遙感的物理基礎(chǔ) 課件 第二章 遙感的物理基礎(chǔ)

遙感原理與應(yīng)用Principlesandapplicationsofremotesensing第二章遙感的物理基礎(chǔ)PhysicalBasisofRemoteSensing2025/3/817:5901.電磁波與電磁波譜Fundamentalsofremotesensingelectromagneticradiation02.太陽輻射及大氣對輻射的影響Solarradiationandatmosphericinfluenceonradiation本章主要內(nèi)容2025/3/817:592025/3/817:5903.地物的波譜特性Spectralcharacteristicsofgroundobjects04.地物波譜特征的測定Determinationofspectralcharacteristicsofgroundobjects2025/3/817:59電磁波及其特性電磁波譜

電磁波根據(jù)電磁場的理論，電和磁是緊密聯(lián)系著的兩種運動形式。變化的電場能夠在它的周圍激起變化的磁場；相反，變化的磁場也能在它的周圍激發(fā)起電場的變化。這種交變的電磁場在空間進行振蕩傳播形成電磁波。2025/3/817:592025/3/817:59電磁波的特性橫波電場、磁場與傳播方向互相垂直以光速（c）傳播具有波動性和量子性雙重屬性具有相干性、非相干性、反射、折射、干涉、衍射、散射、吸收、色散、偏振、多普勒效應(yīng)等特性遙感（Remotesensing）所收集的信息是由目標物反射(Reflect)或發(fā)射(Emit)的電磁波信息。2025/3/817:59電磁波及其特性電磁波譜

電磁波譜(Electromagneticspectrum)γ射線、X射線、紫外線，可見光、紅外線、微波、無線電波等都是電磁波按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排列，則構(gòu)成了電磁波譜。

紫外1nm1μm1mm1m1km1000km可見光紅外微波無線電聲頻交流電0.38μ100mm電磁波波譜2025/3/817:59遙感技術(shù)使用的電磁波分類與波長范圍2025/3/817:5901.電磁波與電磁波譜Fundamentalsofremotesensingelectromagneticradiation02.太陽輻射及大氣對輻射的影響Solarradiationandatmosphericinfluenceonradiation本章主要內(nèi)容2025/3/817:592025/3/817:5903.地物的波譜特性Spectralcharacteristicsofgroundobjects04.地物波譜特征的測定Determinationofspectralcharacteristicsofgroundobjects2025/3/817:59太陽輻射大氣成分大氣散射大氣吸收大氣反射太陽輻射太陽輻射相當于6000K的黑體的輻射，λmax=0.47μm短波輻射0.32-3.0μm約占總輻射量的85%。太陽是地球的主要光源，人類接受的各種信息中，70%來自太陽光。太陽常數(shù)——太陽輻射在大氣上界處的垂直入射輻射通量密度，平均值為1400

10-4瓦/cm2，通過大氣到達地面的有效輻射通量密度為903

10-4瓦/cm2，只占大氣上界的太陽輻射的64.5%(47%)2025/3/817:59太陽與日光層的觀測圖像SolarandHeliosphericObservatory(SOHO)ImageoftheSunObtainedonSeptember14,1999太陽輻射能量分布2025/3/817:59太陽輻射度分布曲線2025/3/817:592025/3/817:59太陽輻射大氣成分大氣散射大氣吸收大氣反射大氣成分地球大氣主要由多種氣體及懸浮微粒等組成。歸納起來可將大氣成分分為不變成分和可變成分兩大類。其中氮和氧的體積和質(zhì)量占不變成分的99％左右；氬、二氧化碳等稀有氣體僅占1％左右。地球大氣主要不變成分（干燥大氣）的體積百分比:N2:78.084%;O2:20.946%;Ar:

0.934%;CO2

0.032%地球大氣可變成分:主要有煙、塵埃、霧霜、小水滴及氣溶膠。氣溶膠是一種固體、液體的懸浮物，有固體的核心，如塵埃、花粉、微生物、海水的鹽粒等，在核心外包有液體，直徑約為0.01-30um，分布高度5km以下。2025/3/817:59大氣結(jié)構(gòu)從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對流層：高度在7~12km，溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感活動區(qū)。遙感側(cè)重研究電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。平流層：高度在12~50km，底部為同溫層（航空遙感活動層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的強吸收而逐漸升高。電離層：高度在50~1,000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動空間。大氣外層：800~35,000km，空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響2025/3/817:59電離層2025/3/817:59太陽輻射大氣成分大氣散射大氣吸收大氣反射大氣散射輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開，稱散射。散射增加了信號中的噪聲成分，造成遙感圖像的質(zhì)量下降。大氣散射有三種情況1）瑞利散射

