遙感第三講遙感的物理基礎(chǔ)

遙感第三講遙感的物理基礎(chǔ)

回顧第二講遙感技術(shù)系統(tǒng)主要內(nèi)容一、遙感平臺(tái)-地面、航空、航天；二、遙感傳感器-攝影、掃描、雷達(dá)；三、遙感信息傳輸處理-直接回收、視頻傳輸、輻射糾正與幾何糾正的預(yù)處理；四、遙感信息應(yīng)用-目視判讀與室外驗(yàn)證；現(xiàn)代遙感技術(shù)系統(tǒng)是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的龐大系統(tǒng)。它是一個(gè)從地面到空中、從室內(nèi)到室外的多層次、多角度的立體交叉作業(yè)系統(tǒng)。其中前兩部分決定了對原始數(shù)據(jù)的獲取數(shù)量和質(zhì)量，后兩部分決定了對原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量改善和應(yīng)用效果的好壞。第2頁,共61頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)?shù)貢r(shí)間2014年2月27日，美國宇航局公布了VIIRS設(shè)備拍攝亞洲上空的霧霾畫面。此前，北京連續(xù)7天重度霧霾天，京城各個(gè)PM2.5監(jiān)測站檢測數(shù)值已連續(xù)一周重度污染，并且各個(gè)監(jiān)測站已經(jīng)數(shù)次爆表。據(jù)悉，此次重污染過程持續(xù)時(shí)間創(chuàng)自2013年1月1日北京正式按照新標(biāo)準(zhǔn)開展監(jiān)測以來的最長記錄。第3頁,共61頁，2024年2月25日，星期天美國發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)安全著陸結(jié)束27年飛行生涯2011-03-1009:45:53來源:國際在線(北京)第4頁,共61頁，2024年2月25日，星期天美國發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)安全著陸結(jié)束27年飛行生涯2011-03-1009:45:53來源:國際在線(北京)美國“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)9日在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心安全著陸，在完成最后一次國際空間站之行的同時(shí)，也結(jié)束了近27年的飛行生涯。其在太空累計(jì)停留時(shí)間長達(dá)365天，時(shí)速高達(dá)2.8萬千米，總飛行里程近2.3億千米。第5頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

遙感知識(shí)

（25分鐘）華東師范大學(xué)課程信息第6頁,共61頁，2024年2月25日，星期天《遙感課程》

課程教學(xué)內(nèi)容

第二部分遙感基本原理

第7頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

《遙感課程》

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第三講遙感的物理基礎(chǔ)與理論依據(jù)

第8頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第三講

遙感的物理基礎(chǔ)與理論依據(jù)

在第一講中，已經(jīng)知道遙感是根據(jù)地物的電磁波特性來探測和識(shí)別物體的性質(zhì)的理論和方法。因此，現(xiàn)代遙感技術(shù)的主要內(nèi)容和基本特點(diǎn)就是探測、記錄、分析研究以及應(yīng)用物體的電磁波特性及其變化規(guī)律。第9頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

也就是說，要研究地物的電磁波是如何發(fā)射的，又是如何傳輸?shù)?，以及在傳播過程中與物體作用的種種現(xiàn)象。因而可以說電磁波理論是遙感的物理基礎(chǔ)，遙感技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)就是依據(jù)不同地物所具有的不同電磁波輻射能力（大?。?。由于遙感物理基礎(chǔ)涉及的面很廣，本講只介紹遙感應(yīng)用中主要的物理基礎(chǔ)，如電磁波與電磁波譜、電磁輻射的特征以及太陽輻射與大氣效應(yīng)以及地物光譜特性等。第10頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

學(xué)習(xí)的目的就是要：

1、理解地物反射對遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響和用遙感數(shù)據(jù)反演地物特征的原理；

2、理解大氣吸收、散射、透射特征，大氣窗口形成原因及遙感數(shù)據(jù)校正的必要性。第11頁,共61頁，2024年2月25日，星期天一、遙感的物理基礎(chǔ)

1、電磁波的定義—由振源發(fā)出的電磁振蕩在空間的傳播叫電磁波。它是能量的一種動(dòng)態(tài)形式，只有當(dāng)它與物質(zhì)相互作用時(shí)才表現(xiàn)出來。這種電磁能量的傳遞過程稱為電磁輻射，包括發(fā)射、反射、吸收和透射現(xiàn)象。第12頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

2、電磁波的內(nèi)容—自然界中，太陽光、各種自然光、燈光等可見光都是電磁波；那些看不見的但能感覺到的熱輻射和只能用儀器測得的微波、無線電波也都是電磁波；還有紫外線、X射線和r射線等。第13頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

3、電磁波的特性—它是一種橫波（質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相垂直），具有明顯的波動(dòng)性和粒子性（雙重性）。一般波長較長，能量較弱的微波、紅外線波動(dòng)性明顯；波長短，能量強(qiáng)的x射線和r射線粒子性明顯；

總之，電磁波是連續(xù)的波動(dòng)性和不連續(xù)的粒子性相互對立而又統(tǒng)一的綜合體。第14頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

4、表示方式—波長（λ）、周期（T）；頻率（f）、振幅（A）；速度（C）=光速3X1010cm/s.

