第二章 遙感電磁輻射基礎(chǔ)

第一章緒論本章提要(…)§1

遙感概念§2遙感的特性§3遙感的分類§4遙感技術(shù)系統(tǒng)§5遙感的幾個(gè)基本術(shù)語§6遙感的發(fā)展歷程§7遙感的現(xiàn)狀與趨勢§8遙感的應(yīng)用本章主要介紹遙感概念、遙感的特點(diǎn)、遙感數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)類型、遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及遙感技術(shù)的發(fā)展?！?

遙感概念廣義遙感:泛指一切無接觸的遠(yuǎn)距離探測，包括對(duì)電磁場、力場、機(jī)械波（聲波、地震波）等的探測。狹義遙感:是從遠(yuǎn)處探測感知物體，也就是不直接接觸物體，從遠(yuǎn)處通過探測儀器接收來自目標(biāo)地物的電磁波信息，經(jīng)過對(duì)信息的處理，判別出目標(biāo)地物的屬性?！?遙感的特性空間特性:宏觀性,大尺度觀測時(shí)相特性:周期成像,動(dòng)態(tài)監(jiān)測波譜特性:波譜段廣,觀測范圍大§3遙感的分類主要按6個(gè)方面分類按遙感探測對(duì)象按遙感平臺(tái)按遙感獲取的數(shù)據(jù)形式按傳感器工作方式按遙感探測的電磁波按遙感應(yīng)用宇宙遙感,地球遙感航天遙感(>150km)航空遙感(<12km)地面遙感(地面或近地面)成像方式遙感(攝影方式/掃描方式)非成像方式遙感(光譜輻射計(jì)等)主動(dòng)遙感(雷達(dá))被動(dòng)遙感可見光遙感/紅外遙感微波遙感/紫外遙感等遙感的分類遙感數(shù)據(jù)分類成像方式非成像方式被動(dòng)式主動(dòng)式——雷達(dá)攝影方式掃描方式寬波段攝影黑白攝影彩色攝影多波段遙感多鏡頭相繼攝影單鏡頭相繼攝影主動(dòng)式——雷達(dá)高度計(jì)、雷達(dá)散射計(jì)、微波輻射計(jì)波動(dòng)式——紅外輻射計(jì)等傳感器所獲取的各種數(shù)據(jù)、曲線等形式的資料光學(xué)機(jī)械掃描（多波段掃描儀）推帚掃描（CCD）§4遙感技術(shù)系統(tǒng)遙感平臺(tái)傳感器遙感信息的接收和處理遙感圖像判讀和應(yīng)用back遙感平臺(tái)地面平臺(tái):主要指用于安置傳感器的三腳架、遙感塔、遙感車等，高度在100米以下。航空平臺(tái)：指高度在12千米以內(nèi)的飛機(jī)和氣球。航天平臺(tái)：指高度在150千米以上的人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船、空間軌道站和航天飛機(jī)等。人造地球衛(wèi)星：1、低高度/短壽命（150-350km，幾天到幾十天）

2、中高度/長壽命（350-1800km，3-5年）

3、高高度/長壽命（36000km，10年以上）back傳感器傳感器也稱遙感器或者探測器，是遠(yuǎn)距離感測和記錄地物環(huán)境輻射或反射電磁能量的遙感儀器。根據(jù)記錄方式不同，主要分為成像方式和非成像方式兩類。傳感器一般由信息收集、探測系統(tǒng)、信息處理和信息輸出4部分組成。back§5遙感的幾個(gè)基本術(shù)語地物光譜差異輻射記錄差異空間分辨差異幾何誤差像片格式與數(shù)字格式的可轉(zhuǎn)換性遙感成像系統(tǒng)大氣作用§6遙感的發(fā)展歷程攝影術(shù)階段空中氣球攝影階段飛機(jī)攝影階段航空遙感階段衛(wèi)星遙感階段中國的遙感發(fā)展簡況§7遙感的現(xiàn)狀與趨勢多分辨率多遙感平臺(tái)并存，空間分辨率、時(shí)間分辨率及光譜分辨率普遍提高；微波遙感、高光譜遙感迅速發(fā)展遙感的綜合應(yīng)用不斷深化商業(yè)遙感時(shí)代到來§8遙感的應(yīng)用

