第二章 遥感的物理基础

太阳辐射的衰减过程： 30%被云层反射； 17%被大气吸收； 22%被大气散射； 31%到达地面。 大气的透射率公式： 透射率与路程、大气的吸收、散射有关。
四、大气窗口
• 定义：通常把电磁波通过大气层时较少被反射、 吸收或散射的，透过率较高的波段称为大气窗口。 • 主要的大气窗口： 可摄影窗口（0.3μm—1.3μm)：属反射波谱 近红外窗口（1.5μm—1.8μm，2.0-3.5μm )： 属反射波谱 中红外窗口（3.5μm—5.5μm)：属混合波谱 （反射、发射） 远红外窗口（8μm—14μm)：属热辐射波谱 微波窗口 （0.8㎝—2.5㎝)：属发射波谱
二、电磁波的性质
• 是横波：即质点振动方向与传播方向垂直 • 是物质存在的一种形式，以场的形式表现出来的交变 电磁场 • 电磁波的传播伴随着能量的传播，在真空中以光速传 播 • 具有波粒二相性——波动性、粒子性 波动性——在空间传播时表现为此特性， 可波函数来描述 粒子性——发射时，表现在与物质相互作用时。 其特点是能量分布的量子化 ——波长长时，能量小，关注它的波动性；反之， 关注它的粒子性 • 在近代物理中，电磁波也称为电磁辐射。
电磁辐射与地表的相互作用
入射能
反射能
吸收能
透射能
一、相互作用机理
电磁辐射与物体的相互作用使得入射的电磁 辐射受到反射（包括散射）、吸收和再辐射 （发射）、透射等 任何物体都具有反射和自己特有频率不同的 外来电磁辐射的能力。 任何物体都具有吸收和自己固有频率相同的 外来电磁辐射的能力。吸收与物体性质无关， 只与波长、温度有关。 物体的发射与其吸收外来电磁辐射紧密联系 着。 一些物体还具有透射一定波长的电磁辐射的 特性。
三、电磁波谱 • 实验证明：波源不同，因而波长也各不相同 • 电磁波谱：按电磁波波长的长短或频率的大 小，依次排列制成的图表，即为电磁波谱
波长 长 短 • 目前主要应用波段为紫外、可见光、红外、 微波
电磁波谱
各波段特性—紫外线
波长范围：（10-3-0.38μm） 远紫外（10-3-0.2μm） 中紫外（0.2-0.3μm） 近紫外（0.3-0.38μm） 辐射源—太阳 记录—摄影方法 应用—测定萤石、石油污染等 需人工照明源来加强地物对紫外的反射 需特制胶卷（不含动物胶）、特制镜头 （水晶镜头） 一般适用于低空2000m以下
各波段特性—微波
波长范围：（1mm—1m） 毫米波（1—10mm） 厘米波（1—10cm） 分米波（1—10dm） 特性： 具有全天时、全天候工作能力 穿透力强，可用于确定地质结构、地下矿藏； 土壤空隙度；大气含水量及云量 地物在此段辐射能量小，主要采用主动式，被 动少用
四、电磁辐射的度量
• 辐射源：任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他 物体对它的辐射，也能够向外（发出）辐射。 • 辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J（焦耳） • 辐射通量（Φ ）：单位时间内通过某一面积的辐 射能量,单位: W (瓦) • 辐射通量密度(E):单位时间内通过单位面积的辐射 能量，单位：W/m2 • 辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐 射通量,单位：W/m2 • 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的 辐射通量，单位：W/m2 。 • 辐射亮度（L）:辐射源在某一方向，单位投影表面， 单位立体角内的辐射通量，单位：W/ m2.球面度
大气窗口 紫外可见光 近红外 近红外 近-中红外 中红外 远红外 微波
波段 0.3～1.3 μm 1.5～1.8 μm 2.0～3.5 μm 3.5～5.5 μm 8～14 μm 0.8～2.5cm
透射率/% ＞90 80 80
应用举例 TM1-4、SPOT的 HRV TM5 TM7 NOAA的AVHRR
二、地物的反射光谱
1.反射辐射最主要的工作波段——可见光、近红外 2.反射类型： 镜面反射(mirror reflection)——光滑表面 漫反射（朗伯反射）(diffuse reflection) ——粗糙表面 实际物体反射（方向反射）
