1、本章主要內(nèi)容 電磁波與電磁波譜 地物的光譜特性 大氣和環(huán)境對(duì)遙感的影響,第二章 遙感物理基礎(chǔ) 電磁輻射和地物光譜特征,一、電磁輻射 1.電磁波 波 :振動(dòng)在空間的傳播,電磁波（ElectroMagnetic Spectrum） :電磁振蕩在空間的傳播。,電磁波是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間相互聯(lián)系傳播的：當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)了變化的電場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波，也稱電磁輻射。 電磁波是橫波 真空中以光速傳播：C = f,電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。 波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間

2、傳播的，因此具有波動(dòng)性 粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計(jì)性,a.波動(dòng)性 干涉 衍射 偏振現(xiàn)象 時(shí)空周期性 波函數(shù) 產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E(光矢量) 如果光矢量在某個(gè)固定平面內(nèi)只沿一個(gè)固定方向作振動(dòng),則這種光被稱為偏振光. 微波技術(shù)中稱偏振為 ”極化”,(波長(zhǎng)越 長(zhǎng)，偏振現(xiàn)象越顯著),最小分辨角:,(對(duì)設(shè)計(jì)遙感器的空間分辨率具有重要意義),電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí),能夠繞過(guò)障礙物而彎曲地向障礙物的后面?zhèn)鞑? 把這種通過(guò)障礙物邊緣改變傳播方向的現(xiàn)象,稱為電磁波的 衍射.,b. 粒子性 光子微

3、粒流的有規(guī)律運(yùn)動(dòng) 能量: E= h f h 普朗克常數(shù) 6.626075510-34J/s f 頻率 波長(zhǎng) 粒子導(dǎo)致散射作用，引起強(qiáng)度、方向變化,任何復(fù)雜的電磁波都可以分解成許多比較簡(jiǎn)單的電磁波； 比較簡(jiǎn)單的電磁波也可以合成為復(fù)雜的電磁波. （白光的色散和合成，計(jì)算機(jī)顯示器的工作原理，混合像元的分解 ）,c.疊加原理 (干涉) 當(dāng)兩列波在同一空間傳播時(shí)，空間上各點(diǎn)的振動(dòng)為各列波單獨(dú)振動(dòng)的合成。,d.電磁波的多普勒效應(yīng) 電磁波因輻射源（或者觀察者）相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。(類似聲波的多普勒效應(yīng)),波函數(shù) 由振幅和位相組成，一般遙感器僅僅記錄電

4、磁波的振幅信息，丟失位相信息。全息攝影中，同時(shí)記錄了振幅信息和位相信息。 電磁輻射 電磁波的能量傳播過(guò)程,2.電磁波譜,a.電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長(zhǎng)按其長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表。 電磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波，其按波長(zhǎng)可分為長(zhǎng)波、中波、短波和微波。波長(zhǎng)最短的是射線 電磁波的波長(zhǎng)不同，是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同。 b、遙感常用的電磁波波段的特性,電磁波譜,電磁波譜區(qū)別：傳播的方向性、穿透性、可見性、 顏色不同 共性：傳播速度相同, 遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律,The Electromagnetic Spectrum,Energy,Wavelength l,紫外線(UV

5、)：0.01-0.4m，碳酸鹽巖分布、水面油污染。 可見光：0.4-0.76 m，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段。 紅外線(IR) ：0.76-1000m。 近紅外0.76-3.0m 中紅外3.0-6.0 m； 遠(yuǎn)紅外6.0-15.0m；超遠(yuǎn)紅外15-1000 m。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外。 微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動(dòng)與被動(dòng)之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ蟆?遙感常用的電磁波波段的特性,3.電磁輻射的度量,a.輻射源： 任何物體在其溫度不等于0K時(shí),都有向周圍空間發(fā)射熱輻射的能力,同時(shí)也有吸收外來(lái)輻射的能力.(任何物體都是輻射源),人工輻射源

6、：主動(dòng)式遙感的輻射源。 雷達(dá)探測(cè):分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。 微波輻射源：0.8-30cm 激光輻射源：激光雷達(dá)測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測(cè)量地形等。,自然輻射源 太陽(yáng)輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900K的黑體輻射來(lái)模擬；其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射。 地球的電磁輻射：小于3 m的波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量；大于6 m的波長(zhǎng)，主要是地物本身的熱輻射；3-6 m之間，太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。,b.輻射測(cè)量 輻射能量 (W): 電磁輻射的能量 (J) 輻射通量() :單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的輻射能量 (W),輻射通量密度 (E):

