《遙感基礎(chǔ)》課件-項目二 電磁波及遙感物理基礎(chǔ)

遙感技術(shù)應(yīng)用項目二電磁波及遙感物理基礎(chǔ)任務(wù)一電磁波與電磁波譜任務(wù)二物體的發(fā)射輻射任務(wù)三地物的反射輻射任務(wù)四

地物波譜特性的測定主要任務(wù)任務(wù)一電磁波與電磁波譜一、電磁波二、電磁波譜主要內(nèi)容根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，變化的電場能夠在它周圍引起變化的磁場，這一變化的磁場又在較遠(yuǎn)的區(qū)域引起新的變化電場，并在更遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)引起新的變化磁場。這種變化的電場和（一）電磁的定義一、電磁波磁場交替產(chǎn)生，以有限的速度由近及遠(yuǎn)在空間內(nèi)傳播的過程稱為電磁波。其方向是由電磁振蕩向各個不同方向傳播的。

（1）實驗證明，光是一種電磁波，具有電磁波的性質(zhì)，是一種橫波；（2）在真空中以光速傳播；（3）電磁波具有波粒二象性。

光的波動性形成了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象；粒子性特點是能量分布的量子化。電磁波與地面物體之間的相互作用（二）電磁波的性質(zhì)一、電磁波（一）電磁波譜的定義

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。該波譜頻率從高到低排列，可以劃分為γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波。二、電磁波譜1.紫外線：0.01～0.38μm，源于太陽輻射，絕大部分被大氣吸收，應(yīng)用于螢石礦和石油勘探；2.可見光：0.38～0.76μm，源于太陽輻射，遙感的主要波段；3.紅外線：0.76～1mm0.76～3μm，近紅外，主要源于太陽輻射，白天攝影成像；

（二）遙感常用的電磁波波段的特性一、電磁波與電磁波譜3.紅外線：0.76～1mm

3～6μm，中紅外，源于太陽輻射及地物熱輻射，夜晚成像；6μm～1mm，遠(yuǎn)紅外、超遠(yuǎn)紅外，源于地物熱輻射，應(yīng)用于城市熱島、熱污染、熱慣量；4.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?。（二）遙感常用的電磁波波段的特性一、電磁波與電磁波譜項目二電磁波及遙感物理基礎(chǔ)任務(wù)一電磁波與電磁波譜任務(wù)二物體的發(fā)射輻射任務(wù)三地物的反射輻射任務(wù)四

地物波譜特性的測定主要任務(wù)任務(wù)二物體的發(fā)射輻射一、黑體輻射二、太陽輻射三、大氣對輻射的影響四、一般物體的發(fā)射輻射主要內(nèi)容

溫度大于熱力學(xué)溫度0K（-273.15℃）的任何物體都具有發(fā)射電磁波的能力。地球上的物體溫度都大于0K，因此地球上的任何物體都具有發(fā)射電磁波的能力。地物的電磁波發(fā)射能力主要與溫度有關(guān)。為了衡量地物發(fā)射電磁波的能力的大小，常以黑體輻射作為度量的標(biāo)準(zhǔn)。任務(wù)二物體的發(fā)射輻射

為分譜輻射通量密度；h為普朗克常量；k為玻爾茲曼常量，λ波長，c光速，T為熱力學(xué)溫度.表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及按波長分布規(guī)律。黑體輻射定律黑體也稱絕對黑體，是指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。一、黑體輻射輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值；溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同；隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長向短波方向移動。一、黑體輻射二、太陽輻射

輻射源是目標(biāo)物反射電磁波的來源。被動遙感是通過測量目標(biāo)物的反射能量，從而了解地表狀況。太陽是被動遙感最主要的輻射源。地球上的能源主要來自太陽輻射。太陽可以被看做近似6000K的絕對黑體。太陽光譜發(fā)射的能量大部分集中在可見光波段。

遙感過程中對地面物體輻射的探測、收集是在大氣中進(jìn)行的，地物輻射在到達(dá)遙感之前都要穿過厚度不同的大氣層。

例如：可見光遙感，電磁波從太陽照射到地面，再從地面到達(dá)傳感器，此間需要經(jīng)過兩次大氣層，所以大氣對電磁波傳輸過程的影響是遙感需要考慮的問題之一。

大氣對電磁波傳輸過程的影響包括6個方面：反射、散射、吸收、擾動、折射和偏振。對于遙感數(shù)據(jù)來說，主要的影響因素：散射和吸收。三、大氣對輻射的影響

大氣組成：由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。

氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3

懸浮微粒：塵埃1.大氣組成與大氣層結(jié)構(gòu)

由于氣溶膠顆粒的影響，太陽輻射的電磁波在大氣層中傳輸時經(jīng)過大氣的吸收、散射、反射后，剩下的部分穿過大氣層到達(dá)地面。三、大氣對輻射的影響大氣層結(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，航空遙感主要在該層內(nèi)。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(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1000km，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：800～35000km,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本沒影響。1.大氣組成與大氣層結(jié)構(gòu)三、大氣對輻射的影響2.大氣的散射作用太陽輻射在長波過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開。散射作用：改變了電磁波的傳播方向；干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。

大氣散射集中在太陽輻射能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減的主要原因。三、大氣對輻射的影響瑞利散射：

