遙感原理與方法

1、第二章 遙感的物理基礎(chǔ) 本章主要內(nèi)容電磁波與電磁波譜地物的光譜特性大氣和環(huán)境對(duì)遙感的影響1第一節(jié) 電磁波與電磁波譜電磁波及其特性電磁波譜電磁輻射源2一、電磁波及其特性波的概念：波是振動(dòng)在空間的傳播。機(jī)械波：聲波、水波和地震波電磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源發(fā)出的電磁振蕩在空氣中傳播。3電磁波是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間相互聯(lián)系傳播的：原理電磁輻射:電磁能量的傳遞過(guò)程（包括輻射、吸收、反射和透射）稱為電磁輻射。4電磁波的特性電磁波是橫波在真空中以光速傳播電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒

2、二象性。波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳播的，因此具有波動(dòng)性粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計(jì)性5波粒二象性的程度與電磁波的波長(zhǎng)有關(guān)：波長(zhǎng)愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，輻射的波動(dòng)特性愈明顯。6二、電磁波譜電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長(zhǎng)按其長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表。 在電磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波，其按波長(zhǎng)可分為長(zhǎng)波、中波、短波和微波。波長(zhǎng)最短的是射線 電磁波的波長(zhǎng)不同，是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同。2、遙感常用的電磁波波段的特性7The Electromagnetic SpectrumMore t

3、han meets the eye!8WavelengthThe distance from one wave crest to the nextRadio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest!9Wavelength UnitsMeters micronMore commonly in nanometers (1 nm = 10-9 meters)10Speed of light = wavelength (l) x frequency = 3 x 108 m/s in vacuumWavenumers=1/wa

4、velength(cm-1)Frequency in GHz (1 Hz = sec 1) Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumEnergyWavelength l11Solar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mm12CO2H2OO3Terrestrial(陸地) Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum = Thermal(熱

5、) Spectrum: Sahara Desert on Nimbus(大型氣象實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星) 4 SatelliteTheoretical Planck(普朗克) curves:Earth 300K, peak emission 15 mm13Earth SpectrumIncoming from Sun:High energy, short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 mm10 mm20 mm14Electromagnetic SpectrumHigh energyShort wavelength / hi

6、gh frequencyEmitted at high TSunEarth1516紫外線(UV)：0.01-0.38m，碳酸鹽巖分布、水面油污染。可見(jiàn)光：0.38-0.76 m，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段。紅外線(IR) ：0.76-1000 m。近紅外0.76-3.0 m，中紅外3.0-6.0 m；遠(yuǎn)紅外6.0-15.0 m；超遠(yuǎn)紅外15-1000 m。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動(dòng)與被動(dòng)之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ蟆?、遙感常用的電磁波波段的特性17三、電磁輻射源自然輻射源太陽(yáng)輻射：是可見(jiàn)光和近紅外的主要輻射

7、源；常用5900K的黑體輻射來(lái)模擬；其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射。地球的電磁輻射：小于3 m的波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量；大于6 m的波長(zhǎng)，主要是地物本身的熱輻射；3-6 m之間，太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。18太陽(yáng)輻射照度分布曲線19太陽(yáng)與地球輻射的電磁波譜20人工輻射源：主動(dòng)式遙感的輻射源。雷達(dá)探測(cè)。分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。微波輻射源：0.8-30cm激光輻射源：激光雷達(dá)測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測(cè)量地形等。21第二節(jié) 地物的光譜特性 任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。地物的這種特性稱

8、為：地物的光譜特性。22地物的反射率、吸收率和透射率對(duì)于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。一、地物的反射光譜特性23地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：地物對(duì)某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長(zhǎng)而變化。影響地物反射率大小的因素：入射電磁波的波長(zhǎng)入射角的大小地表顏色與粗糙度24地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長(zhǎng)變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識(shí)別地物性質(zhì)的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、 沙漠、濕地、小麥的光譜曲線2526傳感器探測(cè)波段的設(shè)

9、計(jì)，是通過(guò)分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而確定的。多光譜掃描儀（MSS）的波段設(shè)計(jì)： MSS1(0.5-0.6 m) MSS2(0.6-0.7 m) MSS3(0.7-0.8 m) MSS4(0.8-1.1 m) 27同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。不同植物；植物病蟲(chóng)害地物的光譜特性具有時(shí)間特性和空間特性。時(shí)間特性空間特性28不同植物光譜曲線比較29植被的病蟲(chóng)害30時(shí)間特征31 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。黑體：在任何溫度下，對(duì)各種波長(zhǎng)的電磁輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體。黑體輻射(Black Body Radiation )：黑體