三、大气对太阳辐射的影响
1.透射率
τ = e
τ—透射率 α—吸收系数 γ—散射系数
− (α + γ ) χ
Χ—太阳辐射穿过的路程
2.大气的吸收作用
2.1主要的吸收物质和吸收的主要波段
臭氧————0.2-0.32 μm、 0.6 μm、 9.6 μm 二氧化碳——2.8 μm、 4.3 μm 水蒸汽———2.5-3.0μm、5-7μm、0.94μm、1.13μm、 1.38μm、1.86μm、3.24μm、24μm以上 氧气————小于0.2μm、o.6μm、0.76μm 尘埃————沙暴、烟雾、火山爆发时，显著
课后作业
• 电磁波的概念 • 目前遥感常用的电磁波有哪些？ • 简述可见光、红外、微波波段在遥感 中的特点 • 电磁波谱的概念
第二节
太阳辐射与大气影响
• 太阳辐射 • 大气的组成和大气层的结构 • 大气对太阳辐射的影响 • 大气窗口
遥感数据获取原理
分析结果、图表 输出
用户应用处理 接收 预处理
二、大气的组成和大气层的结构
大气的组成 大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、 甲烷、氢、臭氧、水蒸汽、液态和固态水、 盐粒、尘埃等组成 地球的大气层从垂直方向上可分为五层： 对流层、平流层、中间层、电离层、散逸层
• 大气层的区间划分与平台在其中的位置图
散逸层 1000km 电离层 （热层）卫星遥感的主要区域 80km 中间层 50km 平流层 7-12km 对流层 0km 航空遥感的主要区域 探空气球、遥感最困难的区域之一 地球同步卫星、通讯卫星
各波段特性—可见光
波长范围：（0.38-0.76μm） 紫（0.38-0.43μm） 蓝（0.43-0.47μm） 青（0.47-0.50μm） 绿（0.50-0.56μm） 黄（0.56-0.59μm） 橙（0.59-0.62μm) 红（0.62-0.76μm） 是鉴别物质特性的主要波段，易于区分 最强的是黄绿光（0.555μm） 辐射源—太阳 记录—摄影、扫描 应用—不能全天时、全天候利用
第二章
遥感的物理基础
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•电磁波与电磁波谱 •太阳辐射与大气影响 •地球的辐射和地物的波谱特性
第一节
电磁波与电磁波谱
• 电磁波的概念 • 电磁波的性质 • 电磁波谱 • 电磁辐射的度量
一、电磁波的概念（Electromagnetic Wave)
• 波：是振动在空间的传播。分为机械波和电磁波 • 机械波：振源发出的振动在弹性媒质中的传播 ——振动着的是弹性媒质中质点的位移矢量 • 电磁波：振源发出的电磁振动在空间的传播 ——振动着的是空间电场矢量（E)与磁场矢 量(B) E与B互相垂直，且都垂直于电磁波传播的方 向V 二者的区别：电磁波的传播不需要媒质作用，在真 空中也可以传播 联系：在运动形式上都是波动，可用特征量 来描述它们的特性
远红外：常用8-14μm 辐射源—太阳、地物 记录—扫描 应用—常温目标，白天、 晚上均可 超远红外：没有大量应用
红外的特性
优点： • 比可见光传播远 • 绿色植被对近红外反 射特强，可揭示绿色 伪装，监视森林、草 场、农作物的病虫害 • 对热敏感，可用于热 污染、火灾、地热资 源勘查、地下、水下 热设施的监测中 • 可全天时进行遥感 缺点： • 全天候遥感，受云层、 雨云干扰大 • 热红外遥感主要反映 不同物体的温度差异， 对于同温下不同物体 的分辨力低 • 影像分辨力、几何精 度不如可见光相片高
第四节 地球的辐射与地物波谱
• 地球的辐射 • 地物的反射光谱 • 地物的发射光谱 • 地物的透射光谱
一、地球的辐射 1.太阳与地表辐 射的电磁波谱
2.地球辐射的分段特性
波段名称 可见光与 近红外 0.3-2.5
μm
中红外
远红外
波长
2.5-6 μm 地表反射 太阳辐射 和自身的 热辐射
>6 μm 地表物体 自身热辐 射为主
60～70 100
TM6 Radarsat
遥感系统的电磁波段范围
课后作业
• 太阳常数的概念 • 散射的概念 • 为什么日出、日落天空呈橙或红色，而 通常是蓝色？ • 试述地球大气对太阳辐射的影响 • 大气窗口的概念和具体波段
