1、1 遥感技术与应用 2009年11月 第二章遥感的物理基础 本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响地物波谱特性的测定 第一节电磁波与电磁波谱 电磁波及其特性电磁波谱电磁辐射源 一 电磁波及其特性 波的概念 波是振动在空间的传播 机械波 声波 水波和地震波电磁波 ElectroMagneticSpectrum 电磁振动的传播 电磁波是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波 电磁波通过电场和磁场之间相互联系进行传播 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 电磁波四要素 频率 1秒钟内波的传播次数 单位为赫兹 Hz 偏振面 包含
2、电场方向的平面 偏振面的方向一定的情况叫直线偏振 振幅 电场振动的强度 振幅的平方与电磁波具有的能量大小成正比 传递方向 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 按电磁波在真空
3、中的波长长短 依次排列制成的图表 在电磁波谱中 波长最长的是无线电波 其按波长可分为长波 中波 短波和微波 波长最短的是 射线电磁波的波长不同 是因为产生它的波源不同 电磁波谱 遥感中应用的波段 紫外线 波长范围为0 01 0 38 m 太阳光谱中 只有0 3 0 38 m波长的光到达地面 对油污染敏感 但探测高度在2000m以下 可见光 0 38 0 76 m 鉴别物质特征的主要波段 是遥感最常用的波段 红外线 0 76 1000 m 近红外0 76 3 0 m 又称光红外或反射红外 中红外3 0 6 0 m远红外6 0 15 0 m 中红外和远红外又称热红外 超远红外15 1000 m微波
4、 1mm 1m 全天候遥感 有主动与被动之分 具有穿透能力 发展潜力大 2 遥感常用的电磁波波段的特性 三 电磁辐射源 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5900的黑体辐射来模拟 其辐射波长范围极大 辐射能量集中 短波辐射 大气层对太阳辐射的吸收 反射和散射 地球的电磁辐射 小于3 m的波长主要是太阳辐射的能量 大于6 m的波长 主要是地物本身的热辐射 3 6 m之间 太阳和地球的热辐射都要考虑 SolarSpectrum Shortwavespectrum visiblespectrum Sunat6000K peakemissionat0 5mm Terrestrial
5、Spectrum LongwaveSpectrum InfraredSpectrum ThermalSpectrum SaharaDesertonNimbus4Satellite TheoreticalPlanckcurves Earth 300K peakemission 15mm EarthSpectrum IncomingfromSun Highenergy shortwavelength OutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength 0 5mm 10mm 20mm 太阳与地表辐射的电磁波谱 人工辐射源 主动式遥感的辐射源 雷达探测 分为微波雷达和激光
6、雷达 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 3 电磁辐射度量 辐射能量 W 电磁辐射的能量 单位 J 辐射通量 单位时间内通过某一面积的辐射能量 dw dt 单位是W 辐射通量密度 E 单位时间内通过单位面积的辐射能量 E d ds 单位为W m2 辐照度 I 被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量 I d ds 单位是W m2 辐射出射度 M 辐射源物体表面单位面积上的辐射通量 M d ds 单位是W m2 辐射亮度 L 辐射源在某一方向上单位投影表面上单位立体角内的辐射通量 L Acos 单位为W sr m2 朗伯源 辐射亮度L与观察角 无
7、关的辐射源 如粗糙的表面 涂有氧化镁的表面等 太阳常近似地被看成朗伯源 第二节地物的光谱特性 任何地物都有自身的电磁辐射规律 如反射 发射 吸收电磁波的特性 少数还有透射电磁波的特性 地物的这种特性称为 地物的光谱特性 地物的反射率 吸收率和透射率对于某波段反射率高的地物 其吸收率就低 即为弱辐射体 反之 吸收率高的地物 其反射率就低 一 地物的反射光谱特性 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 反射率的值介于0到1之间 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 物体的反射类型镜面反射 是指物体的反射满足
8、反射定律 入射波和反射波在同一平面内 入射角等于反射角 平静水面的反射近似认为是镜面反射 漫反射 是指不论从何方向入射 虽然反射率与镜面反射一样 但反射方向却是 四面八方 其反射辐射亮度是一个常数 与方向无关 这种反射面又叫朗伯面 实际物体反射 方向反射 多数都处于两种模型之间 即介于镜面和朗伯面之间 其反射辐射亮度与方向有关 地物的反射波谱 地物的反射率随入射波长变化的规律 地物反射波谱曲线 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 雪 沙漠 湿地 小麦的光谱曲线 植被的反射光谱特性 叶绿素两个反射峰0
9、 55 m 绿 1 1 m 近红外 叶绿素两个吸收带0 45 m 蓝 0 67 m 红 水的三个吸收带1 45 m1 95 m2 7 m 土壤的反射光谱曲线 水体的反射光谱曲线 岩石的反射光谱曲线 传感器探测波段的设计 是通过分析比较地物光谱数据而确定的 多光谱扫描仪 MSS 的波段设计 MSS1 0 5 0 6 m MSS2 0 6 0 7 m MSS3 0 7 0 8 m MSS4 0 8 1 1 m 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 不同植物光谱曲线比较 植被的病虫害 时间特征 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 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 黑体辐射 BlackBodyRadiation 黑体的热辐射称为黑体辐射 二 地物的发射光谱特性 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 MaxPlanck 1858 1947 NobelPrize1918 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 不同温度的曲线不同 随着温度的升高 辐射出射度最大值所对应的波长向短波方向移动
