遙感技術基礎課件第二章-遙感電磁輻射基礎2

第二章遙感電磁輻射基礎2.1.1電磁波及電磁波譜2.1.2黑體輻射和實際物體輻射2.2太陽輻射和地球輻射2.3電磁波在大氣傳輸中的影響2.4物體的反射輻射2.4各典型地物的光譜曲線1地球上的能源主要來自太陽。地球繞太陽運動的軌道是一個橢圓，一般認為日地平均距離（日地系統(tǒng)的橢圓軌道半徑）等于一個天文單位（149597870KM）。由于地球距太陽很遠，因此太陽照射到地球的光線都被看作平行光，即入射的空間方向一致。3.太陽輻射和地球輻射2太陽常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位的區(qū)域內(nèi)，地球大氣層上界垂直于太陽輻射方向上單位面積和單位時間黑體所接收到的太陽輻射能量。通常表示為：I=1360W/m2太陽常數(shù)是在地球大氣頂端接受的太陽能量。該值基本穩(wěn)定，變化幅度不超過1%。太陽常數(shù)對研究太陽輻射非常重要，對遙感探測和進一步應用于氣象，農(nóng)業(yè)，環(huán)境等領域也非常重要。3.太陽輻射和地球輻射3122335566744日出上午下午正午日落A西東地球上的某一點A的太陽高度角（日）變化6不同緯度的太陽高度角不同緯度的太陽高度角季節(jié)7因此太陽傾斜照射時的輻照度一定比垂直入射時少（弱），由于太陽的高度角一年內(nèi)隨時間，季節(jié)及緯度不同而不同，因此太陽輻照度是變化的。對于遙感所追求的定量遙感，無時不變的太陽輻照度將成為挑戰(zhàn)。3.太陽輻射和地球輻射8除了太陽以外，遙感探測中被動遙感的輻射源還來自地球。

從衛(wèi)星上測出的地球輻射與相應黑體輻射對比CO2H2OO33.太陽輻射和地球輻射9太陽與地球輻射的電磁波譜10被動遙感的輻射源太陽輻射近似6000K的黑體輻射，能量集中在0.3～2.5μm波段之間。（可見光和近紅外）地球自身熱輻射近似300K的黑體輻射，能量集中在6.0μm以上的波段。（熱紅外）

11在0.3～2.5μm波段（主要在可見光和近紅外波段），地表以反射太陽輻射為主，地球自身的輻射可以忽略。即在該波段范圍內(nèi)，對地觀測遙感主要以太陽的短波輻射對地表進行探測和成像。在2.5～6.0μm波段（主要在中紅外波段），地表反射太陽輻射和地球自身的熱輻射均為被動遙感的輻射源。在6.0μm以上的熱紅外波段，以地球自身的熱輻射為主，地表反射太陽輻射可以忽略。（熱紅外成像）

太陽輻射和地球輻射的分段特性12了解地球輻射的分段特性的意義可見光和近紅外波段遙感圖像上的信息來自地物反射特性。中紅外波段遙感圖像上，既有地表反射太陽輻射的信息，也有地球自身的熱輻射的信息。熱紅外波段遙感圖像上的信息來自地球自身的熱輻射特性。

134電磁波在大氣傳輸中的影響太陽輻射衰減的主要原因：大氣吸收,散射和反射電磁波經(jīng)過大氣時,會被大氣衰減:14大氣對電磁波的影響受大氣中微小顆粒的影響，將產(chǎn)生散射、折射和吸收。

15大氣垂直分層結構16

大氣是由多種氣體及氣溶膠所組成的混合物。氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3氣溶膠

大氣的成分可分為常定成分（N2，O2，CO2等）與可變部分（水汽，氣溶膠）。

大氣成分BACK17折射作用折射：電磁波傳播方向發(fā)生了改變。電磁波傳播過程中折射率的變化，使電磁波在大氣中傳播的軌跡成為一條曲線，地面接收的電磁波方向與實際太陽輻射的方向相比偏離了一個角度，稱為折射值。18大氣的折射率與大氣密度相關，密度越大折射率越大。地面越高，空氣越稀薄折射也越小。當太陽垂直入射時，天頂距為0，折射值也為0；隨太陽天頂距加大，折射值增加；當天頂距為90度時，折射值達到最大。這也是為什么早晨看到的太陽比中午時看到的太陽大的緣故。19反射作用電磁波傳播過程中，若通過兩種介質的交界面，還會出現(xiàn)反射現(xiàn)象。氣體、塵埃的反射作用很小，反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量，而且各波段均受到不同程度的影響，削弱了電磁波到達地面的強度。因此，應該選擇無云的天氣接收遙感信號。20大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性的吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶。吸收作用使輻射的能量轉變?yōu)榉肿拥膬?nèi)能，從而引起這些波段太陽輻射強度的衰減，甚至某些波段的電磁波完全不能通過大氣。大氣的吸收21O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強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,14.5μm22大氣的散射散射：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。大氣散射集中在太陽輻射能量最強的可見光區(qū)。23不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質量，造成圖像模糊不清。大氣散射性質和強度主要取決于大氣分子或微粒半徑,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大氣的散射24瑞利（Rayleigh）散射

當微粒的直徑比輻射波長小得多時，此時的散射稱為瑞利散射。散射率與波長的四次方成反比，瑞利散射的強度隨著波長變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍光是4微米紅外線散射的1萬倍。瑞利散射強度與波長的關系25瑞利散射對可見光的影響較大，對紅外輻射的影響很小，對微波的影響可以不計。多波段中不使用藍紫光的原因晴朗的天空為什么呈藍色?夕陽紅？26當日光與大氣相互作用時，可見光中的藍光散射要比可見光中其他光線的散射強，因而天空呈現(xiàn)藍色。27清晨日出和傍晚日落時，較長波長的紅光不易被散射，故呈現(xiàn)出紅色霞光。28質點直徑和電磁波波長差不多時（d≈λ）大氣中的懸浮顆粒：霾、水滴、塵埃、煙、花粉、微生物、海上鹽粒、火山灰等顆粒對紅外波段的散射屬于此類。其強度受氣候影響較大。米氏散射29當質點直徑大于電磁波波長時（d>λ）,散射率與波長沒有關系。正因為此類散射對所有可見光區(qū)段藍、綠，紅光的散射等量，所以我們看到的云和霧呈白色或灰白色。無選擇性散射3031大氣窗口太陽輻射穿過大氣層時，反射，吸收和散射共同衰減了輻射強度，剩余部分即為透過的部分。由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。電磁波通過大氣層時較少被反射，吸收和散射的，透射率較高的波段稱為大氣窗口。（對地遙感要用的部分）

32大氣窗口受大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。大氣窗口波段透射率/%應用舉例紫外可見光近紅外0.3～1.3μm＞90攝影和掃描成像的方式在白天感測和記錄目標電磁波輻射信息近-中紅外1.5～1.8μm80掃描成像，白天記錄中紅外3.5～5.5μm白天夜間，掃描成像記錄遠紅外8～14μm60～70白天夜間，掃描記錄微波0.8～2.5cm100白天夜間，掃描記錄。33大氣窗口34在可見光和近紅外波段，太陽輻射30％被云或其它粒子反射，22％被散射，17％被吸收，到達地面能量31％。

大氣透射的定量分析35太陽輻射被大氣散射后直接進入傳