遙感物理學(xué)基礎(chǔ)

1、第二章遙感物理學(xué)基礎(chǔ)第二章遙感物理學(xué)基礎(chǔ)遙感信息源：遙感信息源： 任何目標物任何目標物遙感探測的依據(jù)：遙感探測的依據(jù)： 目標物與電磁波的相互作用目標物與電磁波的相互作用電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長（或頻率）電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長（或頻率） 按其長短，依次排列制成的圖表稱為按其長短，依次排列制成的圖表稱為 電磁波譜電磁波譜。一、一、電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜電磁波（電磁輻射）：電磁振源產(chǎn)生的電磁振蕩在空電磁波（電磁輻射）：電磁振源產(chǎn)生的電磁振蕩在空 間的傳播。間的傳播。遙感對地觀測遙感對地觀測波長：波長：0.010.38m特征：特征：1.對紫外線吸收較強；對紫外線吸收

2、較強； 2.能使溴化銀底片感光；能使溴化銀底片感光；應(yīng)用：應(yīng)用：1.用于測定碳酸巖的分布用于測定碳酸巖的分布 2.用于油污的監(jiān)測用于油污的監(jiān)測波長：波長：0.380.76m特征：特征：1.由紅由紅,橙橙,黃黃,綠綠,青青,藍藍,紫光紫光組成；組成； 2.人眼對可見光有敏銳的分辨率；人眼對可見光有敏銳的分辨率；應(yīng)用：應(yīng)用：1.鑒別物質(zhì)特性的主要波段鑒別物質(zhì)特性的主要波段 2.以光學(xué)攝影或掃描方式接收和以光學(xué)攝影或掃描方式接收和記錄地物對可見光的反射特征記錄地物對可見光的反射特征 電磁波的性質(zhì)：電磁波的性質(zhì)：是橫波是橫波在真空中以光速傳播在真空中以光速傳播波長與頻率成反比；兩者的乘積為光速；波長與

3、頻率成反比；兩者的乘積為光速； 電磁輻射能量與頻率成正比。電磁輻射能量與頻率成正比。具有波粒二象性電磁波傳播到氣體、固體、液體介具有波粒二象性電磁波傳播到氣體、固體、液體介 質(zhì)時，會發(fā)生反射、折射、吸收、透射、散射等現(xiàn)象。質(zhì)時，會發(fā)生反射、折射、吸收、透射、散射等現(xiàn)象。 電磁波的性質(zhì)電磁波的性質(zhì)( (共同性）：共同性）：是橫波是橫波在真空中以光速傳播在真空中以光速傳播波長與頻率成反比；兩者的乘積為光速；波長與頻率成反比；兩者的乘積為光速； 電磁輻射能量與波長成反比。電磁輻射能量與波長成反比。具有波粒二像性電磁波傳播到氣體、固體、液體介具有波粒二像性電磁波傳播到氣體、固體、液體介 質(zhì)時，會發(fā)生反

4、射、折射、吸收、透射、散射等現(xiàn)像。質(zhì)時，會發(fā)生反射、折射、吸收、透射、散射等現(xiàn)像。cffhEh為普朗克常數(shù)h=6.62610-34J/Sc為光速c=3108m/s 名稱名稱 波長范圍波長范圍 紫外線紫外線 0.001 -0.38 0.001 -0.38 可見光可見光 0.38 - 0.76 0.38 - 0.76 近紅外近紅外 0 076 - 3.0 76 - 3.0 中紅外中紅外 3 30 - 6.0 0 - 6.0 熱紅外熱紅外 6 60 -15.0 0 -15.0 遠紅外遠紅外 15 - 1000 15 - 1000 微微 波波 1 - 1000 1 - 1000 二、遙感學(xué)常使用的電磁

5、波分類名稱和二、遙感學(xué)常使用的電磁波分類名稱和 波長（波長（）范圍：）范圍：紅外線紅外線三、輻射三、輻射n與輻射有關(guān)的幾個概念與輻射有關(guān)的幾個概念n輻射種類輻射種類 1、黑體輻射、黑體輻射 2、太陽輻射、太陽輻射 3、地球輻射、地球輻射 4、大氣輻射、大氣輻射 輻射源：任何物體都是輻射源。不僅能夠吸收其他物體對它的輻射源：任何物體都是輻射源。不僅能夠吸收其他物體對它的輻射，輻射， 也能夠向外（發(fā)出）輻射。也能夠向外（發(fā)出）輻射。 輻射能量（輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位：）：電磁輻射的能量，單位：J（焦耳）。（焦耳）。 輻射通量（輻射通量（ ）：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量）：單位時

