遥感物理基础公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础uu2.1 电磁波与电磁波谱uu2.2 地物光谱特性uu2.3 大气和环境对遥感影响第1页第1页2.1 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱v电磁波及其特性v电磁波谱v电磁辐射源第2页第2页一、电磁波及其特性一、电磁波及其特性1.波概念：波是振动在空间传播。波是振动在空间传播。2.机械波：声波、水波和地震波声波、水波和地震波3.电磁波（ElectroMagnetic Spectrum)由振源发出电磁振荡在空气中传播。由振源发出电磁振荡在空气中传播。演示第3页第3页4.电磁波电磁波是通过电场和磁场之间互相联系传播：原理5.5.电磁辐射电磁辐射:电磁能量传递过程（包括辐射、吸取、反射和透射）称为电磁辐射。第4页第4页6.电磁波特性1)1)电磁波是横波2)2)在真空中以光速传播3)3)电磁波含有波粒二象性：在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质互相作用时，主要表现为粒子性。vv波动性：电磁波是以波动形式在空间传播vv粒子性：使电磁辐射能量含有统计性第5页第5页v波粒二象性程度与电磁波波长相关：波粒二象性程度与电磁波波长相关：波长愈短，辐射粒子性愈明显；波长愈短，辐射粒子性愈明显；波长愈长，辐射波动特性愈明显波长愈长，辐射波动特性愈明显。第6页第6页二、电磁波谱二、电磁波谱1.电磁波谱电磁波谱：将各种电磁波在真空中波长(或频率)按其长短，依次排列制成图表。电磁波谱示图电磁波谱示图 第7页第7页紫外线：紫外线：紫外线：紫外线：0.01-0.38m0.01-0.38m0.01-0.38m0.01-0.38m，碳酸盐岩分布、水面油污染。，碳酸盐岩分布、水面油污染。，碳酸盐岩分布、水面油污染。，碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：可见光：可见光：可见光：0.38-0.76 m0.38-0.76 m0.38-0.76 m0.38-0.76 m，判别物质特性主要波段；是，判别物质特性主要波段；是，判别物质特性主要波段；是，判别物质特性主要波段；是遥感最惯用波段。遥感最惯用波段。遥感最惯用波段。遥感最惯用波段。红外线红外线红外线红外线(IR)(IR)(IR)(IR)：0.76-1000 m0.76-1000 m0.76-1000 m0.76-1000 m。近红外。近红外。近红外。近红外0.76-3.0 m;0.76-3.0 m;0.76-3.0 m;0.76-3.0 m;中红外中红外中红外中红外3.0-6.0 m3.0-6.0 m3.0-6.0 m3.0-6.0 m；远红外；远红外；远红外；远红外6.0-15.0 m6.0-15.0 m6.0-15.0 m6.0-15.0 m；超远红外；超远红外；超远红外；超远红外15-1000 m15-1000 m15-1000 m15-1000 m。（近红外又称光红外或反射红外；中红。（近红外又称光红外或反射红外；中红。（近红外又称光红外或反射红外；中红。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。）外和远红外又称热红外。）外和远红外又称热红外。）外和远红外又称热红外。）微波：微波：微波：微波：1mm-1m1mm-1m1mm-1m1mm-1m。全天时、全天候遥感；有积极与被动之。全天时、全天候遥感；有积极与被动之。全天时、全天候遥感；有积极与被动之。全天时、全天候遥感；有积极与被动之分；含有穿透能力；发展潜力大。分；含有穿透能力；发展潜力大。分；含有穿透能力；发展潜力大。分；含有穿透能力；发展潜力大。2、遥感惯用电磁波波段特性第8页第8页三、电磁辐射源三、电磁辐射源1.1.1.1.自然辐射源自然辐射源太阳辐射：太阳是被动遥感主要辐射源，又叫太阳是被动遥感主要辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得太阳辐射曲线太阳光，在大气上界和海平面测得太阳辐射曲线如图所表示。