遙感技術(shù)基礎(chǔ)第三講電磁波和地物的相互作用與應(yīng)用

1、Fundamentals of Remote Sensing 遙感技術(shù)基礎(chǔ)第三講電磁波和地物的相互作用與應(yīng)用 主要內(nèi)容： 一、物體與電磁波的相互作用形式 二、物體反射電磁波的形式 三、地物的波譜反射特性一、電磁波與物體的作用形式遙感時(shí)，太陽光（或傳感器發(fā)射的電磁波）照射到地面目標(biāo)后，與地面目標(biāo)之間會(huì)發(fā)生哪些作用？對(duì)遙感成像有何影響？電磁波與物體間會(huì)發(fā)生哪些作用？作用形式：1、反射（R）2、吸收（A）3、透射（T）圖中“I”表示入射光入射電磁波反射部分透射部分吸收部分能量守恒定律： E E + E + E E / E 反射率 E / E 吸收率 E / E 透射率入射能量反射能量吸收能量透射能量

2、發(fā)生作用時(shí)遵守的能量守恒定律只有反射電磁波才能到達(dá)傳感器遙感中，只有反射電磁波才有可能到達(dá)傳感器的接收系統(tǒng)進(jìn)行成像，所以此處我們僅介紹電磁波的反射特性。二、物體反射電磁波的形式 鏡面反射 漫反射 方向反射。1、鏡面反射特點(diǎn)：反射方向有嚴(yán)格的方向性，即反射角等于入射角。對(duì)不透明物體，反射能量入射能量地物吸收的能量。經(jīng)反射后，電磁波的偏振情況會(huì)發(fā)生變化，即若入射光為自然光，則反射光為部分偏振光（折射光也是部分偏振光）。地面上大部分地物，均不具備發(fā)生鏡面反射的條件。鏡面反射鏡面反射發(fā)生的條件？電磁波照射到光滑的表面（如光滑的路面、平靜的水面等）上，會(huì)發(fā)生鏡面發(fā)射。鏡面發(fā)射是一種極端情況。鏡面反射對(duì)遙

3、感成像的影響？反射光具有嚴(yán)格的方向性，若傳感器的接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)反射光時(shí)，接收的電磁波能量最強(qiáng)，否則可能接收不到地物的反射光而無法成像，從而導(dǎo)致影像色調(diào)的差異。沒有對(duì)準(zhǔn)反射光時(shí)的水面影像對(duì)準(zhǔn)反射光時(shí)的水面影像同樣是水域，為什么影像色調(diào)不一樣？2、漫反射特點(diǎn)：不論入射方向如何，各個(gè)方向都有反射光。從任意方向都可觀察到反射面。從各個(gè)方向觀察到的反射亮度是相同的。漫反射朗伯定律無論從哪個(gè)方向觀測(cè)朗伯面（朗伯體是指標(biāo)準(zhǔn)的漫反射體），看到的朗伯面的亮度是一樣的（但不同方向的反射能量是隨角變化的。）。 式中： L 為輻射亮度； d為朗伯表面的輻射通量（單位時(shí)間內(nèi)的輻射能量） dA 為朗伯表面的面積； dI 為

4、朗伯表面的輻射強(qiáng)度； d為輻射立體角； 為測(cè)量方向與表面法線的夾角。 什么時(shí)候發(fā)生漫反射？電磁波照射到一定粗糙程度的表面上，會(huì)發(fā)生漫發(fā)射。漫發(fā)射也是一種極端情況。3、方向反射方向反射特點(diǎn)：大部分地面物體的反射既不是鏡面反射，也不是漫反射，而是方向反射。從不同方向看到地物表面的亮度是不一樣的，反射能量也不一樣。各個(gè)方向都有反射，但在某些方向上反射強(qiáng)烈。電磁波照射到非常粗糙的表面上，會(huì)發(fā)生方向發(fā)射。為什么會(huì)發(fā)生不同形式的反射？h地面光線2光線1電磁波入射到物體表面后，之所以產(chǎn)生不同形式的反射，主要與地表的粗糙程度有關(guān)。地表粗糙程度是相對(duì)電磁波的波長和入射角而言的。瑞利通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若兩點(diǎn)反射光線的

5、相位差小于/2弧度，則認(rèn)為是平滑的，否則是粗糙的。等價(jià)條件如下：地物光滑程度判據(jù)瑞利準(zhǔn)則1971年P(guān)eake和Oliver通過理論推導(dǎo)進(jìn)一步修改了瑞利準(zhǔn)則，其判斷粗糙程度的條件是：地面光線2光線1h光滑 （鏡面反射）中等粗糙（漫反射）粗糙 （方向反射）重要結(jié)論 地物表面的粗糙程度與入射電磁波的波長和入射角有關(guān)。地物表面的光滑與粗糙是相對(duì)于入射電磁波的波長和入射角而言的。 當(dāng)?shù)匚锉砻婀饣瑫r(shí)，入射到其表面的電磁波產(chǎn)生鏡面反射；否則會(huì)產(chǎn)生漫反射或方向反射。 三、地物的波譜反射特性光譜反射率地物反射波譜特性影響地物反射率化的因素 入射電磁波反射部分透射部分吸收部分能量守恒定律： E E + E + E