5、記錄方式—有乳膠記錄和電帶記錄兩種，光信號(hào)用膠片記錄，光電轉(zhuǎn)換用磁帶記錄，但記錄的都是二維平面信息。第15頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

6、電磁波譜的定義—

按照電磁波的波長長短、頻率大小、能量強(qiáng)弱依次順序排列的圖表稱作為電磁波譜，如下示意圖。第16頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

7、電磁波譜的特點(diǎn)—（1）各類電磁波由于波長和頻率不同，其性質(zhì)有很大的差別，在遙感測量中，量測與記錄的儀器和方法也不同。

（2）雖然它包括了所有的電磁波，但并不是都能用于地球遙感。

（3）波長不同，單位也不同。無線電波用米或千米；微波用cm或mm；紅外、可見光用微米；紫外用nm毫微米；x射線、r射線用埃。

（4）所有電磁波都具有共同點(diǎn)：在真空中的傳播速度相同，都等于光速；都遵守同一的反射、折射、透射、吸收和散射等規(guī)律。第17頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

8、各光譜段的主要特性—

（1）r射線和x射線，也稱宇宙射線。其波長都小于0.01微米，都被大氣所吸收，不能用于地球遙感。

第18頁,共61頁，2024年2月25日，星期天10分鐘-宇宙射線思考題

1、在宇宙空間可以探測到哪些光譜信息？《遙感課程》視頻資料第19頁,共61頁，2024年2月25日，星期天1、在宇宙空間可以探測到哪些光譜信息？

可以探測X射線、r射線、紫外線、可見光、紅外線、電波等光譜信息。第20頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

8、各光譜段的主要特性—

（2）紫外線，0.01—0.40微米；其中小于0.30微米的波長都被大氣層的O3、O2吸收，只有0.30—0.40微米可以穿過大氣層，稱為紫外遙感工作波段。主要用于測定碳酸鹽巖石的分布、水面的油膜污染、環(huán)境監(jiān)測作用等，是以攝影為主。第21頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

（3）可見光，0.40—0.76微米；全部通過大氣層，稱為可見光遙感工作波段。是以攝影和掃描方式記錄地物的反射信息。

（4）紅外線，0.76—1000微米；其中又可分為：

近紅外（0.76—3.0微米），記錄光紅外反射信息，其中0.76—1.30微米可用攝影方式，稱攝影紅外，主要用于植物的分類；

中紅外（3.0—6.0微米），記錄反射和發(fā)射的混合信息，只能掃描，多用于巖性的識(shí)別。

熱紅外（6.0—15微米、15—1000微米），遙感常用8—14微米的波長，通過掃描方式接收地面的熱輻射信息，白天黑夜都可以工作（全天時(shí)），主要用于監(jiān)測熱污染、城市熱島效應(yīng)、火山噴發(fā)、火災(zāi)地?zé)岬刃畔?。?2頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（5）微波，1毫米—1米；遙感常用0.8厘米—30厘米波長，通過掃描方式主動(dòng)接收地表發(fā)射或回波（后向散射）信息。它可以全天時(shí)和全天候的工作，可以穿透植被、冰雪、土壤、地下埋藏等物體，也可顯示微地貌類型以及洋面的粗糙度等。（6）無線電波，1米—3000米，它通不過大氣層，只能用于遠(yuǎn)距離通訊或無線電廣播。第23頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

9、電磁輻射源—

遙感的電磁輻射源主要有自然輻射源和人工輻射源。

（1）自然輻射源—主要包括太陽輻射和地球的熱輻射，前者是可見光、近紅外遙感的輻射源；后者是熱紅外遙感的輻射源。

第24頁,共61頁，2024年2月25日，星期天A、太陽輻射—它是被動(dòng)式遙感的主要輻射源，表面溫度6000K左右。它涵蓋了很寬的波長范圍，但主要集中在0.3—3.0微米，最大輻射度在0.47微米左右，大部分集中在0.40—0.76微米的可見光，所以又稱短波輻射。

太陽輻射能量圖第25頁,共61頁，2024年2月25日，星期天B、地球熱輻射—地球表面平均溫度27度，絕對溫度300K，最大峰值在9.66微米，9—10微米為地球的熱輻射。主要以火山噴發(fā)、溫泉、大地?zé)崃鞯刃问较蛴钪婵臻g輻射能量。第26頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（2）人工輻射源—是屬于主動(dòng)式遙感源，主要是雷達(dá)探測。

A.微波雷達(dá)：又叫側(cè)視雷達(dá)，在技術(shù)上應(yīng)用的是電學(xué)技術(shù)，而可見光、紅外是光學(xué)技術(shù)。