粒子的直徑<<λ，大氣分子引起的散射，各向同性。如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等。散射率與波長的四次方成反比。因此，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。瑞利散射對可見光影響較大，對紅外輻射影響很小，對微波的影響可以不計。多波段中不使用藍紫光的原因2025/3/817:59無云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍色？藍光強散射，天空蔚藍朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？太陽斜射，傳播路徑大，藍光幾乎全部被散射，少量綠光與紅光合成橘紅色顏色紅橙黃黃綠青蘭紫紫外線波長0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.02025/3/817:592）米氏散射

粒子的直徑與λ相當，大氣中細小微粒引起的散射，散射強度與波長的2次方呈反比，前后方向強。如煙、塵埃、小水滴以及氣溶膠等。

云、霧粒子大小與紅外線的波長接近，所以云霧對紅外線的米氏散射不可忽視。潮濕天空米氏散射影響較大。--天氣預(yù)報3）無選擇性散射

粒子的直徑>>λ，大氣中塵埃微粒引起的散射，非選擇性散射。符合無選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強度相同。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？2025/3/817:592025/3/817:59AtmosphericScatteringTypeofscatteringisafunctionof:thewavelengthoftheincidentradiantenergy,andthesizeofthegasmolecule,dustparticle,and/orwatervapordropletencountered.2025/3/817:592025/3/817:59太陽輻射大氣成分大氣散射大氣吸收大氣反射大氣吸收大氣分子對電磁波的某些波段有吸收作用，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。因此，在太陽輻射到達地面時，形成了電磁波的某些缺失帶。圖2.14為大氣中幾種主要分子對太陽輻射的吸收率，從圖可以看出每種分子形成吸收帶的位置，其中：水的吸收帶主要有2.5-3.0μm，5-7μm，0.94μm，1.13μm，1.38μm，1.86μm，3.24μm以及24μm以上對微波的強吸收帶；二氧化碳的吸收峰主要是2.8μm和4.3μm；臭氧在10-40km高度對0.2-0.32μm有很強的吸收帶，此外0.6μm和9.6μm的吸收也很強；氧氣主要吸收小于0.2μm的輻射，0.6μm和0.76μm也有窄帶吸收。大氣中的其他微粒也有一定的吸收作用，只是不起主導(dǎo)作用而已。2025/3/817:59大氣中幾種主要分子對太陽輻射的吸收率2025/3/817:592025/3/817:59太陽輻射大氣成分大氣散射大氣吸收大氣反射大氣反射太陽電磁輻射通過大氣時，在某一界面上引起的反射作用與其它界面反射情況相似，也滿足相應(yīng)的規(guī)律和定律：入射能量等于反射和透射(折射)能量之和；入射角等于反射角等。大氣的反射主要是云層反射。反射程度取決于云量，而且各波段受到不同程度的影響，其結(jié)果是削弱了電磁波到達地面的強度。當云層的厚度達50m時，反射量達50％以上；厚度為500m對，反射量超過80％。大氣中直徑大于10-6米的微粒也會產(chǎn)生反射作用。因此，應(yīng)盡量選擇無云的天氣接收遙感信號2025/3/817:59折射現(xiàn)象電磁波穿過大氣層時，因大氣的折射率不同產(chǎn)生折射。大氣的折射率與大氣密度相關(guān)，密度越大折射率越大。離地面越高，空氣越稀薄折射也越小。正因為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是一條曲線，到達地面后，地面接收的電磁波方向與實際上太陽輻射的方向相比偏離了一個角度，即折射值R＝θ-θ'。2025/3/817:59太陽輻射與大氣的相互作用2025/3/817:59大氣窗口就輻射強度而言，太陽輻射經(jīng)過大氣傳輸后，主要是散射、吸收和反射的共同影響衰減了輻射強度，剩余部分即為透過的部分。對遙感傳感器而言，只能選擇透過率高的波段，才對觀測有意義。通常把電磁波通過大氣層時較少被吸收、散射或反射的，透過率較高的波段稱為大氣窗口。2025/3/817:59大氣窗口的光譜段1、0.3-1.3μm，即紫外、可見光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段，如Landsat衛(wèi)星的TM1-4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段。2、1.5-1.8μm和2.0-3.5μm，即近、中紅外波段。是白天日照條件好時掃描成像的常用波段，如TM的5，7波段等，用以探測植物含水量以及云、雪，或用于地質(zhì)制圖等。3、3.5-5.5μm，即中紅外波段。該波段除通透反射光外，也通透地面物體自身發(fā)射的熱輻射能量。如NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.55-3.93μm探測海面溫度，獲得晝夜云圖。4、8-14μm，即遠紅外波段。主要通透來自地物熱輻射的能量，適于夜間成像。5、0.8-2.5cm，即微波波段。由于微波穿云透霧能力強，這一區(qū)間可以全天候觀測，而且是主動遙感方式，如側(cè)視雷達。Radarsat的衛(wèi)星雷達影像也在這一區(qū)間，常用的波段為0.80cm，30cm，5cm，100cm，甚至可將該窗口擴展至0.05-300cm。2025/3/817:59地物的光譜反射率分布情況2025/3/817:59大氣窗口與遙感工作波段選擇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遠紅外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat2025/3/817:59大氣透射的定量分析太陽輻射通過大氣時，就可見光和近紅外而言，被云層或其他粒子反射回去的比例最大，約占30%，散射約占22%，吸收約占17%，透過大氣到達地面的能量僅占入射總能量的31%。實際上，除氣象衛(wèi)星探測云層外，大多數(shù)被動遙感傳感器都選擇無云天氣觀測，這時大氣對太陽輻射的衰減就只考慮散射和吸收了。2025/3/817:59設(shè)太陽輻射入射時所通過的大氣厚度為大氣質(zhì)量：當垂直入射時，天頂距θ=0，大氣質(zhì)量m=1；當斜入射時，若天頂距θ<60°，大氣質(zhì)量m(θ)=sec(θ)，近似等于斜入射時輻射穿過大氣的光程與垂直入射的大氣光程之比。這時地球大氣的曲面形狀可忽略，且不考慮折射。若θ>60°，大氣質(zhì)量不能用secθ計算。大氣透射的定量分析大氣對太陽輻射的總透射率T可用下式計算：式中：I

