第2章-遙感物理基礎-2012春

王紅平第二章遙感物理基礎遙感物理基礎--內(nèi)容提要電磁波基礎表征電磁輻射的物理量物體的發(fā)射輻射地物的反射輻射地物波譜特性的測定1、電磁波原理2.1電磁波電磁波、機械波（聲波）、重力場、地磁場都可以用作遙感，但一般而言，遙感是指電磁波遙感。遙感之所以能夠根據(jù)收集到的電磁波來判斷地物目標和自然現(xiàn)象，是因為一切物體，由于其種類、特征和環(huán)境條件的不同，而具有完全不同的電磁波反射或發(fā)射輻射特征。2.1.1電磁波麥克斯韋電磁場理論電磁波是一種橫波電磁波幾個重要性質(zhì)單色波可以用波函數(shù)來描述，是一個時空周期性函數(shù)，振幅、相位、波長。一般成像：記錄振幅全息成像：記錄振幅和相位干涉衍射偏振干涉凡是單色波都是相干波微波遙感中的雷達也是應用了干涉原理成像的，其影像上會出現(xiàn)顆粒狀或斑點狀的特征，這是一般非相干的可見光影像所未有的，對微波遙感的判讀意義重大。INSAR利用干涉原理成像衍射光通過有限大小的障礙物時偏離直線路徑的現(xiàn)象稱為光的衍射。研究電磁波的衍射現(xiàn)象對設計遙感傳感器和提高遙感圖像的幾何分辨率具有重要意義。偏振橫波在垂直于波的傳播方向上，其振動矢量偏于某些方向的現(xiàn)象。偏振在微波技術(shù)中稱為“極化”，一般有四種極化方式。遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達成像就利用了電磁波的偏振這一特性。2.1.2電磁波波譜遙感信息獲取，一般指收集、探測、記錄地物的電磁波特征，即地物的發(fā)射、輻射或反射電磁波特性。由于電磁波傳播的是能量，實際上也是記錄輻射能量的過程。電磁波具有不同的頻率和波長，因而具有不同的特性。電磁波譜電磁波信號是遙感研究的對象，區(qū)分電磁波特性的主要因子之一是波長（頻率），電磁波依據(jù)波長軸線的分布稱為電磁波譜。紫外可見近紅外中紅外熱紅外微波0.3μm1.0μm3.0μm10.0μm100%0%大氣透過率XCSLPKKaKu大氣窗口1mm1cm1m遙感應用的光譜范圍電磁波譜的范圍非常寬，從波長最短的射線到最長的無線電波，波長之比高達。遙感采用的電磁波可以從紫外線一直到微波波段。遙感就是根據(jù)感興趣的波譜特性，選擇相應的電磁波段，通過傳感器探測不同的電磁波譜的發(fā)射或反射能量而成像的。2、表征電磁輻射物的理量2.2表征電磁輻射的物理量立體角輻射能量Q輻射通量Φ(radiantflux)輻射通量密度E(irradiance)M(radiantexitance)輻射強度I(radiantintensity)輻射亮度L(radiance)分譜輻射通量2.2.1立體角Ω立體角表示為錐體所攔截的球面積A與半徑r的平方之比：立體角（Ω）的單位是球面度（Sr）dA問：球的立體角為多少？2.2.2輻射能量Q電磁輻射是具有能量的，它表現(xiàn)在：使被輻照的物體溫度升高改變物體的內(nèi)部狀態(tài)使帶電物體受力而運動……輻射能量（Q）的單位是焦耳（J）2.2.3輻射通量(radiantflux)Φ在單位時間內(nèi)通過的輻射能量稱為輻射通量：Φ=Q/t輻射通量（Φ）的單位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）2.2.4輻射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M單位面積上的輻射通量稱為輻射通量密度：E輻照度=Φ/AM輻出度=Φ/A輻射通量密度的單位是瓦/米2（W/m2）輻射源輻射照射度輻射出射度被輻照物輻射體法向2.2.5輻射強度(radiantintensity)I輻射強度是描述點輻射源的輻射特性的，指在某一方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量：I=Φ/Ω輻射強度（I）的單位是瓦/球面度（W/Sr）輻射強度點輻射源Ω=A/R22π、4π各向同性源？2.2.6輻射亮度(radiance)L單位面積、單位波長、單位立體角內(nèi)的輻射通量稱為輻射亮度。L=3Φ/AλΩ輻射亮度（L）的單位是瓦/米2?微米?球面度（W/m2

?

