遥感原理与应用-第1章

• 传感器从高空探测地面物体时，所接收到 的电磁波能量包括 ：
– 太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后， 又经大气第二次衰减进入传感器的能量
– 地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器 – 大气散射和辐射的能量等
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1.2.4 一般物体的发射辐射
• 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要低。
微波
无线波
波长
紫 蓝绿黄 红
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遥感应用的光谱范围
名称 紫外线 可见光
近红外
红 中红外 外 线 远红外
超远红外
毫米波
微 波
厘米波
分米波
波长范围 0.3～0.38μm 0.38～0.76μm 0.76～3.0μm
3～6μm 6～15μm 15～1000μm 1～10mm 1～10cm 10cm～1m
• 1860年基尔霍夫：好的吸收体也是好的辐射体 • 绝对黑体——任何波长的电磁辐射全部吸收 • 一个不透明的物体，对入射到它上面的电磁波只
有吸收和反射。光谱吸收率α(λ,T)和光谱反射 率ρ(λ,T)，二者之和恒等于1。
• 绝对黑体： α(λ,T)=1， ρ(λ,T)=0 • 绝对白体： α(λ,T)=0， ρ(λ,T)=1
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1.1.1 电磁波
• 麦克斯韦电磁场理论 • 电磁波是一种横波
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几个重要性质
• 单色波可以用波函数来描述，是一个时空周期性 函数，振幅、相位、波长
一般成像：记录振幅 全息成像：记录振幅和相位
• 干涉。一般地，凡是单色波都是相干波，利用相干波进
行距离测量。INSAR利用干涉原理成像。
EEE E
1
• 对于不透射电磁波的物体 0 吸收率 1
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k—— 玻耳兹曼常数(1.38×10-23J／K)； T—— 绝对温度，单位是K。
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黑体辐射特性（一）
• 与曲线下的面积成正比的总辐射通量密 度W是随温度T的增加而迅速增加。
对普朗克公式进行积分，可得到从1cm2 面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射 通量密度的表达式为：
W125c52kh43T4 T4
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普朗克定律
• 1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律 • 黑体辐射通量密度与温度、波长的关系满足普朗
克定律：
W(λ)—— 分谱辐射通量密度，单位W/(cm2·μm）； λ—— 波长，单位是μm； h—— 普朗克常数(6.6256×10-34J·s)； c—— 光速(3×1010cm/s)；
• 1.3~2.5μm大气窗口：属于 近红外波段。
• 3.5~5.0μm大气窗口：属于 中红外波段，透射率为6070%左右，用于探测高温物体。
• 8~14μm热红外窗口：热红外 窗口，透射率为80%左右，属 于地物的发射波谱。
• 1.0mm~1m微波窗口。
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1.2.3 (4)辐射传输方程
气溶胶的来源
• 自然：
火山 沙尘暴 森林和草原火灾 活的陆地与海洋植物 海水的飞沫
• 人为：
工业、交通、取暖燃烧的石油和煤炭
土地覆盖和土地利用变化、森林砍伐和沙漠化
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气溶胶图
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瑞利散射中，散射强度与波长的关系
IHale Waihona Puke Baidu
Es'2
sin2 4
蓝光散射较强 红光散射较弱
为什么微波具有穿透云雾的能力？
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气溶胶
• 大气中的三大可变成分：水、云、气溶胶 • 气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径千分之一微米
到十微米的固态、液态粒子。 • 气溶胶大多集中在底层大气0-4km范围内。 • 由于地球重力作用，气溶胶颗粒密度随高度呈指数
衰减，气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对 光的散射作用属于米氏散射。 • 由于来源的不同，构成成分有差别，其变介电常数 不尽相同，对电磁波的精吸品课件收散射作用差别较大，故27
• 太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性 基本一致。
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太 阳
1.2.2 太阳辐射
与
地
球
的
辐
射
照
度
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太阳辐射的特点
• 太阳光谱是连续的。 • 辐射特性与黑体基本一致。 • 近紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。 • 被动遥感主要利用可见光、红外波段等稳定辐
射。 • 海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外
化”，一般有四种极化
方式。
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1.1.2 电磁波波谱
• 遥感信息获取，一般指收集、探测、记录地物的电磁波特 征，即地物的发射辐射或反射电磁波特性。由于电磁波传 播的是能量，实际上也是记录辐射能量的过程。
• 电磁波具有不同的频率和波长，因而具有不同的特性。
频率
Gamma ‫ ץ‬射线
X 射线
紫外线 可见光 红外线
• 反之，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率 较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为“大气窗口”。
• 研究和选择有利的大气窗口、最大限度地接收有用信息是
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可以用作遥感的大气窗口
• 0.30 ~ 1.15μm大气窗口：这个窗口包括全部可见光波段、部分紫外波段 和部分近红外波段，是遥感技术应用最主要的窗口之一。
第一章 电磁波及遥感物理基础
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内容提纲
➢ 概述 ➢ 物体的发射辐射 ➢ 地物的反射辐射 ➢ 地物波谱特性的测定
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1.1 概述
• 电磁波、机械波（声波）、重力场、地磁 场等都可以用作遥感，但一般而言，RS指 的是电磁波遥感。
• 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判 断地物目标和自然现象，是因为一切物体， 由于其种类、特征和环境条件的不同，而 具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特 征。
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1.2.3 (2)大气对太阳辐射的反射
• 由于大气中有云层，当电磁 波到达云层时，就象到达其 他物体界面一样，不可避免 的要产生反射现象，这种反 射同样满足反射定律。而且 各波段受到不同程度的影响， 削弱了电磁波到达地面的程 度。因此应尽量选择无云的 天气接收遥感信号。
四川省江油市
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1.2.3 (3)大气窗口
• 太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变 太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、 吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为 透射部分。
• 不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因而遥 感所能够使用的电磁波是有限的。有些大气中电磁波透过 率很小，甚至完全无法透过电磁波。这些区域就难于或不 能被遥感所使用，称为“大气屏障”；
紫外线波段。
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1.2.3 (2)大气对太阳辐射的散射
• 在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小， 主要是散射引起的衰减。