為通過大氣層后的輻照度；

I

0為通過大氣層前的輻照度；

m(θ)為大氣質(zhì)量，與天頂距θ密切正相關(guān)；

τ

為大氣的垂直的光學(xué)厚度。2025/3/817:5901.電磁波與電磁波譜Fundamentalsofremotesensingelectromagneticradiation02.太陽輻射及大氣對輻射的影響Solarradiationandatmosphericinfluenceonradiation本章主要內(nèi)容2025/3/817:592025/3/817:5903.地物的波譜特性Spectralcharacteristicsofgroundobjects04.地物波譜特征的測定Determinationofspectralcharacteristicsofgroundobjects2025/3/817:59地物的反射波譜特性地物的發(fā)射波譜特性地物的透射波譜特性2025/3/817:59地物的電磁波波譜是遙感的一種基本信息——波譜信息。物體在同一時間、空間條件下，其發(fā)射、反射、吸收和透射電磁波的特性是波長的函數(shù)。自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射規(guī)律，如具有反射的作用，具有吸收外來的紫外線、可見光、紅外線和微波的某些波段的特性；它們又都具有發(fā)射某些紅外線、微波的特性；少數(shù)地物還具有透射電磁波的特性，這種特性稱為地物的光譜特性。當我們把這種函數(shù)關(guān)系，即物體及現(xiàn)象的電磁波譜特性，用曲線的形式表現(xiàn)出來時，即成為地物電磁波譜，簡稱地物波譜。目前，地物波譜在遙感技術(shù)中的應(yīng)用主要有反射波譜、發(fā)射波譜和微波波譜。其中，可見光和近紅外區(qū)段的反射波譜特性應(yīng)用最廣，研究較深。2025/3/817:59地物的反射率不同地物對入射電磁波的反射能力是不一樣的，通常采用反射率(反射系數(shù)或亮度系數(shù))來表示。它是地物對某一波段電磁波的反射能量與入射總能量之比，其數(shù)值用百分率表示。地物的反射率因入射波長的不同而變化。地物反射率的大小，與入射電磁波的波長、入射角的大小以及地物表面顏色和粗糙度等有關(guān)。一般地說，當入射電磁波波長一定時，反射能力強的地物，反射率大，在黑白遙感圖像上呈現(xiàn)的色調(diào)就淺。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遙感圖像上呈現(xiàn)的色調(diào)就深。在遙感圖像上色調(diào)的差異是判讀遙感圖像的重要標志。2025/3/817:59反射與吸收、透射的關(guān)系地表任何物體或現(xiàn)象，對于外來電磁波輻射都具有反射，吸收和透射的性質(zhì)（設(shè)吸收率為

