CH2電磁波與遙感物理基礎(chǔ)

CH2電磁波與遙感物理基礎(chǔ)第一頁，共73頁。2.1、電磁波與電磁波譜電磁輻射產(chǎn)生于各種形式的能量（機械能、化學(xué)能、熱能、電能、磁能、核能）凡是溫度高于絕對零度（-273.16攝氏度)的物體都發(fā)射電磁波，波長由物質(zhì)內(nèi)部狀態(tài)的變化決定電磁波的特性電磁波是橫波電磁波具有波粒二象性電磁波的來源-電磁振源2第二頁，共73頁。

電磁波譜

把各種電磁波（包括無線電波、微波、紅外波、可見光、紫外線、x射線、伽瑪射線等）按照波長或頻率的大小依次排列，就形成了電磁波譜。遙感中所用的電磁波段：微波、紅外波、可見光3第三頁，共73頁。為什么遙感系統(tǒng)很少用紫外波段呢？傳感器通過探測或感測不同波段電磁波譜的發(fā)射、反射輻射能級而成像的，電磁波的存在是獲取圖像的物理前提。根據(jù)不同的目的選擇不同的波譜段。第四頁，共73頁。電磁輻射的度量：幾個概念輻射能量：電磁波輻射的能量焦輻射通量：單位時間內(nèi)通過某一表面的輻射能量。焦/秒，瓦輻射出射度：面輻射源在單位時間內(nèi)，從單位面積上輻射出的輻射能量。即物體單位面積上發(fā)出的輻射通量。瓦/平方米第五頁，共73頁。輻射照度：面輻射源在單位時間內(nèi)，從單位面積上接收的輻射能量。即照射到物體單位面積上的輻射通量。瓦/平方米輻射強度：點輻射源在單位立體角、單位時間內(nèi)，向某一方向發(fā)出的輻射能量。即點輻射源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量。瓦/球面度第六頁，共73頁。

立體角球面上一塊截得的面積同球面半徑平方的比值球面面積為上半球面或者下半球面的球面度7第七頁，共73頁。輻射亮度：面輻射源在單位立體角、單位時間內(nèi)，在某一垂直于輻射方向單位面積上輻射出的輻射能量。即輻射源在單位投影面積上、單位立體角內(nèi)的輻射通量。瓦/平方米*球面度第八頁，共73頁。

2.2物體的電磁波特性物體的發(fā)射輻射地物的輻射波譜

——熱紅外遙感的理論基礎(chǔ)物體的反射輻射地物的反射波譜

——可見光和近紅外遙感的理論基礎(chǔ)物體的微波后向散射輻射地物的后向散射波譜

——微波遙感的理論基礎(chǔ)9第九頁，共73頁。（一）物體的發(fā)射輻射宇宙中的各種物體，如太陽、各種星體、一定厚度的大氣層、人造飛行器、地球及地球上各種生物、非生物都是熱輻射源。為了便于討論一般物體的熱輻射性質(zhì)，需要有一個理想的標(biāo)準(zhǔn)熱輻射體作為參照源，這個參照源就是絕對黑體。一般物體的發(fā)射率小于絕對黑體的發(fā)射率，因而，物體的輻射溫度小于它的實際溫度。為了求出一般物體的輻射溫度，必須采用與絕對黑體進(jìn)行比較的方法。10第十頁，共73頁。1、黑體輻射2、實際地物的發(fā)射輻射（一）物體的發(fā)射輻射11第十一頁，共73頁。

1.黑體輻射

黑體是一種理想的輻射體。能夠完全吸收任何波長入射能量的物體，稱為黑體。

黑體是一種理想的輻射體，在自然界里則很難找到。自然界里有些物質(zhì)的性質(zhì)接近黑體，如黑色的煙煤、恒星和太陽等。12第十二頁，共73頁。黑體輻射定律普朗克定律：其中：h為普朗克恒量

K為波耳茲曼常數(shù)普朗克定律表明：黑體的單色輻射出射度是溫度和波長的函數(shù)。

13第十三頁，共73頁。不同溫度黑體的輻射度曲線14第十四頁，共73頁。得出黑體輻射的三個特性：-斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)：（1）斯忒藩-波耳茲曼定律：對普朗克公式積分得特性1：總輻射通量密度W隨溫度T的增加而迅速增加15第十五頁，共73頁。（2）維恩位移定律：

為分譜輻射通量密度曲線的峰值所對應(yīng)波長；b為常數(shù)2898m.k

。特性2：分譜輻射通量密度的峰值波長隨溫度的增加向短波方向移動。（思考）特性3：每根曲線彼此不相交16第十六頁，共73頁。2.實際地物的發(fā)射輻射發(fā)射率太陽輻射與大氣窗口地球輻射地物的輻射波譜特性17第十七頁，共73頁。（1）發(fā)射率為無量綱純數(shù)根據(jù)發(fā)射率可將實際地物分為三類：（1）黑體（2）灰體（3）選擇性輻射體發(fā)射率隨波長變化而變化。18第十八頁，共73頁。

