遥感导论复习重点

国土资源学院2008级2班 遥感导论期末复习要点

遥感复习重点

第一章 绪论

1.遥感的基本概念（广义与狭义）

广义遥感：泛指一切无接触的远距离探测，包括电磁场、力场、机械波(声波、地震波)等探测。 狭义遥感：仅指应用探测仪器，不与探测目标接触，从远处将目标电磁波特性纪录下来，通过分析，解释物体特征性质及其变化的综合性探测技术。

补充层面：因此，又可以说：遥感是以电磁波与地表物质相互作用为基础，探测、分析和研究地球资源与环境，揭示地球表面各种要素的空间分布特征和时空变化规律的一门科学技术。 2.遥感、遥测、遥控的区别

遥感区别于遥测(Telemetry)和遥控(Remote Control)。

遥测指对被测物体某些运动参数和性质进行远距离测量技术。 遥控指远距离控制运动物体的运动状态和运动过程技术。

完成空间遥感过程往往需要综合运用遥测技术和遥控技术。例如，卫星遥感必须测定卫星运行参数\\控制卫星运行姿态等。 3遥感系统组成

遥感系统包括：被探测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用5大组成部分。 4.遥感类型的划分

（1）按遥感平台分，包括：

A、地面遥感→指遥感器安放在地面平台上，如车载平台、船载平台、手提平台等。 B、航空遥感→指遥感器安放在航空器上，如飞机、气球等，一般高度小于80千米。

C、航天遥感→指遥感器安放在航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等，一般高度大于80千米。

D、航宇遥感→指遥感器安放在星际飞船上，主要用于对地月系统以外目标进行探测。 （2）按遥感器的探测波段分，包括：

A、紫外遥感→指利用0.05-0.38微米间紫外辐射波段进行探测。 B、可见光遥感→指利用0.38-0.76微米间可见光辐射波段进行探测。 C、红外遥感→指利用0.76-1000微米间红外辐射波段进行探测。 D、微波遥感→指利用1毫米-10米间微波辐射进行探测。

E、多波段遥感→指探测波段在可见光和红外波段范围内，再被分成若干狭窄波段进行遥感探测。

（3）按工作方式分，包括:

A、主动遥感→指利用遥感器主动发射一定电磁波能量并接收目标地物后向散射信号进行探测。

B、被动遥感→指遥感器不向目标地物发射电磁波，仅被动接收目标地物自身发射或对自然辐射源如太阳等反射能量。 或者分为:

C、成像遥感→指遥感器接收目标地物电磁波信息可以转换成数字图像或模拟图像。 D、非成像遥感→指遥感器接收目标地物电磁波信息不能转换成数字图像及模拟图像。 （4）按遥感的应用领域分，包括:

A、就较大研究领域看:包括外层空间遥感\\大气层遥感\\陆地遥感\\海洋遥感等。

B、就具体应用领域看:包括资源遥感\\环境遥感\\农业遥感\\林业遥感\\渔业遥感\\地质遥感\\气象遥感\\水文遥感\\城市遥感\\工程遥感\\灾害遥感\\考古遥感\\军事遥感等。

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第二章 电磁辐射与地物光谱特征 1.电磁波概念 所谓“电磁波”（Electromagnetic Wave），是指由电磁振源所发出的电磁振荡在空间中的传播。 “电”（Electrical）和“磁”（Magnetic）是相互转化的，是电磁波的落脚点。因此，又可将“电磁波”定义为“电磁振荡产生变化磁场，变化磁场产生蜗旋电场，蜗旋电场又产生变化磁场（或电磁振荡产生变化电场，变化电场产生蜗旋磁场，蜗旋磁场又产生变化电场）的磁场和电场（或电场和磁场）相互转化的连续的传播过程”，如下图示。 2.电磁波具有波粒二象性，其中波长与频率的关系？ 电磁波具有波粒二象性（The wave-particle duality） 即电磁波既有波动性，又有粒子性。

电磁波的波动性表现为：电磁波传播过程中，Ψ=Asin[(ωt-kx)+φ]，可能发生反射、折射、吸收和透射等现象；真空中，电磁波的传播速度等于光速，即C=λf=λ/T；介质中，电磁波的传播速度小于光速，即v=C/(εμ)1/2，ε为介质相对介电常数，μ为介质相对磁导率。

电磁波的波粒二象性表现形式主要由电磁波的波长（λ）和频率（f）决定，波长和频率是电磁波固有的属性，波长越长，波动性越明显，频率越大，粒子性越明显；对于既定电磁波而言，在其传播过程中，主要表现为波动性，当其与某些物质相互作用时，主要表现为粒子性。 3.电磁波谱顺序

