福师遥感导论课堂笔记.pptx

第2章 电磁辐射与地物光谱特征 2.1 电磁波谱与电磁辐射波 振动的传播称为波纵波 质点振动方向与波的传播方向相同横波 质点振动方向与波的传播方向垂直电磁波 电磁振荡在空间的传播是电磁波 电磁波谱 按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减排列，则构成了电磁波谱。电磁波谱电磁波谱现在用人工方法产生的电磁波的波长，长的已经达几千米，短的不到一百万亿分之一厘米，覆盖了近20个数量级的波段。电磁波传播的速度大，波段又如此宽广，已成为信息传递的非常有力的工具。电磁波的性质决定了传感器的类型，或者说各种传感器是为接受不同特性的电磁波而设计的。例如，可见光可以使摄影胶片感光，而经过箐类染料增感的胶片，更可以将感受波长延伸到近红外波段的1.1m左右。电磁波的性质电磁波具有波粒二象性，并同时满足：fc Ehf 式中:f频率；波长；c光速，c=3108m/s E能量，单位J;h普朗克常数，h=6.62610-34J/s;光或电磁波可以为物质所发射、吸收、反射、折射、透射和散射。反射率、吸收率、透射率当所研究的物体或空间的大小远大于光波的波长时，光可以当作沿直线行进的光线来处理；但当研究深入到现象的细节，其空间范围和光波波长差不多大小的时候，就必须要考虑光的波动性。而研究光和微观粒子的相互作用时，还要考虑光的粒子性。与电磁波有关的重要概念 电磁波是横波（质点振动方向与波的传播方向垂直的一类波动）电磁波有偏振现象电磁波在真空中以光速传播(C=300000km/s)光波是电磁波的一部分，也是最早研究的电磁波。可由实验证明电磁波的性质与光波的性质相同在近代物理中，电磁波也称为电磁辐射。辐射能量的强弱可以用一些物理量表征。电磁辐射的度量辐射源（温度高于绝对零度的物体）辐射度量辐射能量W：电磁辐射的能量；单位J辐射通量：单位时间通过某一面积的辐射能量，=dw/dt，t为时间；单位W辐射通量密度E：单位时间通过单位面积的辐射能量，E=d/ds，S为面积；单位W/m2辐照度I：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量，I=d/ds；单位W/m2辐射出射度M：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=d/ds（单位W/m2）以上定义的、E、I、M各量，都是辐射源面积很小，在讨论的问题中可以当做点源来看待的情况。但实际的辐射源经常不是点源。当讨论的问题必须考虑源的延展度时，这种源被称为“面源”或“扩展源”，其辐射能量的强弱常以“辐射亮度”表征辐射亮度（L）辐射亮度L：又称辐射率，某面辐射源在某一方向单位投影表面，单位立体角内的辐射通量 L=/（Acos）单位：W/srm2(瓦/球面度平方米)式中：辐射方向的立体角(=S/R2,S为与球半径垂直的上某小面元的面积，R为该面元处的球半径)，单位是球面度，无量纲；A 扩展源的面积；观察角在成像系统中，成像面上的照度或输出信号与物体的辐射亮度成正比。朗伯源：辐射亮度与观察角无关的辐射源L=/（Acos）单位：W/(srm2)式中：辐射方向的立体角(=s/r2,s为辐射波球面上某小面元的面积，r为该面元处的球半径)A扩展源的面积观察角辐射亮度在成像系统中（黑白），辐射亮度表现为图像的亮度值（或称灰度值），二者成正比关系。在测量物体的反射能量大小时经常套用用辐射亮度的概念，称为反射亮度，更经常简称亮度。记录物体反射能量的影像（例如可见光各波段的影像），其亮度值与反射亮度（亮度）成正比。根据各波段图像亮度（灰度），并结合实际地物在该波段上辐射或反射特性，可反推图像是什么地物这是利用遥感图像判断地物的最基本思路。在某一波段上不同地物经常会有相同的亮度值，因此要用几个波段的组合来区分不同地物。