遥感物理基础

第二章遥感物理基础第二章遥感物理基础第一节电磁波与电磁波谱第二节太阳辐射与大气窗口第三节地物波谱特征第四节色度学地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式——电磁波。不同的物体具有不同的物质组成和结构；由此导致其电磁波谱特征（特征光谱）不同。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其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。不同地物的光谱曲线不同。同一种物体在不同的情况下，在各波段的反射率也不同。第一节电磁波与电磁波谱不同类型的地物具有反射或辐射不同波长电磁波的特性，遥感技术是利用地物反射和辐射电磁微波的固有特性来探测地面目标的。因此，关于电磁波辐射的基本原理就成为遥感技术的理论基础。本章仅从“遥感”的角度简述一些有关问题。一、电磁波电磁波是能量的一种动态形式。只有当它与物质相互作用时才表现出来。在自然界中，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波，不过它们产生的方式不同，波长也不同。根据电磁场理论，变化的电场能够在它的周围激起磁场的变化，同样，变化的磁场也能够在它周围激起电场的变化，这种交变的电磁场在空间由近及远的传播过程称为电磁波。电磁波的电（E）、磁（H）向量电磁波示意图电磁波电磁能量有以下几个主要参数波长(Wavelength)：指波在一个振动周期内传播的距离。即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰或波谷)间的距离。用表示，单位为厘米(cm)、毫米(mm)、微米(m)、纳米(nm)等周期：波前进一个波长那样距离所需的时间（T）频率(frequency)：指单位时间内，完成振动或振荡的次数或周期（T）.用V示。单位为赫兹(Hz)、千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等。波长与频率振幅(Amplitude)：表示电场振动的强度。它被定义为振动物理量偏离平衡位置的最大位移。即每个波峰的高度。单位为瓦特／米2·厘米电磁波的波长、频率、及速度间有如下关系：＝V电磁波在真空中以光速C＝2.998×108米／秒(m／s)传播，在大气中小于光速但接近于光速传播。一般可用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。在可见光一红外遥感中多用波长，如m、nm等：在微波遥感中多用频率，如MHz、GHz等。几个辐射度量概念辐射能W——电磁辐射所携带（或传递）的能量，它表示在给定的时间间隔内由辐射源辐射出的全部能量。辐射能的单位是焦尔（符号J）辐射通量——辐射能传递的时间速率，是单位时间内所传递的能量。常用单位是瓦（符号W）。大多数传感器响应的是辐射能传递的时间速率，而不是所传递的总能量辐射通量密度——单位面积所截获的辐射通量。辐照度——投射到表面上的辐射通量密度。用符号E表示（单位为W·m-2)出射率——从表面发出的辐射通量密度。用符号M表示（单位为W·m-2）辐射强度I——辐射源每单位立体角所发出的辐射通量密度，单位为瓦·球面度-1（W·Sr-1)立体角是辐射通量定量测量的一个基本概念，采用类似弧度的度量方法。辐射率L——在扩展源的某一方向上的单位立体角内，由垂直于那个方向的平面上辐射源的投影单位面积所发射的辐射通量。1）不需要传播介质2）横波3）波动性4）粒子性5）叠加原理6）相干性和非相干性7）衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）8）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）电磁波的特点和遥感意义/hchvE/hP动量：P能量：Eh:普朗克常数，6.6260755×10－34Jsc:光速；v:频率能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和X射线Y射线。