第二章 遥感物理基础

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）
了解地球辐射的分段特性的意义

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。 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。 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。


应用实例：被动遥感与主动遥感
被动遥感和主动遥感
大气能量-物质交换作用
电磁波传输的几种方式
电磁波与大气相互作用
大气折射与反射

折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气 密度越大，折射率越大。 反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时 会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪 声）。
Incident radiation
Optically less dense

1
n1
n2
Optically more dense
2
n3
Optically less dense

3
Path unaffected by atmosphere Path affected by atmosphere
大气相互作用：散射
•电磁波通过有尘土的空气或胶质溶液等媒 质时，部分光线向多方面改变方向的现象 大气散射是重要而且普遍发生的 现象，大部分进入我们眼睛的光 都是散射光。如果没有大气散射， 则除太阳直接照射的地方外，都 将是一片黑暗。大气散射作用削 弱了太阳的直接辐射，同时又使 地面除接收到经过大气削弱的太 阳直接辐射外，还接收到来自大 气的散射辐射，大大增加了大气 辐射问题的复杂性。
双向反射: BRDF
•Note that BRDF defined over infinitesimally small solid angles , ’ and interval, so cannot measure directly
viewer •In practice measure over some finite angle and and assume valid incident diffuse radiation direct irradiance (Ei) vector
•perfect specular (mirror-like) - incidence angle = exitance angle •perfectly diffuse (Lambertian) - same reflectance in all directions independent of illumination angle)
(a) (b)
•Most surfaces have some level of anisotropy
(c)
(d)
Figure 2.1 Four examples of surface reflectance: (a) Lambertian reflectance (b) non-Lambertian (directional) reflectance (c) specular (mirror-like) reflectance (d) retro-reflection peak (hotspot).
辐射源
电磁辐射波谱
• 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，就得到电磁波谱
电磁波谱
黑体
• 黑体概念：实验室理想的热辐射特征研究对象—物理学概念 —（黑体=全吸收体） • 黑体是对外界辐射量完全吸收的理想物体，自然界并不存在。 • 自然界存在着灰体，即一部分能量吸收，一部分能量反射。 灰体辐射的规律接近黑体。
大气散射效应
•
瑞利散射（Rayleigh-Scattering）
选择性散射要求条件为微粒半径 r <<

IS
为波长
~
1
4
I S 为散射光光强（Intensity of Scattering light）
由此可见，瑞利散射对紫外、紫、兰光散射量很大，而对红光、 红外散射量极小。 这是晴朗无污染天气天空呈兰色的原因，也是清洁水发兰的原
地物波谱特征
地物表面电磁波能量
• Spectral response depends on target
•
Leaves reflect green and near IR
•
Water reflects at lower end of visible range
地物反射
•电磁波到达地面会与地物发生相互作用，可表现为
exitant solid angle
incident solid angle

v

i

地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称。 地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。
装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐 射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。
被动遥感的辐射源

太阳辐射近似 6000K 的黑体辐射，能量集中在 0.3 ～ 2.5um波段之间。（可见光和近红外）

因。
•
米氏散射（miler-scattering ）
要求条件微粒半径 r >

一般灰尘、水蒸汽可满足此条件，这种物质在化学上有胶体 的性质，称气溶胶。
非选择散射致使天空呈灰白色。 遥感利用这两种散射效应可测试大气污染程度。
瑞利散射具有如下特点：①散射光强与波长四次方成反比。②粒 子前半部和后半部的散射光通量相等。③前向和后向的散射光最 强，都比垂直方向强一倍。
大气窗口

