第一章 遥感物理基础

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遥感地学分析

邓孺孺副教授中山大学地理学院 遥感与地理信息工程系

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目第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章

录

绪 论 遥感物理基础 遥感平台——传感器其信息特征 遥感平台 传感器其信息特征 遥感数据的预处理 遥感地学分析与应用方法 遥感在各地学领域的应用 遥感与GIS的结合 遥感与GIS的结合 GIS 定量遥感基础 遥感发展前沿介绍

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第一章 遥感物理基础第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 电磁波谱及有关概念 表征电磁辐射的物理量 电磁辐射源 大气对辐射传输的影响 地物的波谱特征

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第一节 电磁波谱及有关概念一、电磁波谱及其产生机理 二、电磁波谱的划分 三、电磁波谱的特性

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一、 电磁波谱及其产生机理(一)电磁波谱的概念 (二)电磁波谱的产生的物理机制

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(一)电磁波谱的概念电磁波谱 将各种电磁波按其波长的(频率) 将各种电磁波按其波长的(频率) 大小，依次排列成图表， 大小，依次排列成图表，这个图表就叫电磁波 谱。 是粒子(电子、原子、分子等) 电磁波 是粒子(电子、原子、分子等)发生 能级跃迁时产生的， 能级跃迁时产生的，到当粒子从较高能级跃迁 到较低能级时发射电磁波；反之， 到较低能级时发射电磁波；反之，形成吸收电 磁波。 磁波。 不同的粒子，发生不同的能级跃迁， 不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同 能量，也就是不同波长的电磁波。 能量，也就是不同波长的电磁波。

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(二)电磁波谱的产生的物理机制玻尔理论 原子光谱 分子光谱 晶体光谱

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玻尔理论1)原子存地于一系列不连续的稳定状态(定态),每 原子存地于一系列不连续的稳定状态(定态),每 ), 一定态与一定的能量相对应。定态下不产生辐射。 一定态与一定的能量相对应。定态下不产生辐射。 h P= 原子定态是有限制的。 2)原子定态是有限制的。电子动量矩 的整 2π 数倍的轨道才存在， 数倍的轨道才存在，即： hP=n 2π

上式称主量子化条件；n=1,2,3, 正整数 正整数， 上式称主量子化条件；n=1,2,3,…正整数，称主量子 数； h = 6.627 ×10 34 J .s 普朗克量子数 原子只有从一个能量为E 的定态跃迁到另一个参量 3)原子只有从一个能量为E’的定态跃迁到另一个参量 的定态时才发射或吸收电磁辐射， 为E”的定态时才发射或吸收电磁辐射，其频率为： 的定态时才发射或吸收电磁辐射 其频率为：

E ′ E ′′ ν= h

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原子光谱原子核能级间跃迁: 原子核能级间跃迁: 106 eV 原子核能级间跃迁能量数量级： 原子核能级间跃迁能量数量级： 产生的光子： 产生的光子：γ射线 内层电子能

级间跃迁： 内层电子能级间跃迁： 能量数量级： 能量数量级：10 4 eV 产生的光子： 产生的光子：X 射线 外层电子的跃迁: 外层电子的跃迁: 能量数量级几至数十 eV 产生紫外线、 产生紫外线、可见光和近红外线

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分子光谱分子光谱： 分子光谱：分子内部的电子运动比原子内部的 电子运动复杂得多，除了电子跃迁外， 电子运动复杂得多，除了电子跃迁外，还有分 子内原子的振动与整个分子的转动

分子与原子一样也有它的特征的分子能 级图，因此可以产生分子光谱。 级图，因此可以产生分子光谱。

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分子光谱分子的能量E为： 分子的能量E E=Ee+Ev+Er 电子能级的能量，其数量级在1~20eV之间。 1~20eV之间 Ee :电子能级的能量，其数量级在1~20eV之间。 振动能级的能量，其数量级在0.05~1eV之间。 0.05~1eV之间 Ev :振动能级的能量，其数量级在0.05~1eV之间。 转动能级的能量，其数量级在10 ~0.05eV之间 之间。 Er :转动能级的能量，其数量级在10-4~0.05eV之间。

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水蒸汽分子键长不同变化产生不同的 部分振动光谱： 部分振动光谱：

O H H H

O H H

O H

λ =2.738µm

λ =2.663µm

λ =6.270µm

不同的振动方式， 不同的振动方式，产生不同波长的光子

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晶体光谱晶体中的吸收与发射光谱远比原子与分子复杂， 晶体中的吸收与发射光谱远比原子与分子复杂， 产生的是连续光谱， 产生的是连续光谱，其光谱范围大约在红外区 3~30μm。 3~30μm。

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内部状态 原子核内部的相互作用 内层电子的电离作用 外层电子的电离作用 外层电子的激发 分子振动，晶格振动 分子旋转及反转 电子自旋和磁场相互作用 层磁场的相互作用