• 太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次 通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还 增加了散射光。这二次影响增加了信号中的噪声 部分，造成遥感影像质量的下降。
（或称等效辐射温度）T 等 效
W WT 4
T等效 4 T
T ——实际物体的温度
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基尔霍夫定律
• 在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比 对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体
的辐射通量密度。
WT4
WT4
W W
任何材料的发射率等于其吸收率
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基尔霍夫定律
• 根据能量守恒定理，入射在地表面的辐射功率等 于吸收功率、透射功率和反射功率三个分量之和。
• 遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到 微波波段
• 遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性， 选择相应的电磁波段，通过传感器探测不 同的电磁波谱的发射或反射辐射能量而成 像的。
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1.2 物体的发射辐射
➢ 黑体辐射 ➢ 太阳辐射 ➢ 大气对辐射的影响 ➢ 一般物体的发射辐射
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1.2.1 黑体辐射
的曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太 阳辐射的吸收和散射造成的。
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1.2.3 大气对辐射的影响
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(1) 大 气 的 垂 直 分 布
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1.2.3 (2)大气对太阳辐射的吸收
• 在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收 • 引起大气吸收的主要成分：氧气、臭氧、水、二氧化碳 • 大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。 • 大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段中很少使用
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1.2.2 太阳辐射
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辐射源
• 自然辐射源：
– 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用 5900K的黑体辐射来模拟。大气层对太阳辐射的吸收、 反射和散射。
– 地球的电磁辐射：近似300K的黑体辐射。
– 小于3μm的波长主要是太阳辐射的能量；大于6μm的 波长主要是地物本身的热辐射；3-6μm之间，太阳和 地球的热辐射都要考虑。
• 不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的 材料、表面状况等因素有关。
• 我们用发射率ε来表示它们之间的关系： ε= W′/ W。发射率ε就是实际物体与同 温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。
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• 按照发射率与波长的关系，把地物分为：
– 黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。 – 灰体：发射率小于1，常数。 – 选择性辐射体：发射率小于1，且随波长而变化。 – 理想反射体：发射率等于0。
在微波波段，黑体的微波辐射亮度与 温度的一次方成正比。
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1.2.2 太阳辐射
• 太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感传感器从 空中或空间接收地物反射的电磁波。
• 地球系统的能量绝大多数（>99％）来源于太阳 • 太阳辐射:太阳辐射的波长范围，大约在0.15-4微
米之间 – 5% 紫外线 – 45% 可见光 – 50% 红外线
• 影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、 温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以 及具有保温作用的地物一般发射率大，反之发射 率就小。
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主 要 地 物 发 射 率
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等效黑体温度
• 实际测定物体的光谱辐射通量密度 曲线并不像描绘的黑体光谱辐射通 量密度曲线那么光滑
• 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辐射温度
• 散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶 胶微粒大小之间的相对关系而变, 主要有米氏 (Mie)散射、均匀散射、瑞利（Rayleigh）散射等。
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• 介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长λ同 数量级时，发生米氏散射
• 介质中不均匀颗粒的直径a>>入射波长λ时， 发生均匀散射
• 介质中不均匀颗粒的直径a小于入射波长λ 的十分之一时，发生瑞利散射
• 人工辐射源：
– 微波辐射源：0.8-30cm
– 激光辐射源：激光雷达(测定卫星的位置、高度、速度、
测量地形等)。
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太阳辐射照度分布曲线
• 太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直 于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐 射能量：I⊙=1.353×103 W/m2
σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，T为绝对黑
体的绝对温度（K）。
图1-5 几种温度下的黑体波谱辐
射曲线
从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能
与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩－玻耳兹曼公式，
Stefan-Boltzmann law 。 精品课件
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黑体辐射特性（二）
• 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。可微分普朗克公式，并求极值。
托马斯·杨（Thomas Young）的干涉的实验 研究, 1803年.
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几个重要性质
• 衍射 研究电磁波的衍
射现象对设计遥感传感 器和提高遥感图像的几 何分辨率具有重要意义。
• 偏振 电磁波有偏振波、 树木因衍射而产生的日晕
部分偏振波和非偏振波。
散射光、反射光、透射
光是部分偏振波，偏振
在微波技术中称为“极
维恩位移定律：
温度 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
波长
9.66
5.80
2.90
1.45 0.97
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0.72
0.58
0.48
0.41
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黑体辐射特性（三）
• 每根曲线彼此不相交，故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量 密度也越大。
在波长大于1mm的微波波段，hv<<kT, 近似得出：
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可见光的范围 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
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• 电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的γ 射线到最长的无线电波，波长之比高达 1022倍以上