6、 E / E 反射率 E / E 吸收率 E / E 透射率入射能量反射能量吸收能量透射能量發(fā)生作用時(shí)遵守的能量守恒定律光譜反射率的定義 通常反射率定義為物體的反射通量（單位時(shí)間內(nèi)的反射能量）與入射通量之比，即E/E。這是在理想的漫反射情況下的定義，是指在整個(gè)電磁波波長范圍的平均反射率。 實(shí)際上，地物對(duì)不同波長的電磁波是有選擇性反射的。因此，光譜反射率的定義是：地物在某波段的反射通量與該波段的入射通量之比。光譜反射率（例） 藍(lán)、紅光波段基本被葉綠素吸收殆盡而進(jìn)行光合作用； 綠光波段大部分被吸收，有一部分被發(fā)射； 近紅外波段可以穿透表皮，被薄壁細(xì)胞組織反射。 綠葉在藍(lán)、綠、紅、紅外波段的反射率是

7、不同的。如果不引入光譜（或波譜）反射率達(dá)概念，就不能準(zhǔn)確描述這些特征。上表皮薄壁細(xì)胞組織柵欄組織藍(lán)綠紅紅外紅外綠綠葉反射原理地物反射波譜特性概念： 地物反射波譜特性：地物波（光）譜反射率隨波長變化而變化的特性稱之為地物反射波譜特性。 地物反射特性曲線：將與的關(guān)系在直角坐標(biāo)系中描繪出的曲線稱為地物反射特性曲線。 灰體（亦稱消色物體或非選擇性反射體）：反射率不隨波長變化而變化的物體。 選擇性反射體：反射率隨波長的變化而變化的物體。與灰體相反 典型地物的反射特性-雪雪在可見光波段基本上是非選擇性低吸收體，即高反射體(80%)，呈耀眼白色，但在近紅外波段吸收強(qiáng)得多，變成選擇性吸收體。 80602040

8、反射率%波長（微米）0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2典型地物的反射特性-水水在藍(lán)光波段反射率稍高，約為10%左右，到微米以后的近紅外波段，變成了全吸收體。80602040反射率%波長（微米）0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2闊葉樹針葉樹典型地物的反射特性-樹闊葉樹在綠光波段有一個(gè)反射小峰，峰值約15%左右，所以看上去它呈綠色；在近紅外波段反射率很大，可達(dá)6070%。針葉樹與闊葉樹反射光譜相似，只是小峰峰值不到10%，近紅外強(qiáng)反射只有30%左右。80602040反射率%波長（微米）0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0

9、.9 1.0 1.1 1.2典型地物的反射特性-沙漠沙漠在綠、紅光波段內(nèi)可近似看成是非選擇性高反射體，反射率接近60%，而在近紅外波段，雖然有兩個(gè)吸收谷，但也可以近似地看成是 的非選擇性反射體。80602040反射率%波長（微米）0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2總的看來，在微米光波段中，可把沙漠近似地看成非選擇性高反射體。波狀沙丘窩狀沙丘典型地物的反射特性-濕粘土濕粘土反射率低，近于非選擇性反射體。80602040反射率%波長（微米）0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2典型地物的反射特性-大理石灰白色大理石是反射率接近于4

10、0%的非選擇性反射體。80602040反射率%波長（微米）0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2典型地物的反射特性-紅砂巖紅砂巖是反射率隨波長增加而增大的選擇性反射體。80602040反射率%波長（微米）0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2不同地物反射波譜特性的比較 不同的地物有不同的 ，同一地物在不同波段有不同的 ，即在圖像色調(diào)（彩）上會(huì)有所差異?；野咨罄硎瘽裾惩灵熑~樹針葉林水80602040反射率%波長（微米）0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2紅砂巖沙漠地雪藍(lán)色綠色紅色近紅外3、影響地物

11、反射率變化的因素 地物的反射率主要取決于入射通量及地物本身性質(zhì)（由定義可知）。 在被動(dòng)遙感中，入射光主要來之太陽，太陽位置對(duì)地物的反射率有哪些影響呢？太陽位置對(duì)入射光的影響EWSN高度角方位角其高度角和方位角不同，太陽輻射經(jīng)大氣層到地面的路徑不同，對(duì)地物的入射角不同引起入射能量的變化。為此，衛(wèi)星設(shè)計(jì)在同一地方時(shí)間通過當(dāng)?shù)厣峡眨捎诩竟?jié)變化和地理緯度的差異造成太陽高度角和方位角變化是不可避免的。 太陽位置對(duì)入射光的影響遙感器位置對(duì)接收能量的影響反射光束入射光束 傳感器大部分設(shè)計(jì)成垂直指向地面，這樣反射率的影響較小。由于衛(wèi)星姿態(tài)不穩(wěn)定會(huì)引起遙感器的指向偏離垂直方向，因此反射率變化的影響不容忽視。 反射率地理位置對(duì)入射光的影響在同一時(shí)刻，不同地理位置的地物的太陽輻射能量不一樣，因?yàn)樘柛叨冉呛头轿唤遣煌?，大氣路徑長短引起入射能量的變化。地物本身的差異對(duì)反射率的影響健康松樹與病蟲害松樹病害初期病害中期波長反射率健康地物本身的差異對(duì)反射率的影響不同含水量的土壤604020含水量04%含水量512%波長反射率 0.5