电磁波的粒子性电磁辐射传播的基本特性干涉衍射偏振杨氏干涉小孔衍射A天然光；B偏振光；C部分偏振光二、电磁波谱定义：按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列成的图表，称为电磁波谱。蓝0.38～0.50μm，绿0.50～0.60μm，红0.60～0.76μm。0.01～0.38μm0.38～0.76μm0.76～1000μm微波：1000μm～1.0m各种电磁波的特点波长范围产生机理特点用途γ射线小于10－6μm原子核受激后产生非常强的穿透力，很难观察到波动性医学X射线10－6μm~10－3μm原子中内层电子受激后产生较强的穿透力，粒子性突出医学紫外线10－3~0.38μm可见光0.38~0.76μm原子、分子中外层电子受激发后跃迁到低能态可见光遥感红外线0.76μm~1mm分子振动或转动的能级跃迁明显的波粒二象性红外遥感微波1mm~1m电磁电感组成的振荡回路波动性明显微波遥感电磁波谱中各谱段的主要特点—射线波长小于0.03nm,波长短、频率高，具很大能量，很高的穿透能力。来自太阳辐射中的全被大气吸收，因此不能用于遥感。但来自放射性矿物的可被低空遥感所探测，有遥感前景。X—射线波长0.03—3nm，在大气中全部被吸收，不能用于遥感紫外线（UV）波长3nm—0.38m3nm—0.01m超远紫外0.01—0.2m远紫外0.2—0.3m中紫外0.3—0.38m近紫外（摄影紫外）具较高能量，在大气中散射严重可见光(Visiblelight)波长0.38—0.76m，电磁波谱中人眼所唯一能见到的波区。还可分出更窄的谱段，如红、橙、黄、绿、青、兰、紫，也可粗分为：蓝0.38—0.50m绿0.50—0.60m红0.60—0.76m红外线（Infrared,IR)波长0.76～1000m近红外（NIR）0.76～3m（反射红外）（其中0.76～0.9m又称摄影红外）中红外（MIR）3～6m远红外（FIR）6～15m超远红外（UFIR）15～1000m（其中中、远红外等是物体发射的一种热辐射，所以也叫热红外）微波（Microwave)波长0.1～100cm,实际是无线电波的一部分毫米波:1mm～10mm厘米波:1cm～10cm分米波:1dm～10dm特点：穿透性（云、雾、冰）不受气候和昼夜影响能量弱无线电波（Radiowave)不能用于遥感。短波被大气层全部反射，中波长波被电离层吸收电磁波谱及其在遥感上的应用第二节太阳辐射与大气窗口在地球环境中，太阳是一个最强大的辐射源，目前遥感技术中所用的可见光波段，近红外波段的能量来源主要来自太阳。地球本身也是天然电磁辐射源，是目前热红外遥感的主要辐射源。一、太阳辐射和大地辐射太阳辐射及其能量分布1）5900K的黑体辐射。2）短波辐射（太阳辐射总能量的40％集中于0.4－0.76um的可见光范围内，51％在红外部分）地球是另一个大的天然电磁辐射源。地球除以反射太阳辐射的方式以外，还以火山喷发、温泉和大地热流等多种形式，向宇宙空间不断地辐射热能。地球辐射能量集中在中红外（3～6μm）及热红外（6～15μm）谱段，其峰值波长在9.7μm处。太阳辐射波谱曲线与地球的辐射曲线在约3μm处相交。由此可知，当人们对地面目标进行遥感时，传感器接收到的波长小于3μm部分，主要是地物反射太阳辐射的能量；波长大于3μm部分，主要是地物自身的发射辐射（热辐射）能量。地球辐射及其能量分布地面物体的电磁辐射信息包括反射信息，它只能在白天接收发射信息，它既能在白天，又能在夜间接收太阳、地物和人工发射辐射电磁波，都要通过地球大气。而大气作为一种传输介质，对电磁辐射的影响主要表现为散射与选择性吸收，致使电磁辐射强度减弱，其光谱成分也发生一定的变化。这种影响通常以衰减因数来衡量。即：σ0＝α＋γσ0—衰减因数α—吸收系数γ—散射系数散射系数γ取决于大气中气体分子、液态和固态杂质的散射；吸收系数α取决于大气中气体分子的吸收。γ与α随波长不同而变化。在可见光波段以散射为主，红外波段以吸收为主。二、大气的作用二、大气的作用传感器接收到：L＝Ls+La卫星EA大气La—散射辐射（一）大气散射Ls—表面反射的辐射率（一）大气散射1、瑞利散射当微粒直径小于波长时，d﹤﹤λ时，一般认为（dλ/10）散射系数与λ4成反比，主要由大气中的气体分子引起可见，波长越短，散射越强。