第二章.遙感物理基礎(chǔ)

第二章遙感物理基礎(chǔ)地球上每一個物體都在不停地吸收、發(fā)射和反射信息和能量，其中有一種人類已經(jīng)認(rèn)識到的形式——電磁波。不同的物體具有不同的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)；由此導(dǎo)致其電磁波譜特征（特征光譜）不同。遙感就是根據(jù)這個原理來探測地表物體對電磁波的反射和其發(fā)射的電磁波，從而提取這些物體的信息，完成遠(yuǎn)距離識別物體。不同地物的光譜曲線不同。同一種物體在不同的情況下，在各波段的反射率也不同。第一節(jié)電磁波與電磁波譜

不同類型的地物具有反射或輻射不同波長電磁波的特性，遙感技術(shù)是利用地物反射和輻射電磁微波的固有特性來探測地面目標(biāo)的。因此，關(guān)于電磁波輻射的基本原理就成為遙感技術(shù)的理論基礎(chǔ)。本章僅從“遙感”的角度簡述一些有關(guān)問題。

一、電磁波

電磁波是能量的一種動態(tài)形式。只有當(dāng)它與物質(zhì)相互作用時才表現(xiàn)出來。

在自然界中，無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波，不過它們產(chǎn)生的方式不同，波長也不同。

根據(jù)電磁場理論，變化的電場能夠在它的周圍激起磁場的變化，同樣，變化的磁場也能夠在它周圍激起電場的變化，這種交變的電磁場在空間由近及遠(yuǎn)的傳播過程稱為電磁波。

電磁波具有波粒二象性，即既有波動性，又有微粒性，而與遙感關(guān)系較為密切的是其波動性。這種波動性主要表現(xiàn)在電磁波可以產(chǎn)生干涉（使影像產(chǎn)生顆粒狀或斑點，影響人們對圖像的解譯）、衍射（影響接收效果）、偏振（影響微波圖像的灰度）及散射等物理現(xiàn)象。電磁波的波動性，通常以波長（λ）、波速（C）、周期（T）或頻率（f）來描述。電磁波在空中的傳播速度為3＊108m/s，因而有：λ＝C·T＝3＊108·T＝3＊108／f在遙感應(yīng)用中，經(jīng)常用到的是波長和頻率。輻射：電磁波在空間中的傳播叫做電磁輻射，簡稱輻射。電磁波也可以叫做輻射。輻射按其形式可分為發(fā)射輻射、入射輻射、反射輻射、透射輻射、散射輻射等。

二、電磁波譜將各種電磁波按波長的大?。ɑ蝾l率的高低）依次排列成圖表，就稱為電磁波譜。按波長從短到長可分為：電磁波譜各種電磁波的特點

γ射線X射線

紫外線

可見光

紅外線

微波

無線電波

0.01～0.38μm0.76～1000μm0.38～0.76μm1000μm～1.0m可見光可初分為：藍(lán)0.38～0.50μm，綠0.50～0.60μm，紅0.60～0.76μm。三、目前遙感應(yīng)用的各波段及特點紫外線(UV)：0.01-0.4μm，碳酸鹽巖分布、水面油污染?？梢姽猓?.4-0.76μm，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段。紅外線(IR)：0.76-1000μm。近紅外0.76-3.0μm’中紅外3.0-6.0μm；遠(yuǎn)紅外6.0-15.0μm；超遠(yuǎn)紅外15-1000μm。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動與被動之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

第二節(jié)太陽輻射與大氣窗口

在地球環(huán)境中，太陽是一個最強大的輻射源，目前遙感技術(shù)中所用的可見光波段，近紅外波段的能量來源主要來自太陽。地球本身也是天然電磁輻射源，是目前熱紅外遙感的主要輻射源。一、太陽輻射和大地輻射下圖表示了太陽輻射的光譜特性。其中，上面那條連續(xù)曲線給出了地球大氣層以上的粗略的太陽光譜輻照度，輻照度的極大值位于波長0.47μm處。太陽輻射總能量的25％，在波長小于0.47μm處的譜段內(nèi)，總能量的46％在0.47～0.76μm的可見光譜段。圖中最下面那條曲線表示海平面上太陽光直射時的輻照度，兩條曲線之間的差值，表示大氣散射和吸收引起的衰減。

