遙感的物理基礎(chǔ)課件(PPT 86頁)

1、第二章 遙感的物理基礎(chǔ) 遙感技術(shù)是建立在物體電磁波輻射理論基礎(chǔ)上的。由于不同物體具有各自的電磁波反射或輻射特性，才可能應(yīng)用遙感技術(shù)探測和研究遠距離的物體。理解并掌握地物的電磁波發(fā)射、反射、散射特性，電磁波的傳輸特性，大氣層對電磁波傳播的影響是正確解釋遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。 本章主要介紹遙感的物理基礎(chǔ)，包括地物的電磁波特性、太陽輻射、大氣對太陽輻射的影響、大氣窗口的概念、地物反射太陽光譜的特性、地物的熱輻射、地物與微波的作用機理。 本章重點是掌握電磁波譜，大氣窗口，可見光、近紅外、熱紅外和微波遙感機理，以及地物波譜特征。第1頁，共86頁。第一節(jié) 電磁波譜與電磁輻射 (1) 電磁波與電磁波譜 (2) 電

2、磁輻射的度量 (3) 黑體輻射 第2頁，共86頁。（1）電 磁波與電磁波譜電磁波 交互變化的電磁場在空間的傳播。描述電磁波特性的指標(biāo) 波長、頻率、振幅、位相等。電磁波的特性 電磁波是橫波，傳播速度為3108 m/s，不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時會有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律。 第3頁，共86頁。 電磁波譜 按電磁波波長的長短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。 依次為： 射線X射線紫外線可見光紅外線微波無線電波。 （1）電磁波與電磁波譜第4頁，共86頁。 目前遙感技術(shù)中通常采用的電磁波位于可見光、紅外和微波波譜區(qū)間。由于它們的波長或頻率不同，不同電磁波又表現(xiàn)出各自的特性和特點

3、?？梢姽?、紅外和微波遙感，就是利用不同電磁波的特性。電磁波與地物相互作用特點與過程，是遙感成像機理探討的主要內(nèi)容。第5頁，共86頁。電磁波譜第6頁，共86頁。紫外線：波長范圍為0.010.38m，太陽光譜中，只有0.30.38m波長的光到達地面，對油污染敏感，但探測高度在2000 m以下?？梢姽猓翰ㄩL范圍：0.380.76m，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。紅外線：波長范圍為0.761000m，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。微波：波長范圍為1 mm1 m，穿透性好，不受云霧的影響。遙感應(yīng)用的電磁波波譜段BACK第7頁，共86頁。近紅外：0.763.0 m，

4、與可見光相似。中紅外：3.06.0 m，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。遠紅外：6.015.0 m，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。超遠紅外：15.01 000 m，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測。紅外線的劃分第8頁，共86頁。（2）電 磁輻射的度量1、輻射測量（radiometry），以伽瑪射線到電磁波的整個波段范圍為對象的物理輻射量的測定，其度量單位見下表。 第9頁，共86頁。2、光度測量（photometry），由人眼的視覺特性（標(biāo)準(zhǔn)光度觀察）評價的物理輻射量的測定，其度量單位見下表。BACK第10頁，共86頁。（3）黑體輻射 絕對黑體 如果一個物體在任何溫度下

5、對任何波長的電磁輻射全部吸收（即吸收系數(shù)恒等于1），則這個物體稱為絕對黑體。 黑體輻射特性 （1）黑體輻射出射度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。 （2）溫度愈高，黑體的輻射出射度也愈大，不同溫度的曲線是不相交的。絕對黑體的總輻射出射度與黑體溫度的4次方成正比。（斯忒藩玻爾茲曼定律） （3）黑體輻射光譜中最強輻射的波長與黑體絕對溫度成反比。（維恩位移定律）。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長移向短波方向。 第11頁，共86頁。實際物體的輻射 對于實際物體，都可以看作輻射源。如果物體的吸收本領(lǐng)大，它的發(fā)射本領(lǐng)也大，即越接近黑體輻射。實際物體的輻射比黑體輻射弱，而且隨波長不同而不同。 第