μm?Sr）亮度L面輻射源θ立體角ΩA圖中出射輻射亮度是多少？L與I，M存在什么關系呢？根據(jù)上面式（1），可知：如果L在2π空間取值恒定，則I在2π空間的變化如圖所示。其中ox代表物體所在的水平面，on為其法線方向，oa的長度對應θ方向的I值，ob的長度代表L值對于朗伯體而言，因為L具有各向同性的性質(zhì)，所以所以，對于朗伯體，其出幅度為輻射量度的π倍2.2.7分譜輻射通量輻射通量是波長λ的函數(shù)，單位波長間隔內(nèi)的輻射通量稱為分譜輻射通量：Φλ=Φ/λ分譜輻射通量的單位是瓦/微米（W/μm）λ1-λ2間隔內(nèi)的

Φ(λ1-λ2)?總輻射通量Φ

？輻射通量波長分譜？？？分譜輻射通量分譜輻照度、分譜輻出度分譜輻射強度“分譜”兩字可以忽略輻射度量一覽表基本輻射量總結(jié)表征輻射的物理量很多：能量、通量、密度、強度、亮度，以及譜（分譜）……需要注意的是：文獻中的稱謂不盡相同，關鍵看單位最重要的是密度（通量）和亮度凡是涉及面積的都要注意使用法向面積，即cosθ3、物體的發(fā)射特性2.3物體的發(fā)射輻射黑體輻射太陽輻射大氣對輻射的影響一般物體的發(fā)射輻射2.3.1黑體輻射1860年基爾霍夫：好的吸收體也是好的輻射體。絕對黑體——任何波長的電磁輻射全部吸收。一個不透明的物體，對反射到它上面的電磁波只有光譜吸收率和光譜反射率，二者之和恒等于1。絕對黑體：絕對白體：普朗克定律1900年普朗克用量子理論推導出普朗克定律黑體輻射通量密度與溫度、波長的關系滿足普朗克定律：Planck’sLaw黑體輻射特性（1）與曲線下得面積成正比的總輻射通量密度W是隨溫度T的增加而迅速增加，總輻射通量密度W可在從0到無窮大的波長范圍內(nèi)。對普朗克公式進行積分，可得到面積的黑體輻射到半球空間里的總輻射通量密度的表達式是：黑體輻射特性（2）分譜輻射能量密度的峰值波長隨溫度的增加向短波方向移動，微分普朗克公式，并求極值。維恩位移定律。它表明：黑體的絕對溫度增高時，它的最大輻射本領向短波方向位移。若知道了某物體溫度，就可以推算出它所輻射的波段。在遙感技術(shù)上，常用這種方法選擇傳感器和確定對目標物進行熱紅外遙感的最佳波段。黑體輻射特性（3）每根曲線彼此不相交，故溫度T越高，所有波長上的波譜輻射通量密度也越大。在波長大于1mm的微波波段，