，透射率為τ，反射率為α）E=1=Eα+E

+E

一般地物：ε=ρ+τ+α，若透射率τ=0，則：

=1-

。I（到達地面的太陽輻射能量）＝R（反射）+A（吸收）+T（透射）T＝0時R與A成反比：反射率大的物體吸收率小，吸收率大的物體反射率小。2025/3/817:59地物反射光譜曲線地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律，叫做地物反射光譜。通常以橫坐標代表波長，以縱坐標代表地物的光譜反射率或光譜亮度系數(shù)作出的相關(guān)曲線，即是地物的反射光譜曲線。2025/3/817:59地物波譜是遙感識別地物的主要依據(jù)不同的物體由于其組成成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)以及時間、空間環(huán)境的不同，電磁波的輻射性能也不同，即具有不同的波譜曲線形態(tài)；同類地物有相似的波譜曲線形態(tài)。為了識別地物，必須掌握各種地物波譜曲線上某些重要特征。如雪的反射光譜和太陽光譜相似，在0.4-0.6波段有個很強的反射峰，反射率幾乎接近100％，因而看上去是白色，隨著波長增加，反射率逐漸降低；而沙漠在橙光波段0.6附近有一個強反射峰，因而呈現(xiàn)出橙黃色，在波長達到0.8以上的波長范圍，其反射率比雪還強不同具有不同的反射光譜特性，因而可以根據(jù)遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異來識別不同的地物，這就是遙感的基本出發(fā)點。2025/3/817:59地物波譜是遙感識別地物的主要依據(jù)對地物波譜曲線形態(tài)的分析，除曲線的形態(tài)特征外，還可以對曲線上的峰和谷所在的波長位置，峰的高度(或深度)、寬度、斜率和對稱度等加以比較。地球上大氣圈、水圈、巖石土壤圈、生物圈的各種物體和現(xiàn)象，及時空變化規(guī)律，都可以通過電磁波特性的遙感信息而體現(xiàn)。2025/3/817:59研究地物波譜特性，還應(yīng)考慮環(huán)境影響及其時間特性和空間特性的變化。即使是同類植物，隨著葉子的新老與稀密、土壤、水分含量和有機質(zhì)含量不同，或者受到大氣污染和病蟲害等的影響，它們在各個波段的反射率也是不同的。時間特性是指同一位置上的同一地物，由于時間的推移，在一段時間內(nèi)光譜特性的變化。空間特性是指同一類地物，由于其所處的地理位置不同，光譜特性可能存在的一些差異和變化。2025/3/817:59不同植被、不同季節(jié)具有不同的反射波譜曲線5月20日小麥、油菜9月20日玉米、大豆2025/3/817:59地物的反射波譜特性地物的發(fā)射波譜特性地物的透射波譜特性地物的發(fā)射率指地物輻射出射度（即地物單位面積發(fā)出的輻射總通量）W與同溫度的黑體輻射出射度（即黑體單位面積發(fā)出的輻射總通量）W黑的比值。地物發(fā)射率的差異也是遙感探測的基礎(chǔ)和出發(fā)點！e=W/W黑一些地物的發(fā)射率2025/3/817:59依發(fā)射率與波長的關(guān)系，通常將地物分為三種類型黑體或絕對黑體，其發(fā)射率ελ=ε=1，即黑體發(fā)射率對所有波長都是一個常數(shù)，并且等于1。灰體，其發(fā)射率ελ=ε=常數(shù)＜1（因吸收率α＜1）。即灰體的發(fā)射率始終小于1，ε不隨波長變化。選擇性輻射體，其發(fā)射率隨波長而變化，而且ελ＜1（因吸收率α也隨波長而變化并且α＜1）。輻射出射度吸收系數(shù)2025/3/817:59黑體輻射自然界中一切物體在發(fā)射電磁波的同時，也被其它物體發(fā)射電磁波所輻射。地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為基準的。遙感的輻射源可分自然電磁輻射源和人工電磁輻射源兩類。黑體：對任何波長的電磁輻射全都吸收的物體。絕對黑體：如果一個物體在任何溫度下對任何波長的電磁輻射全部吸收（即吸收系數(shù)恒等于1），則稱其為絕對黑體。2025/3/817:59斯特藩-玻爾茲曼定律：絕對黑體的總輻射出射度與黑體的溫度的四次方成正比。式中，σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)（5.67×10－8w/m2*K4)維恩位移定律：黑體輻射光譜中最強輻射的電磁波λmax

