第二章 遥感技术的物理基础.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第二章 遥感技术的物理基础,电磁波与电磁波谱,地物的光谱特性,大气对遥感的影响,第一节 电磁波与电磁波谱,电磁波及其特性,电磁波谱,遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波的反射或发射辐射特征。,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,),由振源发出的电磁振荡在空气中传播。是通过电场和磁场之间相互联系传播的,电磁辐射,:,这种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。,电磁波的特性,电磁波是横波,在真空中以光速传播,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。,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,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。,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。,描述电磁波特性的指标,波长、频率、振幅、位相等,传播速度为,3,10,8,m/s,不需要媒质也能传播，与物质发生作用时,会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循,同一规律。,二、电磁波谱,电磁波谱,：,将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。,依次为：,射线,x,射线,紫外线,可见光,红外线,微波,无线电波,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。,各电磁波段主要特性,紫外线：,波长范围为,0.01,0.38m,，,太阳光谱中，只有,0.3,0.38m,波长的光到达地面，对,碳酸盐岩分布、油污染敏感,，但探测高度在,2000 m,以下。,可见光：,波长范围：,0.38,0.76m,，,人眼对可见光有敏锐的感觉，,鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段,。,红外线,：,波长范围为,0.76,1000m,，,根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。,微波：,波长范围为,1,mm,1 m,，,穿透性好，不受云雾的影响,。,全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大,无线电波：,波长范围,10,-3,10,4,m,之间，主要用于广播、通信等方面。,红外线的划分,近红外：,0.76,3.0m,，,与可见光相似。,中红外：,3.0,6.0m,，,地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。,远红外：,6.0,15.0m,，,地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。,超远红外,：,15.0,1000m,，,多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。,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。,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作为参照标准。,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。（指入射的全部电磁波被完全吸收，既无反射也没有透射的物体。）,一、地物的发射光谱特性,自然界并不存在。自然界存在着灰体，即一部分能量吸收，一部分能量反射。灰体辐射的规律接近黑体。,1.,黑体辐射,(Black Body Radiation),定义：,是指黑体的热辐射，它是在一切,方向上都均等,的辐射。,它在一定的温度下，比其它任何物质的辐射能量都要大，因此也叫,完全辐射体,。,黑体辐射定律（,Black Body Radiation),(1),普朗克（,Planks law,）,热辐射定律,表示出了黑体辐射通量与温度的关系以及按波长分布的规律。,黑体辐射的三个特性,辐射通量随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。,温度越高，辐射通量越大，不同温度的曲线不同。,随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。,(2),史蒂芬,玻尔兹曼定律,Stefan-Boltzmanns law,即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。,是红外装置测定温度的理论基础,。,叫做史蒂芬,玻尔兹曼常数，其值为,5.670,10,-8,瓦,米,-2,开,-4,(W,m,-2,K,-4,),温度,300,500,1000,2000,3000,4000,5000,6000,7000,波长,9.66,5.80,2.90,1.45,0.97,0.72,0.58,0.48,0.41,(3),维恩位移定律,：,Wiens displacement law,随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。,是选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段的依据,2.,地物的发射率,发射率,(,Emissivity,),：,地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）,W,与同温下的黑体辐射出射度,W,黑,的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。,按照发射率与波长的关系，把地物分为：,黑体或绝对黑体：发射率为,1,，常数。,灰体,(,grey body,),：发射率小于,1,，常数,选择性辐射体：发射率小于,1,，且随波长而变化。,地物的发射光谱,发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。,发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。,2.,太阳辐射,（,1,）太阳常数：,指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。,太阳辐射,是可见光和近红外的主要辐射源；,I,=135.3 mW/m,2,（是美国水手,6,、,7,号航天器,1969,年用空腔辐射计测定的数值，计算误差为,1.0 mW/m,2,）,太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量,（,2,）,太阳辐射的光谱,在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的光谱曲线，它近似于,6000K,的黑体辐射曲线。,太,阳,辐,射,光,谱,及,大,气,的,作,用,太阳辐射的光谱是,连续的,；相当于,6000 K,的黑体辐射；,它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致；,太阳辐射的能量主要,集中在可见光,，其中,0.38,0.76,m,的可见光能量占太阳辐射总能量的,46%,，,最大辐射强度位于波长,0.47,m,左右；,大气层对太阳辐射产生的吸收、反射和散射。经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的,到达地面的太阳辐射主要集中在,0.3,3.0,m,波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；,从,近紫外到中红外（,0.3-6m,）,这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定；,被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射,大地辐射的电磁波谱,地表物体的温度一般在,+40,0,C,-40,0,C,平均,27,0,C,，相当于,300K,，,辐射峰值在,9.26-12.43,m,波段范围。,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。,二、地物的反射光谱特性,镜面反射,漫反射,实际地面反射,地物的反射率,（,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。反射率随入射波长而变化。,影响地物反射率大小的因素：,入射电磁波的波长,入射角的大小,地表颜色与粗糙度,地物在不同波段的反射率是不同的,反射率是可以测定的。,地物的反射光谱：,地物的反射率随入射波长变化的规律。,地物反射光谱曲线,：,根据地物反射率与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质的基本原理。