太陽與地表輻射的電磁波譜太陽輻射及其能量分布1）5900K的黑體輻射。

2）短波輻射（太陽輻射總能量的40％集中于0.4－0.76um的可見光范圍內(nèi)，51％在紅外部分）

太陽與地表輻射的電磁波譜地球是另一個大的天然電磁輻射源。地球除以反射太陽輻射的方式以外，還以火山噴發(fā)、溫泉和大地?zé)崃鞯榷喾N形式，向宇宙空間不斷地輻射熱能。地球輻射能量集中在中紅外（3～6μm）及熱紅外（6～15μm）譜段，其峰值波長在9.7μm處。太陽輻射波譜曲線與地球的輻射曲線在約3μm處相交。由此可知，當(dāng)人們對地面目標(biāo)進(jìn)行遙感時，傳感器接收到的波長小于3μm部分，主要是地物反射太陽輻射的能量；波長大于3μm部分，主要是地物自身的發(fā)射輻射（熱輻射）能量。

太陽、地物和人工發(fā)射輻射電磁波，都要通過地球大氣。而大氣作為一種傳輸介質(zhì)，對電磁輻射的影響主要表現(xiàn)為散射與選擇性吸收，致使電磁輻射強度減弱，其光譜成分也發(fā)生一定的變化。這種影響通常以衰減因數(shù)來衡量。即：

σ0＝α＋γσ0—衰減因數(shù)α—吸收系數(shù)γ—散射系數(shù)

散射系數(shù)γ取決于大氣中氣體分子、液態(tài)和固態(tài)雜質(zhì)的散射；吸收系數(shù)α取決于大氣中氣體分子的吸收。γ與α隨波長不同而變化。在可見光波段以散射為主，紅外波段以吸收為主。

二、大氣的作用（一）大氣散射

1、瑞利散射

當(dāng)微粒直徑小于波長時，d﹤﹤λ時，一般認(rèn)為（d<λ/10）散射系數(shù)與λ4成反比，

可見，波長越短，散射越強。

大氣中的氣體分子;晴朗的天空為藍(lán)色；出現(xiàn)藍(lán)色蒙霧，紫外區(qū)不適于進(jìn)行遙感

主要影響短波波段，主要是使傳感器接收到的能量加上一個常數(shù)，這就造成圖像反差變小，模糊。

瑞利散射強度與波長的關(guān)系

太陽輻射經(jīng)過大氣才能入射到達(dá)地面，地面對太陽輻射的反射也要經(jīng)過大氣才能到達(dá)遙感平臺，被傳感器接收。

對地球來說，太陽輻射的能量為E，那么經(jīng)過大氣后，到達(dá)目標(biāo)A時，EA=τβ·E，經(jīng)反射后，再次經(jīng)過大氣：

Ls=ρA·τz·EA=ρA·τz·τβ·E

Ls表面反射的輻射率。

傳感器接收到：L＝Ls+LA=τz·τβ·E·ρ+LA

衛(wèi)星EA大氣La—散射輻射質(zhì)點直徑和電磁波波長差不多時（d≈

λ）

2非選擇性散射主要是大其中的氣溶膠引起的散射。

云、霧等的懸浮粒子的直徑和0.76－15um之間的紅外線波長差不多，需要注意。

（二）大氣吸收

大氣吸收電磁輻射的主要物質(zhì)是：水、二氧化碳和臭氧。1）水：分為氣態(tài)水和液態(tài)水水汽吸收電磁輻射的波段范圍較寬，從可見光、紅外直至微波，都有水汽的吸收帶。液態(tài)水的吸收更強，主要在長波方向。2）二氧化碳主要在紅外區(qū)。1.35－2.85um之間有3個弱吸收帶，2.7，4.3，14.5um為強吸收帶。3）臭氧紫外線4）其它吸收電磁波的物質(zhì)

氧氣主要吸收波長小于0.2um的，

塵埃吸收作用很少。

（三）反射作用主要是大氣中的云層，大的塵埃。

云量越多、云層越厚，

反射越強。

大氣對太陽輻射的衰減總體規(guī)律：大氣吸收15％，

散射和反射42％，其余43％

太陽輻射到達(dá)地面。又一說：大氣吸收17％，

散射22％，反射30％，其余31％

太陽輻射到達(dá)地面。

太陽輻射經(jīng)大氣衰減圖（四）大氣窗口大氣窗口：電磁波在大氣中傳輸過程中損耗較小，透射率很高的波段。

要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。

常用大氣窗口1）0.3－1.4um：包括全部可見光（95％），部分紫外光（70％），部分近紅外光（80％）。攝影和掃描成像的方式在白天感測和記錄目標(biāo)電磁波輻射信息。2）1.4－2.5um：近紅外窗口，60％－95％，掃描成像，白天記錄3）3.5－5.5um：中紅外窗口，60％－70％，白天夜間，掃描成像記錄4）8－14um：遠(yuǎn)紅外窗口，超過80％，白天夜間，掃描記錄5）1.4－300mm：

