第二講遙感物理基礎講稿

第二講遙感物理基礎講稿第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第二講遙感的物理基礎遙感技術是建立在物體電磁波輻射理論基礎上的。不同物體具有各自的電磁輻射特性，才有可能應用遙感技術探測和研究遠距離的物體。遙感的物理基礎涉及面廣，但是對我們本課程來說，主要是應用遙感技術所獲取的圖像或磁帶（經過處理）進行判讀和識別。因此，本章只介紹有關遙感資料應用中所涉及到的主要物理基礎知識，如電磁波與電磁波譜，及地物的反射光譜特性等。

第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.電磁波與電磁波譜1.1、電磁波及其特性電磁波:在真空或物質中通過傳播電磁場振動而傳輸能量的波.電磁波特性:波動的特性（如干涉、衍射、偏振和色散等現(xiàn)象）粒子（量子）性

第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.2、電磁波譜將各種電磁波在真空中的波長（或頻率）按其長短，依次排列制成的圖表叫做電磁波譜

在電磁波譜中，波長最長的是無線電波，無線電波又依波長不同分為長波、中波、短波、超短波和微波。其次是紅外線、可見光、紫外線，再次是X射線。波長最短的是γ射線。整個電磁波譜形成了一個完整、連續(xù)的波譜圖

電磁波與電磁波譜(續(xù))第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一電磁波譜第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射與地物的作用太陽輻射到達地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：到達地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射與地物的作用一般而言，絕大多數物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強，特別是0.45~0.56μm的藍綠光波段。一般水體的透射深度可達10～20m，清澈水體可達100m的深度。第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射與地物的作用地表吸收太陽輻射后具有約300K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為9.66μm，主要集中在長波，即6μm以上的熱紅外區(qū)段。第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射與地物的作用物體的反射滿足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測到電磁波，水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時很亮，有時很暗，就是這個原因造成的。第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2.物質和電磁波的相互作用一切物質作為其固有的性質都反射、吸收、透射及輻射電磁波。例如，植物的葉子之所以能看出綠色是因為葉子中的葉綠素對太陽光中的藍及紅色波長的光強烈地吸收而對綠色波長的光強烈地反射的緣故。物質的這種對電磁波固有的波長特性叫光譜特性（spectralcharacteristics）第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一3.物體的光譜反射特性地物的反射率:地物反射能量與入射總能量的百分率。即ρ=(Pρ/P0)×100%。反射率是可以測定的。地物的反射率隨入射波長而變化。地物反射率的大小，與入射電磁波的波長、入射角的大小以及地物表面顏色和粗糙度等有關。第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一.物體的光譜反射特性不論入射方向如何，其反射出來的能量在各個方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個方向反射的能量大小不同。物體的反射滿足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測到電磁波，水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時很亮，有時很暗，就是這個原因造成的。第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一物體的光譜反射特性(續(xù))一般地說，當入射電磁波波長一定時，反射能力強的地物，反射率大，在黑白遙感圖上呈現(xiàn)的色調就淺。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遙感圖像上呈現(xiàn)的色調就深。在遙感圖像上色調的差異是判讀遙感圖像的重要標志。

第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一物體的光譜反射特性(續(xù))物體的光譜反射率根據物體的種類而變化。由于物體發(fā)出的光譜輻射亮度受光譜反射率的影響，所以通過觀測光譜輻射亮度就可以識別遠處的物體。

植物在近紅外區(qū)有很強的反射；

土壤在可見光及短波紅外區(qū)有強的反射；

水在紅外區(qū)幾乎沒有反射第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一物體的光譜反射特性(續(xù))葉子中包含的葉綠素在0.45m和0.67m附近對電磁波有較強的吸收，其結果造成在可見光區(qū)0.5-0.6m（綠）范圍內呈現(xiàn)出很高的反射率是由于葉子的細胞構造所引起的?？梢姽?近紅外波段nearinfrared（0.76～3.0μm

）所以被廣泛應用于植被調查就是利用了植物具有在紅波段的強烈吸收和在近紅外波段的強烈反射這種特性。第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一TM1:0.45-0.52m藍綠色

第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一TM1:0.45-0.52m藍綠色TM2:0.52-0.60m綠色TM3:0.63-0.69m紅色TM4:0.76-0.90m近紅外第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一TM2:0.52-0.60m綠色第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一TM3:0.63-0.69m紅色第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一TM4:0.76-0.90m近紅外

