第 2章 遥 感的物理基础 ? 2.1 电磁波及其与地物的相互作用 ? 2.2 黑体辐射与实际物体辐射 ? 2.3 光色原理 ? 2.4 黑白影象和彩色影象记录的原理 § 2.1 电磁波及其与地物的相互作用 ? 2.1.1 电磁波与电磁波谱 ? 2.1.2电磁波在大气传输中的影响 ? 2.1.3电磁波与地物的相互作用 ? 2.1.4地物的反射光谱特性及测量 2.1.1 电磁波与电磁波谱 2.1.1.1电磁波 波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 机械波：振动的是弹性媒质中质点的位移矢量。 电磁波：电场矢量和磁场矢量在空间的传播。 (振源发出的电磁振荡在空间的传播。) 电磁波的产生 ：当电磁振荡进入空间时， 变化的磁场激发了变化的电场，使电磁 振荡在空间传播，形成电磁波。 电磁波谱满足： 2.1.1 电磁波的性质 1） 不需要传播介质 2） 横波 ： 质点振动方向与波的传播方向垂直 3） 波动性 ： 电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会发生反射、折射、 吸收、透射等现象 4） 粒子性 ： 传播过程中，若碰到会发生散射现象，从而引起电磁 波的强度、方向等发生改变。 5） 叠加原理 ： 两列以上的波在同一空间传播时，空间质点的振动 表现为各单列波质点振动的矢量合成。 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） 2.1.1.2 电磁波谱 按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列制 成的图表，称为电磁波谱。 补充：长度单位换算 1 nm = 10 -3 μm = 10 -7 cm = 10 -9 m 1 μm = 10 -3 mm = 10 -4 cm = 10 -6 m 1 ? = 10 ×10 -10 m 2.1.1.2 电磁波谱（ 2） 传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同。 共性 ：传播速度相同 遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律 无线电波 ：电磁振荡 红外线、可见光、紫外线、 X射线等由分子、 原子、核子的运动状态的改变或能级跃迁。 紫外线 （ 0.01－ 0.4微米），碳酸盐岩，油污 可见光 （ 0.4－ 0.76微米），人眼、单色、全色 红外线 （ 0.76－ 1000微米） 微波 （ 1－ 1000毫米）。 4个优点。 一些电磁波的主要用途 Wavelength use Wavelength use g ray Mineral 1.55-1.75 μ m Water content in plant or soil X ray Medical 2.04-2.34 μ m Mineral, rock types ultraviolet(uV) Detecting oil spill 10.5-12.5 μ m Surface temperature 0.4-0.45 um Water depth, turbidity 3 cm - 15 cm Surface relief, soil moisture 0.7-1.1 μm Vegetation vigor 20 cm - 1 m Canopy penetration, woody biomass 电磁辐射源与电磁辐射的度量 辐射源 :能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能 够吸收其他物体对它 的辐射，也能够向外辐射电磁波 人工辐射源 ——人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源） 太阳辐射 ——可见光及近红外遥感的重要辐射源 自然辐射源 地球电磁辐射 ——远红外遥感的辐射源 辐射的量测（ 1） 辐射能量（ W） ：电磁辐射的能量，单位： J 辐射通量（Φ ） ：单位时间内通过某一面积的辐射能量， Φ =Dw/dt， 单位是 w 辐射通量密度（ E） ：单位时间通过单位面积上的辐射能量， E=d Φ /ds， 单位 ： w/m 2 ， S为面积 辐射的量测（ 2） 辐照度（ I） ：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量， I=E=d Φ /ds， 单位 ： w/m 2 ， S为面积 辐射出射度（ M ） ：辐射源物体表面单位面积上的辐射通 量， M=E=d Φ /ds， 单位 ： w/m 2 ， S为面积 辐射亮度（ L） ：面状辐射源在某一方向，单位投影表面， 单位立体角内辐射通量，即 )(Acosθ φ ? =L 2.1.2 电磁波在大气传输中的影响 电磁波在大气传输中的影响 大气组成成分 大气组成成分 均匀层 ，对太阳辐射 的相互作用是太阳能 衰减的主要原因。 大 气 分 层 结 构 大气对太阳辐射的衰减 e x E E 0 0σ τ τ ? == 其中， ：太阳辐射通过的大气路程，与太阳高度角有关 ：衰减因子， ：大气对太阳辐射的吸收率和散射率，是电磁波波长 （频率）的函数。 γασ +=0 x γα, 0σ 太阳辐射衰减的原因： 散射 吸收 反射 太阳辐射衰减的原因： 反射 吸收 透射 遥感器接受的电磁辐射 遥感器接受的电磁辐射 到达地面的太阳辐射 直接辐射： 太阳辐射经大气衰减后到达地面的部分。 