10、的熱輻射稱為黑體輻射。二、地物的發(fā)射光譜特性321. Power Source: Blackbody Radiation Plancks Law:The amount and spectrum of radiation emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperatureMax Planck (1858 1947) Nobel Prize 1918Emission from warm bodies peak at short wavelengthswavelength620 K380 K333、黑體輻射定律(1)普朗克

11、熱輻射定律 表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及按波長(zhǎng)分布的規(guī)律。34黑體輻射的三個(gè)特性輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)最大值。溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同。隨著溫度的升高，輻射最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。35 (2)玻耳茲曼定律 Stefan-Boltzmanns law 即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會(huì)引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測(cè)定溫度的理論基礎(chǔ)。36溫度3005001000200030004000500060007000波長(zhǎng)9。665。802。901。450。970。720。58

12、0。480。41(3)維恩位移定律：Wiens displacement law 隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。374、地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律發(fā)射率(Emissivity )：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。它也是遙感探測(cè)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。影響地物發(fā)射率的因素： 地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。38按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)?；殷w(grey body)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：發(fā)射率

13、小于1，且隨波長(zhǎng)而變化。39基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對(duì)于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W 黑。在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。405、黑體的微波輻射任何物體在一定的溫度下，不僅向外發(fā)射紅外輻射，也發(fā)射微波輻射。二者基本相似。但微波是地物低溫狀態(tài)下的重要輻射特性，溫度越低，微波輻射越明顯。微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術(shù)上可以經(jīng)過(guò)處理來(lái)接收。416、地物的發(fā)射

14、光譜發(fā)射光譜：地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律。發(fā)射光譜曲線：按照發(fā)射率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系繪成的曲線。巖石的發(fā)射光譜分析（圖2-9石英）42第三節(jié) 大氣和環(huán)境對(duì)遙感的影響大氣的成分大氣的結(jié)構(gòu)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響大氣窗口環(huán)境對(duì)地物光譜特性的影響43一、大氣的成分大氣的傳輸特性：大氣對(duì)電磁波的吸收、散射和透射的特性。這種特性與波長(zhǎng)和大氣的成分有關(guān)。大氣的成分：多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微?；旌辖M成的。大氣物質(zhì)與太陽(yáng)輻射相互作用，是太陽(yáng)輻射衰減的重要原因。44二、大氣的結(jié)構(gòu)大氣的垂直分層：對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和大氣外層。對(duì)流層 ：航空遙感活動(dòng)區(qū)。遙感側(cè)重研究電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。平流層：較為微

15、弱。中間層：溫度隨高度增加而遞減。熱層：增溫層。電離層。衛(wèi)星的運(yùn)行空間。大氣外層：1000公里以外的星際空間。45三、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響太陽(yáng)輻射的衰減過(guò)程：_%被云層反射回；_%被大氣吸收；_%被大氣散射；_%到達(dá)地面。（下頁(yè)圖）大氣的透射率公式：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)。464748（一）大氣的吸收作用(P28)氧氣：小于0.2 m；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強(qiáng)。兩個(gè)吸收帶；對(duì)航空遙感影響不大。水：吸收太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見(jiàn)光的紅光部分。因此，水對(duì)紅外遙感有極大的影響。二氧化碳：量少；吸收

16、作用主要在紅外區(qū)內(nèi)?？梢院雎圆挥?jì)。49AbsorptionIn contrast to scatter, atmospheric absorption results in the effective loss of energy to atmospheric constituents.This normally involves absorption of energy at a given wavelength.The most efficient absorbers of solar radiation in this regard are:Water VapourCarbon Diox

17、ideOzone50Absorption of EM energy by the atmosphere51（二）大氣的散射作用 散射作用：太陽(yáng)輻射在傳波過(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)。改變了電磁波的傳播方向；干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。 大氣散射集中在太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的可見(jiàn)光區(qū)。因此，散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。52ScatteringAtmospheric scattering is the unpredictable diffusion of radiation by particles in the atmosphere.Three

18、types of scattering can be distinguished, depending on the relationship between the diameter of the scattering particle (a) and the wavelength of the radiation ().53Scattering of EM energy by the atmosphere54Rayleigh Scatter(瑞利散射)a Non-selective scatter is more of a problem, and occurs when the diam