，近似得出：在微波波段，黑體的微波輻射亮度與溫度的一次方成正比。2.3.2太陽輻射太陽是被動遙感最主要的輻射源，遙感傳感器從空中或空間接收地物反射的電磁波。地球系統(tǒng)的能量絕大多數(shù)（>99%）來源于太陽。太陽輻射5%紫外線45%可見光50%紅外線輻射源自然輻射源太陽輻射：可見光和近紅外的主要輻射源常用5900K的黑體輻射來模擬大氣層對太陽輻射的吸收、反射和散射地球的電磁輻射：近似300K的黑體輻射。小于的波長主要是太陽輻射的能量；大于的波長主要是地物自身的熱輻射；之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。人工輻射源微波輻射源：0.8--30cm激光輻射源：激光雷達（測定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測量地形等）。太陽輻射照度分布曲線太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位內(nèi)，垂直于太陽光輻射的方向上，單位面積單位時間黑體所接收的太陽輻射能量：太陽輻射的光譜是連續(xù)的，它的輻射特性與絕對黑體的輻射特性基本一致。被動遙感主要利用可見光、紅外等穩(wěn)定輻射，因而太陽的活動對遙感沒有太大影響，可以忽略。太陽輻射的特點太陽光譜是連續(xù)的。輻射特性與黑體基本一致。紫外到中紅外波段區(qū)間能量集中、穩(wěn)定。主要利用課可見光、紅外波段等穩(wěn)定輻射。海平面處的太陽輻射照度分布曲線與大氣層外曲線有很大不同，這主要是地球大氣層對太陽輻射的吸收和散射造成的。2.3.3大氣對輻射的影響當電磁波在介質(zhì)中傳播時，會發(fā)生散射(scattering)和吸收(absorption)，其中散射又分為反射(reflection)和透射(transmission)。ρ+τ+α=1（無自身發(fā)射）大氣的垂直分布大氣對太陽輻射的吸收在紫外、紅外與微波區(qū)，電磁波衰減的主要原因是大氣吸收。主要成分：氧氣、臭氧、水、二氧化碳。大氣吸收的影響主要是造成遙感影像暗淡。大氣對紫外線有很強的吸收作用，因此，現(xiàn)階段中很少使用紫外線波段。大氣對太陽輻射的散射在可見光波段范圍內(nèi)，大氣分子吸收的影響很小，主要是散射引起的衰減。太陽輻照到地面又反射到傳感器的過程中，二次通過大氣，傳感器所接收到的能量除了反射光還增加了散射光。二次影響增加了信號中的噪聲部分，造成遙感影像質(zhì)量的下降。散射的方式隨電磁波波長與大氣分子直徑、氣溶膠微粒大小之間的相對關系而變，散射類型包括：米氏散射均勻散射瑞利散射氣溶膠氣溶膠粒子是指懸浮在大氣中的直徑1/1000~100微米的固體、液體粒子。大氣中德氣溶膠粒子的自然來源主要是海洋、土壤和生物園以及火山等。氣溶膠大多集中在底層大氣0~4km范圍內(nèi)。由于地球重力作用，氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減，氣溶膠顆粒尺度與可見光波長相當，故它對光的散射作用屬于米氏散射。散射類型假設不均勻顆粒直徑為a，入射波長為米氏散射均勻散射瑞利散射散射強度與波長的關系藍光散射較強紅光散射較弱大氣對太陽輻射的反射由于大氣層中有云層，當電磁波到達云層時，就像到達其他物體界面一樣，不可避免地要產(chǎn)生反射現(xiàn)象，這種反射同樣滿足反射定律。各波段受到不同程度的影響，削弱了電磁波到達地面的強度，因此應盡量選擇無云的天氣接收遙感信號。四川省江油市大氣窗口太陽輻射在到達地面之前穿過大氣層，大氣折射只是改變太陽輻射的方向，并不改變輻射的強度。但是大氣反射、吸收和散射的共同影響卻衰減了輻射強度，剩余部分才為透射部分。不同電磁波段通過大氣后衰減的程度是不一樣的，因而遙感所能夠使用的電磁波是有限的。有些大氣中電磁波通過率很小，甚至完全無法透過電磁波。這些區(qū)域就難于或不能被遙感所使用，稱為“大氣屏障”。反之，有些波段的電磁輻射通過帶起后衰減較小，透過率較高，對遙感十分有利，這些波段通常稱為“大氣窗口”。研究和選擇有利的大氣窗口、最大限度地接收有用信息是遙感技術(shù)的重要課題之一?？梢杂米鬟b感的大氣窗口0.30—1.15微米可見光、部分紫外光、部分近紅外，是遙感技術(shù)應用的最主要的窗口之一。1.3—2.5微米近紅外波段3—5微米中紅外波段8—14微米熱紅外波段1mm—1m微波窗口2.3.4一般物體的發(fā)射輻射自然界中實際物體的發(fā)射和吸收的輻射量都比相同條件下絕對黑體的要低。不僅依賴于波長和溫度，還與構(gòu)成物體的材料、表面狀況等因素有關。我們用發(fā)射率來表示它們之間的關系：。發(fā)射率就是實際物體與同溫度的黑體在相同條件下敷輻射功率之比。發(fā)射率按照發(fā)射率與波長的關系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。灰體：發(fā)射率小于1，常數(shù)。選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長而變化。理想反射體：反射率等于0.影響地物反射率的因素：地物的性質(zhì)表面狀況溫度（比熱、熱慣量）比熱大、熱慣量大、以及具有保溫作用的地物一般發(fā)射率大，反之反射率就小。主要地物的發(fā)射率等效黑體溫度實際測定物體的光譜輻射通量密度曲線并不像描繪的黑體光譜輻射通量密度曲線那么光滑。常常用一個最接近灰體輻射曲線的黑體輻射曲線作為參照，這時的黑體輻射溫度稱為等效黑體輻射溫度（或稱等效輻射溫度）基爾霍夫定律在任一給定溫度下，輻射通量密度與吸收率之比任何材料都是一個常數(shù)，并等于該溫度下黑體的輻射通量密度。任何材料的發(fā)射率都等于其吸收率根據(jù)能量守恒定律對于不透射電磁波的物體

