《遙感基礎(chǔ)》課件-項(xiàng)目二 電磁波及遙感物理基礎(chǔ)

遙感技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目二電磁波及遙感物理基礎(chǔ)任務(wù)一電磁波與電磁波譜任務(wù)二物體的發(fā)射輻射任務(wù)三地物的反射輻射任務(wù)四

地物波譜特性的測(cè)定主要任務(wù)任務(wù)一電磁波與電磁波譜一、電磁波二、電磁波譜主要內(nèi)容根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，變化的電場(chǎng)能夠在它周圍引起變化的磁場(chǎng)，這一變化的磁場(chǎng)又在較遠(yuǎn)的區(qū)域引起新的變化電場(chǎng)，并在更遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)引起新的變化磁場(chǎng)。這種變化的電場(chǎng)和（一）電磁的定義一、電磁波磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，以有限的速度由近及遠(yuǎn)在空間內(nèi)傳播的過(guò)程稱為電磁波。其方向是由電磁振蕩向各個(gè)不同方向傳播的。

（1）實(shí)驗(yàn)證明，光是一種電磁波，具有電磁波的性質(zhì)，是一種橫波；（2）在真空中以光速傳播；（3）電磁波具有波粒二象性。

光的波動(dòng)性形成了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象；粒子性特點(diǎn)是能量分布的量子化。電磁波與地面物體之間的相互作用（二）電磁波的性質(zhì)一、電磁波（一）電磁波譜的定義

按電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)或頻率，遞增或遞減排列，則構(gòu)成了電磁波譜。該波譜頻率從高到低排列，可以劃分為γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無(wú)線電波。二、電磁波譜1.紫外線：0.01～0.38μm，源于太陽(yáng)輻射，絕大部分被大氣吸收，應(yīng)用于螢石礦和石油勘探；2.可見光：0.38～0.76μm，源于太陽(yáng)輻射，遙感的主要波段；3.紅外線：0.76～1mm0.76～3μm，近紅外，主要源于太陽(yáng)輻射，白天攝影成像；

（二）遙感常用的電磁波波段的特性一、電磁波與電磁波譜3.紅外線：0.76～1mm

3～6μm，中紅外，源于太陽(yáng)輻射及地物熱輻射，夜晚成像；6μm～1mm，遠(yuǎn)紅外、超遠(yuǎn)紅外，源于地物熱輻射，應(yīng)用于城市熱島、熱污染、熱慣量；4.微波：1mm~1m，全天候遙感；有主動(dòng)與被動(dòng)之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ?。（二）遙感常用的電磁波波段的特性一、電磁波與電磁波譜項(xiàng)目二電磁波及遙感物理基礎(chǔ)任務(wù)一電磁波與電磁波譜任務(wù)二物體的發(fā)射輻射任務(wù)三地物的反射輻射任務(wù)四

地物波譜特性的測(cè)定主要任務(wù)任務(wù)二物體的發(fā)射輻射一、黑體輻射二、太陽(yáng)輻射三、大氣對(duì)輻射的影響四、一般物體的發(fā)射輻射主要內(nèi)容

溫度大于熱力學(xué)溫度0K（-273.15℃）的任何物體都具有發(fā)射電磁波的能力。地球上的物體溫度都大于0K，因此地球上的任何物體都具有發(fā)射電磁波的能力。地物的電磁波發(fā)射能力主要與溫度有關(guān)。為了衡量地物發(fā)射電磁波的能力的大小，常以黑體輻射作為度量的標(biāo)準(zhǔn)。任務(wù)二物體的發(fā)射輻射

為分譜輻射通量密度；h為普朗克常量；k為玻爾茲曼常量，λ波長(zhǎng)，c光速，T為熱力學(xué)溫度.表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及按波長(zhǎng)分布規(guī)律。黑體輻射定律黑體也稱絕對(duì)黑體，是指能全部吸收外來(lái)電磁波輻射而毫無(wú)反射和透射能力的理想物體。一、黑體輻射輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)最大值；溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同；隨著溫度的升高，輻射最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。一、黑體輻射二、太陽(yáng)輻射

