遥感概论第2章遥感的物理基础

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第2章
2.1.1 电磁波谱
电磁波的性质
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
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第2章
2.1.2 电磁波谱
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波谱 电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增 或递减排列构成的图表。
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第2章
2.1.2 电磁波谱
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
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第2章
2.1.1 电磁波谱
电磁波
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波——电磁振动的传播
横波（具有波的一切特征量（波长λ、频率f、周期T、波速V、振幅 A、相位ф等）
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第2章
2.1.1 电磁波谱
电磁波的性质
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
A：是横波； B：不需要介质，在真空中以光速传播； C：满足 c=f×λ E=h×f c—光速 f—频率 λ—波长 h—普氏常数 E—能量 D：波粒二象性——波动性（干涉、衍射、偏振）、粒子性
2.1.4 电磁辐射源
地球辐射
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
太阳辐射近似于温度 为8000K的黑体辐射， 而地球辐射接近300K 的黑体辐射。 太阳辐射出射曲线最 大值对应的波长为 0.47μm，而地球辐射 出射曲线最大值对应 的波长为9.66μm，属 于远红外波段

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第2章
2.1.4 电磁辐射源
激光辐射源在遥感技术中逐渐得到应用。其中应用较为广泛的为激 光雷达。激光雷达使用脉冲激光器，可精确测量卫星的位置、高度、 速度等，也可测量地形、绘制地图、记录海面波浪情况，还可利用 物体的散射及荧光、吸收等性能进行污染监测和资源勘查等。
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第2章
遥感的物理基础
ห้องสมุดไป่ตู้
2.2 物体的发射与反射特征
地物的光谱特性是遥感的主要理论依据，表现在以下几方面： 1）为传感器的工作波段选择提供理论依据： 2）是遥感数据正确分析、判读的理论基础； 3）是利用计算机进行数字图像处理和分类时的参考标准。 地物的特性地物的波谱特性（发射、反射） 传感器接受信号 遥感——逆过程 地物的特性地物的波谱特性（发射、反射） 传感器接受信号
教学大纲
第一章 绪论 第二章 遥感物理基础 第三章 遥感平台 第四章 遥感传感器 第五章 遥感影像及其特征 第六章 遥感图像处理 第七章 遥感图像目视解译 第八章 遥感数字图像计算机解译 第九章 遥感专题制图 第十章 遥感应用 第十一章 高光谱遥感及其应用
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回顾 遥感技术系统
（2）信息获取 遥感传感器
吸收系数与反射系数均为电磁波波长λ与温度T的函数
不同波长的电磁波在不同温度下，吸收系数与反射系数存在差异。
2.2.1发射特征
绝对黑体（黑体）：全部吸收
吸收系数α(λ,T) =1
反射系数ρ (λ,T)=0
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第2章
2.2.1发射特征
遥感的物理基础
2.2 物体的发射与反射特征
黑体辐射特性——辐射特性由温度唯一决定 1）普朗克定律
意义：通过普朗克定律得到两个重要的黑体辐射定律
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第2章
2.2.1发射特征
遥感的物理基础
2.2 物体的发射与反射特征
2）斯忒藩—玻尔兹曼定律 M=σ T4 （绝对黑体总辐射出射度 与黑体温度的关系） M—总辐射出射度 σ—斯忒藩-玻 尔兹曼常数 3）维恩位移定律 λ max· T=b（最强辐射波长与黑体 温度的关系， b =2898） 例如：铁块加热，随着温度的升高，铁块逐渐变热，铁块的颜色从 暗红→橙→黄→白色（向短波方向移动）
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第2章
2.2.2 反射特征
（2）地物的反射率
遥感的物理基础
2.2 物体的发射与反射特征
定义 反射率：地物的反射能量与入射总能量之比，用百分数表 示。 影响因素 入射光的波长、入射角的大小、地物表面粗糙度和颜色。 意义 反射率大的地物 →传感器记录的亮度值大 →图像上色调 浅→遥感图像判读的重要标志
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第2章
2.1.3 电磁辐射的度量
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