（2）太陽輻射與大氣窗口太陽輻射大氣層對太陽輻射的作用大氣窗口大氣透射的定量分析19第十九頁，共73頁。被動遙感最主要的輻射源太陽輻射接近6000K的黑體輻射，能量集中在0.3~2.5微米的波段之間。太陽常數(shù)：不受大氣影響，距太陽一個天文單位，垂直太陽光入射方向上，單位時間單位面積黑體所接受的太陽輻射能量。I☉太陽光譜太陽輻射20第二十頁，共73頁。21第二十一頁，共73頁。大氣層次結(jié)構(gòu)與成分大氣層對太陽輻射的作用吸收作用散射作用反射作用折射作用大氣層對太陽輻射的作用22第二十二頁，共73頁。大氣層次結(jié)構(gòu)與成分

大氣物理狀況的物理量一般有氣壓、大氣溫度和大氣濕度。它們在垂直方向上的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向上的梯度，所以在研究大氣效應(yīng)問題時可以假定大氣具有水平均一、垂直的分層結(jié)構(gòu)。對流層：（0~12KM）溫度、密度、氣壓隨高度的增加而降低，空氣明顯垂直對流，上界隨季節(jié)和溫度而變化。平流層：（12~80KM），空氣密度繼續(xù)隨高度增加而降低，幾乎沒有對流和天氣現(xiàn)象。其中25~30KM處，臭氧含量較大，為臭氧層。電離層：（80~1000KM），空氣稀薄，分子被太陽輻射作用而電離成離子和自由電子狀態(tài)。該層對無線電波可全反射。外大氣層（1000KM以外的大氣層），

大氣厚度一般認(rèn)為約1000KM。23第二十三頁，共73頁。大氣成分大氣是由多種氣體及氣溶膠所組成的混合物大氣的氣體成份可分為常定成份和可變成份兩部分24第二十四頁，共73頁。

吸收作用

——主要是氣態(tài)分子的吸收?？墒闺姶泡椛涞哪芰克p。大氣上層臭氧的存在，對小于的電磁波具有極強的吸收能力，所以到達(dá)地面的太陽短波輻射中，很少存在波長小于的短波輻射。對電磁波傳播起重要吸收作用的是一些非常少量的氣體，其中作用最為顯著的有臭氧、二氧化碳、甲烷和水汽。大氣吸收的影響：主要是造成遙感影像暗淡，由于大氣對紫外線有很強的吸收作用，因此，現(xiàn)階段遙感中很少用到紫外線波段。大氣層對太陽輻射的作用25第二十五頁，共73頁。大氣在0~15波長的吸收26第二十六頁，共73頁。

散射作用

—主要是氣體分子和氣溶膠的散射

散射是由于電磁輻射與物質(zhì)相互作用導(dǎo)致部分能量再輻射到其他方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰減。與吸收作用不同的是，散射并未引起能量的損失，而只是導(dǎo)致能量在其他方向上重新分配。影響：強度不大，從遙感數(shù)據(jù)角度分析，太陽輻照到地面又反射到傳感器的過程中，二次通過大氣，傳感器所接收到的能量除了反射光還增加了散射光。這二次影響增加了信號中的噪聲部分，造成遙感影像質(zhì)量的下降。27第二十七頁，共73頁。Rayleigh散射

是氣態(tài)分子的散射當(dāng)氣體分子的尺度遠(yuǎn)小于光波的波長時會發(fā)生Rayleigh散射。Rayleigh散射屬于小顆粒散射。散射光強度與波長的4次方成反比，由此可以解釋天空為什么呈藍(lán)色。28第二十八頁，共73頁。Mie散射云滴、氣溶膠的散射。當(dāng)顆粒的直徑與入射光的波長相當(dāng)時，往往發(fā)生Mie散射。Mie散射是強烈的前向散射。屬于大顆粒散射。大顆粒散射的特征：電磁波可以穿透介質(zhì)表面而深入到散射顆粒內(nèi)部。由于顆粒的尺寸與波長相當(dāng)，所以顆粒的不同部位往往處在不同的電場強度下，導(dǎo)致誘發(fā)電流的產(chǎn)生，一方面這種高度電流會產(chǎn)生高變的磁場，另一方面電流的存在意味著焦耳熱損耗的出現(xiàn)——電磁波的吸收。

29第二十九頁，共73頁。Nonselective散射

大氣中云、霧的散射。當(dāng)顆粒的直徑遠(yuǎn)大于入射波的波長時，會發(fā)生無選擇性散射。由此可解釋霧為什么呈現(xiàn)白色。散射強度與波長無關(guān)。30第三十頁，共73頁。大氣散射的特點；