太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐 射强度，剩余部分即为透过的部分。 由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波 段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相 同。 电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较 高的波段称为大气窗口。（对地遥感要用的部分）
2hc2 B( , T ) 5 hc /( kT ) (e 1)
λ K=(°F-32)/1.8+273.15
维恩位移定律
mT = 2897.9 m K
计算黑体辐射峰值所对应的波长
Earth @ 300K: ~ Sun @ 6000K: ~
10 μ m 0.5 μ m
地球辐射
0~3 5~8
m m m
mm
占有 0.2 % 占有 10 %
3~5 8 ~ 14
m 占有 0.6 % m 占有 50 %
9%
14 ~ 30
>1
占有 30 %
占有 0.2 %
30 ~ 100 m 占有
这就是热红外的波段划分的依据。
注意： 遥感夜晚成象可以反映地表温度。
地球辐射的分段特性
地球辐射的分段特性
•BRDF of area A defined as: ratio of incremental radiance, dLe, leaving surface through an infinitesimal solid angle in direction (v, v), to incremental irradiance, dEi, from illumination direction ’(i, i) i.e.
BRDF (Ω, Ω' ) dLe (Ω, Ω' ) sr 1 dEi (Ω' )


• is viewing vector (v, v) are view zenith and azimuth angles; ’ is illum. vector (i, i) are illum. zenith and azimuth angles •So in sun-sensor example, is position of sensor and ’ is position of sun
电磁辐射基础
Electromagnetic energy is emitted in waves
Amount of radiation emitted from an object depends on its temperature
Planck Curve
普朗克定律
描述黑体的辐射出射度(W m-2m-1) T 为绝对温度
米氏散射①散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变 化不如瑞利散射那样剧烈。随着粒子增大，散射的总能量很快 增加，并最后以振动的形式趋于一定值。②散射光强随角度变 化出现许多极大值和极小值。③当粒子尺度参数增大时，前向 散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大
大气相互作用：吸收
大气中某些气体对太阳某些波长的波具有 吸收作用，引起大气吸收的主要成分是氧 气，臭氧，水，二氧化碳等。 •主要影响成分: •CO2, 水汽、臭氧 •臭氧吸收短波波段电磁波 如紫外 线


大气窗口
Atmospheric windows
大气窗口
• 示例应用 – 如果希望观测地表信息 • 选择大气窗口段的波段 – 如果希望观测大气信息，可以选择非大气窗口段
思考题
• 结合电磁波谱以及大气窗口的概念分析遥感应用 的电磁波波段主要有哪些
遥感应用的电磁波波谱段
遥感应用的电磁波波谱段

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。 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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ向反射: BRDF
•Reflectance of most real surfaces is a function of not only λ, but viewing and illumination angles
•Described by the Bi-Directional Reflectance Distribution Function (BRDF)
紫外线：波长范围为0.01～0.38μ m，太阳光谱中，只 有0.3～0.38μ m波长的光到达地面，对油污染敏感，但 探测高度在2000 m以下。 可见光：波长范围：0.38～0.76μ m，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0.76～1000μ m，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1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾的 影响。
第二章 遥感基本原理
遥感成像过程
遥感基本原理
13日，CCTV4 《海峡两岸》节目中，军事专家张召忠 谈马航MH370失联事件，当讲到红外遥感卫星时，说 “零下700度以上的物体”都能被观测到。 地球上任何物体都在不停吸收、发射和反射信息和能量 （电磁波），不同物体的电磁波特性是不同的，遥感就是根 据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和自身发射的电 磁波，来提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。
Natural surfaces somewhere in between
电磁波与地物的相互作用
•Real surfaces usually display some degree of reflectance ANISOTROPY
•Lambertian surface is isotropic by definition
地球自身热辐射近似 300K 的黑体辐射，能量集中在 6.0um以上的波段。（热红外）
太阳辐射
大气上界太阳照度
58000K黑体辐射
海平面太阳照度
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.4 2.6 2.8 3.0
大地辐射
大地也近似可看为黑体，向外辐射能量。 大地辐射能量分布为：

大气相互作用：折射
斯涅尔定律（Snell's Law）因荷 兰物理学家威理博·斯涅尔而命 名，是一条描述光的折射规律的 定律，即：光入射到不同介质的 界面上会发生反射和折射。其中 入射光和折射光位于同一个平面 上，并且与界面法线的夹角满足 如下关系： n1sinθ 1 = n2sinθ 2 其中，n1和n2分别是两个介质的 折射率，θ 1和θ 2分别是入射光 （或折射光）与界面法线的夹角， 叫做入射角和折射角。