辐射源：广义的，不仅是太阳、火炉等发光发热物体。 辐射测量 辐射能量（W）：J 辐射通量（Ø ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，Ø =dW/dt，辐射功率 辐射通量密度（E）：单位时间、单位面积的辐射能量 辐照度（I）：被辐射物体表面的辐射通量密度 辐射出射度（M）：辐射源物体向外发出辐射的辐射通量密度 辐射亮度（L）：辐射源在某一方向、单位投影表面、单位立 体视角内的辐射通量。（与角度有关） 朗伯源：L与角度无关的辐射源。
2.2 物体的发射与反射特征
根据能量守恒定律： 入射总能量=反射能量+透射能量+吸收能量
P0
=
Pρ +
Pα
+
Pτ
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第2章
2.2.2 反射特征
遥感的物理基础
2.2 物体的发射与反射特征
（1）辐射能量到达地表时的三种过程
入射总能量=反射能+透射能+吸收能 P0 = Pρ + Pα + Pτ ↓ ↓ ↓ ↓ 总能量 反射能量 透射能量 吸收能量 令： Pρ/ P0=ρ （反射率） Pα / P0 =α （吸收率） Pτ / P0=τ （透射率） 则： ρ+ α+ τ =1 对于不透明地物， τ =0，则ρ=1 -α 结果表明：地物的ρ高，则α低；反之， α高。 ρ可测， → α可算。
地球辐射
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
地表物体反射的太阳辐射与自身向外发出的辐射共同被 遥感传感器接收
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第2章
2.1.4 电磁辐射源
人工辐射源
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
人工辐射源是指人为发射的具有一定波长（或一定频率） 的波束，主动式遥感采用人工辐射源。工作时根据接收 地物散射该光束返回的后向反射信号强弱，从而探测地 物或测距，称为雷达探测。 雷达可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，侧视 雷达是目前常用的微波遥感方式。 微波辐射源在微波遥感中常用的波段为0.8~30cm。
意义：1）斯定：热红外遥感的理论依据； 2）维定：针对不同的探测目标选择最佳工作波段。
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第2章
2.2.1发射特征
实际物体的辐射
遥感的物理基础
吸收系数α(λ,T) <1 反射系数ρ (λ,T)>0
2.2 物体的发射与反射特征
地物的发射率
一般地物的辐射不适用黑体的辐射定律，一般地物的辐射都比 较小，因此，引进发射率来描述地物的发射能力。
第2章
2.2.1发射特征
地物的辐射波谱特征
遥感的物理基础
2.2 物体的发射与反射特征
自然界中一切物体都在不断向外发出电磁波，且发射率随着波长的变
化而变化。 将所有波长的发射率连接起来形成一条曲线——地物发射波谱曲线
横坐标——电磁波波长，纵坐标——发射率
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第2章
2.2.2 反射特征 传感器
遥感的物理基础
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第2章
2.1.2 电磁波谱
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波谱 遥感（RS）使用的主要波段范围：紫外、可见光、红外、微波 红外（0.76~1000μm）
热红外遥感
近红外遥感
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第2章
2.1.2 电磁波谱
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波谱 遥感（RS）使用的主要波段范围：紫外、可见光、红外、微波 •微波（1mm~1m）——受大气层中云、雾的散射影响小，穿透 性好，具有全天候监测优势
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第2章
2.1.4 电磁辐射源
太阳辐射——最主要
地球辐射
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
热红外RS主要辐射源
人工辐射源
主动式遥感辐射源
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第2章
2.1.4 电磁辐射源
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
太阳辐射——最主要的辐射源，尤其是被动遥感
地球表面不同区域接收到的太阳辐射大小是不相等的 太阳常数——对太阳辐射研究非常重要
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第2章
2.2.2 反射特征
遥感的物理基础
2.2 物体的发射与反射特征
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第2章
2.1.4 电磁辐射源
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
太阳辐射——最主要的辐射源，尤其是被动遥感
太阳光谱——太阳能量光谱的波段分布 m 0.2 ~ 1.4 占有 90.8 % m 1.4 ~ 1.8 占有 5.2 % m 1.8 ~ 2.5 占有 2.6 % m 3.0 ~ 4.2 占有 1.1 % m 4.5 ~ 5.5 占有 0.18 % m 7.5 ~ 14 占有 0.11 %
2.1 电磁波谱与电磁辐射
2.2物体的发射与反射特征 2.3太阳辐射和大气与环境对遥感的影响