6、間內(nèi)通過某一面積的輻射能量,單位單位: W（瓦）（瓦） 。 輻照度（輻照度（I）：）：被輻射的物體被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量。表面單位面積上的輻射通量。 輻射出射度（輻射出射度（M）：）：輻射源物體輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，表面單位面積上的輻射通量， 單位：單位：W/m2 。 1、概念、概念dtdWdSdI 絕對黑體絕對黑體(簡稱黑體）：對于任何波長的簡稱黑體）：對于任何波長的電磁輻射都全部吸收的物體電磁輻射都全部吸收的物體 。 任何物體： （，T）+ （，T） 1 絕對黑體：絕對黑體： （，T）1 （，T） 0其吸收率和反射率與物體的溫度和波長無關(guān)絕對黑體的特性：絕對黑體

7、的特性：2、黑體輻射、黑體輻射 黑體輻射規(guī)律：黑體輻射規(guī)律： （1）黑體的輻射（發(fā)射）能量）黑體的輻射（發(fā)射）能量 - 輻射出射度（輻射出射度（M）是波長是波長 和溫度和溫度 T 的函數(shù)的函數(shù)；某一波長下黑體的輻射；某一波長下黑體的輻射出射度出射度M 是指在某一單位波長間隔（是指在某一單位波長間隔（ ）的輻）的輻射出射度。射出射度。在紫外、可見光和紅外波段在紫外、可見光和紅外波段 M 與與5 成反成反比比；在微波波段，在微波波段，M 與與2成反比與成反比與T成正比成正比。普遍。普遍適用于黑體輻射的普朗克公式為：適用于黑體輻射的普朗克公式為：112,/52kThcehcTM黑體的黑體的總輻射出射

8、度總輻射出射度 M是對所有波長的（發(fā)射）輻射能量是對所有波長的（發(fā)射）輻射能量的總和。經(jīng)積分運算得的總和。經(jīng)積分運算得)/(1067. 54284KmWTM圖圖2.7表明總輻射出射度表明總輻射出射度 M與溫度與溫度T的關(guān)系是：隨著溫的關(guān)系是：隨著溫度的升高，度的升高， M的值急劇增大；不同溫度下的的值急劇增大；不同溫度下的M值在波值在波長長能量曲線圖中，展現(xiàn)為一系列互不相交的曲線能量曲線圖中，展現(xiàn)為一系列互不相交的曲線（族）。（族）。（2）斯忒藩玻爾茲曼定律）斯忒藩玻爾茲曼定律黑體輻射出射度黑體輻射出射度M 的最大值所對應(yīng)的波長的最大值所對應(yīng)的波長max 與黑體與黑體自身溫度自身溫度 T 的的

9、關(guān)系關(guān)系： max 與與 T 成反比。成反比。 即：黑體溫即：黑體溫度越高，其總輻射出射度度越高，其總輻射出射度 M的曲線的峰值就越向短波的曲線的峰值就越向短波方向偏移。方向偏移。)(10898. 23maxKmbbT計算得：太陽的計算得：太陽的max =0.47 ；地球；地球max =9.0 （3）維恩位移定律維恩位移定律3.實際物體的輻射實際物體的輻射 基爾霍夫定律：基爾霍夫定律：IMMMMIIIIIMiii0002211210M為輻射出射度，為輻射出射度，a為吸收系數(shù)，為吸收系數(shù)，I為輻照度為輻照度.所所以實際物體輻射以實際物體輻射(M)與黑體輻射（與黑體輻射（M0)成正比，成正比，其比

10、值為吸收系數(shù)在其比值為吸收系數(shù)在0,1之間。之間。3、太陽輻射、太陽輻射（太陽光）（太陽光） (1)太陽輻射的能量大部分集中在可見光波段。太陽輻射的能量大部分集中在可見光波段。 （2）太陽輻射的光譜是連續(xù)光譜，且輻射特性與絕對黑體輻射特性）太陽輻射的光譜是連續(xù)光譜，且輻射特性與絕對黑體輻射特性基本一致?；疽恢?。 被動遙感主要利用可見光、近紅外、中紅外等穩(wěn)定的輻射。被動遙感主要利用可見光、近紅外、中紅外等穩(wěn)定的輻射。太陽是被動遙感最主要的輻射源太陽是被動遙感最主要的輻射源在不受大氣影響的情況下，距太陽一個天文單位（通常指日地平均距離，在不受大氣影響的情況下，距太陽一個天文單位（通常指日地平均距

