第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ)

1、本章主要介紹遙感本章主要介紹遙感概念、遙感的特點(diǎn)、概念、遙感的特點(diǎn)、遙感數(shù)據(jù)、遙感數(shù)遙感數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)類型、遙感數(shù)據(jù)據(jù)類型、遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及遙感技的應(yīng)用以及遙感技術(shù)的發(fā)展。術(shù)的發(fā)展。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

2、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）back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(zhǎng)壽命（350-1800km，3-5年） 3、高高度/長(zhǎng)壽命（36000km，10年以上）backback 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(yáng)輻射、大氣和地面與太陽(yáng)輻射的相互作用、大氣窗口的概念、地物反射太陽(yáng)光譜的特性、三種遙感模型等。 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(yáng)輻射、大氣和地面與太陽(yáng)輻射的相互作用、大氣窗口的概念、地物反射太陽(yáng)光譜的特性、三種遙感模型等。如聲

3、波、水波、地震波等如聲波、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。 0.38 0.76 3.0 6.0 15.0微米 1 10 100 1000毫米 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 紫紫外外可可見見光光 近紅外近紅外 中紅外中紅外 熱紅外熱紅外 遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外 毫米波毫米波 厘米波厘米波 分米波分米波 米波米波 紅外波段紅外波段 微波波段微波波段遙感技術(shù)應(yīng)用的電磁波譜段遙感技術(shù)應(yīng)用的電磁波譜段 0.38 0.43 0.47 0.50 0.56 0.59 0.62 0.76微米可見光波段可見光波段太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射見光及近紅外遙感的重要輻射源見光及近紅外遙感的重要輻射源地球電磁輻射地球電磁輻射遠(yuǎn)紅外遙感的輻射源遠(yuǎn)

4、紅外遙感的輻射源輻射通量（輻射通量（）：）：=Dw/dt，被輻射物體表面單位被輻射物體表面單位面積上的輻射通量。面積上的輻射通量。單位：?jiǎn)挝唬簑/m2，S為面積為面積輻射源物體表面單位輻射源物體表面單位面積上的輻射通量。面積上的輻射通量。單位：?jiǎn)挝唬簑/m2，S為面積為面積輻射亮度（輻射亮度（L）：）：面狀輻射源在某一面狀輻射源在某一方向，單位投影表方向，單位投影表面，單位立體角內(nèi)面，單位立體角內(nèi)輻射通量輻射通量.人工制造的接近黑體的吸收體1)絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體基爾霍夫基爾霍夫（18241887）Kirchhoff，GustavRobert德國(guó)物理學(xué)家。 黑體輻射n次反射后出射光線幾乎等于次反射

5、后出射光線幾乎等于0黑體是一種理想的黑體是一種理想的吸收體，自然界沒吸收體，自然界沒有真正的黑體。有真正的黑體。吸收系數(shù)吸收系數(shù)（，T）=100%反射系數(shù)反射系數(shù)（，T）=0%艾薩克牛頓（Isaac Newton 1642.12.251727.3.20.） 英國(guó)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最早認(rèn)識(shí)到了光及電磁波具有波粒二象性。波粒二象性。1999年12月26日，愛因斯坦被美國(guó)時(shí)代周刊評(píng)選為“世紀(jì)偉人”。 Albert Einstein Albert Einstein 1879-19551879-1955輻射能量與它的輻射能量與它的波長(zhǎng)反比，

6、即輻波長(zhǎng)反比，即輻射的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，射的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其輻射能量越低其輻射能量越低紅外裝置測(cè)試溫度的理論根據(jù)。: 斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，5.67032108 W/(m2K4 )TbW4奧地利著名物理學(xué)家玻耳茲曼 b : 常數(shù)，常數(shù)，2.8978*10-3 mK維恩位移定律描述的就是輻射峰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。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(zhǎng)的電磁的發(fā)射體，如果不吸收某些波長(zhǎng)的電磁波，也不發(fā)射該波長(zhǎng)的電磁波。波，也不發(fā)射該波長(zhǎng)的電磁波。4基爾霍夫基爾霍夫（18241887）Kirchho

7、ff，GustavRobert德國(guó)物理學(xué)家。2.4 太陽(yáng)輻射與大氣的相互作用l大氣概況l大氣的吸收作用l大氣的散射作用l大氣窗口l大氣校正大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。水滴等組成。 氣體：氣體：N N2 2，O O2 2，H H2O2O，COCO2 2，COCO，C CH4H4，O O3 3 懸浮微粒：塵埃懸浮微粒：塵埃l2.4.1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。O O2 2吸收帶吸收帶0.2m0.2m，0.155m0.155m最強(qiáng)最強(qiáng)