光谱吸收系数和光谱反射系数光谱吸收系数物体在一定温度下一定波长范围内吸收能量与入射能量之比。光谱反射系数物体在一定温度下一定波长范围内反射能量与入射能量之比。不透明物体上光谱吸收系数与光谱反射系数之和恒等于1黑体在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（即全部吸收）的物体称为“绝对黑体”，简称“黑体”，也称“普朗克辐射体”。理想黑体是不存在的，它只能由实验室模拟：一个由低反射材料制成的带小孔的恒温空 腔，这个小孔可以被视为黑体。黑色的煤烟吸收率接近黑体（吸收 系数接近0.99），被认为是最接近 黑体的自然物质。黑体在遥感中的应用：经常在辐射量测量仪器上用作热辐射的绝对校准源或参考源。与黑体有关的重要术语和定律 朗伯源：辐射亮度L与观察角无关的辐射源称为“朗伯源”。朗伯源在各个方向上辐射率都相同。实验上常用涂有氧化镁的表面（俗称“白板”）近似表示朗伯源；自然界里，一些粗糙的表面也可近似看作朗伯源。灰体：对于各种波长的电磁波，吸收系数为常数（即吸收系数与波长无关）的物体称为“灰体”。其吸收系数介于0与1之间。选择性辐射体：发射本领随波长的变化而变化的物体。这类辐射体的辐射频谱曲线有明显的最大值和最小值，大多数金属，特别是金属氧化物及其它一些化合物属此类辐射体。黑体辐射普朗克辐射公式：描述绝对黑体的光谱辐射出射度与温度、波长关系的定律。该定律的基本公式为：M（，T）2hc25(ehc/kT-1)-1 式中：c 真空中的光速；h 普朗克常数，h6.6261034(J/s)k 波尔兹曼常数，k1.3806 1023(J/K)M 辐射出射度。该公式解释了实验室给出的黑体辐射能量分布曲线。由它可以导出斯忒藩波尔兹曼定律、维恩位移定律等。斯忒藩波尔兹曼定律：绝对黑体的总辐射出射度与温度的4次方成正比。定律的数学式为：M(T)T4 式中为斯忒藩波尔兹曼常数，5.67108（w/(m2K4）)该定律说明，当绝对黑体的温度增加1倍时，其总辐射出射度将增加为原来的16倍。黑体辐射能量分布曲线维恩位移定律：黑体的光谱辐射出射度极值对应的波长max与温度T成反比。定律的数学式为：max T b 式中b为常数，b2.897103（mK）该定律反映出，随着黑体温度的升高（或降低），max向短波（或长波）方向偏移。实际物体的辐射基尔霍夫定律：物体的光谱辐射出射度与吸收系数之比，和物体本身的性质无关，是波长、温度的普适函数。该定律反映在一定温度下的物体，如它对某一波长的辐射有强吸收，则发射这一波长辐射的能力亦强；若为弱吸收，则发射亦弱。由此可知，只要确定物体的温度和吸收系数，就可以确定物体的热辐射强度。M1/1=M2/2=I i是一定温度一定波长内的吸收系数，也叫比辐射率或发射率，记做，表示实际物体与黑体辐射之比。此时，基尔霍夫定律可写做 M=M0基尔霍夫定律实际物体的辐射 黑体温度和波长，吸收系数（比辐射率、发射率）石英的辐射曲线2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射能量分布太阳辐射经过大气后的变化 变化情况 变化原因遥感信息传递实际是电磁辐射能量在相互关联的四个实体间的传递能源（太阳、地球、传感器）大气（环境）目标物特性传感器能源太阳 太阳辐射是遥感最常用的能源之一。研究地球表面接收的太阳辐射强度常用两个量表征。（1）太阳常数太阳常数 用以表示太阳总辐射能量。太阳常数是距离太阳为日地平均距离（1天文单位1.4960108km）时，在大气上界，垂直于太阳光线的单位面积上，单位时间从太阳接收到的辐射能量总值，通常此值取为：1.360*103W/m2（2）太阳光谱太阳光谱 用以表示太阳辐射能量按波长的分布情况。太阳光谱辐照度指投射到单位面积上的太阳辐射通量密度，该值随波长不同而异，表示为太阳辐照度分布曲线。