向。二氧化碳主要在紅外區(qū)。1.35－2.85μm之間有3個(gè)弱吸收帶，2.7，4.3，14.5μm為強(qiáng)吸收帶。臭氧紫外線其它吸收電磁波的物質(zhì)氧氣主要吸收波長(zhǎng)小于0.2μm的，塵埃吸收作用很少。

2.1.2.4反射作用主要是大氣中的云層，大的塵埃。云量越多、云層越厚，反射越強(qiáng)。大氣吸收15％，散射和反射42％，其余43％太陽(yáng)輻射到達(dá)地面，100％。又一說(shuō)：100％，大氣吸收17％，散射22％，反射30％，其余31％太陽(yáng)輻射到達(dá)地面。

太陽(yáng)輻射經(jīng)大氣衰減圖

2.1.2.5大氣窗口大氣窗口：電磁波在大氣傳輸過(guò)程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。

大氣窗口解釋

2.1.3電磁波與地物的相互作用2.1.3.1地物的發(fā)射波譜2.1.3.2地物的透射波譜2.1.3.3地物的反射波譜

2.1.3.1地物發(fā)射光譜地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，稱為地物的發(fā)射光譜。地物發(fā)射率的不同是紅外遙感技術(shù)的重要依據(jù)。

2.1.3.2地物的透射光譜透明物體：具有透射一定波長(zhǎng)電磁波能力的物體。透射率（τλ）：入射光透過(guò)物體的能量與入射總能量之比。舉例：1）水體在藍(lán)綠波段，混水可透射1-2米，一般水體透射10-20米。2）微波對(duì)地物具有明顯的透射能力，由入射波的波長(zhǎng)決定。

2.1.3.3地物的反射光譜電磁波與物體相互作用過(guò)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。能量被反射、吸收和透射的比例會(huì)隨地物類型和條件的不同而變化。即便是同一地物類型，反射、吸收和透射能量的比例也會(huì)隨波長(zhǎng)的變化而變化。

物體反射分類根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：1）鏡面反射2）漫反射（朗伯反射）3）有向反射4）混合反射

反射分類圖示鏡面反射漫反射（朗伯反射）有向反射混合反射

1）鏡面反射（specularreflection

）如果光照射到相當(dāng)光滑的表面，就產(chǎn)生鏡面反射，鏡面反射的特點(diǎn)是在光滑表面會(huì)產(chǎn)生一塊稱之為高光（highlight）的特亮區(qū)域。鏡面反射遵循光的反射定律：

反射光與入射光位于表面法向兩側(cè)，對(duì)理想反射面（如鏡面），入射角等于反射角，觀察者只能在表面法向的反射方向一側(cè)才能看到反射光。2）朗伯反射

3）有向反射有向反射比較復(fù)雜，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函數(shù)。4）混合反射一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。有向反射和混合反射與電磁波的入射方向和觀察方向有關(guān)，在航空遙感中具有重要意義。

2.1.4地物的反射光譜特性及測(cè)量2.1.4.1反射率及地物反射光譜曲線反射率的概念：物體反射的輻射能量占總?cè)肷淠芰康陌俜直?。地物反射光譜曲線：地物的反射波譜曲線是指地物的反射率隨波長(zhǎng)的變化而變化的曲線圖。通常用平面坐標(biāo)曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)λ，縱坐標(biāo)表示反射率ρ。2.1.4.2常見(jiàn)地物的反射波譜曲線

1）白橡樹不同生長(zhǎng)期的反射光譜曲線

2）不同健康狀態(tài)松樹的反射光譜曲線

3）

不同植被的反射光譜曲線土壤、植被和水的典型反射光譜曲線(LillesandandKiefer,1994)2.2黑體輻射與實(shí)際物體輻射2.2.1黑體輻射2.2.2實(shí)際物體的輻射2.2.3太陽(yáng)輻射2.2.4地物的輻射光譜特性2.2.1黑體輻射2.2.1.1黑體的概念黑體：對(duì)任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸收的物體。對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射，反射率和透射率都等于0。吸收系數(shù)α（λ，T）=100%反射系數(shù)ρ（λ，T）=0%黑體是一種理想的吸收體，自然界沒(méi)有真正的黑體。黑色的煙煤α（λ，T）=99%

人工制造的接近黑體的吸收體2.2.1.2黑體輻射的定律普朗克公式斯蒂芬－玻爾茲曼定律維恩位移定律

1）普朗克公式描述黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)分布的關(guān)系。普朗克公式圖示變化特點(diǎn)：輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，只有一個(gè)最大值；溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不相交；隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動(dòng)。

2）斯蒂芬－玻爾茲曼定律對(duì)普朗克定律在全波段內(nèi)積分，得到斯蒂芬－玻爾茲曼定律。輻射通量密度隨溫度增加而迅速增加，與溫度的4次方成正比。

3）維恩位移定律高溫物體發(fā)射較短的電磁波，低溫物體發(fā)射較長(zhǎng)的電磁波。常溫（如人體300K左右，發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng)9.66μm）針對(duì)要探測(cè)的目標(biāo)，選擇最佳的遙感波段和傳感器。

