第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ)3ppt課件

1、2022年年5月月1日星期日日星期日1 電磁波和電磁波譜電磁波和電磁波譜2 電磁波輻射源電磁波輻射源3 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的作用大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的作用4 地物波譜特征地物波譜特征5地物波譜特性的測(cè)量地物波譜特性的測(cè)量BACKl大氣成分組成大氣成分組成l大氣分層大氣分層l大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減l大氣窗口大氣窗口大氣是地球的保護(hù)傘大氣是地球的保護(hù)傘 兩小兒辯日兩小兒辯日孔子?xùn)|游，見(jiàn)兩小兒辯斗，問(wèn)其故。一兒孔子?xùn)|游，見(jiàn)兩小兒辯斗，問(wèn)其故。一兒曰：曰：“我以日始出時(shí)去人近，而日中時(shí)遠(yuǎn)我以日始出時(shí)去人近，而日中時(shí)遠(yuǎn)也。也?！币粌阂匀粘醭鲞h(yuǎn)，而日中時(shí)近也。一兒以日初出遠(yuǎn)，而日中時(shí)近也。一兒曰：

2、一兒曰：“日初出大如車(chē)蓋，及日中，則日初出大如車(chē)蓋，及日中，則如盤(pán)盂，此不為遠(yuǎn)者小而近者大乎？如盤(pán)盂，此不為遠(yuǎn)者小而近者大乎？”一一兒曰：兒曰：“日初出滄滄涼涼，及其日中如探日初出滄滄涼涼，及其日中如探湯，此不為近者熱而遠(yuǎn)者涼乎？湯，此不為近者熱而遠(yuǎn)者涼乎？”孔子不孔子不能決也。兩小兒笑曰：能決也。兩小兒笑曰：“孰為汝多知乎！孰為汝多知乎！” 地球地球大氣大氣早晨太陽(yáng)溫和早晨太陽(yáng)溫和 有效截面不同有效截面不同A=A0cos()早晨的太陽(yáng)比中午大，因?yàn)榇髿馍⑸浜驼凵涞仍斐桑绯看髿饴窂介L(zhǎng)早晨的太陽(yáng)比中午大，因?yàn)榇髿馍⑸浜驼凵涞仍斐?，早晨大氣路徑長(zhǎng)大氣垂直結(jié)構(gòu)大氣垂直結(jié)構(gòu)對(duì)流層對(duì)流層(Tropos

3、phere)平流層平流層(Stratosphere) 中間層中間層(Mesosphere) 熱層熱層(Thermosphere)（中間層和熱層又（中間層和熱層又稱(chēng)電離層）稱(chēng)電離層）外大氣層外大氣層各層的頂部分別為各層的頂部分別為： Tropopause； Stratopause；Mesopause；Thermopause看一下課本看一下課本39頁(yè)的圖頁(yè)的圖2.12其中，其中， ：太陽(yáng)輻射通過(guò)的大氣路程，與太陽(yáng)高度角有關(guān)：太陽(yáng)輻射通過(guò)的大氣路程，與太陽(yáng)高度角有關(guān)：大氣衰減因子，：大氣衰減因子，：大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率和散射率，是電磁波波長(zhǎng)的函數(shù)。：大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率和散射率，是電磁波波長(zhǎng)的函

4、數(shù)。 E0 大氣頂部的輻照度，大氣頂部的輻照度，E為地球表面的輻照度為地球表面的輻照度exEE000 x,0太陽(yáng)輻射衰減的原因：太陽(yáng)輻射衰減的原因：散射、吸收、反射散射、吸收、反射太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，受到大氣中氣體分子太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，受到大氣中氣體分子和大氣中固體微粒、液體的散射作用。和大氣中固體微粒、液體的散射作用。電磁波在傳播過(guò)程中，遇到小微粒而使傳播方電磁波在傳播過(guò)程中，遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個(gè)方向散開(kāi)，電磁波的強(qiáng)度和向改變，并向各個(gè)方向散開(kāi)，電磁波的強(qiáng)度和方向發(fā)生各種變化，稱(chēng)為散射。方向發(fā)生各種變化，稱(chēng)為散射。大氣散射分為：大氣散射分為：瑞利散射；米氏散射；非選擇性