,不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线,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。,多光谱扫描仪（,MSS,）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,),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,地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。,时间特性,空间特性,455,550,680,780,980,1090,1200,1285,1468,1685,2200,植被的反射光谱,不同植物光谱曲线比较,不同施氮水平下小麦冠层高光谱反射率,植被的病虫害,时间特征,小麦冠层高光谱反射率随生育期的变化,拔节、孕穗、开花及花后,7d,、,14d,、,21d,、,28d,、,40d,可见光,，孕穗期最低；近红外反射平台,，开花期最大,地物光谱仪,地物光谱仪：测量以太阳为辐射源的地物,反射,光谱的仪器,冠层光谱反射率采用美国,CROPSCAN,公司生产的,MSR-16,型便携式多光谱辐射仪和美国,ASD,公司生产的,FieldSpec,Pro FR,光谱仪进行测量。,波段范围为,4601650nm,，,16,波段，视场角为,31.1,波段范围,350-2500nm,，视场角,25,采样间隔,1.4nm350-1050nm,2nm1000,2500nm,，,光谱分辨率,3nm350-1050nm,10nm1000-2500nm,第三节 大气对太阳辐射的影响,大气的结构和成分,大气对太阳辐射的影响,大气窗口,1,大气的结构,大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外层。,对流层：航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。,平流层：较为微弱。,中气层：温度随高度增加而递减。,热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。,大气外层：,1000,公里以外的星际空间。,2,大气的成分,大气的传输特性：,大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与,波长,和,大气的成分,有关。,大气的成分：,多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体再,80km,以下的相对比例保持不变，称不变成分）、臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变，称为可变成分）等。,大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。,3,大气对太阳辐射的影响,太阳辐射的衰减过程,：,30%,被云层反射回；,17%,被大气吸收；,22%,被大气散射；,31%,到达地面。,大气的透射率公式,：,透射率与路程、大气的吸收、散射有关。,（一）大气的吸收作用,氧气：小于,0.2,m,；,0.155,为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。,臭氧：数量极少，但吸收很强。主要吸收,0.3 m,以下紫外；对航空遥感影响不大。,水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，,水对红外遥感有极大的影响。,二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。,Absorption of EM energy by the atmosphere,（二）大气的散射作用,散射作用,：,太阳辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。,改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。,大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。,因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。,Scattering of EM energy by the atmosphere,Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud,三种散射作用,瑞利散射,：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。,散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的,30,倍，,0.4,微米的蓝光是,4,微米红外线散射的,1,万倍。,瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。,多波段中不使用蓝紫光的原因：,颜色,红,橙黄,黄,绿,青兰,紫,紫外线,波长,0.7,0.62,0.57,0.53,0.47,0.4,0.3,散射率,1,1.6,2.2,3.3,4.9,5.4,30.0,无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？,朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？,米氏散射,：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。,云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。,空气污染严重的地区天空显示为灰色。,无选择性散射,：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。,水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。,云雾为什么通常呈现白色？,四、大气窗口,1,、大气窗口,：,通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段。,大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据,。,大气窗口,概念：,由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫,大气窗口,。,透射率,%,近红外,可见光,主要大气窗口与遥感应用,大气窗口,波段,透射率,/%,应用举例,紫外可见光近红外,0,3,1.3m,大于,90,TM1-4,、,SPOT,的,HRV,近红外,1.5,1.8m,80,TM5,近中红外,2.0,3.5m,80,TM7,中红外,3.5,5.5m,NOAA,的,AVHRR,远红外（热红外）,8,14m,60,70,TM6,微波,0.8,2.5cm,100,Radarsat,大气校正,概念：为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正，称作,大气校正,。,大气对遥感图像的影响与波长、时间、地点、大气条件、大气厚度、太阳高度角等因素有关。,按照校正的过程，可以分为间接大气校正方法和直接大气校正方法。,直接大气校正,是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气影响。,间接大气校正,指对一些遥感常用函数，如,NDVI,进行重新定义，形成新的函数形,式，以减少对大气的依赖。,三种遥感模式,依据传感器探测能量的波长和研究需要，,一般有三种基本的遥感模式：,可见光,/,近红外遥感,热红外遥感,主动遥感,传感器记录地球表面反射太阳辐射的能量，,此类遥感主要集中在可见光和近红外波段,传感器记录地表自身所发射的辐射能量，,此类遥感主要集中在热红外波段,传感器自身发射出能量，然后探测,并记录地表对该能量的反射,常见地物的光谱曲线,植物光谱曲线,可见光波段（,0.4-0.76um,）,有一个小的反射峰，位置在,0.55um,（,绿）处，两侧,0.45um,（,蓝）和,0.67um,（,红）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素的影响，叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。,在近红外波段,（,0.7-0.8um,）,有一反射的“陡坡”，至,1.1um,附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。,在中红外波段,(1.3-2.5um),受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别地，以,1.45um,、,1.95um,和,2.7um,为中心是水的吸收带，形成低谷。,植物波谱在上述基本特征下仍有细部差别，这种差别与植物种类、季节、病虫害影响、含水量多少等有关系。为了区分植被种类，需要对植被波谱进行研究。,反射率,(%),波长,(um),0.55,1.1,0.67,0.45,1.45,11.95,2.7,植物光谱曲线,常见地物的光谱曲线,常见地物的光谱曲线,水体光谱曲线,常见地物的光谱曲线,土壤光谱曲线,常见地物的光谱曲线,岩石光谱曲线,