天空辐射：太阳辐射经过大气散射后辐射到地面的部分。 遥感器就受到的太阳辐射 B Bs： 太阳辐射经地面目标反射后到达遥感器的辐射能。 B A ： 太阳辐射经大气散射到遥感器的辐射能。 ABBsB += 忽略 … 3.4.1 散射作用 太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子的 散射和大气中固体、微粒、液体的散射。 Scattering: The redirection of EM energy by the suspended particles in the air. 散射：悬浮在空气中的粒子（分子、尘埃、烟尘、水滴等直径 不同的粒子）引起电磁波能量方向的改变。 散射的类型 dp << λ Rayleigh scattering Sr 瑞利散射 dp =λ Mie scattering Sm 米氏散射 dp >> λ Non-selective scattering Sn 非选择性散射 1 瑞利（ Rayleigh）散 射 质点的直径 d << λ(电磁波波长)时，一般认为（d < λ/10） λ λγ 4 )( 1 ∝ 大气中的气体分子 ; 晴朗的天空为蓝色； 出现蓝色蒙雾， 紫外区不适于进行遥感 2 米氏散射 质点直径和电磁波波长差不多时（ d λ） ≈ λ λγ 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－ 15 μm之间的红外线波长差不多，需要 注意。 3 无选择性散射 当质点直径大于电磁波波长时（ d >λ） , 散射率与波长没 有关系 1)( =λγ 人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果 散射类型 引起的颗粒种类 颗粒大小 (与 λ比较 ) 与波长的关系 (正比 ) 瑞利 气体分子 《 0.1 λ -4 米氏 气溶胶（烟、霾） 0.1-10 λ 0 ~λ -4 非选择 尘埃、雾、云 >10 λ 0 各种散射及其与波长的关系 3.4.2 吸收作用 大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。 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。 二氧化碳 主要在红外区。 1.35－ 2.85μm 之间有 3个弱吸收带 ， 2.7， 4.3， 14.5 μm 为强吸收带。 臭氧 紫外线 其它吸收电磁波的物质 氧气 主要吸收波长小于 0.2μm的， 尘埃 吸收作用很少。 3.4.3 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。 100％， 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： 100％， 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 Wavelengths that we can use most effectively 3.5 大气窗口 大气窗口 ：电磁波在大气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。 大气窗口解释 1） 0.3－ 1.3μm： 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） 1.5－ 2.8μm： 近红外窗口， 60％－ 95％，扫描成像， 白天记录 3） 3.5－ 5.5μm： 中红外窗口， 60％－ 70％，白天夜间， 扫描成像记录 4） 8－ 14 μm： 远红外窗口，超过 80％，夜间，扫描 记录 5） 1.4－ 300mm： 微波窗口， 白天夜间，扫描记录。 2.1.3 电磁波与地物的相互作用 ? 地物的发射波谱 ? 地物的透射波谱 ? 地物的反射波谱 1 地物发射光谱 地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光 谱。地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据。 2 地物的透射光谱 透明物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。 透射率（τ λ） ： 入射光透过物体的能量与入射总能量 之比。 举例： 1）水体在蓝绿波段，混水 1-2米，一般水体 10-20米。 2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的 波长决定。 3 地物的反射光谱 电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况： 反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。 )()()()( λτλαλρλ EEEEs ++= 1)()()( =++ λτλαλρ ◆ 能量被反射、吸收和透射的比例会随地物类 型和条件的不同而变化。 ◆即便是同一地物类型，反射、吸收和透射能量 的比例也会随波长的变化而变化 。 物体反射分类 判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则： θ λ cos8 ≤h 根据物体表面的粗糙程度，反射分为： 1）镜面反射 2）漫反射（朗伯反射） 3）有向反射 4）混合反射 反射分类图示 (a) 镜面反射 (b) 漫反射（朗伯反射） (c) 有向反射 (d) 混合反射 1) 镜面反射 2) 朗伯反射 朗伯定律 ：漫反射的反射辐射亮度（单位面积单位立体角 内的辐射通量）和观察方向与表面法线夹角的余弦成正比。 