農(nóng)林方面的應(yīng)用地質(zhì)、礦產(chǎn)方面的應(yīng)用水文、海洋方面的應(yīng)用環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用測繪方面的應(yīng)用地理學(xué)方面的應(yīng)用第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ)本章提要(…)§1

電磁波譜§2輻射基本定律§3太陽輻射§4太陽輻射與大氣的相互作用§5太陽輻射與地面的相互作用§6三種遙感模式

本章主要介紹遙感的物理基礎(chǔ)，包括地物的電磁波特性、輻射基本定律、太陽輻射、大氣和地面與太陽輻射的相互作用、大氣窗口的概念、地物反射太陽光譜的特性、三種遙感模型等?！?

電磁波譜電磁波交互變化的電磁場在空間的傳播描述電磁波特性的指標(biāo)波長、頻率、振幅、位相等電磁波的特性電磁波是橫波，傳播速度為3×108

m/s，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，并遵循同一規(guī)律。電磁波譜電磁波譜

按電磁波波長的長短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。依次為：

r射線—x射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。

電磁波譜示圖第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ)本章提要(…)§1

電磁波譜§2輻射基本定律§3太陽輻射§4太陽輻射與大氣的相互作用§5太陽輻射與地面的相互作用§6三種遙感模式

本章主要介紹遙感的物理基礎(chǔ)，包括地物的電磁波特性、輻射基本定律、太陽輻射、大氣和地面與太陽輻射的相互作用、大氣窗口的概念、地物反射太陽光譜的特性、三種遙感模型等。如聲波、水波、地震波等振動(dòng)的是彈性媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的位移矢量。電磁波的產(chǎn)生：當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變化的磁場激發(fā)了變化的電場，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波。描述電磁波特性的指標(biāo)

波長、頻率、振幅、位相等。

0.380.763.06.015.0微米1101001000毫米波長

紫外可見光

近紅外

中紅外

熱紅外

遠(yuǎn)紅外

毫米波

厘米波

分米波

米波

紅外波段

微波波段遙感技術(shù)應(yīng)用的電磁波譜段

0.380.430.470.500.560.590.620.76微米可見光波段補(bǔ)充：長度單位換算電磁輻射的度量1)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）太陽輻射—見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

2)輻射測量

輻射能量（W）：輻射通量（Φ）：輻射通量密度（E）：輻照度（I）：輻射出射度（M）：輻射亮度（L）：輻射能量（W）：輻射能量（W）：輻射通量（Φ）：輻射通量（Φ）：Φ=Dw/dt，被輻射物體表面單位面積上的輻射通量。單位：w/m2，S為面積I輻照度=dΦ/ds

I輻射通量密度=dΦ/dsM輻射出射度=E=dΦ/ds輻射源物體表面單位面積上的輻射通量。單位：w/m2，S為面積單位時(shí)間通過單位面積上的輻射能量。單位：w/m2(瓦/平方米），S為面積Φ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.黑體輻射普朗克輻射(Planck)定律斯特潘-玻耳茲曼(Stefan-Boltzmann)定律基爾霍夫（Kirchhoυυ)輻射定律維恩(Wien)位移定律§2輻射基本定律

人工制造的接近黑體的吸收體1)絕對(duì)黑體基爾霍夫（1824～1887）

Kirchhoff，Gustav

Robert

德國物理學(xué)家。

黑體輻射n次反射后出射光線幾乎等于0黑體是一種理想的吸收體，自然界沒有真正的黑體。吸收系數(shù)α（λ，T）=100%反射系數(shù)ρ（λ，T）=0%普朗克輻射(Planck)定律艾薩克·牛頓（IsaacNewton1642.12.25——1727.3.20.）

