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遥感的物理基础_第1页，共34页，编辑于2022年，星期三第二章 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2页，共34页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱vv电磁波及其特性电磁波及其特性vv电磁波谱电磁波谱vv电磁辐射源电磁辐射源第3页，共34页，编辑于2022年，星期三一、电磁波及其特性一、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（ElectroMagnetic Spectrum)：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。第4页，共34页，编辑于2022年，星期三电磁波四要素频率频率：1秒钟内波的传播次数，单位为赫兹（Hz）偏振面：包含电场方向的平面。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 传递方向第5页，共34页，编辑于2022年，星期三电磁波的特性1)电磁波是横波2)在真空中以光速传播3)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。v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v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v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第6页，共34页，编辑于2022年，星期三二、电磁波谱二、电磁波谱1.电磁波谱：按电磁波在真空中的波长长短，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。第7页，共34页，编辑于2022年，星期三电磁波谱第8页，共34页，编辑于2022年，星期三遥感中应用的波段第9页，共34页，编辑于2022年，星期三紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m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：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第10页，共34页，编辑于2022年，星期三三、电磁辐射源三、电磁辐射源1.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。第11页，共34页，编辑于2022年，星期三Solar Spectrum=Shortwave spectrum=visible spectrum:Sun at 6000K;peak emission at 0.5 m mm第12页，共34页，编辑于2022年，星期三CO2H2OO3Terrestrial Spectrum=Longwave Spectrum=Infrared Spectrum=Thermal Spectrum:Sahara Desert on Nimbus 4 SatelliteTheoretical Planck curves:Earth 300K,peak emission 15 m mm第13页，共34页，编辑于2022年，星期三Earth SpectrumIncoming from Sun:High energy,short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 m mm10 m mm20 m mm第14页，共34页，编辑于2022年，星期三2.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。第16页，共34页，编辑于2022年，星期三3.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/(srm2)朗伯源朗伯源：辐射亮度L与观察角无关的辐射源，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17页，共34页，编辑于2022年，星期三第二节 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。第18页，共34页，编辑于2022年，星期三地物的反射率、吸收率和透射率地物的反射率、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。第19页，共34页，编辑于2022年，星期三1.地物的反射率地物的反射率（反射系数或亮度系数）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：l入射电磁波的波长l入射角的大小l地表颜色与粗糙度第20页，共34页，编辑于2022年，星期三物体的反射类型 镜面反射：镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。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：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）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。第21页，共34页，编辑于2022年，星期三2.地物的反射波谱：地物的反射波谱：地物的反射率随入地物的反射率随入射波长变化的规律。射波长变化的规律。1)地物反射波谱曲线地物反射波谱曲线：根据地物反射率与根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电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磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。质的基本原理。2)2)不同地物在不同波段反射率存在差异：不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线沙漠、湿地、小麦的光谱曲线第22页，共34页，编辑于2022年，星期三植被的反射光谱特性叶绿素两个反射峰0.55m(绿)1.1m(近红外)叶绿素两个吸收带0.45m(蓝)0.67m(红)水的三个吸收带1.45m 1.95m 2.7m第23页，共34页，编辑于2022年，星期三土壤的反射光谱曲线第24页，共34页，编辑于2022年，星期三水体的反射光谱曲线第25页，共34页，编辑于2022年，星期三岩石的反射光谱曲线第26页，共34页，编辑于2022年，星期三传感器探测波段的设计，是通过分析比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。较地物光谱数据而确定的。多光谱扫描仪（多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：）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)第27页，共34页，编辑于2022年，星期三3)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4)地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。q时间特性q空间特性第28页，共34页，编辑于2022年，星期三 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(Black Body Radiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。第32页，共34页，编辑于2022年，星期三3、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。Max Planck (1858 1947)Max Planck (1858 1947)Nobel Prize 1918Nobel Prize 1918第33页，共34页，编辑于2022年，星期三黑体辐射的三个特性A.辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。B.温度越高，辐射出射度越大，不同温度的曲线不同。C.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。第34页，共34页，编辑于2022年，星期三
