第二章遙感技術的物理基礎

第二章遙感技術的物理基礎第1頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)電磁波與電磁波譜電磁波及其特性電磁波譜第2頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月遙感之所以能夠根據(jù)收集到的電磁波來判斷地物目標和自然現(xiàn)象，是因為一切物體，由于其種類、特征和環(huán)境條件的不同，而具有完全不同的電磁波的反射或發(fā)射輻射特征。第3頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電磁波及其特性波的概念：波是振動在空間的傳播。第4頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月機械波：聲波、水波和地震波電磁波（ElectroMagneticSpectrum)

由振源發(fā)出的電磁振蕩在空氣中傳播。是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的第5頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁輻射:這種電磁能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射）稱為電磁輻射。第6頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月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：電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；在與物質相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳播的，因此具有波動性粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實質是光子微粒的有規(guī)律的運動。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計性。第7頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月波粒二象性的程度與電磁波的波長有關：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動特性愈明顯。描述電磁波特性的指標波長、頻率、振幅、位相等傳播速度為3×108m/s不需要媒質也能傳播，與物質發(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8頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電磁波譜電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長按其長短，依次排列制成的圖表。依次為：

γ射線—x射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波波長最長的是無線電波，其按波長可分為長波、中波、短波和微波。波長最短的是γ射線

電磁波的波長不同，是因為產生它的波源不同。第9頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月各電磁波段主要特性紫外線：波長范圍為0.01～0.38μm，太陽光譜中，只有0.3～0.38μm波長的光到達地面，對碳酸鹽巖分布、油污染敏感，但探測高度在2000m以下?？梢姽猓翰ㄩL范圍：0.38～0.76μm，人眼對可見光有敏銳的感覺，鑒別物質特征的主要波段；是遙感最常用的波段。紅外線：波長范圍為0.76～1000μm，根據(jù)性質分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。微波：波長范圍為1mm～1m，穿透性好，不受云霧的影響。全天候遙感；有主動與被動之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ鬅o線電波：波長范圍10-3～104m之間，主要用于廣播、通信等方面。第10頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外線的劃分近紅外：0.76～3.0μm，與可見光相似。中紅外：3.0～6.0μm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。遠紅外：6.0～15.0μm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。超遠紅外：15.0～1000μm，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測。第11頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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。地物的這種特性稱為：地物的光譜特性。第12頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標準；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標準。黑體：在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體。（指入射的全部電磁波被完全吸收，既無反射也沒有透射的物體。）一、地物的發(fā)射光譜特性自然界并不存在。自然界存在著灰體，即一部分能量吸收，一部分能量反射?；殷w輻射的規(guī)律接近黑體。第13頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.黑體輻射(BlackBodyRadiation)定義：是指黑體的熱輻射，它是在一切方向上都均等的輻射。它在一定的溫度下，比其它任何物質的輻射能量都要大，因此也叫完全輻射體。第14頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月黑體輻射定律（BlackBodyRadiation)(1)普朗克（Plank'slaw）熱輻射定律表示出了黑體輻射通量與溫度的關系以及按波長分布的規(guī)律。第15頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月黑體輻射的三個特性

輻射通量隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。溫度越高，輻射通量越大，不同溫度的曲線不同。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應的波長向短波方向移動。第17頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)史蒂芬—玻爾茲曼定律

Stefan-Boltzmann'slaw

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。是紅外裝置測定溫度的理論基礎。σ叫做史蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，其值為

5.670×10-8瓦·米-2·開-4(W·m-2·K-4)第18頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度3005001000200030004000500060007000波長9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(3)維恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw

隨著溫度的升高，輻射最大值對應的峰值波長向短波方向移動。是選擇遙感器和確定對目標物進行熱紅外遙感的最佳波段的依據(jù)第19頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.地物的發(fā)射率發(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。它也是遙感探測的基礎和出發(fā)點。第20頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月按照發(fā)射率與波長的關系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。灰體(greybody)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：發(fā)射率小于1，且隨波長而變化。第21頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月地物的發(fā)射光譜發(fā)射光譜：地物的發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律。發(fā)射光譜曲線：按照發(fā)射率和波長之間的關系繪成的曲線。第22頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.太陽輻射

（1）太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位內，垂直于太陽光輻射的方向上，單位面積單位時間黑體所接收的太陽輻射能量。

太陽輻射是可見光和近紅外的主要輻射源；I⊙=135.3mW/m2

（是美國水手6、7號航天器1969年用空腔輻射計測定的數(shù)值，計算誤差為1.0mW/m2）太陽常數(shù)可以認為是大氣頂端接收的太陽能量第23頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）太陽輻射的光譜在大氣上界測得的太陽輻射光譜曲線為平滑的連續(xù)的光譜曲線，它近似于6000K的黑體輻射曲線。

太陽輻射光譜及大氣的作用第24頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽輻射的光譜是連續(xù)的；相當于6000K的黑體輻射；它的輻射特性與絕對黑體的輻射特性基本一致；太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38～0.76μm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0.47μm左右；大氣層對太陽輻射產生的吸收、反射和散射。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到達地面的太陽輻射主要集中在0.3——3.0μm波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；從近紫外到中紅外（0.3-6μm）這一波段區(qū)間能量最集中而且相對來說較穩(wěn)定；被動遙感主要利用可見光、紅外等穩(wěn)定輻射

第25頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月大地輻射的電磁波譜地表物體的溫度一般在+400C—-400C,平均270C，相當于300K，輻射峰值在9.26-12.43μm波段范圍。第26頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月地物的反射率、吸收率和透射率對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。二、地物的反射光譜特性鏡面反射漫反射實際地面反射第28頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：地物對某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長而變化。影響地物反射率大小的因素：入射電磁波的波長入射角的大小地表顏色與粗糙度地物在不同波段的反射率是不同的反射率是可以測定的。第29頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率與波長之間的關系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識別地物性質的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、沙漠、濕地、小麥的光譜曲線第30頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器探測波段的設計，是通過分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而確定的。多光譜掃描儀（MSS）的波段設計：MSS1(0.5-0.6μm)MSS2(0.6-0.7μm)MSS3(0.7-0.8μm)MSS4(0.8-1.1μm)第33頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。不同植物；植物病蟲害地物的光譜特性具有時間特性和空間特性。時間特性空間特性第34頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月455,550,680,780,980,1090,1200,1285,1468,1685,2200植被的反射光譜第35頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月不同植物光譜曲線比較第36頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月不同施氮水平下小麥冠層高光譜反射率第37頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月植被的病蟲害第38頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月時間特征第39頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月小麥冠層高光譜反射率隨生育期的變化拔節(jié)、孕穗、開花及花后7d、14d、21d、28d、40d可見光↓↑，孕穗期最低；近紅外反射平臺↑↓，開花期最大第40頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月地物光譜儀地物光譜儀：測量以太陽為輻射源的地物反射光譜的儀器第41頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