11、離，約約1.496108公里）內(nèi)，垂直于太陽輻射方向上，單位面積單位時間內(nèi)黑公里）內(nèi)，垂直于太陽輻射方向上，單位面積單位時間內(nèi)黑體接受到的太陽輻射能量。其數(shù)量為：體接受到的太陽輻射能量。其數(shù)量為：1.360 103 瓦瓦/平方米。平方米。 太陽常數(shù)太陽常數(shù)： 太陽輻射太陽輻射（太陽光譜）的主要特征（太陽光譜）的主要特征遙感導(dǎo)論遙感導(dǎo)論太陽能量隨波長的分布太陽能量隨波長的分布紅外波段紅外波段38%4、大氣對太陽輻射的影響、大氣對太陽輻射的影響大氣對太陽輻射的影響大氣對太陽輻射的影響吸吸 收收反反 射射散散 射射折折 射射大大 氣氣 窗窗 口口使遙感圖像清晰度下降使遙感圖像清晰度下降大氣吸收大氣吸

12、收n太陽輻射穿過大氣層時，大氣分子對電磁波的某太陽輻射穿過大氣層時，大氣分子對電磁波的某些波段有吸收作用，引起這些波段太陽輻射強度的些波段有吸收作用，引起這些波段太陽輻射強度的衰減，或完全不能通過大氣。衰減，或完全不能通過大氣。n太陽輻射到達地面時，形成了電磁波的某些缺失太陽輻射到達地面時，形成了電磁波的某些缺失帶帶n對太陽輻射影響最大的是對流層和平流層對太陽輻射影響最大的是對流層和平流層n簡要說明大氣吸收帶的規(guī)律簡要說明大氣吸收帶的規(guī)律。CO2、H2O 吸收紅外及長波吸收紅外及長波O3 吸收紫外光吸收紫外光O 吸收波長吸收波長0.2m大氣散射大氣散射n輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向發(fā)

13、生改輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向發(fā)生改變，向各個方向散開變，向各個方向散開n太陽輻射通過大氣二次影響增加了信號中的噪聲成太陽輻射通過大氣二次影響增加了信號中的噪聲成分，造成遙感圖像質(zhì)量的下降分，造成遙感圖像質(zhì)量的下降n大氣散射的三種情況：大氣散射的三種情況：瑞利散射瑞利散射：當大氣中粒子的直徑比波長小得多時發(fā)生的散射；：當大氣中粒子的直徑比波長小得多時發(fā)生的散射；主要由大氣中的原子和分子引起。散射強度與波長的四次方主要由大氣中的原子和分子引起。散射強度與波長的四次方成反比。天為什么是藍的？日出日落時天空是橙紅色？成反比。天為什么是藍的？日出日落時天空是橙紅色？米氏散射米氏散射：當大氣

14、中粒子的直徑與波長相當時發(fā)生的：當大氣中粒子的直徑與波長相當時發(fā)生的散射；主要由大氣中的煙塵、小水滴和氣溶膠引起。散射；主要由大氣中的煙塵、小水滴和氣溶膠引起。散射強度與波長的二次方成反比。米氏散射在光線前散射強度與波長的二次方成反比。米氏散射在光線前進方向比向后方的散射更強。進方向比向后方的散射更強。非選擇性散射非選擇性散射：當大氣中粒子的直徑比波長大得多時發(fā)：當大氣中粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射；散射強度與波長無關(guān)生的散射；散射強度與波長無關(guān) 。 -云霧中水滴粒子的直徑與可見光相比；云霧中水滴粒子的直徑與可見光相比； 云為什么是白色的？云為什么是白色的？ 大氣散射作用與波長的關(guān)系：在

15、微波波段，由于微波波長遠大于云層中水滴的直徑，因而屬于瑞利散射類型；此時，散射強度與波長的四次方成反比，散射強度相對很弱，透射能力很強，故微波具有穿透云霧的能力。大氣的折射率大氣的折射率與大氣密度有關(guān)，密度越大折射率越大。與大氣密度有關(guān)，密度越大折射率越大。因而，電磁波（太陽輻射）在大氣中的傳播軌跡是一因而，電磁波（太陽輻射）在大氣中的傳播軌跡是一條曲線。條曲線。大氣的折射與反射大氣的折射與反射大氣反射大氣反射主要發(fā)生在云層頂部，并與云量密切相主要發(fā)生在云層頂部，并與云量密切相關(guān)。被動遙感應(yīng)盡量選擇無云的天氣接收遙感信關(guān)。被動遙感應(yīng)盡量選擇無云的天氣接收遙感信號號大氣窗口的光譜段及應(yīng)用：大氣窗

16、口的光譜段及應(yīng)用： 0.3 1.3 紫外紫外 近紅外，遙近紅外，遙感攝影成像的最佳波段，衛(wèi)星掃描成像常用波段，感攝影成像的最佳波段，衛(wèi)星掃描成像常用波段，TM1-4, 大氣窗口大氣窗口將電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射的、透過將電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射的、透過率較高的波段稱為大氣窗口。率較高的波段稱為大氣窗口。1.51.5 1.8 和和 2.02.0 3.5 近近中紅外，白天衛(wèi)星掃描中紅外，白天衛(wèi)星掃描成像的常用波段。成像的常用波段。TM5-7,探測植物含水量、云，探測植物含水量、云，3.53.5 5.5 中紅外，該波段除了反射外，還有地物熱輻射。中紅外，該波段除了反射