如图所表示。太阳辐射能量主要集中在可见光和近红外，其中太阳辐射能量主要集中在可见光和近红外，其中太阳辐射能量主要集中在可见光和近红外，其中太阳辐射能量主要集中在可见光和近红外，其中0.38 0.38 0.38 0.38-0.76 0.76 0.76 0.76 m m m m可见光能量占太阳辐射总能量可见光能量占太阳辐射总能量可见光能量占太阳辐射总能量可见光能量占太阳辐射总能量43.5%43.5%43.5%43.5%，最大辐射强度位于波长，最大辐射强度位于波长，最大辐射强度位于波长，最大辐射强度位于波长0.47 0.47 0.47 0.47 m m m m左右；左右；左右；左右；到达地面太阳辐射主要集中在到达地面太阳辐射主要集中在到达地面太阳辐射主要集中在到达地面太阳辐射主要集中在0.3 0.3 0.3 0.3-3.0 3.0 3.0 3.0 m m m m波段，波段，波段，波段，通过大气层太阳辐射有很大衰减；通过大气层太阳辐射有很大衰减；通过大气层太阳辐射有很大衰减；通过大气层太阳辐射有很大衰减；各波段衰减是不均衡。各波段衰减是不均衡。各波段衰减是不均衡。各波段衰减是不均衡。第9页第9页三、电磁辐射源三、电磁辐射源1.1.1.1.自然辐射源自然辐射源地球电磁辐射：小于2.5m波长主要是太阳辐射能量；不小于6m波长，主要是地物本身热辐射；2.5-6m之间，太阳和地球热辐射都要考虑。第10页第10页2.2.人工辐射源人工辐射源 积极式遥感辐射源,被称为 雷达探测;分为微波雷达和激光雷达。l l微波辐射源：0.8-30cm、长处l l激光辐射源：激光雷达测定卫星位置、高度、速度、测量地形等。第11页第11页2.2 地物光谱特性地物光谱特性v地物反射光谱特性v地物发射光谱特性v地物透射光谱特性第12页第12页1.1.地物反射率地物反射率（反射系数或亮度系数）（反射系数或亮度系数）：地物对某一波段反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而改变。影响地物反射率大小原因：l l入射电磁波波长入射电磁波波长l l入射角大小入射角大小l l地表颜色与粗糙度地表颜色与粗糙度地物反射率总是小于等于1一、地物反射光谱特性一、地物反射光谱特性第13页第13页l l地物反射光谱：地物反射率随入射波 l l 长改变规律。l l地物反射光谱曲线：依据地物反射率与波长之间关系而绘成曲线。地物电磁波光谱特性差异是遥感识别地物性质基本原理。l l不同地物在不同波段反射率存在差异：l l植被、土壤、水体、岩石光谱曲线第14页第14页l l同类地物反射光谱含有相同性，但也有差异性。不同植物；植物病虫害l l地物光谱特性含有时间特性和空间特性。l l时间特性l l空间特性l l同物异谱，异物同谱课下阅读书本课下阅读书本4141页页2.3.42.3.4地物波谱特性测量地物波谱特性测量第15页第15页 地物发射电磁波能力以发射率作为衡量地物发射电磁波能力以发射率作为衡量原则；地物发射率是以黑体辐射作为参考原则；地物发射率是以黑体辐射作为参考原则。原则。1.1.黑体：黑体：在任何温度下，对各种波长电磁辐在任何温度下，对各种波长电磁辐射吸取系数等于射吸取系数等于1 1（100%100%）物体。）物体。2.2.2.2.黑体辐射黑体辐射(Black Body Radiation)(Black Body Radiation)：黑体黑体热辐射称为黑体辐射。热辐射称为黑体辐射。二、地物发射光谱特性二、地物发射光谱特性第16页第16页3 3、黑体辐射定律、黑体辐射定律(1)(1)普朗克热辐射定律普朗克热辐射定律 表示出了表示出了黑体辐射出射度黑体辐射出射度与与温度温度关系以关系以及按及按波长波长分布规律。分布规律。辐射出射度：辐射源物体表面在单位时间内，从单位面积上辐射出辐射能量P19第17页第17页黑体辐射三个特性黑体辐射三个特性l l辐射出射度随波长连续改变，每条曲线只有一个最大值。l l温度越高，辐射出射度越大，不同温度曲线是不相交。l l伴随温度升高，辐射最大值所对应波长向短波方向移动。