英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家。

Newton最早認(rèn)識(shí)到了光及電磁波具有波粒二象性。1999年12月26日，愛因斯坦被美國《時(shí)代周刊》評(píng)選為“世紀(jì)偉人”。

普朗克定義了一個(gè)常數(shù)(h)，給出了黑體輻射的能量（Q）與頻率（υ）之間的關(guān)系：Q=h·υ

h—普朗克常數(shù)，6.626×10-34

焦·秒（J·S）AlbertEinstein1879-1955輻射能量與它的波長反比，即輻射的波長越長，其輻射能量越低對(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。紅外裝置測試溫度的理論根據(jù)。σ:斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)，5.67032×10－8W/(m2·K4)奧地利著名物理學(xué)家玻耳茲曼

斯特潘-Stefan)b:常數(shù)，2.8978*10-3μm·K維恩位移定律描述的就是輻射峰值隨黑體溫度變化的關(guān)系。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的電磁波，也不發(fā)射該波長的電磁波。4基爾霍夫（1824～1887）

Kirchhoff，Gustav

Robert

德國物理學(xué)家。

3)實(shí)際物體的輻射

2.2節(jié)太陽輻射及大氣對(duì)

太陽輻射的影響

2.2.1太陽輻射2.2.2大氣吸收作用2.3.3大氣散射作用2.2.4大氣窗口太陽輻射：太陽是遙感主要的輻射源，又叫太陽光，在大氣上界和海平面測得的太陽輻射曲線

§2.2.1太陽輻射大氣的吸收作用：

大氣中的各種成分對(duì)太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）。2.2大氣的吸收作用O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強(qiáng)O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm塵埃吸收量很小2.2.3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。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對(duì)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。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：

瑞利散射：d<<λ

米氏散射：d

≈λ

非選擇性散射：d>>λ§2.4太陽輻射與大氣的相互作用大氣概況大氣的吸收作用大氣的散射作用大氣窗口大氣校正大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。

氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3懸浮微粒：塵埃2.4.1大氣概況2.4.2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，形成太陽輻射的大氣吸收帶。O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強(qiáng)O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm塵埃吸收量很小2.4.3大氣的散射作用2.4.3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。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對(duì)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。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：瑞利散射：d<<λ

米氏散射：d

≈λ

非選擇性散射：d>>λ2.4.4大氣窗口大氣窗口大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外可見光近紅外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.5～1.8μm80TM5近-中紅外2.0～3.5μm80TM7中紅外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR遠(yuǎn)紅外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat2.4.5大氣校正概念：為消除由大氣的吸收、散射等引起失真的輻射校正，稱作大氣校正。

大氣對(duì)遙感圖像的影響與波長、時(shí)間、地點(diǎn)、大氣條件、大氣厚度、太陽高度角等因素有關(guān)。按照校正的過程，可以分為間接大氣校正方法和直接大氣校正方法。直接大氣校正是指根據(jù)大氣狀況對(duì)遙感圖像測量值進(jìn)行調(diào)整，以消除大氣影響。間接大氣校正指對(duì)一些遙感常用函數(shù)，如NDVI進(jìn)行重新定義，形成新的函數(shù)形式，以減少對(duì)大氣的依賴?！?.5太陽輻射與地面的相互作用反射作用反射率的概念反射光譜曲線常見地物的光譜曲線吸收作用透射作用太陽與地面的相互作用在可見光與近紅外波段（0.2-2.5um)，地表物體自身的輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。太陽輻射到達(dá)地面之后，物體除了反射作用外，還有對(duì)電磁輻射的吸收作用。電磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過的部分，即：

到達(dá)地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長的電磁波透射能力較強(qiáng)，特別是對(duì)0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá)10~20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。2.5.1反射作用鏡面反射漫反射實(shí)際地面反射1.鏡面反射2.漫反射3.實(shí)際地面反射即物體的反射面是光滑的，光線平行反射，如鏡子，平靜的水面等