群體散射強度是個體散射強度之線性和。大氣散射系數(shù)與高度的關(guān)系：大氣散射系數(shù)由分子散射和氣溶膠散射兩部分組成；氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減；就平均狀況而言，4KM以下氣溶膠的Mie散射占優(yōu)勢，4KM以上的分子散射相對占優(yōu)勢。分子散射與氣溶膠散射光強之比隨角度的變化而變。實際上，當(dāng)大氣狀況相同時，同時會出現(xiàn)各種類型的散射。如云層中的小雨滴，對可見光可發(fā)生無選擇性散射，而對微波則發(fā)生瑞利散射。31第三十一頁，共73頁。反射作用電磁波傳播過程中，通過兩種介質(zhì)的交界面時會出現(xiàn)反射現(xiàn)象。反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云頂。折射作用

電磁波穿過大氣層時出現(xiàn)傳播方向改變的現(xiàn)象。大氣密度越大，折射率越大。32第三十二頁，共73頁。大氣窗口吸收作用散射作用折射作用對太陽輻射有衰減作用透過率?。捍髿馄琳贤高^率大：大氣窗口改變太陽輻射傳輸方向電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收和散射的，透過率較高的波段稱為大氣窗口。反射作用對太陽輻射有衰減作用33第三十三頁，共73頁?？捎米鲞b感的大氣窗口0.3-1.3微米：紫外、可見光和近紅外波段

主要是反映地物對太陽光的反射。通常采用攝影或掃描的方式在白天感測、收集目標(biāo)信息成像1.3-2.5微米：近紅外波段大氣窗口白天夜間都可應(yīng)用，是以掃描的成像方式感測、收集目標(biāo)信息，主要應(yīng)用于地質(zhì)遙感。34第三十四頁，共73頁。3.5-5.0微米：中紅外波段包含地物反射及發(fā)射光譜，用來探測高溫目標(biāo)。8-14微米：熱紅外波段屬于地物的發(fā)射波譜，是常溫下地物熱輻射能量最集中的波段，所探測的信息主要反映地物的發(fā)射率及溫度。1mm-1m：微波波段遙感中常采用被動式遙感（微波輻射測量）和主動式遙感，前者主要測量地物熱輻射，后者是用雷達(dá)發(fā)射一系列脈沖，然后記錄分析地物的回波信號。35第三十五頁，共73頁。36第三十六頁，共73頁。太陽輻射進(jìn)入傳感器前的吸收、散射過程A—太陽輻射透過大氣并被地表反射進(jìn)入傳感器；B—太陽輻射被大氣散射后被地表反射進(jìn)入傳感器；C—太陽輻射被大氣散射后直接進(jìn)入傳感器；G—太陽輻射透過大氣，被地物反射后又被地表反射進(jìn)入傳感器；I—被視場以外地物反射后進(jìn)入視場的交叉輻射項。多光譜遙感（可見光和近紅外波段）37第三十七頁，共73頁。(3)地球輻射——地球輻射是地球表面和大氣電磁輻射的總稱。被動遙感主要的輻射源。地球輻射是被動遙感中傳遞地物信息的載體。遙感圖像就是由裝載在遙感平臺上的傳感器接收來自地球輻射所攜帶的地物信息，經(jīng)過處理而形成的。地球輻射的分段特性38第三十八頁，共73頁。插圖：地球輻射圖地球輻射的分段特性地球輻射可分為：短波0.3-2.5μm，長波輻射6μm以上。地球的短波輻射以地球表面對太陽的反射為主，地球自身的熱輻射可以忽略。地球的長波輻射只考慮地表物體自身的熱輻射，這個區(qū)域太陽照度的影響很小。中紅外波段（2.5-6μm）：太陽輻射和地球熱輻射均有。39第三十九頁，共73頁。（4）地物的輻射波譜特性反映地物自身輻射電磁能量的特性，主要針對紅外波段；地物的輻射波譜是紅外遙感的理論基礎(chǔ)40第四十頁，共73頁。幾種硅酸鹽的紅外發(fā)射波譜41第四十一頁，共73頁。1、地物的反射2、地物的反射類別3、地物的反射光譜特性（二）物體的反射輻射42第四十二頁，共73頁。1、地物的反射

—可見光和近紅外波段地物的波譜特性。太陽光通過大氣層照射到地球表面，地物會發(fā)生吸收、透射和反射作用，反射后的短波輻射一部分被遙感器所接收。入射到物體的總能量=吸收+透射+反射除水體、植被等物體，多數(shù)地物透過率幾乎為零，可以忽略不計。反射率與光譜反射率43第四十三頁，共73頁。2、地物的反射類別

—根據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同，物體反射可分為三種類型。鏡面反射漫反射方向反射—了解物體反射類型的意義44第四十四頁，共73頁。鏡面反射

