遥感原理-电磁波和遥感物理基础.ppt

第 4 章 遥感原理 一、电磁波及遥感物理基础 1、概述 2、物体的发射辐射 3、地物的反射辐射 4、地物波谱特性的测定 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。 （1）电磁波 麦克斯韦电磁场理论——电磁波是一种横波 电磁波的几个重要性质 1）单色波可以用波函数来描述，是一个时空周期性函数，具有振幅、相 位、波长。 一般成像：记录振幅 全息成像：记录振幅和相位 2）干涉 3）衍射 4）偏振 （2）电磁波波谱 1）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 辐射或反射辐射电磁波特性。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。 2）电磁波具有不同的频率和波长，因而具有不同的特性。 3）遥感应用的光谱范围 3）遥感应用的光谱范围 1）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10的22次方 2）遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到微波波段 3）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能量而成像的。 2、物体的发射辐射 （1）黑体辐射 （2）太阳辐射 （3）大气对辐射的影响 （4）一般物体的发射辐射 （1）黑体辐射 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 1）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： 2）黑体辐射特性 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。总辐射通量密度W可在从零到无穷大的波长范围内。 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： ??? σ为斯忒藩——玻耳兹曼常数，T为绝对黑体的绝对温度（K）。 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。 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。 在微波波段，黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。 （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: 5% 紫外线 45% 可见光 50% 红外线 1）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。 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)。 2）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⊙=135.3 mW/m2 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。 3）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。 紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。 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。 （3） 大气对辐射的影响 1）大气的垂直分布 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 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，现阶段中很少使用紫外线波段。 3）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。 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）