輻射源是目標(biāo)物反射電磁波的來(lái)源。被動(dòng)遙感是通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物的反射能量，從而了解地表狀況。太陽(yáng)是被動(dòng)遙感最主要的輻射源。地球上的能源主要來(lái)自太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)可以被看做近似6000K的絕對(duì)黑體。太陽(yáng)光譜發(fā)射的能量大部分集中在可見光波段。

遙感過(guò)程中對(duì)地面物體輻射的探測(cè)、收集是在大氣中進(jìn)行的，地物輻射在到達(dá)遙感之前都要穿過(guò)厚度不同的大氣層。

例如：可見光遙感，電磁波從太陽(yáng)照射到地面，再?gòu)牡孛娴竭_(dá)傳感器，此間需要經(jīng)過(guò)兩次大氣層，所以大氣對(duì)電磁波傳輸過(guò)程的影響是遙感需要考慮的問(wèn)題之一。

大氣對(duì)電磁波傳輸過(guò)程的影響包括6個(gè)方面：反射、散射、吸收、擾動(dòng)、折射和偏振。對(duì)于遙感數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，主要的影響因素：散射和吸收。三、大氣對(duì)輻射的影響

大氣組成：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1.大氣組成與大氣層結(jié)構(gòu)

由于氣溶膠顆粒的影響，太陽(yáng)輻射的電磁波在大氣層中傳輸時(shí)經(jīng)過(guò)大氣的吸收、散射、反射后，剩下的部分穿過(guò)大氣層到達(dá)地面。三、大氣對(duì)輻射的影響大氣層結(jié)構(gòu)：從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對(duì)流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在12～50km，底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。大氣外層：800～35000km,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本沒(méi)影響。1.大氣組成與大氣層結(jié)構(gòu)三、大氣對(duì)輻射的影響2.大氣的散射作用太陽(yáng)輻射在長(zhǎng)波過(guò)程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個(gè)方向散開。散射作用：改變了電磁波的傳播方向；干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。

大氣散射集中在太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。因此，散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。三、大氣對(duì)輻射的影響瑞利散射：

當(dāng)微粒直徑比輻射波長(zhǎng)小得多時(shí)，此時(shí)散射為瑞利散射。散射率與波長(zhǎng)的四次方成反比，因此，瑞利散射的強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4μm的藍(lán)光是4μm紅外線散射的1萬(wàn)倍。2.大氣的散射作用三、大氣對(duì)輻射的影響顏色紅橙黃黃綠青蘭紫紫外線波長(zhǎng)0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0無(wú)云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽(yáng)為什么都偏橘紅色？瑞利散射：2.大氣的散射作用三、大氣對(duì)輻射的影響三、大氣對(duì)輻射的影響瑞利散射：瑞利散射對(duì)可見光的影響較大，對(duì)紅外輻射的影響很小，對(duì)微波的影響可以不計(jì)。2.大氣的散射作用多波段中不使用藍(lán)紫光的原因？三、大氣對(duì)輻射的影響米氏散射：

當(dāng)微粒的直徑與輻射波長(zhǎng)差不多時(shí)的大氣散射。云、霧的粒子大小與紅外線的波長(zhǎng)接近，所以云霧對(duì)對(duì)紅外線的米氏散射不可忽視。2.大氣的散射作用三、大氣對(duì)輻射的影響無(wú)選擇性散射：

當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)大得多時(shí)所發(fā)生的散射。符合無(wú)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)生非選擇性散射。云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？2.大氣的散射作用三、大氣對(duì)輻射的影響大氣的吸收作用：

大氣中的各種成分對(duì)太陽(yáng)輻射有選擇性吸收，形成太陽(yáng)輻射的大氣吸收帶（如下表）。3.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塵埃吸收量很小三、大氣對(duì)輻射的影響4.大氣窗口由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽(yáng)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。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。

大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)。三、大氣對(duì)輻射的影響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3.5～5.5μm60～70NOAA的AVHRR遠(yuǎn)紅外8～14μm80TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat4.大氣窗口三、大氣對(duì)輻射的影響

地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。它也是遙感探測(cè)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。