6、12頁，共86頁。第二節(jié) 太陽輻射及大氣對輻射的影響 (1) 太陽輻射 (2) 大氣作用 大氣的層次與成分 大氣吸收 大氣散射 大氣窗口 大氣透射的定量分析第13頁，共86頁。接收預(yù)處理用戶應(yīng)用處理分析結(jié)果、圖表輸出第14頁，共86頁。太陽輻射：太陽是被動遙感主要的輻射源，又叫太陽光，在大氣上界和海平面測得的太陽輻射曲線如圖所示。從太陽光譜曲線可以看出()：太陽常數(shù)：不受大氣影響，在距太陽一個天文單位內(nèi)，垂直于太陽輻射方向，單位面積單位時間黑體所接受的太陽輻射能量。（1.360103W/m2） 太陽輻射 BACK第15頁，共86頁。太陽光譜相當(dāng)于6000 K的黑體輻射；太陽輻射的能量主要集中在

7、可見光，其中0.38 0.76 m的可見光能量占太陽輻射總能量的46%，最大輻射強度位于波長0.47 m左右；到達地面的太陽輻射主要集中在0.3 3.0 m波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；經(jīng)過大氣層的太陽輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的。第16頁，共86頁。大氣物理狀況的物理量一般有氣壓，大氣溫度和大氣濕度它們在垂直方向上的變化遠遠大于水平方向上的梯度，所以在大氣效應(yīng)糾正中大量假定大氣具有水平均一，垂直分層結(jié)構(gòu)。氣壓隨高度是以負(fù)指數(shù)形式遞減。大氣層次與成分第17頁，共86頁。 大氣層次 大氣厚度約為1000km,從地面到大氣上界，可垂直分為4層：對流層：高度在712 km,溫

8、度隨高度而降低，空氣明顯垂直對流，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。上界隨緯度和季節(jié)而變化。平流層：高度在1250 km，沒有對流和天氣現(xiàn)象。底部為同溫層（航空遙感活動層），同溫層以上為暖層，溫度由于臭氧層對紫外線的強吸收而逐漸升高。電離層：高度在501 000 km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動空間。大氣外層：80035 000 km ,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。第18頁，共86頁。O3臭氧主要分布在1050km的平流層大氣中，極大值出現(xiàn)在2025km處，對流層中的臭氧含量不到十分之一。臭氧的總含量具有明顯的地域分布特征及季節(jié)變化，在赤道

9、上空臭氧含量最少，在高緯度地區(qū)60 70區(qū)域內(nèi)達到極大值。70年代，近極地上空臭氧層厚度是很大的，但隨著時間發(fā)展，臭氧層厚度逐漸在減小，目前在南極上空已形成臭氧空洞。第19頁，共86頁。 大氣是由多種氣體及氣溶膠所組成的混合物。 氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 氣溶膠 大氣的成分可分為常定成分（ N2，O2 ，CO2等）與可變成分兩個部分（水汽，氣溶膠）。 大氣成分BACK第20頁，共86頁。大氣對輻射的吸收大氣中氮氣對電磁波的作用都在紫外光以外的范圍內(nèi)（ 0.2um 的電磁波幾乎被氮氣或氧氣吸收）。大氣上層臭氧的存在，而臭氧對小于0.3um的電磁波具有極強的吸收能力，所

10、以到達地面的太陽短波輻射中，已不存在小于0.3um 的短波輻射。真正對電磁波傳播起重要吸收作用的是一些非常少量的氣體，其中作用最為顯著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽（28頁圖）。 BACK第21頁，共86頁。 大氣散射散射的概念：電磁波與物質(zhì)相互作用后電磁波偏離原來的傳播方向的一種現(xiàn)象。不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。大氣發(fā)生的散射主要有三種： 瑞利散射：d 第22頁，共86頁。瑞利散射：由于氣體分子的尺度遠小于光波的波長時發(fā)生的散射，屬小顆粒散射。小顆粒散

