第二章 遥感的物理基础

遥感概论_____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。

应用遥感技术探测和研究远距离的物体，依赖于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性。

理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。

第二章电磁波及遥感物理基础1.电磁波与电磁波谱2.电磁辐射源3.地物波谱1电磁波与电磁波谱电磁波交互变化的电磁场在空间的传播。

描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、相位电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为3×108m/s ，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。

1.1电磁波与电磁波谱电磁波谱按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。

依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。

电磁波谱示图1.1电磁波与电磁波谱1.1电磁波与电磁波谱——遥感应用谱段❖紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。

❖可见光：波长范围：0.38～0.76μm，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。

❖红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。

❖微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。

1.1电磁波与电磁波谱——红外划分◼近红外：0.76～3.0 µm，与可见光相似。

◼中红外：3.0～6.0 µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。

◼远红外：6.0～15.0 µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。

◼超远红外：15.0～1 000 µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。

1.2 电磁辐射的度量单位在遥感探测过程中，需要测量从目标地物反射或辐射的电磁波能量，为了定量描述电磁辐射，需要了解下面一些辐射度量的术语及其定义。

◼辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位是J。

◼辐射通量（φ）：在单位时间内传送的辐射能量（W），是辐射能流的单位。

◼辐射通量密度（E）：单位面积所截取的辐射能量。

◼辐照度（I）：被辐照的物体单位面积上的入射辐射通量。

◼辐射出射度（M）：被辐照的物体单位面积上出射的辐射通量。

辐照度与辐射出射度都是描述辐射能量的密度，前者描述物体接受的辐射，后者为物体发出的辐射。

◼辐射亮度（L）：在单位立体角、单位时间内，从外表面的单位面积上辐射出的辐射能量。

1.3电磁波特性的遥感应用--衍射衍射：光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象。

电磁波特性的遥感应用--衍射电磁波特性的遥感应用--衍射电磁波特性的遥感应用--衍射（1）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。

（2）在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。

2、电磁辐射源◼自然界中一切物体都是辐射源，也是遥感探测中被动遥感的主要辐射源。

◼太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源。

◼地球是远红外遥感的主要辐射源。

◼主动式遥感采用人工辐射源，是微波遥感的主要辐射源。

2.1太阳辐射太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。

太阳常数：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，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。

（1.360×103W/m2）2.1太阳辐射——太阳辐射特点◼太阳表面温度为6000K，光谱相当于5800K的黑体辐射；◼太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm 的可见光能量占太阳辐射总能量的43.5%，最大辐射强度位于波长0.48 µm左右；◼到达地面的太阳辐射主要集中在0.3～3.0µm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；◼经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；◼各波段的衰减是不均衡的。

太阳辐射与地表的相互作用◼太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量◼地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。

◼一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0. 45~0.56μm的蓝绿光波段。

一般水体的透射深度可达10～20 m，清澈水体可达100 m的深度。

◼地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66 μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。

太阳辐射与地物的作用——反射类型地物的反射类型：根据地表目标物体表面性质的不同，物体反射大体上可以分为三种类型，即镜面反射、漫反射、实际物体的反射1）镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射。

物体的反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，入射角等于反射角。

只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波。

例子：水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。

2）漫反射：发生在非常粗糙的表面上的一种反射现象。

不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。

即当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。

3）方向反射：介于镜面和朗伯面（漫反射）之间的一种反射。

自然界种绝大多数地物的反射都属于这种类型的反射，又叫非朗伯面反射。

对太阳短波辐射的反射具有各向异性，即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。

实际物体反射从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为可以看成方向反射。

太阳辐射与地物的作用地物的反射率反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(P ρ/ P 0)×100%。

➢地物在不同波段的反射率是不同的。

➢反射率是可以测定的。

➢反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。

➢地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。

2.2地球的辐射◼地球的辐射主要是指地球自身的热辐射，是远红外遥感的主要辐射源。

◼地球表面的平均温度大约是300K。

地球辐射的能量分布在从近红外到微波这一很宽的范围内，但大部分集中在6~30um。

地球辐射最强的波长是9.66um，属于远红外波段。

由于这种辐射与地表热有关，所以也称为热红外遥感。

热红外遥感被广泛应用于地表地热异常的探测、城市热岛效应及水体热污染等方面的研究。

地球辐射的分段特性波长/um波段名称辐射特性0.3~2.5可见光和近红外地表反射太阳辐射为主2.5~6中红外地表反射太阳辐射和地表物体自身的热辐射>6热红外地表物体自身的热辐射为主地球辐射的分段特性❖在0.3～2.5um波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。

即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射对地表进行探测和成像。

可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。

❖在2.5～6.0um波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。

中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。

❖在6.0um以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。

（热红外成像）热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。

2.3太阳辐射与地球辐射的关系❖太阳辐射近似5800K的黑体辐射，能量集中在0.3～2.5um 波段之间，最强辐射波长为0.48um。

（可见光和近红外）❖地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0～30um的波段，最强辐射波长9.66um。

（热红外遥感，探测地表地热异常、城市热到效应和水体热污染等）3.地物波谱❖地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。

❖地物波谱特性：地物波谱随波长变化而变化的特性，是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。

❖地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。

3.1不同电磁波段中地物波谱特性❖可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸收作用。

❖热红外波段：主要表现地物热辐射作用。

（热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带）❖微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。

反射波谱曲线❖地物反射波谱——研究可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。

❖表示方法：一般采用二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。

3.2常见的几种地物类型波谱特征❖植被❖土壤❖水体❖岩石植被的波谱特征可见光波段❖在0.45um附近（蓝色波段）有一个吸收谷；❖在0.55um附近（绿色波段）有一个反射峰；❖在0.67um附近（红色波段）有一个吸收谷。

近红外波段❖从0.76um处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一个峰值，反射率最大可达50％，形成植被的独有特征。

❖1.5～1.9um光谱区反射率增大；❖以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水的吸收带，其附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。

影响植被波谱特征的主要因素❖植物类型❖植物生长季节❖病虫害影响等❖营养状态❖含水量变化❖阴面、阳面植被波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被类型、生长状态等。

不同植被类型的光谱曲线比较不同湿度下的植被的波谱特性曲线水体的波谱特征水体的反射主要在蓝绿光波段，其它波段吸收率很强，特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为零。

水中其它物质对波谱特征的影响❖水中含有泥沙，在可见光波段的反射率会增加，峰值出现在黄红区。

❖水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率明显抬高。

叶绿素含量不同时水体的光谱特性曲线。

但是当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。

上图不同浊度下的水体的波谱特性曲线受海藻、浮游生物等影响，叶绿素含量增加，水体的反射率发生变化岩石矿物的光谱曲线❖岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构等决定。

❖影响岩石矿物波谱曲线的因素包括岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等。

岩石的光谱曲线土壤的波谱特征❖自然状态下土壤表面的反射曲线呈比较平滑的特征，峰-谷变化较弱。

❖反射率一般随着波长的增加而增加，此趋势在可见光和近红外波段较明显。

❖影响土壤反射率的因素：水分含量、有机质含量、氧化铁的存在、土壤颜色、结构、表明粗糙度以及太阳-目标物-传感器之间的几何关系。