冠層光譜反射率采用美國CROPSCAN公司生產的MSR-16型便攜式多光譜輻射儀和美國ASD公司生產的FieldSpecProFR光譜儀進行測量。

波段范圍為460~1650nm，16波段，視場角為31.1°

波段范圍350-2500nm，視場角25°

采樣間隔1.4nm@350-1050nm,2nm@1000－2500nm，光譜分辨率3nm@350-1050nm,10nm@1000-2500nm第42頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)大氣對太陽輻射的影響大氣的結構和成分大氣對太陽輻射的影響大氣窗口第45頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1大氣的結構大氣的垂直分層：對流層、平流層、中氣層、熱層和大氣外層。對流層：航空遙感活動區(qū)。遙感側重研究電磁波在該層內的傳輸特性。平流層：較為微弱。中氣層：溫度隨高度增加而遞減。熱層：增溫層。電離層。衛(wèi)星的運行空間。大氣外層：1000公里以外的星際空間。第46頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2大氣的成分大氣的傳輸特性：大氣對電磁波的吸收、散射和透射的特性。這種特性與波長和大氣的成分有關。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。大氣成分主要有氮、氧、氬、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氫（這些氣體再80km以下的相對比例保持不變，稱不變成分）、臭氧、水蒸氣、液態(tài)和固態(tài)水（雨、霧、雪、冰等）、鹽粒、塵煙（這些氣體的含量隨高度、溫度、位置而變，稱為可變成分）等。大氣物質與太陽輻射相互作用，是太陽輻射衰減的重要原因。第47頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3大氣對太陽輻射的影響太陽輻射的衰減過程：30%被云層反射回；17%被大氣吸收；22%被大氣散射；31%到達地面。大氣的透射率公式：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關。第48頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）大氣的吸收作用氧氣：小于0.2

μm；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。主要吸收0.3μm以下紫外；對航空遙感影響不大。水：吸收太陽輻射能量最強的介質。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此，水對紅外遙感有極大的影響。二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內?？梢院雎圆挥嫛５?0頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月AbsorptionofEMenergybytheatmosphere第51頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）大氣的散射作用

散射作用：太陽輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開。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)的質量、影像模糊，影響判讀。大氣散射集中在太陽輻射能量最強的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減的主要原因。第53頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月ScatteringofEMenergybytheatmosphere第54頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月Non-SelectivescatterofEMradiationbyacloud第55頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三種散射作用瑞利散射：當微粒的直徑比輻射波長小得多時，此時的散射稱為瑞利散射。散射率與波長的四次方成反比，因此，瑞利散射的強度隨著波長變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍光是4微米紅外線散射的1萬倍。瑞利散射對可見光的影響較大，對紅外輻射的影響很小，對微波的影響可以不計。多波段中不使用藍紫光的原因：第56頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月顏色紅橙黃黃綠青蘭紫紫外線波長0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0無云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍色？朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？第57頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月米氏散射：當微粒的直徑與輻射波長差不多時的大氣散射。云、霧的粒子大小與紅外線的波長接近，所以云霧對對紅外線的米氏散射不可忽視?？諝馕廴緡乐氐牡貐^(qū)天空顯示為灰色。無選擇性散射：當微粒的直徑比輻射波長大得多時所發(fā)生的散射。符合無選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強度相同。水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產生非選擇性散射。云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？第58頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、大氣窗口1、大氣窗口：通過大氣而較少被反射、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)。第59頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第60頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣窗口概念：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。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。透射率%近紅外可見光第61頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月主要大氣窗口與遙感應用

大氣窗口波段透射率/%應用舉例紫外可見光近紅外0．3～1.3μm大于90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.5～1.8μm80TM5近－中紅外2.0～3.5μm80TM7中紅外3.5～5.5μm—NOAA的AVHRR遠紅外（熱紅外）8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat第62頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣校正概念：為消除由大氣的吸收、散射等引起失真的輻射校正，稱作大氣校正。

大氣對遙感圖像的影響與波長、時間、地點、大氣條件、大氣厚度、太陽高度角等因素有關。按照校正的過程，可以分為間接大氣校正方法和直接大氣校正方法。直接大氣校正是指根據(jù)大氣狀況對遙感圖像測量值進行調整，以消除大氣影響。間接大氣校正指對一些遙感常用函數(shù)，如NDVI進行重新定義，形成新的函數(shù)形式，以減少對大氣的依賴。第63頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三種遙感模式依據(jù)傳感器探測能量的波長和研究需要，一般有三種基本的遙感模式：

可見光/近紅外遙感

熱紅外遙感主動遙感傳感器記錄地球表面反射太陽輻射的能量，