7、單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的輻射能量 (W/m2),輻照度 (I): 被輻射物體表面單位面積的輻射通量 (W/m2) 輻射出射度 (M): 輻射源物體表面單位面積的輻射通量 (W/m2) 輻射亮度 (L): 輻射源某方向上單位投影表面單位立體角內(nèi)的輻射通量 (W/sr.m2) 朗伯源: L 與 無(wú)關(guān) 的輻射源 (絕對(duì)黑體),4.黑體輻射,地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。,(自然界沒有真正的黑體),人工黑體,黑體：在任何溫度下，對(duì)各種波長(zhǎng)的電磁 輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體。 黑體輻射(Black Body Radiation )： 黑體的熱

8、輻射稱為黑體輻射。,黑體輻射定律,(1)普朗克熱輻射定律 表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及按波長(zhǎng)分布的規(guī)律。,-波長(zhǎng) c真空中光速 T絕對(duì)溫度 h普朗克常數(shù) k波爾茲曼常數(shù) 1.3810-23J/k,圖示普朗克公式,變化特點(diǎn)： (1) 輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，只有一個(gè)最大值； (2) 溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不相交； (3) 隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動(dòng)。,(2)玻耳茲曼定律 Stefan-Boltzmanns law 即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會(huì)引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測(cè)定溫度的

9、理論基礎(chǔ)。,=5.6710-8W/m2k4 (斯忒藩-波爾茲曼常數(shù)),(3)維恩位移定律：Wiens displacement law 隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。,高溫物體發(fā)射較短的電磁波,低溫物體發(fā)射較長(zhǎng)的電磁波.常溫（如人體300K左右,發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng) 9.66m ),b=2.897810-3mk,5.實(shí)際物體的輻射 對(duì)于一般物體而言，需要引入發(fā)射率 (熱輻射率、比輻射率)，表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。,非黑體的輻射通量密度與同一溫度下黑體輻射通量密度的比值,發(fā)射率與地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）、波長(zhǎng)等有關(guān)：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物

10、，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。,按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為： 黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。 灰體(grey body)：發(fā)射率小于1，常數(shù) 選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長(zhǎng)而變化。,基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對(duì)于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W 黑。,在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。,地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。,6、黑體的微波輻射,任何物體在一定的溫度下，不僅向外發(fā)

11、射紅外輻射，也發(fā)射微波輻射。二者基本相似。但微波是地物低溫狀態(tài)下的重要輻射特性，溫度越低，微波輻射越明顯。 微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術(shù)上可以經(jīng)過(guò)處理來(lái)接收。,二、太陽(yáng)輻射及大氣影響 太陽(yáng)是最大的天然輻射源 送到地球的能量約為1.731017J/s 1.太陽(yáng)常數(shù) 地球大氣層頂端 日地平均距離(一個(gè)天文單位 1.4959851011m)處垂直于太陽(yáng)射線的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)接收到的太陽(yáng)輻射能量 I=1.360103 W/m2 2.太陽(yáng)光譜 連續(xù)光譜 夫朗和費(fèi)吸收線 (暗線) 69種元素 輻射特性基本類似于黑體 等效黑體溫度 5762K,Solar Spectrum = Shortwave

12、spectrum =visible spectrum:,太陽(yáng)能量99%集中在波長(zhǎng) 0.24m, 可見光部分占43% 最大能量在 0.48m. 3.由于大氣影響,大氣頂層與地面處輻照度曲線有很大不同.(衰減 吸收 散射 反射 ) 另外真實(shí)輻照度與太陽(yáng)高度角也有關(guān)系 天頂角 太陽(yáng)高度角,I = I cos*D-2,4.大氣效應(yīng) a.地球大氣 分層: 對(duì)流 平流 電離 外大氣層 成份: 不變成份 N2 O2 Ar CO2 CH4 NO H2 He (80km以下相對(duì)比例不變,可變成份 O3 H2O 塵埃 鹽粒 氣溶膠等,b.大氣傳輸特性 衰減電磁波 (吸收 散射為主 ) 就可見光和近紅外而言，約占3

13、0，其次為散射的作用，約占22，占第三位是吸收，約占17，這樣，透過(guò)大氣到達(dá)地面的能量?jī)H占入射總能量的31,大氣的透射率：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)。,c.大氣的吸收作用 某些大氣成份對(duì)電磁波有吸收作用(轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨矸肿觾?nèi)能 ),氧氣：小于0.2 m；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。 臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強(qiáng)。兩個(gè)吸收帶；對(duì)航空遙感影響不大。 水：吸收太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此，水對(duì)紅外遙感有極大的影響。 二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)。可以忽略不計(jì)。,d.大氣散射 其實(shí)質(zhì)是電磁波在傳輸中遇到各種微粒產(chǎn)