θθ cos0BB = 航天遥感中，地球表面相对于遥感器的高度，近似视为朗伯面。 3) 有向反射 有向反射 比较复杂，反射率是入射角、反射角、入 射方位角、反射方位角的函数。 )( )( ),,,( sZsEs iZiM isZiZs ? ?ρ ??ρ = 4) 混合反射 一部分镜面反射，一部分朗伯反射。 有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向 有关，在航空遥感中具有重要意义。 ? 反射率的概念： 　　物体反射的辐射能量占总入射能量的 百分比 ? 地物反射光谱曲线： 　　 地物的反射波谱曲线是指地物的反射 率随波长的变化而变化的曲线图。通常 用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长 λ，纵坐标表示反射率ρ。 4.3.2 常见地物的反射波谱曲线 1) 白橡树不同生长期的反射光谱曲线 2) 不同健康状态松树的反射光谱曲线 3) 不同植被的反射光谱曲线 土壤、植被和水的典型反射光谱曲线 (Lillesand and Kiefer, 1994) ? 2.2.1黑体辐射 ? 2.2.2实际物体的辐射 ? 2.2.3太阳辐射 ? 2.2.4地物的辐射光谱特性 2.2.1 黑体辐射 黑体：对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。 对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于 0。 吸收系数 α （ λ ，T）=100% 反射系数 ρ （ λ ，T）=0% 黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。 黑色的烟煤 α （ λ ，T）=99% 人工制造的接近黑体的吸收体 n ? ? ? ? ? ? 100 5 n次反射后出射光线几乎等于 0 2.2.1.2 黑体辐射的定律 普朗克公式 斯蒂芬－玻尔兹曼定律 维恩位移定律 2.2.1 普朗克公式 描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。 )1( 2 ),( 5 ? = kThc 2 b e c h TM λ λ π λ h: 普朗克常数 6.6260755*10 -34 W·s 2 k : 玻尔兹曼常数， k=1.380658*10 -23 W·s·K -1 c: 光速 ; λ : 波长（μ m） ; T: 绝对温度（ K） 变化特点： (1) 辐射通量密度 随波长连续变化， 只有一个最大值； (2) 温度越高，辐 射通量密度越大， 不同温度的曲线不 相交； (3) 随温度升高， 辐射最大值向短波 方向移动。 图示普朗克公式 黑体辐射 斯蒂芬－玻尔兹曼定律 对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬－玻尔 兹曼定律。 辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温 度的 4次方成正比。 T M 4 σ= σ : 斯蒂芬－玻尔兹曼常数， 5.6697＋－ 0.00297）× 10 － 2 Wcm -2 K -4 = 5.6697＋－ 0.00297）× 10 －8 W m -2 K -4 红外装置测试温度的理论根据。 维恩位移定律 bT =?maxλ b : 常数， 2897.8＋－ 0.4 μ m· K 高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。 常温（如人体 300K左右，发射电磁波的峰值波长 9.66μ m ） 针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。 2.2.2实际物体的辐射 对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比 辐射率），表明物体的发射本领。 ),( ),( ),( TM TM T b λ λ λε = 非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。 发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按 照发射率与波长的关系，辐射源可以分为： 1）黑体 2）灰体 3）选择性辐射体 一般辐射体和发射率 基尔霍夫定律 给定温度下，任何地物的辐射通量密度 M与吸收率 α之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量 密度。 ),( ),( ),( TM TM T b λ λ λα = αε = 发射率等于吸收率。好的吸收体也是好 的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波， 也不发射该波长的电磁波。 2.3　光色原理 ? 光和颜色 ? 颜色的度量 ? 色彩合成 ? 加色法与减色法 　 1　三原色与加色法 　 2　色度图 　 3　 减色法 ? 原理 ? 减法三原色 　 ? 黑白影象成像的原理 　感光→显影→定影→负片→曝光→显影 →定影→正片　　 ? 彩色影像片生成原理 ? 红外彩色像片的感色关系 真彩色合成示意图