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第2章
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
2.1.1 电磁波谱 2.1.2 电磁辐射的度量
2.1.3 电磁辐射源
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第2章
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射 电磁波是遥感技术的重要物理理论基础。
数字介质或胶片
（3）信息接收 信息接收、处理 （4）信息处理
用户
分析判断 物体 实况调查
（5）信息应用
（1）信息源
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第2章 遥感的物理基础
教学目的及要求：
1、了解电磁波谱与电磁辐射的基本特征 2、掌握太阳辐射及大气对辐射影响的主要方式。 3、掌握地物反射波谱特征及及相关概念与含义。
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第2章
遥感的物理基础
太阳辐射——最主要的辐射源，尤其是被动遥感
太阳光谱
太阳发出的辐射不仅包含最常见的可见光，也包含 紫外线、红外线等所有形式的电磁波。经过测量， 太阳辐射与温度为5777K的黑体辐射十分相似
A：太阳辐射能量主要集中在 0.3-3um 段，峰值在0.47um处； B：太阳能量大部分集中在 0.4- 0. 76um之间的可见光波 段； C：遥感主要应用可见光和近 红外波段。
地物发射率(ε )：地物单位面积上辐射能量与同温度下同面积
黑体辐射能量之比，即： ε =M/M黑
地物发射率(ε )的影响因素：种类、表面状况、温度、波长等。
意义：ε 的差异是遥感探测的基础和出发点。
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第2章
2.2.1发射特征
实际物体的辐射
遥感的物理基础
2.2 物体的发射与反射特征
地物的发射率
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定义：是指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内， 垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的 太阳辐射能量。 I=1.360×103W/m2 太阳总辐射通量：太阳常数×以日地距离为半径的球面积 Ø=3.826×1026W
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第2章
2.1.4 电磁辐射源
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
可见太阳光绝大部分能量分布在 0.2 ~ 1.4 um上（其中在可 见光部分（ 0.38 ~ 0.76um）集中 43.5 % 能量），而且这一波段区 间相对最稳定，因此，被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射， 使太阳活动对遥感的影响减至最小。
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第2章
2.1.4 电磁辐射源
地球辐射
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
地球辐射主要指地球自身的热辐射，是热红外遥感的 主要辐射源。 地球辐射的能量分布在近红外到微波的范围内，主要 集中在6~30μm。 地球辐射与地球表面的热状态密切相关，因此也称为 热红外遥感。被广泛应用于地表地热异常的探测、城 市热岛效应以及水体的热污染研究等。
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第2章
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第2章
遥感的物理基础
2.2 物体的发射与反射特征
2.2.1 发射特征
2.2.2 反射特征 2.2.3 典型地物的反射波谱特征 2.2.4 地物反射率变化的影响因素
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第2章
遥感的物理基础
2.2 物体的发射与反射特征
物体对接收到的电磁波具有吸收与反射作用，吸收系数α(λ,T)与 反射系数ρ (λ,T)之间具有α(λ,T)+ρ (λ,T) =1的关系。
自然界的任何物体本身都具有发射、吸收、反射以及折射
电磁波的能力，其区别在于不同物体对于不同的电磁波
存在着不同的特性。
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第2章
2.1.1 电磁波谱
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
波 定义 波——振动的传播 类型 纵波——质点振动方向与波的传播方向相同 横波——质点振动方向与波的传播方向垂直
电磁波谱 遥感（RS）使用的主要波段范围： 紫外、可见光、红外、微波 紫外（0.01~0.38μm）——由于太阳辐射通过大气层时被吸收，只
有波长0.3~0.38μm波长的光能穿过大气层到达地面，且散射严重。由 于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收与散射作用，紫外遥感通常在 2000m高度以下的范围进行。大多数地物在该波段的反射较小，这个 波段主要用于测定碳酸盐岩的分布以及对油污的检测。 可见光（0.38~0.76μm）——大部分地物具有良好的亮度反差特性 ，不同地物的图像易于区分。将其进一步分为红、绿、蓝波段。