17、外，還有地物熱輻射。NOAA衛(wèi)星的衛(wèi)星的AVHRR傳感器，探測海面溫度，獲得晝夜云圖，傳感器，探測海面溫度，獲得晝夜云圖，8 14 遠紅外，主要來自地物熱輻射的能量，適于夜間遠紅外，主要來自地物熱輻射的能量，適于夜間成像成像0.8 2.5 c微波，穿透云霧能力強，可以全天候觀測，是主微波，穿透云霧能力強，可以全天候觀測，是主動遙感方式，如側(cè)視雷達。動遙感方式，如側(cè)視雷達。遙感導(dǎo)論遙感導(dǎo)論5 5、地球的輻射、地球的輻射n地球自身的輻射主要集中在長波波段，地球自身的輻射主要集中在長波波段，即即6以上的熱紅外區(qū)，該區(qū)段太陽輻以上的熱紅外區(qū)，該區(qū)段太陽輻射的影響可以忽略不計射的影響可以忽略不計.n地球

18、輻射只考慮地表物體自身的熱輻地球輻射只考慮地表物體自身的熱輻射射.n地球輻射近似于溫度為地球輻射近似于溫度為300K的黑體輻的黑體輻射射.地球的輻射示意圖 地球表面的發(fā)射輻射能量集中于中紅外波段和熱紅外波段；地球表面的發(fā)射輻射能量集中于中紅外波段和熱紅外波段；在熱紅外波段，地球的發(fā)射輻射能量遠遠大于太陽的電磁輻在熱紅外波段，地球的發(fā)射輻射能量遠遠大于太陽的電磁輻射能量，通常稱射能量，通常稱地球的發(fā)射輻射為熱輻射地球的發(fā)射輻射為熱輻射。 溫度為溫度為300K的黑體，其電磁輻射的波長范圍的黑體，其電磁輻射的波長范圍2.550。地球表面的熱輻射特征地球表面的熱輻射特征 地球表面的熱輻射（能量）與自身

19、的發(fā)射率、波地球表面的熱輻射（能量）與自身的發(fā)射率、波長、溫度有關(guān)：長、溫度有關(guān)： M（，T）= （ ，T） M0（ ，T） 發(fā)射光譜曲線：某種地物的發(fā)射率隨波長發(fā)射光譜曲線：某種地物的發(fā)射率隨波長變化曲線。變化曲線。 由于地表溫度的日變化，熱紅外遙感應(yīng)在一由于地表溫度的日變化，熱紅外遙感應(yīng)在一天中的何時進行？天中的何時進行？n在可見光與近紅外波段（在可見光與近紅外波段（0.3 - 2.5 0.3 - 2.5 ) )，地表物體自身的熱輻射近似于零，地表物體自身的熱輻射近似于零，因此地物因此地物發(fā)出的波譜主要是發(fā)出的波譜主要是以反射太陽輻射為主以反射太陽輻射為主。n研究地面物體為太陽輻射的反射特

20、性，是遙感研究地面物體為太陽輻射的反射特性，是遙感圖像判讀和解譯的關(guān)鍵。圖像判讀和解譯的關(guān)鍵。四、地物的反射光譜特征四、地物的反射光譜特征1、地地物物反反射射率率實際物體的反射實際物體的反射2、不同地物的反射光譜特征近紅外近紅外(0.76-1.3微米微米)反射率最大。這是綠反射率最大。這是綠色植物的獨有特征。色植物的獨有特征。0.38-0.76微米，綠色植物對藍光微米，綠色植物對藍光(0.45)和紅光和紅光(0.67)吸收作用強，對綠光吸收作用強，對綠光(0.55)反射作用強。反射作用強。1.3-2.5微米，水吸收作用加強，反射減弱。微米，水吸收作用加強，反射減弱。綠色植物綠色植物土壤反射在近紅外波段土壤反射在近紅外波段(0.76-2.5微米微米)明顯但差異大且沒有波峰。明顯但差異大且沒有波峰。土壤顆粒越細，反射率越大。粉砂可達土壤顆粒越細，反射率越大。粉砂可達90%以上。以上。有機質(zhì)含量越高和含水量越高，反射率越小。如腐泥有機質(zhì)含量越高和含水量越高，反射率越小。如腐泥10。土壤土壤水體水體水體反射主要在藍水體反射主要在藍綠光綠光(0.45-0.55)。因此水體在近紅外因此水體在近紅外波段影像上呈黑色。波段影像上呈黑色。葉綠素含量高的葉綠素含量高的水體，藍光反射水體，藍光