第二章__遥感物理基础

第二章遥感物理基础授课科目：遥感原理与方法授课内容：遥感物理基础授课对象：地信专业授课时数：5学时授课地点：成信航空港校区授课时间：教案作者：仙巍目的与要求：掌握遥感物理基础中的电磁波和电磁波谱的概念，太阳辐射和地球辐射特征，大气对电磁波辐射传输的影响与大气窗口，地物反射波谱特征与典型地物的波谱特征。重点及难点：典型地物波谱特征及大气对电磁波辐射传输的影响；电磁辐射在地表-大气与遥感器之间的辐射传输过程、地物与电磁波谱相互作用机理。教学法：讲授法、演示法教学过程：2.1电磁波与电磁波谱一、电磁波及其特性•波的概念：波是振动在空间的传播。•电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理•电磁辐射:电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。•电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。二、电磁波谱•电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长(或频率)按其长短，依次排列制成的图表。2、遥感常用的电磁波波段的特性紫外线：0.01-0.38μm，碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：0.38-0.76μm，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线(IR)：0.76-1000μm。近红外0.76-3.0μm;中红外3.0-6.0μm；远红外6.0-15.0μm；超远红外15-1000μm。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。）微波：1mm-1m。全天时、全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。三、电磁辐射源1）自然辐射源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。地地球球的的电电磁磁辐辐射射：小于2.5μm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；2.5-6μm之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。2）人工辐射源主动式遥感的辐射源,被称为雷达探测;分为微波雷达和激光雷达。微微波波辐辐射射源源：：00..88--3300ccmm、、优优点点激激光光辐辐射射源源：激光雷达—测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。2.2地物的光谱特性一、地物的反射光谱特性1.地物的反射率（反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。影响地物反射率大小的因素：入射电磁波的波长入射角的大小地表颜色与粗糙度地物的反射率总是小于等于12.地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。•地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差异：•同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。不同植物；植物病虫害•地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。时间特性空间特性•同物异谱，异物同谱二、地物的发射光谱特性地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。1.黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。2.黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。3、黑体辐射定律(1)普朗克热辐射定律表示出了黑体辐射出射度与温度的关系以及按波长分布的规律。黑体辐射的三个特性辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射出射度越大，不同温度的曲线是不相交的。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。(2)斯忒藩-玻耳兹曼定律黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。(3)维恩位移定律随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。4、实际物体的辐射1）地物发射率：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。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。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(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。2）基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W黑。5、黑体的微波辐射1）任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。2）微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。3）瑞里—金斯公式黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。()22kTWkk波波尔尔兹兹曼曼常常数数4）微波波段与红外波段发射率的比较结论：一些在红外波段不容易识别的地物，在微波波段中则容易识别。6、地物的发射光谱1）发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。2）发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。三、地物的透射光谱特性透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。可见光、红外、微波的透射能力2.3大气和环境对遥感的影响一、大气的成分大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与电磁波波长、大气的成分和环境的变化有关。大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。二、大气的结构大气的垂直分层：对流层、平流层、中间层、热层和大气外层。•对流层：航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。•平流层：较为微弱。•中间层：温度随高度增加而递减。•热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。•大气外层：1000公里以外的星际空间。三、大气对太阳辐射的影响太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回宇宙空间；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。大气的透射率透射率与路程、大气的吸收、散射有关。1.大气的吸收作用•氧气：小于0.2μm；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。•臭氧：数量极少，但吸收很强。对航空遥感影响不大。•水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水气对红外遥感有极大的影响。•二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。2.大气的散射作用散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。三种散射作用1）瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。在微波波段一般发生瑞利散射，但强度甚小。2）米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对红外线的米氏散射不可忽视。3）无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色？结论大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。微波为何穿云透雾？四、大气窗口1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。常见的大气窗口0.3～1.3μm紫外可见近红外1.5～1.8μm和2.0～3.5μm近红外、中红外3.5～5.5μm中红外8～14μm远红外0.8～2.5cm微波五、环境对地物光谱特性的影响地物的物理性状光源的辐射强度：纬度与海拔高度季节：太阳高度不同探测时间：时间不同，反射率不同。气象条件作业：1.遥感技术中常用的电磁波波段有哪些？各有哪些特性？2.太阳辐射穿过大气层能量衰减的原因是什么？3.什么是大气窗口？常用于遥感的大气窗口有哪些？4.植被、沙、雪和湿地的反射光谱各有哪些特点？