19、eter of the particles causing scatter are much larger than the wavelengths being sensed. Water droplets, that commonly have diameters of between 5 and 100mm, can cause such scatter, and can affect all visible and near - to - mid-IR wavelengths equally. Consequently, this scattering is “non-selective

20、” with respect to wavelength. In the visible wavelengths, equal quantities of blue green and red light are scattered.60Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud61三種散射作用瑞利散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)小得多時(shí)，此時(shí)的散射稱為瑞利散射。散射率與波長(zhǎng)的四次方成反比，因此，瑞利散射的強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍(lán)光是4微米紅外線散射的1萬(wàn)倍。瑞利散射對(duì)可見(jiàn)光的影響較大，對(duì)紅外輻射的影

21、響很小，對(duì)微波的影響可以不計(jì)。多波段中不使用藍(lán)紫光的原因：62顏色紅橙黃黃綠青蘭紫紫外線波長(zhǎng)0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0無(wú)云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽(yáng)為什么都偏橘紅色？63米氏散射：當(dāng)微粒的直徑與輻射波長(zhǎng)差不多時(shí)的大氣散射。云、霧的粒子大小與紅外線的波長(zhǎng)接近，所以云霧對(duì)對(duì)紅外線的米氏散射不可忽視。無(wú)選擇性散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)大得多時(shí)所發(fā)生的散射。符合無(wú)選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強(qiáng)度相同。水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散射。云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？64結(jié)論 太陽(yáng)輻射衰減的原因是什么？在

22、可見(jiàn)光和近紅外波段，大氣最主要的散射作用是什么？無(wú)云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽(yáng)為什么都偏橘紅色？微波為什么具有極強(qiáng)的穿透云層的作用？為什么在選擇遙感工作波段時(shí)，要考慮大氣層的散射和吸收作用？65四、大氣窗口1、大氣窗口：通過(guò)大氣而較少被反射、吸收或散射的透射率較高的電磁輻射波段。大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)。常見(jiàn)的大氣窗口：66Atmospheric WindowsSome sensors, especially those on meteorological satellites, seek to directly measure absorption phenomena

23、 such as those associated with CO2 and other gaseous molecules.Note that the atmosphere is nearly opaque(不透明) to EM(Electromagnetic ) radiation in the mid and far IR. In the microwave region, by contrast, most of the EM radiation moves through unimpeded(未受到阻礙) - so that radar at commonly used wavele

24、ngths will nearly all reach the Earth surface unimpeded - although specific wavelengths are scattered by raindrops.6768五、環(huán)境對(duì)地物光譜特性的影響地物的物理性狀光源的輻射強(qiáng)度：緯度與海拔高度季節(jié)：太陽(yáng)高度不同探測(cè)時(shí)間：時(shí)間不同，反射率不同。氣象條件69咸寧市衛(wèi)星影像70荊州市(老江陵縣和沙市市)衛(wèi)星影像71鄂州市航片721998年武漢及周邊衛(wèi)星影像73不同地物的遙感影像波譜曲線744、地物波譜特征的測(cè)量測(cè)量的目的 1、傳感器波段選擇、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)的依據(jù)； 2、建立地面、航空和航

25、天遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系； 3、將地物光譜數(shù)據(jù)直接與地物特征進(jìn)行相關(guān)分析并建立應(yīng)用模型；75地物反射波譜測(cè)量理論1、雙向反射比因子其定義是：在給定的立體角錐體所限制的方向內(nèi)，在一定輻照度和觀測(cè)條件下，目標(biāo)的反射輻射通量與處于同一輻照度和觀測(cè)條件下的標(biāo)準(zhǔn)參考面的反射輻射通量之比。式(2.12)（圖2.23)76測(cè)量的方法1、樣品實(shí)驗(yàn)室測(cè)量； 可采用分光光度計(jì)。 2、野外測(cè)量； 可采用地物光譜輻射計(jì)。77野外測(cè)量方法(P42)1、垂直測(cè)量方法78野外測(cè)量方法(P42)2、非垂直測(cè)量79測(cè)量步驟：1、先測(cè)K2和K1。地面上平放標(biāo)準(zhǔn)板，用光譜輻射計(jì)垂直測(cè)量:1)自然光照射時(shí)測(cè)量一次，相當(dāng)于I值；2）用檔板遮住太陽(yáng)光使陰影蓋過(guò)標(biāo)準(zhǔn)板，再測(cè)一