8、O O3 3吸收帶吸收帶0.20.20.36m0.36m，0.6m0.6mH H2 2O O吸收帶吸收帶0.50.50.9m , 0.950.9m , 0.952.85m2.85m，6.25m6.25mCOCO2 2吸收帶吸收帶1.351.352.85m, 2.7m,4.3m,14.5m2.85m, 2.7m,4.3m,14.5m塵埃塵埃吸收量很小吸收量很小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(yáng)輻射衰減的主要原因。對(duì)遙感圖像來(lái)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

9、種： 瑞利散射：d NoImage2.4.4 2.4.4 大氣窗口大氣窗口2.4.5大氣校正n概念：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。 n大氣對(duì)遙感圖像的影響與波長(zhǎng)、時(shí)間、地點(diǎn)、大氣條件、大氣厚度、太陽(yáng)高度角等因素有關(guān)。n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(cè)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。2.5 太陽(yáng)輻射與地面的相互作用n反射作用n反射率的概念n反射光譜曲線n常見地物的光譜曲線n吸收作用n透射作用太陽(yáng)與地

10、面的相互作用v在可見光與近紅外波段（在可見光與近紅外波段（0.2-2.5um)，地表物體，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(yáng)輻射為主。太陽(yáng)輻射到達(dá)地面之后，物體除了反太陽(yáng)輻射為主。太陽(yáng)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：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(yáng)輻射能量反射能量吸收能量到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量反射能量吸收能量透射能量透射能量v一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見光都不具備透射能力

11、，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(zhǎng)的電磁波透射能力較強(qiáng)，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波透射能力較強(qiáng)，特別是對(duì)特別是對(duì)0. 45 0. 56m的藍(lán)綠光波段，一般水的藍(lán)綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá)體的透射深度可達(dá)1020 m，清澈水體可達(dá)，清澈水體可達(dá)100 m的深度。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； 鏡面反射很多物體，如植物、墻壁、衣服等，其表面粗看起來(lái)似乎是平滑，但

12、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(lái)是平行的太陽(yáng)光被這些表面反射后，彌漫地射向不同方 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)?光在銀幕上形成了漫反射 。 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，

13、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(lái)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)象地物在不同波段的反射率是不同的。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測(cè)定的。反射率是可以測(cè)定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。反

14、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(zhǎng)變化的曲線。地物的反射光譜曲線：反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線。反射光譜曲線地物反射率隨波長(zhǎng)是變化的，我們以波長(zhǎng)作為橫坐標(biāo)，反射率作為縱坐標(biāo)，將地物反射率隨波長(zhǎng)的變化繪制成曲線，即地物的反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線，叫地物的反射光譜曲線反射光譜曲線。不同地物的該曲線是不同的。 不同地物反射波譜曲線分析 植物光譜曲線植被植被 ： 雙峰雙谷特點(diǎn)雙峰雙谷特點(diǎn)植被的波譜特征植被的波譜特征 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0.55m附近有10-20%的反射峰。 在紅外線0.8-1.0 m間

15、具有50-60%的強(qiáng)反射峰。 在紅光0.7 m和紅外線1.5 m 、1.9 m附近具有強(qiáng)烈的吸收谷。1.02.01.52.53.01030205040600.5波長(zhǎng)(m)反射率（%）柑橘柑橘番茄番茄玉米玉米棉花棉花吸收作用太陽(yáng)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。溫度一定時(shí)，地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的曲線，叫地物的發(fā)射光譜曲線。地表的輻射溫度，也叫亮度溫度或表征溫度，是指能輻射出與觀測(cè)地物相等輻射能量的黑體溫度。 back物質(zhì)典型平均比輻射率814m物質(zhì)典型平均比輻射率814

16、m清水0.980.99干礦物質(zhì)土0.920.94濕雪0.980.99水泥混凝土0.920.94人的皮膚0.970.99油漆0.900.96粗冰0.970.98干植被0.880.94健康綠色植被0.960.99干雪0.850.90濕土0.950.98花崗巖0.830.87瀝青混凝土0.940.97玻璃0.770.81磚0.930.94粗鐵片0.630.70木0.930.94光滑金屬0.160.21玄武巖0.920.96鋁箔0.030.07亮金0.020.03 常見地物的發(fā)射率（趙英時(shí)，2003） back 各類巖漿巖的發(fā)射率（梅安新等，2001） back透射作用太陽(yáng)輻射到達(dá)地面時(shí)，能穿透地面一定深度，這種現(xiàn)象叫透射。 自然界絕大