第三节 电磁辐射与物体的相互作用
• • • • 相互作用机理 相互作用的能量守恒 电磁辐射与物体的相互作用 相互作用的动态变化
太阳辐照度分布曲线
一、太阳辐射
太阳是地球上大气运动的能源，也是被动遥感的 主要辐射源 太阳辐射能的46%集中在0.4-0.76μm之间，即可 见光波段 ——太阳辐射属短波辐射，最大辐射强度在0.47 μm 太阳辐射主要由太阳大气辐射所构成 平均太阳常数为1.36×103W/㎡ 到达传感器的太阳辐射，经大气吸收、反射和散 射，使到达地表的辐射强度比太阳常数小
各波段特性—红外线
波长范围：（0.76-1000μm） 近红外（0.76-3.0μm）——光红外 中红外（3.0-6.0μm） 远红外（6.0-15.0μm） 热红外 超远红外（15.0-1000μm）
• 近红外：也叫光红外 • 辐射源—太阳 记录—摄影（0.76-1.3μm)、 扫描 应用—探测叶绿素、土壤 水份、病虫害，只 能在白天进行 • 中红外：常用3-5μm 辐射源—太阳、地物 记录—扫描 应用—高温目标
2.2大气的吸收对太阳辐射的影响
大气的吸收作用对太阳辐射波长有选择性—— 某些波段 大气的吸收增加了大气的内能，减弱了太阳辐 射强度 大气的吸收主要发生在红外、紫外波段
3.大气的散射作用
3.1定义 辐射在传播过程中遇到小微粒而使传 播方向改变，并向各个方向散开，称散射。
3.2类型
瑞利散射：粒子直径d<<波长λ时，散射强γ∝1/λ4 （分子散射） 即波长越长，散射越弱，对可见光影响很大 ——天为什么是蓝的？日出日落时天空是橙红色？ 米氏散射：粒子直径d≈波长λ时，散射强度 γ∝1/λ2 由大气中的微粒引起的，云雾对红外线的影响 即此，潮湿天气米氏散射影响较大 无选择性散射：粒子直径d>>λ,散射强度γ∝1/ λ0 这种散射强度与波长无关，任何波长散射强度都相 同，云雾呈白色即属此类 ——云为什么是白色的？
辐射特性
地表反射 太阳辐射 为主
3.地物的波谱特性
通常把物体与电磁辐射相互作用后产生的反射、吸收、 发射和透射，称为波谱特性。 ———物体的波谱特性是遥感的依据。 太阳的电磁辐射能量，经过大气的吸收、散射、反射 到达地球表面，与地表相互作用产生三种能量—— 反射、吸收、透射。 不同地物反射、吸收、透射之间能量的比例，有很大 差异，决定于地物类型和性质。 某一地物类型，其反射、吸收与透射的比例在不同波 长处有很大差异。 地物反射、吸收、透射电磁辐射的能量是波长的函 数。
3.3大气的散射对太阳辐射的影响
散射改变太阳辐射传播的方向，造成太阳辐射的衰减 降低传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清 主要发生在可见光波段，散射强度遵循的规律与波长 密切相关 ——大气分子、原子引起的瑞利散射，主要发生在 可见光和近红外 ——大气微粒引起的米氏散射，从近紫外到红外波 段都有影响，红外波段米氏散射的影响超过瑞利散 射 ——大气云层中，微粒相对可见光是无选择性散射， 而对微波来说，属瑞利散射，故微波有最小散射， 最大透射
4.大气的反射作用
电磁波传播过程中，当通过两种介质的交界面，还 会出现反射现象。 主要发生在云层顶部，取决于云量 大气的反射削弱了电磁波到达地面的强度。 应尽量选择无云的天气接收遥感信号 太阳辐射传播的路径对太阳辐射的影响 穿过路径越长，太阳辐射衰弱越大 路径的长短与太阳高度角有关 ——总之，太阳辐射经过大气传输后，反射、散 射和吸收的共同影响衰减了太阳辐射强度
二、相互作用的能量守恒
根据能量守恒定律，有 Qi= Qr+ Qα+ Qτ 式中，Qi为太阳的入射能量；Qr为物体反射的能量； Q α为物体吸收的能量；Qτ为物体透射的能量 归一化后得
r +α+τ=1
对于不透明物体， τ=0 r+α=1
四、相互作用的动态变化 入射的电磁辐射由于与物体相互作用， 把其分解成反射波谱（包括散射波谱）、吸 收波谱（再转化为发射波谱）和透射波谱。 这些波谱与入射波谱相比要发生波长、 位相、强度、方向等变化 。 任何物体都会产生上述变化，物体不同， 上述变化就有差异。 遥感就应用其动态变化来探测和识别物 体。