（1）电磁波谱是指真空中，电磁波按其波长或频率、递增或递减，依次排列形成的序列。

（2）电磁波谱依频率由高到低或波长由短到长排列，依次可划分为宇宙射线（Cosmic rays）→γ射线→X射线→紫外线→可见光→红外波→微波→无线电波（Radio waves）；

电磁波谱依频率由低到高或波长由长到短排列，依次可划分为无线电波→微波→红外波→可见光→紫外线→X射线→γ射线→宇宙射线

4.为什么电磁波谱中不同类别的电磁波的波长和频率不同，是因为其产生的波源或称电磁辐射源不同？（即各电磁波成因） 无线电波→主要由电磁振荡发射；

微波→主要利用谐振腔及波导管激励与传输,通过微波天线向空中发射； 红外波→主要由分子振动和转动能级跃迁产生；

可见光与近紫外→主要由原子、分子外层电子跃迁产生；

紫外线、X射线、γ射线→主要由原子、分子内层电子跃迁以及原子核内状态变化产生； 宇宙射线→主要来自宇宙空间。

5.电磁辐射的测量单位（教材18页）（掌握辐射通量、辐照度、辐射出射度）

常用辐射能量(W)、辐射通量(Φ)、辐射通量密度(E)、辐照度(I)、辐射出射度(M)、辐射亮度(L)等参数测量电磁辐射 6.黑体辐射概念

黑体是指任何温度下，对各种波长电磁辐射，都完全吸收的物体，即任何温度下，对各种波长电磁辐射，吸收率恒为1（或100％）的物体。理想黑体实验是用带小孔空腔做成的，如教材P19图2.6所示。

7.黑体辐射规律

普遍适用的规律是普朗克公式，即

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普朗克公式描述出黑体辐射出射度与黑体温度及黑体辐射电磁波波长关系。利用普朗克公式，可以计算出既定温度和既定波长下，黑体辐射出射度。 8、黑体辐射与实际物体发射光谱特征

a.黑体辐射出射度,随着辐射波长变化而连续变化, 而且每条辐射出射度曲线只有一个最大值; b.黑体自身温度越高,黑体辐射出射度越大, 而且不同温度黑体辐射出射度曲线互不相交; c.随着黑体自身温度升高,黑体辐射出射度最大值 向着辐射波长较短方向移动;

d.只要黑体自身温度稍微变化,其总辐射出射度就会发生较大变化; e.辐射出射度峰值对应波长与黑体温度乘积为一常数. 为何得到后两点结论，可从普朗克公式计算求证 关于普朗克公式的计算题

（1）如果对普朗克公式从零到无穷大波长范围内进行积分,则斯忒潘-玻尔兹曼定律（Stsdan-Boltamann`s law）,即:

M=σT4

其中, σ为斯忒潘-玻尔兹曼常数,σ=5.67×10-8

W.m-2.K-4。黑体总辐射出射度与温度四次方成正比，随着温度增加而迅速增大.

（2）如果对普朗克公式从零到无穷大波长范围内进行积分,则斯忒潘-玻尔兹曼定律（Stsdan-Boltamann`s law）,即:

M=σT4

其中, σ为斯忒潘-玻尔兹曼常数,σ=5.67×10-8

W.m-2.K-4。黑体总辐射出射度与温度四次方成正比，随着温度增加而迅速增大. 维恩位移定律（Wien`s displacement law）

得到不同温度黑体与最大辐射所对应波长关系如下表所示。

如果黑体辐射最大出射度对应波长处于可见光波段，则随着黑体温度升高，黑体颜色逐渐向紫色过渡。

黑体辐射规律例题

例题：1。已知太阳常数,可以求得太阳表面辐射出射度M=6.284×107W/m2.进而可求出:太阳有效温度T和太阳光谱中辐射最强波长λmax.

解:通常可以将太阳当作黑体看待.

因此,根据斯忒潘-玻尔兹曼定律M=σT4,可得:

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T=(M/σ)1/4=[(6.284×107W/m2)/ 5.67×10-8W.m-2.K-4]1/4=5770K. 另外,根据维恩位移定律λmax·T=b,可得: λmax=b/T=(2.898×10-3m.K)/5770K=0.50μm 答:太阳有效温度为5700K,辐射最强波长为0.50μm.

2、如何将黑体辐射作为参照标准计算实际物体发射电磁辐射呢？

例如:一般金属材料均可当作灰体看待.已知氧化铜表面温度为1000K,比辐射率ε(或吸收系数α)为0.7,求此时该物体总辐射出射度M.