14、生的衍射現(xiàn)象 (與波長(zhǎng)有關(guān)) 影響: 降低原入射方向的強(qiáng)度, 增加了漫入射成份(增加了信號(hào)中的噪聲)降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。,大氣散射集中在太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。因此，散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。,實(shí)際上分為 瑞利 (分子)散射 -4 小 散射強(qiáng) (a ),三種散射作用,瑞利散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)小得多時(shí)，此時(shí)的散射稱為瑞利散射。 散射率與波長(zhǎng)的四次方成反比，因此，瑞利散射的強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍(lán)光是4微米紅外線散射的1萬(wàn)倍。 瑞利散射對(duì)可見光的影響較大，對(duì)紅外輻射的影響很小，對(duì)微波的影響可以不計(jì)。 多波段中不使用藍(lán)

15、紫光的原因：,無(wú)云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？ 朝霞和夕陽(yáng)為什么都偏橘紅色？,米氏散射：當(dāng)微粒的直徑與輻射波長(zhǎng)差不多時(shí)的大氣散射。主要是大氣中的氣溶膠引起的 云、霧的粒子大小與紅外線的波長(zhǎng)接近，所以云霧對(duì)對(duì)紅外線的米氏散射不可忽視。,3. 無(wú)選擇性散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)大得多時(shí)所發(fā)生的散射。符合無(wú)選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強(qiáng)度相同。 水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散射。 云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？,散射特性,瑞利散射是造成圖像輻射畸變和模糊的主要原因。 米氏散射可疊加在瑞利散射之上 大氣散射增強(qiáng)了地面的輻射和大氣層的“亮度”，降低了圖像的反差度。,結(jié)論,太陽(yáng)輻射衰減

16、的原因是什么？ 在可見光和近紅外波段，大氣最主要的散射作用是什么？ 微波為什么具有極強(qiáng)的穿透云層的作用？ 為什么在選擇遙感工作波段時(shí)，要考慮大氣層的散射和吸收作用？,e. 折射 反射 折射:傳播方向改變 直線成曲線 (與大氣密度有關(guān)) 反射:兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生反射,云量多少影 響反射情況,f.大氣窗口 遙感中,通常把電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少被反射、吸收或散射的,透過(guò)率較高的波段稱為大氣窗口(也即傳感器使用的觀測(cè)波段).,要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。,1）0.31.3um： 包括全部可見光（95），部分紫外光（70），部分近紅外光（80）。 攝影和掃描成像的方式在白天感測(cè)和記

17、錄目標(biāo)電磁波輻射信息。 2）1.52.5um： 近紅外窗口，6095，掃描成像，白天記錄 3）3.55.5um： 中紅外窗口，6070，白天夜間，掃描成像記錄 4）814 um： 遠(yuǎn)紅外窗口，超過(guò)80， 白天夜間，掃描記錄 5）1.4300mm： 微波窗口， 白天夜間，掃描記錄。,大氣窗口解釋,三、地球輻射和地物波譜 相當(dāng)于300K黑體輻射 ,峰值波長(zhǎng) 9.66m(屬遠(yuǎn)紅外輻射) 1.地球輻射 0.3-2.5m 反射太陽(yáng) 分段特性 2.5-6m 反射太陽(yáng)及自身熱輻射 6m 自身熱輻射,太陽(yáng)與地球輻射的電磁波譜,了解地球輻射的分段特性的意義,可見光和近紅外波段遙感圖像上的信息來(lái)自地物反射特性。

18、中紅外波段遙感圖像上，既有地表反射太陽(yáng)輻射的信息，也有地球自身的熱輻射的信息。 熱紅外波段遙感圖像上的信息來(lái)自地球自身的熱輻射特性。,2. 地物自身熱輻射,地表各種物體都具有發(fā)射電磁波的能力。由地表物體發(fā)射的電磁波一般稱為地表熱輻射。 地表物體的自身熱輻射由比輻射率、溫度、波長(zhǎng)決定： M=*M0, 基爾霍夫定律 紅外輻射計(jì)來(lái)探測(cè)地表物體的溫度 在溫度一定的情況下，物體的比輻射率隨波長(zhǎng)變化。曲線形態(tài)特殊時(shí)可以用發(fā)射率曲線來(lái)識(shí)別地面物體。,幾種主要地物的發(fā)射率,2 地物波譜特征,2.1 地物的發(fā)射波譜,2.2 地物的透射波譜,2.3 地物的反射波譜,2.1 地物發(fā)射光譜,地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)

19、律，稱為地物的發(fā)射光譜。地物發(fā)射率的不同是紅外遙感技術(shù)的重要依據(jù)。,2.2 地物的透射光譜,透明物體：具有透射一定波長(zhǎng)電磁波能力的物體。,透射率（） ： 入射光透過(guò)物體的能量與入射總能量之比。,舉例： 1）水體在藍(lán)綠波段，混水1-2米，一般水體10-20米。 2）微波對(duì)地物具有明顯的透射能力，由入射波的波長(zhǎng)決定。,2.3 地物的反射光譜,電磁波與物體相互作用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)三種情況：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。,2.3.1 物體反射分類,反射率定義:反射能量占總?cè)肷淠芰恐?= (E/E)100% (1) (實(shí)際由于物體固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波有選擇性的反射),反射分類圖示,(a