4、地物的反射輻射2.4地物的反射輻射地物的反射類別光譜反射率以及地物的反射光譜特性影響地物光譜反射率變化的因素2.4.1地物的反射類型鏡面反射是指物體的反射滿足反射定律。當發(fā)生鏡面反射時，對于不透明物體，其反射能量等于入射能量減去物體吸收的能量。自然界中真正的鏡面很少，非常平靜的水面可以近似認為是鏡面。漫反射如果入射電磁波波長不變，表面粗糙度h逐漸增加，知道h與。同數(shù)量級，這時整個表面均勻反射入射電磁波，入射到此表面的電磁輻射按照朗伯余弦定律反射。方向反射實際地物表面由于地形起伏，在某個方向上反射最強烈，這種現(xiàn)象稱為方向反射。是鏡面反射和漫反射的結(jié)合。它發(fā)生在地物粗糙度繼續(xù)增大的情況下，這種反射沒有規(guī)律可循。

2.4.2光譜反射率以及地物反射光譜特性光譜反射率反射率是物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比，這個反射率是在理想漫反射體的情況下，整個電磁波長的反射率。實際上由于物體固有的結(jié)構(gòu)特點，對于不同波長的電磁波有選擇的反射，例如綠色植物的葉子由于表皮、葉綠素顆粒組成的柵欄組織和多孔薄壁細胞組織構(gòu)成，入射到葉子上的太陽輻射透過上表皮，藍、紅光輻射能被葉綠素吸收進行光合作用；綠光也吸收了一個部分，但仍反射一部分，所以葉子呈現(xiàn)綠色；而近紅外線可以穿透葉綠素，被多孔薄壁細胞組織所反射。因此，在近紅外波段上形成強反射。反射波譜反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長變化的規(guī)律，以波長為橫坐標，反射率為縱坐標所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線。物體的反射波譜限于紫外、可見光和近紅外，尤其是兩個波段。反射波譜特性曲線正因為不同地物在不同波段有不同的反射率這一特性，物體的反射特性曲線才作為判讀和分類的物理基礎，廣泛地應用于遙感影像的分析和評價中。不同植被光譜反射特性全色圖像不能區(qū)分落葉林和針葉林近近紅外圖像能清晰地區(qū)分落葉林落葉林在近紅外波段上有較高的反射率反射波譜特性曲線同一地物的反射波譜特性時間效應空間效應不同地物的反射波譜特性城市道路、建筑物的反射波譜特性水體的反射波譜特性水體的反射波譜特性土壤的反射波譜特性植物的反射波譜特性巖石的反射波譜特性同一地物的反射波譜特性可以看出花期的春小麥反射率明顯高于灌漿期和乳熟期。黃葉期由于不具備綠色植物特征，其反射光譜近似于一條斜線，這是因為黃葉的水含量降低，導致在1.45微米、1.95微米、2.7微米附近3個水吸收帶的減弱。當葉片有病蟲害時，也有與黃葉期類似的反射率同一春小麥在花期、灌漿期、乳熟期、黃葉期的光譜測試所得的結(jié)果。城市道路、建筑物的反射波譜特性在城市遙感影像中，通常只能看到建筑的頂部和部分建筑物的側(cè)面，所以掌握建筑物材料所構(gòu)成的屋頂?shù)牟ㄗV特性是我們研究