辐射出射度第18页第18页 (2)(2)斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体黑体总辐射通量总辐射通量随温度增长而快速增长，随温度增长而快速增长，它与温度四次方成正比。因此，温度微小改变，它与温度四次方成正比。因此，温度微小改变，就会引起就会引起辐射通量密度辐射通量密度很大改变。是红外装置很大改变。是红外装置测定温度理论基础。测定温度理论基础。辐射通量：单位时间内通过某一面积辐射能量总辐射通量：各波段辐射通量之和或辐射通量积分值第19页第19页温度温度温度温度3003005005001000100030003000 40004000 50005000 60006000 70007000波长波长波长波长9.669.665.805.802.902.901.451.450.970.970.720.720.580.580.480.480.410.41(3)(3)维恩位移定律维恩位移定律 伴随温度升高，辐射最大值相应峰伴随温度升高，辐射最大值相应峰值波长向短波方向移动。值波长向短波方向移动。b=28970.4m k第20页第20页4 4、实际物体辐射、实际物体辐射1)1)1)1)地物发射率：地物发射率：地物辐射出射度（单位面积上地物辐射出射度（单位面积上发出辐射总通量）发出辐射总通量）W W与同温下黑体辐射出射度与同温下黑体辐射出射度W W黑黑比值。它也是遥感探测基础和出发点。比值。它也是遥感探测基础和出发点。l l影响地物发射率原因：影响地物发射率原因：地物性质、表面情况、温度（比热、热惯量）地物性质、表面情况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及含有保温作用地：比热大、热惯量大，以及含有保温作用地物，普通发射率大，反之发射率就小。物，普通发射率大，反之发射率就小。第21页第21页按照发射率与波长关系，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：反射率小于1，且随波长而改变。第22页第22页2)2)基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上辐射通在一定温度下，地物单位面积上辐射通量量W W和吸取率之比，对于任何物体都是一个和吸取率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量量W W黑。黑。红外遥感理论依据红外遥感理论依据第23页第23页5 5、黑体微波辐射、黑体微波辐射1)1)任何物体在一定温度下，不但向外发射红外任何物体在一定温度下，不但向外发射红外辐射，也发射微波辐射。两者基本相同。但辐射，也发射微波辐射。两者基本相同。但微波是地物低温状态下主要辐射特性，温度微波是地物低温状态下主要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。越低，微波辐射越明显。2)2)微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上能够微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上能够通过处理来接受。通过处理来接受。第24页第24页3)瑞里瑞里金斯公式金斯公式 黑体辐射微波功率与温度成正比，与波黑体辐射微波功率与温度成正比，与波长平方成反比。长平方成反比。k波尔兹曼常数第25页第25页4）微波波段与红外波段发射率比较微波波段与红外波段发射率比较结论：一些在红外波段不容易辨认地结论：一些在红外波段不容易辨认地物，在微波波段中则容易辨认。物，在微波波段中则容易辨认。第26页第26页6 6、地物发射光谱、地物发射光谱发射光谱：地物发射率随波长改变发射光谱：地物发射率随波长改变规律。规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长发射光谱曲线：按照发射率和波长之间关系绘成曲线。之间关系绘成曲线。第27页第27页l l透射率：入射光透射过地物能量与入射总能量百分比。