20、) 鏡面反射,(b) 漫反射（朗伯反射）,(c) 有向反射,(d) 混合反射,根據(jù)物體表面的粗糙 程度，反射分為：,1) 鏡面反射,2)漫反射(朗伯反射),航天遙感中，地球表面相對(duì)于遙感器的高度，近似視為朗伯面。,漫反射：發(fā)生在非常粗糙的表面上的一種反射現(xiàn)象。不論入射方向如何，其反射出來(lái)的能量在各個(gè)方向是一致的。 即當(dāng)入射輻照度I一定時(shí)，從任何角度觀察反射面，其反射輻照亮度是一個(gè)常數(shù)，這種反射面又叫朗伯面.,3) 有向反射,4) 混合反射,一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。,有向反射比較復(fù)雜，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函數(shù)。,有向反射和混合反射與電磁波的入射方向和觀察方向有

21、關(guān)，在航空遙感中具有重要意義。,地物的反射波譜與反射曲線 ：反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，反射率為縱坐標(biāo)所得的曲線。 地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律, 反映出不同波段的不同反射率.,2.3.2 常見地物的反射波譜曲線,物體的反射波譜限于紫外、可見光和近紅外，尤其是后兩個(gè)波段。,地物波譜特性 不同地物有不同的反射波譜 同類地物的反射光譜是相似的 時(shí)間特性和空間特性 (不同季節(jié) 不同時(shí)間 不同地貌位置),白橡樹不同生長(zhǎng)期的反射光譜曲線,反射光譜特性取決于該物體與入射輻射相互作用的波長(zhǎng)選擇，即對(duì)入射輻射的反射、吸收和透射的選擇性，其中反射作用是主要的。 物體對(duì)

22、入射輻射的選擇性作用受物體的組成成分、結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)以及物體所處環(huán)境的控制和影響。在漫反射的情況下，組成成分和結(jié)構(gòu)是控制因素。 任何物體的反射性質(zhì)是揭示目標(biāo)本質(zhì)的最有用信息。,不同植被的反射光譜曲線,反射光譜特點(diǎn),各種物體由于其結(jié)構(gòu)和組成成分不同，反射光譜特性是不同的。 即：各種物體的反射特性曲線的形狀是不一樣的，即便是在某波段相似，甚至一樣，但在另外的波段還是有很大的區(qū)別的。 這個(gè)特點(diǎn)的重要性是什么？,地物波譜曲線的作用,物體波譜曲線特征，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過(guò)測(cè)量該地物在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器獲得的數(shù)據(jù)相對(duì)照，可以識(shí)別遙感影像中同類地物。,不同地物在不同波段

23、有不同的反射率，物體的反射特性曲線作為判讀和分類的物理基礎(chǔ)，廣泛地應(yīng)用于遙感影像的分析和評(píng)價(jià)中。,多光譜遙感、高光譜遙感,植被 土壤 水體 巖石,常見的幾種地物類型波譜特征,植物的光譜曲線,由于植物均進(jìn)行光合作用，所以各類綠色植物具有很相似的反射波譜特性。,在近紅外波段植物的光譜取決于葉片內(nèi)部的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。 在0.7m-1.3m葉子吸收能量少，反射率來(lái)自植物葉子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成高反射。 由于葉子內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別大，植被在近紅外的發(fā)射差異比可見光區(qū)域大，所以在近紅外波段內(nèi)測(cè)量植物的反射率來(lái)區(qū)別不同的植物,在中紅外波段，由于植物葉子內(nèi)水的強(qiáng)烈吸收,在1.45m，1.95m，2.7m處有吸收帶。,不同健康狀

24、態(tài)松樹的反射光譜曲線,影響植被波譜特征的主要因素,植被類型 植被生長(zhǎng)季節(jié) 病蟲害影響 植物波譜特征大同小異，根據(jù)這些特征可以區(qū)分植被種類、生長(zhǎng)狀態(tài)等。,土壤的波譜特征,自然狀態(tài)下的土壤表面反射曲線呈比較平滑的特征，沒有明顯的反射峰和吸收谷。 在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和次生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。,土壤的光譜曲線,重度鹽漬化 輕度鹽漬土 中度鹽漬化 非鹽漬土 輕微鹽漬化,含水量對(duì)土壤反射光譜曲線對(duì)影響,土壤含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸收帶（1.4，1.9和2.7微米處附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。,粉砂土壤不同含水量情況下的光譜反射率曲線圖,水體的波譜特征,純凈水體的反射主要在可見光的藍(lán)綠光波段，可見光其他波段反射很低 在近紅外和中紅外波段純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于零。,水中其它物質(zhì)對(duì)波譜特征的影