太阳表面（光球）发出的连续光谱，近似于5800K的黑体辐射。由于太阳大气的吸收，该曲线具有不连续性，这种太阳光谱中的吸收线称为“夫琅和费谱线”。这些吸收谱线与太阳大气中的化学成份一一对应。太阳辐照度分布曲线图中显示了太阳辐射能量的分布情况，比较大气上界和海平面上的太阳辐照度，可见由于地球大气的吸收，在红外波段形成若干个吸收带。太阳辐射各波段能量分布太阳辐射随高度角变化辐照度随高度角的变化斜射时辐照度计算公式大气影响对太阳辐射的影响大气吸收作用大气吸收作用 大气散射作用大气散射作用 大气反射作用大气反射作用 大气折射作用大气折射作用 大气透射作用大气透射作用 大气辐射作用大气辐射作用 大气垂直分层大气组成与垂直分层大气主要成份大气吸收作用大气吸收作用 与大气吸收相关的两个因子：大气的物质成分 电磁波波长 大气吸收带：不能穿过大气的某些电磁波波长区间，如在0.7-2.5m处的3个相间的水汽吸收带。大气吸收谱大气吸收谱主要大气吸收带水的吸收带：2.5-3.0、5-7、0.94、1.13、1.38、1.86、3.24、24以上二氧化碳的吸收峰：2.8、4.3臭氧：0.2-0.32、0.6、9.6氧气：小于0.2、0.6、0.76大气窗口大气窗口：也叫“大气透射带”，指能透过大气的电磁波连续区。遥感中的常用大气窗口如下：(1)0.3-1.3m，可见光、部分紫外和近红外；(2)1.5-1.8和2.0-2.5m，部分近红外；(3)3.5-5.5m，中红外；(4)8-14m，远红外；(5)0.05cm的微波；常用波段有0.8-2.5、3、5、10cm。大气散射作用大气散射作用 大气散射指电磁辐射在大气中传输时偏离其初始方向，并向各个方向散开的现象。散射元：指大气分子密度差异、大气中悬浮的微小水滴、固体微尘。由“米氏散射理论”给出的散射元直径d、辐射波长与散射能量I间的关系：(1)d时，I4 瑞利散射 (2)d=时，I2 米氏散射 (3)d=1.5时，I1 米氏散射 (4)d2时，I与无关 无选择散射瑞丽散射对波长较短的可见光作用强蔚蓝色的天空朝霞和夕阳红米氏散射和无选择性散射米氏散射 方向性明显，向前的散射更强，对红外线影响大无选择性散射散射与波长无关云雾呈白色大气分子、原子瑞利散射可见光、近红外，可见光最强大气微粒米氏散射近紫外至红外，近红外最强云层中的小雨滴对微波是瑞利散射但能量很小故微波可穿云透雾；对可见光是无选择性散射且云层越厚散射越强总结大气反射作用大气反射作用反射过程主要发生在云层顶部，反射程度取决于云量大小和云层厚度。如果不是为了研究云层，一般会避开有云的天气以消除大气反射的影响。大气辐射作用大气辐射作用温度高于绝对零度的物体都会向外辐射能量，大气也不例外。大气自身辐射主要为波长约10m的热红外辐射。如果研究的是该波长信息，则要考虑遥感信息中是否叠加了大气辐射的影像。大气折射作用大气折射作用 也称“大气折光作用”。因为大气层密度随高度增加而逐渐减小，光线经过这种密度渐变的介质时，会由于折射作用而发生弯曲。在航空摄影中，表现为使记录在感光介质上的像点发生远离中心点方向的偏移。大气折射：=0时，R=0 =45时，R=1 =90时，R=35大气透射的定量分析大气对太阳辐射的总透射率T大气厚度与大气质量对透射量的影响透过大气达到地面的太阳辐射透过大气达到地面的太阳辐射粗略算，31%说反射30%、散射22%、吸收17%，到达地面为太阳总辐射的31%。稍精确，45%说臭氧吸收3%、云层反射25%，其它气体吸收19%、地面反射8%，其余45%地表吸收。实际情况非常复杂，要具体情况具体分析 作为地物信息载体的电磁波：作为地物信息载体的电磁波：到达传感器的地物反射太阳辐射、到达到达传感器的地物反射太阳辐射、到达传感器的地面辐射、到达传感器的回波。传感器的地面辐射、到达传感器的回波。