l l透射率伴随电磁波波长和地物性质而不同。l l可见光、红外、微波透射能力三、地物透射光谱特性三、地物透射光谱特性第28页第28页2.3 大气和环境对遥感影响大气和环境对遥感影响l l大气成份和结构l l大气对太阳辐射影响l l大气窗口l l环境对地物光谱特性影响第29页第29页一、大气成份l l大气传播特性：大气对电磁波吸取、散射大气对电磁波吸取、散射和透射特性。这种特性与和透射特性。这种特性与电磁波波长电磁波波长、大大气成份和环境改变气成份和环境改变相关。相关。l l大气成份：各种气体、固态和液态悬浮微各种气体、固态和液态悬浮微粒混合构成。粒混合构成。l l大气物质与太阳辐射互相作用，是太阳辐大气物质与太阳辐射互相作用，是太阳辐射衰减主要原因。射衰减主要原因。第30页第30页二、大气结构l l大气垂直分层：对流层、平流层、中间层、大气垂直分层：对流层、平流层、中间层、热层和大气外层。热层和大气外层。1.1.1.1.对流层对流层 ：航空遥感活动区。遥感侧重研究：航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内传播特性。电磁波在该层内传播特性。2.2.2.2.平流层：较为微弱。平流层：较为微弱。3.3.3.3.中间层：温度随高度增长而递减。中间层：温度随高度增长而递减。4.4.4.4.热层：增温层。电离层。卫星运营空间。热层：增温层。电离层。卫星运营空间。5.5.5.5.大气外层：大气外层：10001000公里以外星际空间。公里以外星际空间。第31页第31页三、大气对太阳辐射影响三、大气对太阳辐射影响l l太阳辐射衰减过程：30%30%被云层反射回宇宙空间；被云层反射回宇宙空间；17%17%被大气被大气吸取；吸取；22%22%被大气散射；被大气散射；31%31%到达地面。到达地面。l l大气透射率 透射率与路程、大气吸取、散射相关。透射率与路程、大气吸取、散射相关。第32页第32页1.1.大气吸取作用大气吸取作用A.A.氧气：氧气：小于小于0.2 m0.2 m；0.1550.155为峰值。高空遥为峰值。高空遥感很少使用紫外波段原因。感很少使用紫外波段原因。B.B.臭氧：臭氧：数量很少，但吸取很强。对航空遥感数量很少，但吸取很强。对航空遥感影响不大。影响不大。0.2-0.36 m,0.6 m0.2-0.36 m,0.6 mC.C.C.C.水：水：吸取太阳辐射能量最强介质。处处都是吸取太阳辐射能量最强介质。处处都是吸取带。主要吸取带处于红外和可见光红光吸取带。主要吸取带处于红外和可见光红光部分。部分。因此，水气对红外遥感有极大影响。因此，水气对红外遥感有极大影响。D.D.D.D.二氧化碳：二氧化碳：量少；吸取作用主要在红外区内。量少；吸取作用主要在红外区内。能够忽略不计。能够忽略不计。第33页第33页2.2.大气散射作用大气散射作用 散射作用：太阳辐射在长波过程中碰到小微太阳辐射在长波过程中碰到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波传播方向；干扰传感器接受；改变了电磁波传播方向；干扰传感器接受；减少了遥感数据质量、影像模糊，影响判读。减少了遥感数据质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强可见大气散射集中在太阳辐射能量最强可见光区。光区。因此，散射是太阳辐射衰减主要原因。因此，散射是太阳辐射衰减主要原因。第34页第34页三种散射作用1 1）瑞利散射）瑞利散射：当微粒直径比辐射波长小得多时，此当微粒直径比辐射波长小得多时，此当微粒直径比辐射波长小得多时，此当微粒直径比辐射波长小得多时，此时散射称为瑞利散射。时散射称为瑞利散射。时散射称为瑞利散射。时散射称为瑞利散射。l l散射率与波长四次方成反比，因此，瑞利散射强散射率与波长四次方成反比，因此，瑞利散射强散射率与波长四次方成反比，因此，瑞利散射强散射率与波长四次方成反比，因此，瑞利散射强度伴随波长变短而快速增大。度伴随波长变短而快速增大。度伴随波长变短而快速增大。度伴随波长变短而快速增大。