第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一TM5:1.55-1.75m

短波紅外

第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一物體的光譜反射特性(續(xù))波長較長的約1.5m和1.9m附近水的吸收波段中，可以明顯看出反射率有一個跌落，其跌落的程度取決于葉子中水分的含量。識別巖石種類時多利用1.3m-3.0m的短波紅外區(qū)。為了辨別這種微小的光譜反射率特性必須利用能把光譜分成微小波段的多波段遙感器（成像光譜儀）。第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一地物的反射光譜地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律，叫做地物反射光譜。按地物反射率與波長之間關系繪成的曲線（橫坐標為波長值，縱坐標為反射率）稱為地物反射光譜曲線.不同地物由于物質組成和結構不同具有不同的反射光譜特性。因而可以根據遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異來識別不同的地物，這就是遙感的基本出發(fā)點。第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一不同地物的反射光譜曲線第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一水稻:99-15高光譜圖像特征---像、譜合一五七農場,常州水稻:武香5021水稻:99-1580波段第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一光譜輻射空間輻射成像遙感（單波段成像）地物光譜測量成像光譜遙感（譜-像的合一）地物地物三大屬性及其遙感特征第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一遙感技術使用的電磁波分類名稱和波長范圍

名稱波長范圍紫外線100A°～0.4μm紫0.38～0.43μm可見光0.4～0.7μm藍0.43～0.47μm紅外線近紅外0.76～3.0μm青0.47～0.50μm中紅外3～6μm綠0.50～0.56μm遠紅外6～15μm黃0.56～0.60μm超遠紅外15～1000μm橙0.60～0.63μm微波毫米波1～10mm紅0.63～0.76μm厘米波1～10cm分米波10cm～1m第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一遙感應用的電磁波波譜段紫外線：：波長范圍為0.01～0.38μm，太陽光譜中，只有0.3～0.38μm波長的光到達地面，對油污染敏感，但探測高度在2000m以下可見光：波長范圍：0.38～0.76μm，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術應用中的重要波段第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一遙感應用的電磁波波譜段紅外線：波長范圍為0.76～1000μm，根據性質分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。微波：波長范圍為1mm～1m，穿透性好，不受云霧的影響。第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一大氣結構從地面到大氣上界，大氣的結構分層為：對流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內。平流層：高度在12～50km，底部為同溫層（航空遙感活動層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的強吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動空間。大氣外層：800～35000km,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一大氣成分

大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。

氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3

懸浮微粒：塵埃第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一大氣的吸收作用大氣的吸收作用：

大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）O2吸收帶 <0.2μm，0.155μm最強O3吸收帶 0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶 0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶 1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm塵埃 吸收量很小第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一大氣的散射作用不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉變?yōu)閮饶?。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數據的質量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。大氣發(fā)生的散射主要有三種：瑞利散射：d<<λ米氏散射：d

≈λ非選擇性散射：d>>λ第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一人們把能到達地面的波段形象地稱為“大氣窗口”，這種“窗口”有三個。光學窗口是最重要的一個窗口，波長在300～700納米之間，包括了可見光波段（400～700納米），光學遙感一直是對地觀測的主要工具。大氣窗口第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一大氣窗口(續(xù))第二個窗口是紅外窗口，紅外波段的范圍在0.7～1000微米之間，由于地球大氣中不同分子吸收紅外線波長不一致，造成紅外波段的情況比較復雜。對于對地觀測常用的有近紅外、短波紅外、中紅外和遠紅外窗口。第三個窗口是微波窗口，微波波段是指波長大于1毫米的電磁波。

第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一大氣窗口第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一二、MODIS簡介主要技術指標軌道：705km，太陽同步，近極地軌道輻射靈敏度：12b波段范圍：36個波段、0.4~14.4μm空間分辨率：

2個波段為250m5個波段為500m29個波段為1000m帶寬：2330km，1~2天全球覆蓋設計壽命：5年第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一遙感圖像中的分辨率空間分辨率：通常指一個像素對應地面的實際大小。一般遙感圖像分辨率指的是地面分辨率；光譜分辨率：成象范圍內波譜帶數目；時間分辨率：重復獲取某地區(qū)圖像的周期；溫度分辨率（熱紅外）：可探測的溫度變化幅度。第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一100m10m1m