5、散射瑞利散射；米氏散射；非選擇性散射微粒的直徑微粒的直徑 d ( d (電磁波波長(zhǎng)電磁波波長(zhǎng)) )時(shí)時(shí)一般認(rèn)為一般認(rèn)為d /10d d ）, , 散射散射率與波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系率與波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系 1)(人看到的云和霧是白色的，就是云霧粒子直徑比可見(jiàn)光人看到的云和霧是白色的，就是云霧粒子直徑比可見(jiàn)光波長(zhǎng)大很多，所以云霧對(duì)可見(jiàn)光波段為非選擇性散射。波長(zhǎng)大很多，所以云霧對(duì)可見(jiàn)光波段為非選擇性散射。 主要是大氣中的主要是大氣中的云層，大的塵埃。云層，大的塵埃。 云量越多、云量越多、云層越厚，云層越厚， 反反射越強(qiáng)。射越強(qiáng)。 北京地區(qū)北京地區(qū)2019年年5月月19日日TM衛(wèi)星遙感影像衛(wèi)星遙感影像波段組合波段組合

6、543RGB）大氣窗口：電磁波在大氣中傳輸過(guò)程中吸收和散射很小，大氣窗口：電磁波在大氣中傳輸過(guò)程中吸收和散射很小，透射率很高的波段透射率很高的波段 要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。 110.31.4um： 包括全部可見(jiàn)光包括全部可見(jiàn)光95），部分紫外），部分紫外光光70），部分近紅外光），部分近紅外光80）。）。攝影和掃描成像的方式在白天感測(cè)和記錄目標(biāo)電磁波輻攝影和掃描成像的方式在白天感測(cè)和記錄目標(biāo)電磁波輻射信息。射信息。21.42.5um： 近紅外窗口，近紅外窗口，6095，掃描成像，掃描成像，白天記錄白天記錄33.55.5um

7、： 中紅外窗口，中紅外窗口，6070，白天夜間，白天夜間，掃描成像記錄掃描成像記錄4814 um： 遠(yuǎn)紅外窗口，超過(guò)遠(yuǎn)紅外窗口，超過(guò)80， 白天夜間，白天夜間，掃描記錄掃描記錄51300mm： 微波窗口，微波窗口， 白天夜間，掃描記錄。白天夜間，掃描記錄。 各波段設(shè)在大氣窗口各波段設(shè)在大氣窗口概念：概念： 地物波譜地物光譜）地物波譜地物光譜）:各種地物具有的電磁波特性，指各種地物具有的電磁波特性，指地物反射率、發(fā)射率、透射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律。地物反射率、發(fā)射率、透射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律。意義：意義： 設(shè)計(jì)遙感器；設(shè)計(jì)遙感器； 圖象判讀和分析的基礎(chǔ)。圖象判讀和分析的基礎(chǔ)。4.1 地物的發(fā)射波譜地物

8、的發(fā)射波譜4.2 地物的透射波譜地物的透射波譜4.3 地物的反射波譜地物的反射波譜4.4 遙感器接收到的電磁輻射遙感器接收到的電磁輻射 地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，稱(chēng)為地物的發(fā)射地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，稱(chēng)為地物的發(fā)射光譜。地物發(fā)射率的不同是紅外遙感技術(shù)的重要依據(jù)。光譜。地物發(fā)射率的不同是紅外遙感技術(shù)的重要依據(jù)。透明物體：具有透射一定波長(zhǎng)電磁波能力的物體。透明物體：具有透射一定波長(zhǎng)電磁波能力的物體。透射率透射率） ： 入射光透過(guò)物體的能量與入射總能量之比。入射光透過(guò)物體的能量與入射總能量之比。舉例：舉例： 1水體在藍(lán)綠波段，混水水體在藍(lán)綠波段，混水1-2米，一般水體米，一般水體10- 2

9、0米。米。 2微波對(duì)地物具有明顯的透射能力，由入射波的波長(zhǎng)微波對(duì)地物具有明顯的透射能力，由入射波的波長(zhǎng)決定。決定。電磁波與物體相互作用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)三種情況：電磁波與物體相互作用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)三種情況：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。)()()()(EEEEs1)()()(判斷物體光滑或粗糙程度的瑞利準(zhǔn)則：判斷物體光滑或粗糙程度的瑞利準(zhǔn)則：cos8h根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：1鏡面反射鏡面反射2漫反射朗伯反射）漫反射朗伯反射）3有向反射有向反射4混合反射混合反射(a) 鏡面反射鏡面反射(b) 漫反射朗伯反射）漫反