l l瑞利散射影响：对可见光影响瑞利散射影响：对可见光影响瑞利散射影响：对可见光影响瑞利散射影响：对可见光影响 ，对红外辐射，对红外辐射，对红外辐射，对红外辐射影响影响影响影响 ，对微波影响，对微波影响，对微波影响，对微波影响 。较大，很小，能够不计较大，很小，能够不计较大，很小，能够不计较大，很小，能够不计l l在微波波段在微波波段在微波波段在微波波段 普通发生瑞利散射，但强度甚小。普通发生瑞利散射，但强度甚小。普通发生瑞利散射，但强度甚小。普通发生瑞利散射，但强度甚小。第35页第35页无云晴天，天空为何呈现蓝色？无云晴天，天空为何呈现蓝色？朝霞和夕阳为何都偏橘红色？朝霞和夕阳为何都偏橘红色？多波段遥感中普通不用蓝紫光，为何？多波段遥感中普通不用蓝紫光，为何？第36页第36页2.2.米氏散射：当微粒直径与辐射波长差不多时大当微粒直径与辐射波长差不多时大当微粒直径与辐射波长差不多时大当微粒直径与辐射波长差不多时大气散射。气散射。气散射。气散射。云、雾粒子大小与红外线波长（云、雾粒子大小与红外线波长（云、雾粒子大小与红外线波长（云、雾粒子大小与红外线波长（0.76-15 0.76-15 mmmm ）靠近，因此云雾对红外线米氏散射不可忽）靠近，因此云雾对红外线米氏散射不可忽）靠近，因此云雾对红外线米氏散射不可忽）靠近，因此云雾对红外线米氏散射不可忽略。略。略。略。3.3.无选择性散射：当微粒直径比辐射波长大得当微粒直径比辐射波长大得当微粒直径比辐射波长大得当微粒直径比辐射波长大得多时所发生散射。符合无选择性散射条件波段多时所发生散射。符合无选择性散射条件波段多时所发生散射。符合无选择性散射条件波段多时所发生散射。符合无选择性散射条件波段中，任何波段散射强度相同。中，任何波段散射强度相同。中，任何波段散射强度相同。中，任何波段散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶经常产生非选水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶经常产生非选水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶经常产生非选水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶经常产生非选择性散射。择性散射。择性散射。择性散射。云雾为何通常呈现白色？云雾为何通常呈现白色？云雾为何通常呈现白色？云雾为何通常呈现白色？第37页第37页结论 大气散射是太阳辐射衰减主要原因。大气散射是太阳辐射衰减主要原因。对遥感图像来说，减少了传感器接受数据对遥感图像来说，减少了传感器接受数据质量，造成图像模糊不清。质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。散射主要发生在可见光区。微波为何穿云透雾？微波为何穿云透雾？第38页第38页四、大气窗口四、大气窗口1 1、大气窗口大气窗口：通过大气而较少被反射、吸取或通过大气而较少被反射、吸取或散射透射率较高电磁辐射波段。散射透射率较高电磁辐射波段。l l大气窗口是选择遥感工作波段主要依据。大气窗口是选择遥感工作波段主要依据。第39页第39页常见大气窗口常见大气窗口0.30.31.3m 1.3m 紫外紫外 可见可见 近红外近红外1.51.51.8m1.8m和和2.02.03.5m 3.5m 近红外、中红外近红外、中红外3.53.55.5m 5.5m 中红外中红外8 814m 14m 远红外远红外0.80.82.5cm 2.5cm 微波微波第40页第40页五、环境对地物光谱特性影响五、环境对地物光谱特性影响l l地物物理性状l l光源辐射强度：纬度与海拔高度l l季节：太阳高度角不同l l探测时间：时间不同，反射率不同。l l气象条件第41页第41页思考题：思考题：l l1.遥感遥感技术中惯用电磁波波段波段有哪些？各有哪些特性？l l2.太阳辐射穿过大气层能量衰减原因是什么？作业：作业：l l3.什么是大气窗口？惯用于遥感遥感大气窗口有哪些？l l4.植被、沙、雪和湿地反射光谱各有哪些特点？第42页第42页