與黑體的絕對溫度T成反比，即：式中，b為常數(shù)（b＝2.898×10－3m*K)。（解釋藍火焰比紅火焰溫度高）太陽λmax

＝0.47μm地球λmax＝9.66μmM＝σT4λmax*T＝b

2025/3/817:59基爾霍夫定律：在同一溫度下，任何物體發(fā)射某一波長電磁波的能力，與它對該波長電磁波的吸收能力成正比。黑體吸收電磁波的能力最強，因而它發(fā)射電磁波的能力也最強。良的發(fā)射體是良的吸收體。吸收系數(shù)輻射出射度2025/3/817:592025/3/817:59不同地物之間微波發(fā)射率的差異要比紅外發(fā)射率差異明顯。這樣，在可見光、紅外波段中不容易識別的一些地物，在微波波段中則容易識別。

不同地物紅外波段與微波波段發(fā)射率的比較

波段地物波段紅外微波λ=4μmλ=10μmλ=3mmλ=3cm鋼0.6~0.90.6~0.90.000.00水0.960.990.630.38干沙0.830.950.860.90混凝土0.910.900.920.862025/3/817:59地物的發(fā)射光譜地物的發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律，稱為地物的發(fā)射光譜。按地物發(fā)射率與波長間的關(guān)系繪成的曲線(橫坐標為波長，縱坐標為發(fā)射率)稱為地物發(fā)射光譜曲線。右圖為若干種巖漿巖的發(fā)射光譜曲線。2025/3/817:59地物的反射波譜特性地物的發(fā)射波譜特性地物的透射波譜特性地物的透射波譜特性有些地物(如水體和冰)具有透射一定波長的電磁波的能力，通常把這些地物叫做透明地物。地物的透射能力一般用透射率表示。透射率就是入射光透射過地物的能量與入射總能量的百分比。地物的透射率隨著電磁波波長和地物性質(zhì)的不同而不同。例如，水體對0.45-0.56μm的藍綠光波具有一定的透射能力，較混濁水體的透射深度為1-2m，一般水體的透射深度則可達10-20m。又如，冰體對波長大于lmm的微波具有透射能力。一般情況下，絕大多數(shù)地物對可見光都沒有透射能力。紅外線只對具有半導(dǎo)體特征的地物，才有一定的透射能力。地物對微波具有明顯的透射能力，這種透射能力主要由入射波的波長決定。因此，在遙感技術(shù)中可以根據(jù)它們的特性，選擇適當?shù)膫鞲衅鱽硖綔y水下、冰下某些地物的信息。2025/3/817:592025/3/817:59透射率(Transmittance)，吸收率(Absorbance)，反射率(Reflectance)01.電磁波與電磁波譜Fundamentalsofremotesensingelectromagneticradiation02.太陽輻射及大氣對輻射的影響Solarradiationandatmosphericinfluenceonradiation本章主要內(nèi)容2025/3/817:592025/3/817:5903.地物的波譜特性Spectralcharacteristicsofgroundobjects04.地物波譜特征的測定Determinationofspectralcharacteristicsofgroundobjects2025/3/817:59地物波譜特征測定概述地物波譜特征測定原理地物波譜特征測定步驟2025/3/817:59地物波譜特征測定概述地物波譜也稱地物光譜。地物波譜特征指各種地物各自所具有的電磁波特性(發(fā)射輻射或反射輻射)。它是選擇遙感波譜段、設(shè)計遙感儀器的依據(jù)，也是用戶判讀、識別、分析遙感圖像的基礎(chǔ)。其重要意義如同偵破案件依據(jù)的手指紋一樣。在遙感技術(shù)的發(fā)展過程中，世界各國都十分重視地物波譜特征的測定。1947年前蘇聯(lián)學(xué)者克里諾夫就測試并公開了自然物體的反射光譜。美國測試了七八年的地物光譜才發(fā)射陸地資源衛(wèi)星。根據(jù)公式：

，各種地物發(fā)射輻射電