11、射的特征： （1）散射光強度與波長4次方成反比，由此可以解釋天空為什么呈藍色。 （2）如果入射光的為自然光，散射光的相函數(shù)為（1cos2Q)。 （3）當(dāng)Q取0或180時，散射光的偏振度為0。 （4）當(dāng)Q取90時，散射光的偏振度為1（線偏振），其它角度為部分偏振光。 第23頁，共86頁。米氏散射：大氣中的氣溶膠顆粒，云滴，雨云滴等的直徑與入射光的波長可以比擬或大于入射光的波長時發(fā)生的散射。米氏散射的特征： （1）電磁波可以穿透介質(zhì)表面而深入到散射顆粒的內(nèi)部。 （2）由于顆粒尺度與波長可以比擬，所以顆粒的不同部位往往處在不同的電場強度下，導(dǎo)致誘發(fā)電流的產(chǎn)生，一方面這高度電流會產(chǎn)生高變的磁場，另一方

12、面電流的存在意味著焦耳熱損耗的出現(xiàn)電磁波的吸收。 第24頁，共86頁。無選擇散射：大氣粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射，散射強度與波長無關(guān)，在符合無選擇散射的條件的波段中，任何波長的散射強度相同。 第25頁，共86頁。大氣散射的特點群體散射強度是個體散射強度的線性和。大氣散射系數(shù)與高度的關(guān)系： 大氣散射系數(shù)由分子散射和氣溶膠散射兩部分組成。 氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減。 就平均狀況而言，4km以下的氣溶膠米氏散射占優(yōu) 勢，4km以上的分子散射占相對優(yōu)勢。分子散射與氣溶膠散射光強之比隨角度和能見度的變化規(guī)律。 BACK第26頁，共86頁。大氣窗口折射現(xiàn)象：電磁波傳過大氣層時出現(xiàn)傳播方向的改

13、變，大氣密度越大，折射率越大。反射現(xiàn)象：電磁波在傳播過程中，通過兩種介質(zhì)的交界面時會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，反射現(xiàn)象出要出現(xiàn)在云頂（云造成的噪聲）。 第27頁，共86頁。大氣窗口太陽輻射經(jīng)過大氣傳輸時，反射，吸收和散射共同衰減了輻射強度，剩余部分即為透過的部分。由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。電磁波通過大氣層時較少被反射，吸收和散射的，透射率較高的波段稱為大氣窗口。（對地遙感要用的部分） 第28頁，共86頁。大氣窗口主要光譜波段大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外可見光近紅外0.31.3 m90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1

14、.51.8 m80TM5近-中紅外2.03.5 m80TM7中紅外3.55.5 mNOAA的AVHRR遠紅外814 m6070TM6微波0.82.5cm100RadarsatBACK第29頁，共86頁。在可見光和近紅外波段，太陽輻射30被云或其它粒子反射，22被散射，17被吸收，到達地面能量31。 大氣透射的定量分析第30頁，共86頁。光學(xué)厚度 光學(xué)厚度：沿某一路徑長度的總衰減系數(shù)，波長的函數(shù)（無因次量）。 大氣的總光學(xué)厚度：在某一垂直路徑上，從大氣頂層到地表的總衰減系數(shù)。 第31頁，共86頁。透過率 通過大氣后的輻照度與通過大氣前的輻照度之比。 第32頁，共86頁。太陽輻射透過大氣并被地表反

15、射（有用的）；太陽輻射被大氣散射后被地表反射（糾正后有用）；太陽輻射被大氣散射后直接進入傳感器；太陽輻射透過大氣被地物反射后又被地表發(fā)射進入傳感器；被視場以外地物反射后進入視場的交叉輻射項。 太陽光在地氣系統(tǒng)的吸收、散射過程BACK第33頁，共86頁。 第三節(jié) 地球的輻射與地物波譜 (1) 地球的輻射源(2) 地球輻射的特性（分段特性）(3) 地物波譜的特征（反射波譜特征）(4) 地物波譜特性的測量(5) 微波輻射與雷達遙感 第34頁，共86頁。地球的輻射源地球輻射地球輻射：地球表面和大氣電磁輻射的總稱。地球輻射是被動遙感中傳遞地物信息的載體。裝載在航天航空平臺上的遙感器，接受來自地球輻射攜帶