2.2.2實(shí)際物體的輻射對(duì)于一般物體而言，需要引入發(fā)射率（熱輻射率、比輻射率），表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。非黑體的輻射通量密度與同一溫度下黑體輻射通量密度的比值。發(fā)射率與物質(zhì)種類、表面狀態(tài)、溫度等有關(guān)，還與波長(zhǎng)有關(guān)。按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，輻射源可以分為：1）黑體2）灰體3）選擇性輻射體

一般輻射體和發(fā)射率

基爾霍夫定律給定溫度下，任何地物的輻射通量密度M與吸收率α之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。發(fā)射率等于吸收率。好的吸收體也是好的發(fā)射體，如果不吸收某些波長(zhǎng)的電磁波，也不發(fā)射該波長(zhǎng)的電磁波。

2.3光色原理2.3.1光和顏色2.3.2顏色的度量2.3.3色彩合成2.3.1光和顏色

加色法與減色法原色加法混色產(chǎn)生了互補(bǔ)色與白色色彩加法混合(指色光混合)將會(huì)產(chǎn)生以下效果：紅光+綠光＝黃光紅光+藍(lán)光＝紫紅光，或稱品紅光綠光+藍(lán)光＝天藍(lán)光，又稱青綠光紅光+綠光+藍(lán)光＝白光其中，黃色、品紅色和青綠色被稱作三次色，因?yàn)樗鼈兪怯蓛煞N原色所組合成，但同時(shí)，它們也被稱為互補(bǔ)色；因當(dāng)兩色光混合可產(chǎn)生白光，這兩色彩彼此就稱為互補(bǔ)色，例如：黃光+藍(lán)光＝白光品紅光+藍(lán)光＝白光，青綠光+紅光＝白光。顏色立體2.3.2顏色的度量圖像的數(shù)字化首選要考慮到如何用數(shù)字來(lái)描述顏色。國(guó)際照明委員會(huì)CIE（InternationalCommissiononIllumination）對(duì)顏色的描述作了一個(gè)通用的定義，用顏色的三個(gè)特性來(lái)區(qū)分顏色。這些特性是色調(diào)，飽和度和明度，它們是顏色所固有的并且是截然不同的特性。色調(diào)(hue)又稱為色相，指顏色的外觀，用于區(qū)別顏色的名稱或顏色的種類。色調(diào)用紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、靛、紫等術(shù)語(yǔ)來(lái)刻畫。用于描述感知色調(diào)的一個(gè)術(shù)語(yǔ)是色彩(colorfulness)。飽和度(saturation)是相對(duì)于明度的一個(gè)區(qū)域的色彩，是指顏色的純潔性，它可用來(lái)區(qū)別顏色明暗的程度。完全飽和的顏色是指沒(méi)有滲入白光所呈現(xiàn)的顏色，例如僅由單一波長(zhǎng)組成的光譜色就是完全飽和的顏色。明度(brightness)是視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)可見(jiàn)物體輻射或者發(fā)光多少的感知屬性。它和人的感知有關(guān)。由于明度很難度量，因此國(guó)際照明委員會(huì)定義了一個(gè)比較容易度量的物理量，稱為亮度(luminance)來(lái)度量明度，亮度(luminance)即輻射的能量。明度的一個(gè)極端是黑色(沒(méi)有光)，另一個(gè)極端是白色，在這兩個(gè)極端之間是灰色。2.3.3色彩合成謝謝！波的特有現(xiàn)象、多譜勒效應(yīng)

1、波的衍射：波繞過(guò)障礙物的現(xiàn)象。

2、波產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：障礙物或孔的尺寸比波長(zhǎng)小，或者跟波長(zhǎng)相差不多；

3、波的疊加：兩列波彼此相遇以后，仍象相遇前一樣，各自保持原有的波形，繼續(xù)向前傳播，互不干擾，只是在兩列波重疊的區(qū)域里，任一質(zhì)點(diǎn)的總位移，都等于兩列波分別引起的位移矢量和。

4、波的干涉：頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng)（振幅增大），某些區(qū)域的振動(dòng)減弱（振幅減?。⑶艺駝?dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互間隔。

注意：兩列波峰、峰相遇（或谷、谷相遇）處是振動(dòng)最強(qiáng)的地方，峰、谷相遇是振動(dòng)最弱的地方。

5、波的干涉條件：相互疊加的兩列波的波源頻率相同，振動(dòng)情況相同。

注意：如果是兩列頻率不同的波相疊加，得到的疊加圖樣是不穩(wěn)定的，而波的干涉是指波疊加中的一個(gè)特例，即產(chǎn)生穩(wěn)定的疊加圖樣。1000000皮米(pm)=1微米

-1000納米(nm)=1微米

-0.001毫米(mm)=1微米

-0.0001厘米(cm)=1微米

-0.