自然界的物體都不是黑體，其發(fā)射率都小于1。一般情況，不同地物有不同的波譜發(fā)射率，同一地物在不同波段的波譜發(fā)射率也不相同。物體的發(fā)射率不僅依賴于波長(zhǎng)和溫度，還與各種物體本身不同的材料，表面磨光的程度都有關(guān)系；另外，同一種物體的發(fā)射率還隨著材料的溫度的變化情況。四、一般物體的發(fā)射輻射四、一般物體的發(fā)射輻射

發(fā)射率是一個(gè)介于0和1的數(shù)，用于比較此輻射源接近黑體的程度。各種物體根據(jù)發(fā)射率的不同，可為以下幾種類型：①絕對(duì)黑體:ελ=ε=1；②灰體:ελ=ε，但0<ε<1；③選擇性輻射體ελ=f(λ）；④理想反射體(絕對(duì)白體)：ελ=ε=0。項(xiàng)目二電磁波及遙感物理基礎(chǔ)任務(wù)一電磁波與電磁波譜任務(wù)二物體的發(fā)射輻射任務(wù)三地物的反射輻射任務(wù)四

地物波譜特性的測(cè)定主要任務(wù)任務(wù)三地物的反射輻射一、地物的反射類型二、光譜反射率三、地物的反射光譜特性主要內(nèi)容1.鏡面反射指物體的反射滿足反射定律。2.漫反射指不論入射方向如何，雖然反射率與鏡面反射一樣，但反射方向卻是“四面八方”。3.方向反射實(shí)際地物表面由于地形起伏，在某個(gè)方向上反射最強(qiáng)烈，這種現(xiàn)象稱為方向反射，是鏡面反射和漫反射的結(jié)合。一、地物的反射類型物體對(duì)電磁波的反射形式有三種：地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：地物對(duì)某一波段的反射能量與入射能量之比。影響地物反射率大小的因素：入射電磁波的波長(zhǎng)入射角的大小地表顏色與粗糙度二、光譜反射率地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長(zhǎng)變化的規(guī)律。（1）地物反射光譜曲線：

根據(jù)地物反射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識(shí)別地物性質(zhì)的基本原理。三、地物的反射光譜特性三、地物的反射光譜特性（2）不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、沙漠、濕地、小麥的反射光譜曲線。（3）同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。幾種巖石的反射波譜曲線三、地物的反射光譜特性不同植物光譜曲線比較（3）同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。三、地物的反射光譜特性（4）地物的光譜特性具有時(shí)間特性和空間特性。不同長(zhǎng)勢(shì)松樹的反射光譜曲線三、地物的反射光譜特性（4）地物的光譜特性具有時(shí)間特性和空間特性。白橡樹葉子不同時(shí)間的反射波譜變化三、地物的反射光譜特性項(xiàng)目二電磁波及遙感物理基礎(chǔ)任務(wù)一電磁波與電磁波譜任務(wù)二物體的發(fā)射輻射任務(wù)三地物的反射輻射任務(wù)四

地物波譜特性的測(cè)定主要任務(wù)任務(wù)四地物波譜特性的測(cè)定一、地物波譜特性測(cè)定概念二、地物波譜特性測(cè)定原理三、地物波譜特性測(cè)定步驟主要內(nèi)容一、地物波譜特性概念

地物波譜特性是指各種地物各自具有的電磁波特性(電磁輻射或反射輻射)。

遙感圖像中灰度與色調(diào)的變化是遙感圖像所對(duì)應(yīng)的地面范圍內(nèi)電磁波譜特性的反映。一、地物波譜特性概念

在遙感中，測(cè)量地物的反射波譜特性曲線主要有以下三種作用：它是選擇遙感波譜段、設(shè)計(jì)遙感儀器的依據(jù)；在外業(yè)測(cè)量中，它是選擇合適的飛行時(shí)間的基礎(chǔ)資料；它是有效地進(jìn)行遙感圖像數(shù)字處理的前提之一，是用戶判讀、識(shí)別，分析遙感影像的基礎(chǔ)。

用光譜測(cè)定儀器置于不同波長(zhǎng)或波譜段，分別探測(cè)地物和標(biāo)準(zhǔn)板，測(cè)量、記錄和計(jì)算地物對(duì)每個(gè)波譜