能量(ev) 10 ——10 10 ——10 10 ——4 4——1 1——10-4 -5 -5 2 4 7 5 2

相应的电磁波γ线

X线 紫外线 可见光 红外线 微波 微波 米波

10 ——10 同上 10-7 -19

单位 1 ev(电子伏)的能量 = 1.60219×10 J 1 ev(电子伏)的光的波长 = 1.23985µm表 2-4 物质的内部状态变化和电磁能量的关系

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二、电磁波谱的划分波长范围不同的电磁波具有不同的特点。 波长范围不同的电磁波具有不同的特点。电磁波谱的 划分主要是根据不同波长电磁波的特性来进行的。 划分主要是根据不同波长电磁波的特性来进行的。

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紫 外 波 段 0.01— 0.38 µ m 可 见 光 波 段 0.38— 0.76 µ m 紫 色 光 0.38— 0.43 µ m 蓝 色 光 0.43— 0.47 µ m 青 色 光 0.47— 0.50 µ m 绿 色 光 0.50— 0.56 µ m 黄 色 光 0.56— 0.59 µ m 橙 色 光 0.59— 0.62 µ m 0.62 红 色 光 0.62— 0.76 µ m 红 外 波 段 0.76— 1000 µ m 近 红 外 波 段 0.76— 3.0 µ m 中 红 外 波 段 3.0— 6.0 µ m 远 (热 )红 外 波 段 6.0— 15.0 µ m 超 远 红 外 波 段 15.0— 1000.0 微 波 红 外

波 段 1mm— 1m 毫 米 波 1— 10mm 厘 米 波 1— 10cm 分 米 波 0.1— 1m

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三、各谱段的特性宇宙射线 r—射线 射线 x—射线 射线 紫外线 可见光 红外线 微波

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宇宙射线、 射线、 宇宙射线、 r—射线、 x—射线 射线 射线宇宙射线 波长<10-8 um ,是来自宇宙天体具有 波长<10 很大能量和贯穿能力的电磁皮， 很大能量和贯穿能力的电磁皮，人工还无法能产 遥感目前未能用得上的波段。 生。遥感目前未能用得上的波段。 是能量很高的波段。 r—射线 10-8~10-6 um, 是能量很高的波段。航空 射线 物探放射性测量所记录的就是由含放射性元素的 矿物所辐射出来的射线。 矿物所辐射出来的射线。 宇宙中来的—射线 射线， x—射线 波长10-6~10-2 um ,宇宙中来的 射线， 射线 波长10 被大气层全部吸收，不能用于遥感工作。 被大气层全部吸收，不能用于遥感工作。

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紫外线0.01~0.38 波长 0.01~0.38 um 。 波长小于0.28 um的紫外线 的紫外线， 波长小于0.28 um的紫外线，被臭氧层及其 它成份吸收。 它成份吸收。 只有波长0.28~0.38 um的紫外线 的紫外线， 只有波长0.28~0.38 um的紫外线，能部分 穿地大气层，但散射严重， 穿地大气层，但散射严重，只有部分投射 到地面，并使感光材料所感应， 到地面，并使感光材料所感应，可作为遥 感工作波段，称为摄影紫外 摄影紫外。 感工作波段，称为摄影紫外。现已开始用 于监测气体污染及水体的油污染。 于监测气体污染及水体的油污染。

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可见光波长0.38~0.76um 波长0.38~0.76um 是人眼可见，可以用棱镜分解为红、 是人眼可见，可以用棱镜分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫七种色光; 紫七种色光; 在太阳辐射能中所占比例高； 在太阳辐射能中所占比例高； 能透过大气层； 能透过大气层； 而地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性, 而地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性,故信 息量最大； 息量最大； 可用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。 可用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。 可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。 可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前 分辨能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。 分辨能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。

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红外线波长0.76 1000(um)。可分为近红外波段 近红外波段( 波长0.76 — 1000(um)。可分为近红外波段(0.76 — ),中红外 中红外( ),远红外 远红外( 15), ),超远红外 3),中红外(3 — 6),远红外(6 — 15),超远红外 1000) (15 — 1000) 近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射

,故又称反射红 近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射，故又称反射红 外。 其中靠近可见光红光的0.76 1.3波段可使胶片感光 波段可使胶片感光， 其中靠近可见光红光的0.76 — 1.3波段可使胶片感光， 摄影红外。 故又称摄影红外 故又称摄影红外。 而中远红外是地表物体发射的红外线，故称热红外 热红外。 而中远红外是地表物体发射的红外线，故称热红外。热红 外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成象。 外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成象。 红外是一个很有发展潜力的遥感波段。 红外是一个很有发展潜力的遥感波段。

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