2遥感的物理基础

第二章 电磁波及遥感物理基础
一、电磁波 二、物体的发射辐射 三、物体的反射辐射 四、地物波谱特性的测定 五、大气对辐射的影响
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第二章 电磁波及遥感物理基础
遥感技术是建立在物体电磁波辐射 理论基础上的。本章主要学习电磁波的 发射和反射特性、地物波谱特性曲线及 应用。
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第二章 电磁波及遥感物理基础
为什么我们的眼睛能够看见东西？
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第二章 电磁波及遥感物理基础
一、电磁波
1.什么是电磁波？ 变化的电场和磁场交替产生，以有限的速 度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。 电磁波是一种横波。
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一、电磁波
2.电磁波的特性
波动性 粒子性
干涉、衍射、偏振
光电转换
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（1）干涉：由两个（或两个以上）频 率、振动方向相同，相位相同或相位差 恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振 幅为各个波的振幅的矢量和，因此会出 现交叠区某些地方振动加强、某些地方 振动减弱或完全抵消的现象。 微波遥感中的雷达是应用了干涉原理成像的
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春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线
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不同地物
各种建筑物屋顶的波谱特性
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各种道路的波谱特性
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几种岩石的反射波谱曲线
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不同含水量的玉米叶子反射特性曲线
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三种低含水量土壤的反射特性曲线
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三、物体的反射辐射
3.影响地物光谱反射率变化的因素 太阳位置、传感器位置、地理位置、地 形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物 本身的变异、大气状况等
自然界中实际物体的发射和吸收 的辐射量都比相同条件下绝对黑体的 低。
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（三）、一般物体的发射辐射
发射率ε：实际物体与同温度的黑体在相同条件 下辐射功率之比。
ε= W′/ W ε是一个介于0和1的数
►绝对黑体 ελ＝ε＝1 ►灰体 ελ＝ε但0＜ε＜1 ►选择性辐射体 ε＝ｆ(λ) ►理想反射体（绝对白体） ελ＝ε＝0
(3)每根曲线彼此不相交 温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越 大。
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二、物体的发射辐射
（二）、太阳辐射
遥感的两种形式？
被动遥感
主动遥感
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（二）、太阳辐射
A 与黑体特性一致
B 能量集中在可见光和红外波段
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第二章 电磁波及遥感物理基础
二、物体的发射辐射
（三）、一般物体的发射辐射
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一、电磁波
3.电磁波谱 按电磁波在真空中传播的波长或频率 递增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱。
遥感采用的电磁波波段可以从紫外一 直到微波波段。
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红 ●可见光 绿 蓝
0.62 ~ 0.76μm 0.50 ~ 0.56μm 0.43 ~ 0.47μm
远红外处 6 ~ 15μm ●红外波段 中红外 3 ~6μm 近红外 0.76 ~ 3μm
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思考题： 1.电磁波的波动性形成了光的干涉、衍 射、偏振,请说明它们与遥感有何联系? 2.大气对遥感有何影响?何为大气窗口?