16、的地物信息，經(jīng)過處理形成遙感影像。 第35頁，共86頁。被動遙感的輻射源太陽輻射近似6000K的黑體輻射，能量集中在0.32.5um波段之間。（可見光和近紅外）地球自身熱輻射近似300K的黑體輻射，能量集中在6.0um以上的波段。（熱紅外） BACK第36頁，共86頁。在0.32.5um波段（主要在可見光和近紅外波段），地表以反射太陽輻射為主，地球自身的輻射可以忽略 。即在該波段范圍內(nèi)，對地觀測遙感主要以太陽的短波輻射對地表進行探測和成像。在2.56.0um波段（主要在中紅外波段），地表反射太陽輻射和地球自身的熱輻射均為被動遙感的輻射源。在6.0um以上的熱紅外波段，以地球自身的熱輻射為主，地

17、表反射太陽輻射可以忽略。（熱紅外成像） 地球輻射的特性地球輻射的分段特性第37頁，共86頁。了解地球輻射的分段特性的意義可見光和近紅外波段遙感圖像上的信息來自地物反射特性。中紅外波段遙感圖像上，既有地表反射太陽輻射的信息，也有地球自身的熱輻射的信息。熱紅外波段遙感圖像上的信息來自地球自身的熱輻射特性。 第38頁，共86頁。第39頁，共86頁。BACK第40頁，共86頁。地物波譜：地物的電磁波響應(yīng)特性隨電磁波長改變而變化的規(guī)律，稱為地表物體波譜，簡稱地物波譜。地物波譜特性是電磁輻射與地物相互作用的一種表現(xiàn)。地物波譜的作用：不同類型的地物，其電磁波響應(yīng)的特性不同，因此地物波譜特征是遙感識別地物的基

18、礎(chǔ)。 地物波譜的特性地物波譜第41頁，共86頁。不同電磁波段中地物波譜特性可見光和近紅外波段：主要表現(xiàn)地物反射作用和地物的吸收作用。（樹葉蒼翠欲滴、水下溫度）熱紅外波段：主要表現(xiàn)地物熱輻射作用。（熱紅外靈敏遙感器夜間成像河流為亮色條帶，但熱紅外白天成像河流為暗色條帶）微波波段：主動遙感利用地物后向散射；被動遙感利用地物微波輻射。 第42頁，共86頁?？梢姽夂徒t外波段地物波譜特征地物反射波譜特征太陽輻射到達地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即： 到達地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量透射能量。一般而言，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波則透射能力

19、較強，特別是0. 450. 56m的藍綠光波段。一般水體的透射深度可達1020 m，清澈水體可達100 m的深度。地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。 地物反射第43頁，共86頁。地物的反射：太陽光通過大氣層照射到地球表面，地物會發(fā)生發(fā)射作用，反射后的短波輻射一部分為遙感器所接收。反射率（）：地物的反射能量與入射總能量的比，即=(P/ P 0)100%。表征物體對電磁波譜的反射能力。反射率是可以測定的。地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率的差別，可以判斷地物的屬性。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物反射率第44頁，共86頁。地物的反射類型：根據(jù)地表目標(biāo)物體表

20、面性質(zhì)的不同，物體反射大體上可以分為3種類型，即鏡面反射、漫反射、實際物體的反射（1）鏡面反射：發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。物體的反射滿足反射定律，反射波和入射波在同一平面內(nèi)，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測到電磁波。 例子：水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時很亮，有時很暗，就是這個原因造成的。物體表面性質(zhì)對反射的影響第45頁，共86頁。（2）漫反射：發(fā)生在非常粗糙的表面上的一種反射現(xiàn)象。不論入射方向如何，其反射出來的能量在各個方向是一致的。即當(dāng)入射輻照度I一定時，從任何角度觀察反射面，其反射輻照亮度是一個常數(shù)，這種反射面又叫朗伯面。（3）實際物體反射：介于鏡面和朗伯