微波窗口，

白天夜間，掃描記錄。

一、地物波譜特征的概念地物波譜特征是指各種地物各自所具有的電磁波特性（反射、發(fā)射、吸收、透射）。

任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。地物的這種特性稱為：地物的光譜特性。任何物體對外來電磁波均有反射、吸收和透射作用。同時任何物體只要其溫度高于絕對零度，都會不斷向外界發(fā)射電磁波（熱輻射）。在入射電磁波與反射、吸收和透射電磁波之間，據(jù)能量守恒原理，為：ρ＋α＋τ＝100％式ρ—反射率α—吸收率τ—透射率第三節(jié)地物波譜特征∵任何物體的發(fā)射率總是等于它同溫度同波段的吸收率即α（λT）＝ε（λT）α＝ε對于不透明的物體來說，可以認(rèn)為τ（λ）＝0則ρ（λ）＝1－α（λ）∴ρ＝1－ε則ε＝1－ρ即各種地物發(fā)射電磁波的特性可以通過間接地測試各種地物反射電磁波的特性得到。正因為各種地物反射、發(fā)射電磁波能力各不相同，才構(gòu)成遙感據(jù)以探測和識別各種目標(biāo)物的依據(jù)。二、地物反射波譜特征（一）地物反射波譜特性對于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。

當(dāng)電磁波從較稀疏的空氣介質(zhì)入射到較密介質(zhì)時，將產(chǎn)生反射。依照界面的平滑程度不同，有鏡面反射、漫反射和混合反射三種情況。一般用反射率來表示地物反射能力。通常反射率定義為物體的反射能量與入射能量之比。即：ρ＝Eρ／E顯然，反射率高，在遙感圖像上就越亮，反之則越暗。因為波長不同，同一地物其反射率也不同。遙感中更常用的是光譜反射率。光譜反射率：地物在某波段的反射能量與該波段的入射能量之比即ρλ＝Eρλ／Eλ

地物反射波譜特性：地物波譜反射率隨波長變化而改變的特性。地物反射特性曲線：將地物的波譜反射率與波長的關(guān)系在直角坐標(biāo)系中描繪出的曲線。通常以橫坐標(biāo)代表波長，縱坐標(biāo)代表光譜反射率所作出的相關(guān)曲線來表示

對同一地物來說，其它條件相同的情況下，由于入射波長不同，反射率也不同。同時，對同一入射波長來說，不同物質(zhì)其反射率也不同。任何物體均有其自己獨特的反射波譜曲線形態(tài)，遙感圖像的解譯工作就是建立在這個基礎(chǔ)上的。（二）幾類常見地物反射波譜特性１、雪２、沙漠３、濕粘土４、植被５、水體６、土壤7、巖石不同植物光譜曲線比較植被的病蟲害時間特征印度安州土壤樣品波譜曲線（在相同溫度條件下測量反射率）幾種巖石類型的光譜特征（三）影響地物反射波譜特征的因素１、水份２、礦物成份３、可溶鹽量４、風(fēng)化作用５、表面結(jié)構(gòu)６、季節(jié)、植被覆蓋7、產(chǎn)狀、坡向8、其它：如時間、氣候條件等磁鐵礦（Fe3O4）與赤鐵礦的發(fā)射波譜三、地物發(fā)射波譜特征任何物體只要它的溫度在絕對零度以上，就存在著分子的熱運動，它能夠不斷地向外發(fā)射電磁波。在紅外波段這種輻射則為熱輻射。地物的電磁波發(fā)射能力主要與它的溫度有關(guān)。為了衡量地物發(fā)射電磁波能力的大小，常以黑體輻射作為度量的標(biāo)準(zhǔn)。１、黑體是指能夠在熱力學(xué)定律所允許的范圍內(nèi)，最大限度地把熱能轉(zhuǎn)變成輻射能的理想輻射體?；蛘哒f能全部吸收外來電磁波輻射而毫無反射和透射能力的理想物體。黑體的熱輻射稱為黑體輻射。