解:根据斯忒潘-玻尔兹曼定律,可得温度为1000K黑体总辐射出射度为: M0=σT4=5.67×10-8W.m-2.K-4(1000K)4=5.67×104W/m2

再根据基尔霍夫定律,可得:M=αM0,α=ε,α与波长λ无关. 所以:M=αM0=0.7×5.67×104W/m2=3.97×104W/m2 答:此时该物体总辐射出射度M为3.97 ×104W/m2. 补充黑体微波辐射规律

普遍适用的是瑞里-金斯微波辐射规律，即

黑体微波辐射与温度成正比，与波长平方成反比。不同地物间微波发射率差异比红外发射率差异明显得多。

8.太阳辐射及大气对辐射的影响 （1）大气吸收成分 大气成分 氧气(O2) 吸收物质及成因 约占21%,主要吸收波长小于0.2μm太阳辐射;尤其波长0.155μm处吸收最强烈;另外,波长0.6μm、0.76μm附近也各有较窄吸收带.因此,低层大气中较少观测到0.2μm紫外线,高空遥感中较少使用紫外遥感. 仅占0.01-0.1%,但对太阳辐射有较强吸收作用.一方面,吸收0.2-0.36μm太阳辐射;另一方面,吸收0.6μm附近太阳辐射.臭氧分布于30㎞左右高空,主要影响航天遥感. 仅占0.03%,主要吸收红外区内太阳辐射.例如:波长1.35-2.85μm,有3个较宽弱吸收带;另外,波长2.7μm、4.3μm、14.5μm处有较强吸收带.对太阳辐射而言,二氧化碳吸收影响并不强烈. 水对太阳辐射吸收作用最强烈.从可见光、红外线到微波,都有水强烈吸收带,但水尤其对红外部分吸收强烈.例如:波长0.5-0.9μm处有水4个较窄吸收带;波长0.95-2.85μm处有水5个较宽吸收带;另外,波长6.25μm处还有水1个较强吸收带.因此,水对红外遥感影响较大. 臭氧(O3) 二氧化碳(CO2) 水 (H2O) 4

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尘埃 尘埃对太阳辐射有一定吸收作用,但其吸收量相当少,只有产生火山、沙暴、烟雾等时,大气中尘埃含量急剧增加,才对遥感探测产生影响,但此时，其发射作用远大于吸收作用. （2）大气散射类型

散射作用是指非均匀介质或各向异性介质中，电磁辐射遇到微粒时改变原来传播方向，并向各方向散开过程.大气散射可能削弱到达地面太阳辐射强度，也可能增强到达地面太阳辐射强度。 可将散射作用分为瑞利散射、米氏散射和无选择性散射. 相关自然现象

为何天空呈现蔚蓝色？

答：首先属于瑞利散射，就可见光而言,从红光到蓝光,波长逐渐减小,瑞利散射效应增强.因此,无云的晴天,由于蓝光绝大部分被散射到四面八方,所以天空呈现蔚蓝色. 为何日出和日落呈现橘红色？

答：同样属于瑞利散射。日出或日落时分,由于太阳高度角较小,阳光倾斜射到地表,可见光穿过大气层路径比太阳直射时长,较长传播过程中蓝光被散射殆尽,波长次短的绿光也部分被散射,只剩下波长最长的红光散射最弱,加之剩余的少量绿光,两者混合,使得朝霞和夕阳呈现橘红色. 为何微波具有强穿透性？

答：属于瑞利散射,微波瑞利散射强度与其波长4次方成反比,微波波长越长散射强度越小,所以微波具有最强穿透性.

瑞利散射、米氏散射、无选择性散射对比 散射类型 瑞利散射 直径与波长关系 主要作用微粒 补充知识 由于散射系数与波长4次方成反比,当波长大于1μm时,瑞利散射可忽略不计.换句话说,红外线和微波可不考虑瑞利散射.但可见光必须考虑瑞利散射,而且大气散射主要表现为大气分子对可见光散射 由于0.76-15μm红外线波长与云、雾等悬浮微粒直径相差不多，主要产生米氏散射，所以潮湿天气对米氏散射影响较大. 当散射微粒直径(d)比大气中原子和分子,如电磁辐射波长(λ)小很氮、二氧化碳、臭氧和多时,产生瑞利散射,即: 氧等分子引起。 d＜λ/10 → γ ∝1/λ4 (φ=4) 当散射微粒直径(d)比由大气微粒，如烟、尘电磁辐射波长(λ)相差埃、小水滴及气溶胶等不多时,产生米氏散射,引起。 即: d≈λ → γ∝1/λ2 (φ=2) 当散射微粒直径(d)比由较大直径微粒对较电磁辐射波长(λ)大很短波长电磁辐射引起。 多时,产生无选择性散 射,即: d＞λ → γ∝1/λ0 (φ=0) 米氏散射 无选择性散射 云、雾、水滴和烟尘等微粒直径比可见光波长大很多，产生无选择性散射，各种色光散射强度相同，所以人们看到云雾呈白色或灰白色。

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