一束平行光射到平面鏡上,反射光是平行的,這種反射叫做鏡面反射；

鏡面反射物體的反射滿足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測到電磁波，水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時(shí)很亮，有時(shí)很暗，就是這個(gè)原因造成的。很多物體，如植物、墻壁、衣服等，其表面粗看起來似乎是平滑，但用放大鏡仔細(xì)觀察，就會(huì)看到其表面是凹凸不平的，所以本來是平行的太陽光被這些表面反射后，彌漫地射向不同方

不論入射方向如何，其反射出來的能量在各個(gè)方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個(gè)方向反射的能量大小不同。為什么在電影院里，人能在不同的座位上看到銀幕上的畫面電影院里，人能在不同的座位上看到銀幕上的畫面，這是因?yàn)楣庠阢y幕上形成了漫反射。

電影院的銀幕、投影幕布都是生活中最常見的漫反射例子

鏡面反射

即物體的反射面是光滑的，光線平行反射，如鏡子，水面等

鏡面反射是指反射波（電磁波、或聲波，水波）有確定方向的反射；其反射波的方向與反射平面的法線夾角（反射角），與入射波方向與該反射平面法線的夾角（入射角）相等，且入射波、反射波，及平面法線同處于一個(gè)平面內(nèi)。攝影時(shí)應(yīng)避免鏡面反射光線進(jìn)入攝影機(jī)鏡頭，由于鏡面反射光線極強(qiáng)，在像片上將形成一片白色亮點(diǎn)，影響地物本身在像片上的顯現(xiàn)。

反射：一般來說，光從一種介質(zhì)射到它和另一中介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分光返回到這種介質(zhì)中的現(xiàn)象

散射：光線通過有塵土的空氣或膠質(zhì)溶液等媒質(zhì)時(shí)，部分光線向多方面改變方向的現(xiàn)象。叫做光的散射.超短波發(fā)射到電離層時(shí)也發(fā)生散射散射（scattering）是指由傳播介質(zhì)的不均勻性引起的光線向四周射去的現(xiàn)象。反射：聲波、光波或其他電磁波遇到別的媒質(zhì)分界面而部分仍在原物質(zhì)中傳播的現(xiàn)象2.地物的反射率(…)反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P

0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物的反射光譜曲線：反射率隨波長變化的曲線。反射光譜曲線地物反射率隨波長是變化的，我們以波長作為橫坐標(biāo)，反射率作為縱坐標(biāo)，將地物反射率隨波長的變化繪制成曲線，即地物的反射率隨波長變化的曲線，叫地物的反射光譜曲線。不同地物的該曲線是不同的。

不同地物反射波譜曲線分析

植被光譜曲線

土壤光譜曲線

水體光譜曲線

巖石光譜曲線

常見地物比較光譜曲線

§7各典型地物的光譜曲線本節(jié)結(jié)束本章結(jié)束返回下一章植物光譜曲線植被：雙峰雙谷特點(diǎn)植被的波譜特征植被的波譜特征最明顯。綠色植被種類很多，但都有相似的反射波譜特征曲線。在可見光綠波段0.55μm附近有10-20%的反射峰。在紅外線0.8-1.0μm間具有50-60%的強(qiáng)反射峰。在紅光0.7μm和紅外線1.5μm、1.9μm附近具有強(qiáng)烈的吸收谷。1.02.01.52.53.01030205040600.5波長(μm)反射率（%）柑橘番茄玉米棉花巖石的光譜曲線返回吸收作用太陽輻射到達(dá)地面，一部分能量被地物吸收并且轉(zhuǎn)換成熱能，使地表具有一定溫度再發(fā)射，被稱為“熱輻射”。發(fā)射率是地物的輻射能量與相同溫度下黑體輻射能量之比，又叫比輻射率