２、黑體輻射定律(1)普朗克定律1900年，普朗克用量子論的概念推導(dǎo)出黑體的熱輻射定律，闡明了黑體輻射的能量做為溫度的函數(shù)沿波長分布的情況

式中：wλ——黑體輻射能量

w/m3h——普朗克常數(shù)（h=6.626*10-34w/s2）k——波耳滋曼常數(shù)（k=1.38*10-23w?s/k）λ——波長，mC——光速(C=3*108m/s)T——黑體的絕對溫度K從上式可以看出wλ與T和輻射能量的波長λ有關(guān)。以T為第一變量，λ為第二變量可在直角平面坐標(biāo)系中繪出wλ與T、λ的關(guān)系曲線。該曲線也叫做黑體的波譜輻射曲線。變化特點：(1)輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，只有一個最大值；(2)溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不相交；(3)隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動。(2)維恩定律峰值波長與絕對溫度的關(guān)系。對普朗克公式微分并求極值：得λmax·T＝2897.8μ·K上式表明，黑體輻射的峰值波長與絕對溫度溫度T成反比，即溫度越高，λmax愈小，即向短波方向移動。例：太陽看作具6000K的黑體，其輻射的峰值波長λmax＝0.5μm地球表面平均溫度為27℃(即300K)λmax＝9.6μ由圖中可以看出黑(物)體輻射能量區(qū)別最明顯處就在其λmax附近,所以通過記錄某物體的λmax處的輻射特性來識別它最為便利.維恩定律為識別特定物體而設(shè)計遙感器的響應(yīng)波段提供了理論基礎(chǔ)..(3)斯蒂芬—玻耳茲曼定律將普朗克公式對波長從零到無窮大范圍內(nèi)作積分求得上式表明黑體輻射能量與絕對溫度四次方成正比.即溫度越高,黑體輻射的能量愈大,被遙感器記錄的能量也愈大;反之亦然.這說明不同溫度的物體具有不同的輻射能量,記錄下它們之間的輻射能量差別就為區(qū)別它們提供了基礎(chǔ).這也是在遙感圖像上識別不同物體的基礎(chǔ).3、基爾霍夫定律在任何一個給定的溫度下，任何一個物體的發(fā)射能量W(T)與其吸收率α(T)之比都等于在同一溫度T下的黑體的發(fā)射能量W黑(T).即由上式可導(dǎo)出下式這表明任何一個物體在溫度T下的發(fā)射率ε(T)都等于它在此同一溫度T下的吸收率α(T)。對于物體在溫度T下所發(fā)射或吸收的每個單色波長分量而言，以上兩式也成立。即以上四式都是基爾霍夫定律的表達(dá)式。由基爾霍夫定律可知，任一物體在某溫度下、某波長處的光譜發(fā)射率ε(λ,T)與光譜吸收率α(λ,T)永遠(yuǎn)相等。4、地物發(fā)射率與三大發(fā)射體地物的發(fā)射率是地物的發(fā)射能量與同一溫度下的黑體發(fā)射能量的比值ε(T)＝W(T)/W黑(T)按照發(fā)射率（恒等于吸收率）的大小及其與波長的關(guān)系，可以把物體分為三類：①絕對黑體：在任何溫度下對任何波長的電磁波的光譜發(fā)射率恒等1的物體。②灰體：在任何溫度下對任何波長的電磁波的光譜發(fā)射率都小于1，且不隨波長而變化的物體。③選擇性輻射體：光譜發(fā)射率隨波長而變化的物體5、地物發(fā)射波譜地物的光譜發(fā)射率與波長的關(guān)系叫做地物發(fā)射光譜，用來表示地物發(fā)射波譜的曲線叫做地物發(fā)射波譜曲線。6、影響地物發(fā)射波譜的因素：①地物的物質(zhì)成份②地物表面的粗糙度③地物表面的顏色④地物表面的形態(tài)特征第四節(jié)色度學(xué)一、三原色三原色：任何一種單色光不能通過其它兩種混合而成。即紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）１、加色法→三間色R+G＝Y(jié)(黃)G+B＝C(青)黃、青、品紅為三間色R+B＝M(品紅)R+G+B＝W(白)

兩種原色按照等量疊加得到一種補色。三原色等量疊加得到

白光。如果兩種色光疊加后得到

白光（黑光），則稱這兩種色為互補色。非互補色不等量疊加得到兩者之間的中間色。紅（多）＋

綠（少）＝

橙色紅（少）＋

綠（多）＝

黃綠色２、減色法→互補色白光－三原色中任何一種→互補色W-R＝G+B＝C(青)紅、青為互補色