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（2）衍射：光通过有限大小的障碍物 时偏离直线路径的现象。
研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高 遥感图像几何分辨率具有重要意义。另外在数字影 像的处理中也要考虑光的衍射现象。
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（3）偏振：横波的振动矢量偏于某些 方向的现象。
偏振在微波技术中称为“极化”。遥感 技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁 波的偏振这一特性。
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瑞利散射（大气分子、原子引起）→可见光和近红外
米氏散射（大气微粒引起）→近紫外到红外
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2. 大气对太阳辐射的作用 （3）反射
☼ 云层
大气反射的影响主要是造成遥感影像地物间反 差变小。
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五、大气对辐射的影响
3. 大气窗口
通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥 感十分有利的电磁辐射波段称为“大气窗口”。
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三、物体的反射辐射
2.光谱反射率及地物反射光谱特性 （1）光谱反射率:物体的反射辐射通量与入射辐 射通量之比 。
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（1）光谱反射率
物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红 外，尤其是后两个波段。 一个物体的反射波谱的特征主要取决于该 物体与入射辐射相互作用的波长选择。
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四、地物波谱特性的测定
1. 地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电 磁波特性（发射辐射或反射辐射）。
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2. 测定原理 :用光谱测定仪器（置于不同波长或 波谱段）分别探测地物和标准板，测量、记 录 和计算地物对每个波谱段的反射率，其反射 率 的变化规律即为该地物的波谱特性。
●微波
1 mm~ 1m
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二、物体的发射辐射
（一）、黑体辐射
1. 绝对黑体： 吸收率α(λ,T)≡1 绝对白体： 吸收率α(λ,T)≡0 反射率ρ（λ,T）≡0 反射率ρ（λ,T）≡1
与温度和波长无关
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2.黑体辐射定律
Wλ—— 分谱辐射通量密度 h —— 普朗克常数 C —— 光速 K —— 玻耳兹曼常数 T —— 绝对温度
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3. 测定地物反射波谱特性的仪器 分光光度计、光谱仪、摄谱仪等
302型野外分光光度计结构原理图
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4. 地物波谱特性的测定步骤
(1) 架设好光谱仪，接通电源并进行预热 (2) 安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝宽度 (3) 将照准器分别照准地物和标准板，并测量和记录 地物、标准板在波长 λ1,λ2,……λn处的观测值
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散射的方式
(1) 米氏(Mie)散射 如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数 量级，发生米氏散射； (2) 均匀散射 当不均匀颗粒的直径a>>λ时，发生均匀散射； (3) 瑞利（Rayleigh）散射 瑞利散射的条件是介质中的不均匀颗粒的直径a 远小于入射电磁波波长λ。 散射强度I与波长的四次方成反比。
38源自文库
C :地物的电流强度与标准板的电流强度相比
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(4) 绘制出地物的反射特性曲线
根据所测结果，以ρλ为纵坐标轴，λ为横坐标轴 画出地物反射波谱特性曲线。
注：因为波谱特性受多种因素的影响，所测的 反射率定量但不唯一。
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五、大气对辐射的影响
1. 大气层组成 ☻ 对流层 ☻ 平流层 ☻ 电离层 ☻ 外大气层
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3.黑体辐射波谱曲线
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4.黑体辐射的三个特性 (1)总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加。 斯忒藩－玻耳兹曼公式:单位面积发出的总辐射 能与绝对温度的四次方成正比 。 (2)分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向 短波方向移动。 维恩位移定律 :若知道了某物体温度，就可以推 算出它的辐射峰值波长。
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大多数物体可以视为灰体
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为了便于分析，常常用一个最接近灰体辐射曲 线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度 称为等效黑体温度（或等效辐射温度），写为T等效
式中T'为实际物体的辐射温度
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三、物体的反射辐射
1.地物的反射类别（三种形式） ● 镜面反射 ● 漫反射 ● 方向反射
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五、大气对辐射的影响
2. 大气对太阳辐射的作用 （1）吸收
☼ 紫外线 ☼ 红外线 ☼ 微波
大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。
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2. 大气对太阳辐射的作用 （2）散射：电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传 播方向发生改变，并向各个方向散开。
☼ 可见光
大气散射的影响主要是造成遥感影像质量下降。
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5个主要的大气窗口 （1）0.30 ~ 1.15μm大气窗口，包括可见光、部分 紫外和部分红外波段，是遥感技术应用最主要的窗 口之一。 （2）1.3 ~ 2.5μm大气窗口，属于近红外波段。 （3）3.5 ~ 5.0μm大气窗口，属于中红外波段。
（4）8 ~ 14μm热红外窗口。 （5）1.0mm ~ 1m微波窗口。
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A: 先测量地物的反射辐射通量密度
——物体的光谱反射辐射通量密度 ——物体的光谱反射率 ——太阳入射在地物上的光谱照度 ——大气光谱透射率 ——光度计视场角 ——光度计有效接收面积 ——单色光波长宽度
(
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经光电管转变为电流强度在电表上指示读数Iλ
B: 测量标准板的反射辐射通量密度 标准板为一种理想的漫反射体，它一般由硫 酸钡或石膏之类做成。
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（1）光谱反射率
反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射 能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反 射率为纵坐标所得的曲线即为该物体的反射波 谱特性曲线。
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（2）地物的反射波谱特性
同一地物 ☺ 时间效应：地物的光谱特性一般随时 间季节变化。 ☺ 空间效应：处在不同地理区域的同种 地物具有不同的光谱响应。