21、面（漫反射）之間的一種反射。自然界種絕大多數(shù)地物的反射都屬于這種類型的反射，又叫非朗伯面反射。對太陽短波輻射的反射具有各向異性，即實際物體面在有入射波時各個方向都有反射能量，但大小不同。 第46頁，共86頁。遙感圖像上記錄的輻射亮度，既與輻射入射方位角和天頂角有關(guān)，也與反射方向的方位角和天頂角有關(guān)。由于鏡面反射會造成太陽光直接進入遙感器，在成像時間選擇上，應(yīng)避免中午成像，防止形成鏡面反射。否則水體會形成非常亮的耀斑，周圍地物的反射信息有受到干擾和削弱。了解物體表面性質(zhì)對反射影響的意義第47頁，共86頁。地物反射波譜：是研究可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。表示方法：一般采用二維幾

22、何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示反射率。地物反射波譜第48頁，共86頁。植被土壤水體巖石常見的幾種地物類型波譜特征第49頁，共86頁。植被的波譜特征在0.45um附近（藍色波段）有一個吸收谷；在0.55um附近（綠色波段）有一個反射峰；在0.67um附近（紅色波段）有一個吸收谷。從0.76um處反射率迅速增大，形成一個爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一個峰值，反射率最大可達50，形成植被的獨有特征。在可見光波段在近紅外波段第50頁，共86頁。1.51.9um光譜區(qū)反射率增大；以1.45um，1.95um，2.70um為中心是水的吸收帶，其附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響，反射率

23、下降，形成低谷。第51頁，共86頁。植物的光譜曲線第52頁，共86頁。影響植被波譜特征的主要因素植物類型植物生長季節(jié)病蟲害影響等植被波譜特征大同小異，根據(jù)這些差異可以區(qū)分植被類型、生長狀態(tài)等。第53頁，共86頁。不同植被類型的光譜曲線比較To be continued第54頁，共86頁。土壤的波譜特征自然狀態(tài)下土壤表面的反射曲線呈比較平滑的特征，沒有明顯的反射峰和吸收谷。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）和土壤有機質(zhì)有關(guān)。土壤含水量增加，土壤的反射率就會下降，在水的各個吸收帶（1.4um、1.9um、2.7um處附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。第55頁，共86頁

24、。三種不同類型土壤在干燥環(huán)境下的光譜曲線第56頁，共86頁。水體的波譜特征純凈水體的反射主要在可見光中的藍綠光波段，在可見光其它波段的反射率很低。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0。第57頁，共86頁。水中其它物質(zhì)對波譜特征的影響水中含有泥沙，在可見光波段的反射率會增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含有水生植物葉綠素時，近紅外波段反射率明顯抬高。第58頁，共86頁。葉綠素含量不同時水體的光譜曲線第59頁，共86頁。巖石礦物的光譜曲線巖石的反射波譜主要由礦物成分、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等決定。影響巖石礦物波譜曲線的因素包括巖石風(fēng)化程度、巖石含水狀況、礦物顆粒大小、巖石表面光滑程度、巖石

25、色澤等。第60頁，共86頁。巖石的光譜曲線第61頁，共86頁。地物波譜曲線的作用物體波譜曲線形態(tài)，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過測量該地物類型在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器所獲得的數(shù)據(jù)相對照，可以識別遙感影像中的同類地物。第62頁，共86頁。應(yīng)用地物波譜特征需要注意的問題絕大部分地物的波譜值具有一定的變幅，它們的波譜特征不是一條曲線，而是具有一定寬度的曲帶。地物存在“同物異譜”和“異物同譜”現(xiàn)象。 “同物異譜”是指兩個類型的個體地物，在某個波段上波譜特征不同；“異物同譜”是指不同類型的地物具有相同的波譜特征。BACK第63頁，共86頁。地物波譜特性的測量可見光和近紅外波段是研究地表的主要波段。可見光和近紅外地物光譜測試的作用：（1）傳感器波段的選擇、驗證、評價；（2）建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的定量關(guān)系；（3）地物光譜數(shù)據(jù)與地物特征的相關(guān)分析。第64頁，共86頁。反射光譜特性的測量方法（1）樣品的實驗室測量（2）野外測量