4)(1晴朗的天空为蓝色；出现蓝色蒙雾，紫外区不适于进行遥感主要影响短波波段，主要是使传感器接收到的能量加上一个常数，这就造成图像反差变小，模糊。1、瑞利散射质点直径和电磁波波长差不多时（dλ）2米散射2)(1主要是大其中的气溶胶引起的散射。云、雾等的悬浮粒子的直径和0.76－15um之间的红外线波长差不多，需要注意。3非选择性散射当质点直径大于电磁波波长时（dλ）,散射率与波长没有关系1)(人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果。（二）大气吸收大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。1）水：分为气态水和液态水水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波，都有水汽的吸收带。液态水的吸收更强，主要在长波方向。2）二氧化碳主要在红外区。1.35－2.85um之间有3个弱吸收带，2.7，4.3，14.5um为强吸收带。3）臭氧主要在紫外线，所以在遥感技术中很少应用紫外光谱段4）其它吸收电磁波的物质氧气主要吸收波长小于0.2um的，尘埃吸收作用很少。（三）反射作用主要是大气中的云层，大的尘埃。云量越多、云层越厚，反射越强。大气对太阳辐射的衰减总体规律：大气吸收15％，散射和反射42％，其余43％太阳辐射到达地面。又一说：大气吸收17％，散射22％，反射30％，其余31％太阳辐射到达地面。太阳辐射经大气衰减图（四）大气窗口大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。（四）大气窗口常用大气窗口1）0.3－1.4um：包括全部可见光（95％），部分紫外光（70％），部分近红外光（80％）。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。2）1.4－2.5um：近红外窗口，60％－95％，扫描成像，白天记录3）3.5－5.5um：中红外窗口，60％－70％，白天夜间，扫描成像记录4）8－14um：远红外窗口，超过80％，白天夜间，扫描记录5）1.4－300mm：微波窗口，白天夜间，扫描记录。一、地物波谱特征的概念地物波谱特征是指各种地物各自所具有的电磁波特性（反射、发射、吸收、透射）。任何物体对外来电磁波均有反射、吸收和透射作用。同时任何物体只要其温度高于绝对零度，都会不断向外界发射电磁波（热辐射）。在入射电磁波与反射、吸收和透射电磁波之间，据能量守恒原理，为：ρ＋α＋τ＝100％式ρ—反射率α—吸收率τ—透射率第三节地物波谱特征(1)镜面反射(Specularreflection)(2)漫反射(Diffusereflection)(3)方向反射(Directionalreflection)地物对电磁波的反射有三种形式∵任何物体的发射率总是等于它同温度同波段的吸收率即α（λT）＝ε（λT）α＝ε对于不透明的物体来说，可以认为τ（λ）＝0则ρ（λ）＝1－α（λ）∴ρ＝1－ε则ε＝1－ρ即各种地物发射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射电磁波的特性得到。正因为各种地物反射、发射电磁波能力各不相同，才构成遥感据以探测和识别各种目标物的依据。二、地物反射波谱特征（一）地物反射波谱特性当电磁波从较稀疏的空气介质入射到较密介质时，将产生反射。一般用反射率来表示地物反射能力。通常反射率定义为物体的反射能量与入射能量之比。即：ρ＝Eρ／E显然，反射率高，在遥感图像上就越亮，反之则越暗。因为波长不同，同一地物其反射率也不同。遥感中更常用的是光谱反射率。光谱反射率：地物在某波段的反射能量与该波段的入射能量之比，即ρλ＝Eρλ／Eλ地物反射波谱特性：地物波谱反射率随波长变化而改变的特性。地物反射特性曲线：将地物的波谱反射率与波长的关系在直角坐标系中描绘出的曲线。通常以横坐标代表波长，纵坐标代表光谱反射率所作出的相关曲线