10、射朗伯反射）(c) 有向反射有向反射(d) 混合反射混合反射朗伯定律：漫反射的反射輻射亮度單位面積單位立體角內(nèi)朗伯定律：漫反射的反射輻射亮度單位面積單位立體角內(nèi)的輻射通量和觀察方向與表面法線(xiàn)夾角的余弦成正比。的輻射通量和觀察方向與表面法線(xiàn)夾角的余弦成正比。航天遙感中，地球表面近似航天遙感中，地球表面近似視為朗伯面。視為朗伯面。4) 混合反射混合反射一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。有向反射比較復(fù)雜，反射率是入射角、反射角、入射有向反射比較復(fù)雜，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函數(shù)。方位角、反射方位角的函數(shù)。)()(),(sZsEsiZiMisZiZ

11、s有向反射和混合反射與電磁波的入射方向和觀察方向有向反射和混合反射與電磁波的入射方向和觀察方向有關(guān)，在航空遙感中具有重要意義。有關(guān)，在航空遙感中具有重要意義。三種不同類(lèi)型土壤在干燥環(huán)境下的光譜曲線(xiàn)三種不同類(lèi)型土壤在干燥環(huán)境下的光譜曲線(xiàn)土壤的波譜特征v自然狀態(tài)下土壤表面的反射曲線(xiàn)呈比較平滑的特自然狀態(tài)下土壤表面的反射曲線(xiàn)呈比較平滑的特征，沒(méi)有明顯的反射峰和吸收谷。征，沒(méi)有明顯的反射峰和吸收谷。v在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物原生礦物和此生礦物和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。原生礦物和此生礦物和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。v土壤含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水土壤

12、含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸收帶的各個(gè)吸收帶1.4um1.4um、1.9um1.9um、2.7um2.7um處附近區(qū)處附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。間），反射率的下降尤為明顯。水體的波譜特征v純凈水體的反射主要在可見(jiàn)光中的藍(lán)綠光波段，純凈水體的反射主要在可見(jiàn)光中的藍(lán)綠光波段，在可見(jiàn)光其它波段的反射率很低。在可見(jiàn)光其它波段的反射率很低。v近紅外和中紅外純凈的自然水體的反射率很低，近紅外和中紅外純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于幾乎趨近于0 0。水中其它物質(zhì)對(duì)波譜特征的影響v水中含有泥沙，在可見(jiàn)光波段的反射率會(huì)增加，水中含有泥沙，在可見(jiàn)光波段的反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在黃紅

13、區(qū)。峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。v水中含有水生植物葉綠素時(shí)，近紅外波段反射率水中含有水生植物葉綠素時(shí)，近紅外波段反射率明顯抬高。明顯抬高。遙感器接受到的太陽(yáng)輻射遙感器接受到的太陽(yáng)輻射 Bs： 太陽(yáng)輻射經(jīng)地面目標(biāo)反射后到達(dá)遙感器的輻射能。太陽(yáng)輻射經(jīng)地面目標(biāo)反射后到達(dá)遙感器的輻射能。BA： 太陽(yáng)輻射經(jīng)大氣散射到遙感器的輻射能。太陽(yáng)輻射經(jīng)大氣散射到遙感器的輻射能。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射直接輻射：直接輻射： 太陽(yáng)輻射經(jīng)大氣衰減后到達(dá)地面的部分。太陽(yáng)輻射經(jīng)大氣衰減后到達(dá)地面的部分。天空輻射：太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣散射后輻射到地面的部分。天空輻射：太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣散射后輻射到地面的部分。ABBsB還有大氣散

14、射到地物又被反射到遙感器的部分，一般忽還有大氣散射到地物又被反射到遙感器的部分，一般忽略略5 地物波譜特性的測(cè)量v可見(jiàn)光和近紅外波段是研究地表的主要波段。可見(jiàn)光和近紅外波段是研究地表的主要波段。v可見(jiàn)光和近紅外地物光譜測(cè)量的作用：可見(jiàn)光和近紅外地物光譜測(cè)量的作用：v（1 1傳感器波段的選擇、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)；傳感器波段的選擇、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)；v（2 2建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的定量關(guān)系；建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的定量關(guān)系；v（3 3地物光譜數(shù)據(jù)與地物特征的相關(guān)分析。地物光譜數(shù)據(jù)與地物特征的相關(guān)分析。野外光譜測(cè)量理論基礎(chǔ) BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) 二向二向性反射率分布模型性反射率分布模型/函數(shù)函數(shù) 方向反射率方向反射率反射依賴(lài)于入射、出射方向反射依賴(lài)于入射、出射方向意義：引起反射的增量意義：引起反射的增量/入射有一微增量入射有一微增量;,;,;,;,iirrirrriidEdLdEdLBRDF野外光譜測(cè)量 BRF (Bidirectional Reflectance Factor) 二向性反射率因子二向性反射率因子BRDF不易測(cè)量，一般采用二向性反射率