对地物信息起干扰作用的电磁波：对地物信息起干扰作用的电磁波：到达传感器的大气散射、大气反射、大到达传感器的大气散射、大气反射、大气辐射，其中大气散射是最主要的干扰。气辐射，其中大气散射是最主要的干扰。2.3 地球辐射与地物波谱太阳辐射与地表的相互作用太阳与地表辐射的电磁波谱地球辐射的分段性(这里的地球辐射指传感器接收到的从地球方向来的辐射、反射、散射等能量)地表自身热辐射规律一天内地表附近的温度变化M0黑体辐射出射度，M实际物体辐射出射度，T为地表温度，为波长各类岩浆岩的比辐射率地物反射波谱特征到达地面的太阳辐射 =反射能量+吸收能量+透射能量吸收（非遥感信息）透射（非遥感信息）地面反射的太阳辐射是遥感的主要信息源反射率镜面反射：入射波=反射波，入射角=反射角漫反射：某一方向的反射率朗伯面：反射亮度是常数实际物体反射反射亮度公式反射方位角天顶角一种物质所产生的自身辐射（发射），或对外来辐射所产生的反射和透射，形成了该物质的一种特别标识：波谱特征（spectral feature）。在可见光与近红外波段（0.38-2.5m），地表物体的自身热辐射几乎为零；而且在这些物体中，对外来辐射能产生透射作用的只有清澈水体等少数几种。所以，从遥感应用的角度，对遥感波谱特征的研究主要集中从遥感应用的角度，对遥感波谱特征的研究主要集中在对地物反射波谱特征的研究在对地物反射波谱特征的研究。同一物体对不同波长的电磁波有不同的反射系数，这种反射系数随波长的变化特征称为该物体的反射波谱特征（reflectance spectral feature），这种特征的图示表达称为反射波谱曲线，根据不同地物反射波谱曲线的差异可以区分这些地物。反射波谱：地物反射率随波长变化的规律传感器获取的地物反射数据与地物波谱比较就能判断地物绿色植物反射波谱曲线三种土壤的反射波谱曲线影响土壤反射率的主要因素：影响土壤反射率的主要因素：颗粒大小颗粒大小有机质含量有机质含量含水量含水量不同叶绿素浓度的海水波谱曲线几种岩石的反射波谱曲线 图中所示是松林、草地、红砂和泥浆水域的反射波谱曲线。由图可见，泥浆水域在整个可见光和近红外波段范围的反射率都很低，红砂在可见光的大部分波长范围具有较高的反射率，但它在近红外波段的反射率低于松林和草地；在近红外波段有较高的反射率是富含叶绿素植物的共同特点。如果选择这些地物反射率差异较大的波长区间，比如0.55m和0.85m，以这两个波长处的反射率值分别为横纵轴，在这个二维空间里聚类，可以很容易地区分4类地物。水域居民地土壤岩石利用TM数据进行光谱分析的实例四种地物3和4波段4和5波段2和7波段总结：根据地物波谱特征识别地物地物自身辐射（发射）或对外来辐射的反射和透射特点和规律即该地物的波谱特征，可用辐射或反射波谱曲线来直观地表示。从曲线可看出，不同地物在有些波段上辐射或反射值相同或相近，但在另外一些波段上可以区分开，区分地物时应尽量选择特征差别较大的波段。地物波谱特征一般用光谱仪进行实地测量得到。若没有实地测量的光谱数据，可通过对影像的分析得到较粗略的光谱特征。地物波谱特性的测量传感器波段选择、验证、评价的依据建立地面、航空和航天遥感数据的关系将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析并建立应用模型地物反射波谱测量理论双向反射分布函数(BRDF)(该函数不实用)l在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一定辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件下的标准参考面的反射辐射通量之比。l实验室测量：条件苛刻，不易推广。l野外测量：l垂直测量l非垂直测量双向反射比因子R(BRF)思考题：为什么能够用地物波谱特征识别地物？怎样用波谱特征识别地物？