—發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。光滑表面的定義光滑是一個相對的概念，它由入射波長和表面起伏共同決定：當(dāng)時，表面光滑；當(dāng)時，表面粗糙。

—特點是：反射滿足反射定律。即入射波和反射波在同一平面內(nèi)，入射角等于反射角。

45第四十五頁，共73頁。漫反射

—發(fā)生在非常粗糙表面上的一種反射現(xiàn)象。

—特點是：當(dāng)入射輻照度I一定時，從任何角度觀察反射面，其反射輻射亮度是一個常數(shù)；這種反射面叫朗伯面。46第四十六頁，共73頁。方向反射

—也叫實際地物的反射、非朗伯面反射。是介于鏡面和朗伯面之間的一種反射。

—特點是：實際地物表面由于地形起伏，對太陽短波輻射的反射具有各向異性。即在有入射波時，各個方向上都有反射能量，但大小不同，在某個方向上反射最強烈。47第四十七頁，共73頁。3、地物的反射光譜特性地物的反射波譜同一地物的反射波譜不同地物的反射波譜應(yīng)用地物波譜曲線時應(yīng)注意的問題影響地物光譜反射率變化的因素48第四十八頁，共73頁。地物的反射波譜定義：可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示反射率。49第四十九頁，共73頁。同一地物的反射波譜同一地物的反射波譜特性隨時間和空間的改變而變化：時間效應(yīng)空間效應(yīng)50第五十頁，共73頁。不同地物的反射波譜

—常見的幾種地物類型波譜特征植被水體土壤巖石51第五十一頁，共73頁。

植被可見光波段：在0.45微米附近區(qū)間(蘭色波段)有一個吸收谷,在0.55微米附近區(qū)間(綠色波段)有一個反射峰,在0.67微米附近區(qū)間(紅色波段)有一個吸收谷。近紅外波段:從0.67微米處反射率迅速增大,形成一個爬升的陡坡,至1.1微米附近有一個峰值,反射率最大可大50%,形成植被的獨有特征。中紅外波段:1.5~1.9微米光譜區(qū)反射率增大,1.45微米、1.95微米和2.7微米為中心的附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響,是水的吸收帶,反射率下降,形成低谷。52第五十二頁，共73頁。53第五十三頁，共73頁。影響植被波譜特征的主要因素：

植物類型植被生長季節(jié)病蟲害影響植被波譜特征大同小異，根據(jù)這些差異可以區(qū)分植被種類，生長狀態(tài)等。54第五十四頁，共73頁。對植物健康狀況的檢測：55第五十五頁，共73頁。

水體純凈水體的反射主要在可見光中的藍(lán)綠光波段，可見光其他波段反射很低；近紅外和中紅外波段純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于零；水中含有泥沙，可見光波段反射率會增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)；水中含有水生植物葉綠素時，近紅外波段反射明顯抬高。56第五十六頁，共73頁。清水和混水的反射率對照57第五十七頁，共73頁。葉綠素不同含量時水體的波譜曲線58第五十八頁，共73頁。

土壤自然狀態(tài)下，土壤表面反射曲線呈比較平滑的特征，沒有明顯的峰值和谷值。干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和次生礦物）和土壤有機質(zhì)有關(guān)。土壤含水量增加，土壤的反射率就會下降，在水的各個吸收帶（1.4、1.9和2.7微米附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。59第五十九頁，共73頁。三種不同類型的土壤在干燥環(huán)境下的反射光譜曲線60第六十頁，共73頁。粉砂土壤不同含水良情況下的光譜反射率曲線61第六十一頁，共73頁。巖石巖石礦物的波譜曲線主要由礦物成份、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等決定。影響巖石礦物波譜曲線的因素有巖石風(fēng)化程度、巖石含水狀況、礦物顆粒大小、巖石表面光滑程度、巖石色澤等。62第六十二頁，共73頁。不同巖石礦物的反射波譜曲線63第六十三頁，共73頁。應(yīng)用地物的波譜特征時需要注意的問題

地物波譜曲線形態(tài)，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過測量該地物在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器獲得的數(shù)據(jù)相對照，就可以識別遙感影像中同類地物。應(yīng)用地物的波譜特征時應(yīng)注意以下問題：絕大部分地物的波譜值具有一定的變幅，它們的波譜特征不是一條曲線，而是具有一定寬度的曲帶。巖石存在不同程度的風(fēng)化，巖石表面附著物（土壤、濕度、低等植物等）的不同，它們的波譜值也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化。地物存在著“同物異譜”和“異物同譜”的現(xiàn)象。64第六十四頁，共73頁?！巴锂愖V”是指兩個相同類型的個體地物，在某個波段上波譜特征不同。—“異物同譜”是指不同類型的地物具有相同的波