當(dāng)微粒直徑比輻射波長小得多時，此時散射為瑞利散射。散射率與波長的四次方成反比，因此，瑞利散射的強(qiáng)度隨著波長變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4μm的藍(lán)光是4μm紅外線散射的1萬倍。2.大氣的散射作用三、大氣對輻射的影響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11.62.23.34.95.430.0無云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？瑞利散射：2.大氣的散射作用三、大氣對輻射的影響三、大氣對輻射的影響瑞利散射：瑞利散射對可見光的影響較大，對紅外輻射的影響很小，對微波的影響可以不計。2.大氣的散射作用多波段中不使用藍(lán)紫光的原因？三、大氣對輻射的影響米氏散射：

當(dāng)微粒的直徑與輻射波長差不多時的大氣散射。云、霧的粒子大小與紅外線的波長接近，所以云霧對對紅外線的米氏散射不可忽視。2.大氣的散射作用三、大氣對輻射的影響無選擇性散射：

當(dāng)微粒的直徑比輻射波長大得多時所發(fā)生的散射。符合無選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強(qiáng)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？2.大氣的散射作用三、大氣對輻射的影響大氣的吸收作用：

大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）。3.大氣的吸收作用O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強(qiáng)O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶0.5～0.9μm

,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶1.35～2.85μm，2.7μm，4.3μm，14.5μm塵埃吸收量很小三、大氣對輻射的影響4.大氣窗口由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。

大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)。三、大氣對輻射的影響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3.5～5.5μm60～70NOAA的AVHRR遠(yuǎn)紅外8～14μm80TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat4.大氣窗口三、大氣對輻射的影響

地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。它也是遙感探測的基礎(chǔ)和出發(fā)點。

自然界的物體都不是黑體，其發(fā)射率都小于1。一般情況，不同地物有不同的波譜發(fā)射率，同一地物在不同波段的波譜發(fā)射率也不相同。物體的發(fā)射率不僅依賴于波長和溫度，還與各種物體本身不同的材料，表面磨光的程度都有關(guān)系；另外，同一種物體的發(fā)射率還隨著材料的溫度的變化情況。四、一般物體的發(fā)射輻射四、一般物體的發(fā)射輻射

發(fā)射率是一個介于0和1的數(shù)，用于比較此輻射源接近黑體的程度。各種物體根據(jù)發(fā)射率的不同，可為以下幾種類型：①絕對黑體:ελ=ε=1；②灰體:ελ=ε，但0<ε<1；③選擇性輻射體ελ=f(λ）；④理想反射體(絕對白體)：ελ=ε=0。項目二電磁波及遙感物理基礎(chǔ)任務(wù)一電磁波與電磁波譜任務(wù)二物體的發(fā)射輻射任務(wù)三地物的反射輻射任務(wù)四

地物波譜特性的測定主要任務(wù)任務(wù)三地物的反射輻射一、地物的反射類型二、光譜反射率三、地物的反射光譜特性主要內(nèi)容1.鏡面反射指物體的反射滿足反射定律。2.漫反射指不論入射方向如何，雖然反射率與鏡面反射一樣，但反射方向卻是“四面八方”。3.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(qiáng)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。一、地物的反射類型物體對電磁波的反射形式有三種：地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：地物對某一波段的反射能量與入射能量之比。影響地物反射率大小的因素：入射電磁波的波長入射角的大小地表顏色與粗糙度二、光譜反射率地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律。（1）地物反射光譜曲線：

根據(jù)地物反射率與波長之間的關(guān)系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識別地物性質(zhì)的基本原理。三、地物的反射光譜特性三、地物的反射光譜特性（2）不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、沙漠、濕地、小麥的反射光譜曲線。（3）同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。幾種巖石的反射波譜曲線三、地物的反射光譜特性不同植物光譜曲線比較（3）同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。三、地物的反射光譜特性（4）地物的光譜特性具有時間特性和空間特性。不同長勢松樹的反射光譜曲線三、地物的反射光譜特性（4）地物的光譜特性具有時間特性和空間特性。白橡樹葉子不同時間的反射波譜變化三、地物的反射光譜特性項目二電磁波及遙感物理基礎(chǔ)任務(wù)一電磁波與電磁波譜任務(wù)二物體的發(fā)射輻射任務(wù)三地物的反射輻射任務(wù)四

地物波譜特性的測定主要任務(wù)任務(wù)四地物波譜特性的測定一、地物波譜特性測定概念二、地物波譜特性測定原理三、地物波譜特性測定步驟主要內(nèi)容一、地物波譜特性概念

地物波譜特性是指各種地物各自具有的電磁波特性(電磁輻射或反射輻射)。

遙感圖像中灰度與色調(diào)的變化是遙感圖像所對應(yīng)的地面范圍內(nèi)電磁波譜特性的反映。一、地物波譜特性概念

在遙感中，測量地物的反射波譜特性曲線主要有以下三種作用：它是選擇遙感波譜段、設(shè)計遙感儀器的依據(jù)；在外業(yè)測量中，它是選擇合適的飛行時間的基礎(chǔ)資料；它是有效地進(jìn)行遙感圖像數(shù)字處理的前提之一，是用戶判讀、識別，分析遙感影像的基礎(chǔ)。

用光譜測定儀器置于不同波長或波譜段，分別探測地物和標(biāo)準(zhǔn)板，測量、記錄和計算地物對每個波譜