B.激光雷達(dá)：使用脈沖激光器，測定地形、記錄海面波浪、監(jiān)測污染、也可測定衛(wèi)星位置、高度和速度等。第27頁,共61頁，2024年2月25日，星期天10、大氣結(jié)構(gòu)—遙感所涉及到的空間包括地球的大氣層和大氣層外的宇宙空間（地球的大氣層厚度為一千公里左右）。距地表80公里之間的大氣中，除水、臭氧為可變氣體外，各種氣體均勻混合，所占比例幾乎不變，稱此層為大氣均勻?qū)?，在此層大氣與太陽輻射相互作用，是使太陽輻射能量衰減的主要原因。大致可以分為4層：

（1）對流層（0—12km），是航空遙感的主要區(qū)域；（2）平流層（12—55km），氣流穩(wěn)定，有利于高空飛（3）中間層（55—80km），氣溫隨增高而迅速下降；

（4）熱層（80—幾百km）；是航天平臺(tái)運(yùn)行的高度；

（5）大氣外層，是人造衛(wèi)星的活動(dòng)地。第28頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

11、大氣對太陽輻射的影響—

太陽輻射通過大氣層時(shí)，約有30%被反射回宇宙空間；約有22%被大氣散射；約有17%被大氣吸收；只有31%到達(dá)地表。第29頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第30頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

12、大氣窗口—遙感探測地表，要避開吸收與散射的部分，選擇透明度大的波長范圍。

（1）定義：電磁波通過大氣層時(shí)未被吸收、反射和散射的透射率比較高的波段范圍稱為大氣窗口。第31頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（2）內(nèi)容：

0.30—1.30um，紫外—近紅外反射窗口，て=90%，白天的攝影和掃描；

1.30—2.50um，近紅外中段反射窗口，て=80%，白天的掃描；其中1.55—1.75um和2.11—2.40um用于區(qū)分巖性。

3.50—5.50um，中紅外混合窗口，て=70%，全天時(shí)的掃描；

8—14um，熱紅外發(fā)射窗口，て=60%，全天時(shí)的掃描；

0.8—30cm，微波發(fā)射窗口，て=100%，全天時(shí)和全天候的掃描。第32頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

二、遙感應(yīng)用的理論依據(jù)

遙感的物理基礎(chǔ)是電磁波理論，遙感應(yīng)用的理論依據(jù)是目標(biāo)物體的光譜特性。第33頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

所謂地物光譜特性，是指自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射規(guī)律，如具有反射、吸收外來的紫外線、可見光、紅外線和微波的某些波段的特性；它們又都具有發(fā)射某些紅外線、微波的特性；少數(shù)地物還具有透射電磁波的特性，這種特性稱為地物光譜特性，其中最常用的是反射信息。

因?yàn)槿肷淇偰芰俊瓷淞?吸收量+透射量；當(dāng)て〓

0時(shí)，1〓反射率+吸收率；反射率〓

1-吸收率，表明反射率大，吸收少；反射率小，吸收大。第34頁,共61頁，2024年2月25日，星期天1、反射形式—共有3種：（1）鏡面反射：也叫規(guī)則反射，入射角與反射角相等，發(fā)生在平靜的水面、金屬面等，常出現(xiàn)在航空遙感中。（2）漫反射：也叫朗伯反射，向四周均勻地反射，在各個(gè)方向上亮度和強(qiáng)度一樣，航天遙感中多為這種現(xiàn)象。（3）方向性反射：介于兩者之間，在某一方向上較強(qiáng)。第35頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

2、反射率（P）—

（1）定義：地物的反射能量與入射總能量的百分比，稱為反射率。即：

P=P物/P總ｘ100%。

（2）特點(diǎn)：同一地物在不同的波長具有不同的反射率；同一波長，不同的地物，其反射率不同。但是也會(huì)存在同物異譜和異物同譜現(xiàn)象。第36頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

3、地物反射光譜曲線—

地物的反射率隨入射波長變化而變化的規(guī)律，稱作地物的反射光譜；按照地物反射率與波長之間的關(guān)系所繪制的曲線圖稱為地物反射光譜曲線，其中橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示反射率。第37頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

4、典型地物反射光譜曲線的分析（1）植被：0.55um，P=25%，

0.70—0.80um，P=80%；

1.10um，P=85—90%；

1.30—2.50um，吸收=75%。（2）雪：與太陽光譜相似，

0.40—0.60，P=100%；隨波長增加，反射率降低，到紅外全吸收。（3）沙漠：0.60um，P=65%，呈橙色；0.80um，P=50%。（4）濕地：反射率都在10%以下，到紅外為深色。典型地物反射光譜曲線圖第38頁,共61頁，2024年2月25日，星期天不同植物光譜曲線比較圖第39頁,共61頁，2024年2月25日，星期天不同長勢松樹的反射光譜曲線不同時(shí)間松樹的反射光譜曲線第40頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

5、地物反射光譜的測量—

主要采用多通道的地物光譜儀進(jìn)行測量。根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制地物反射光譜曲線圖。第41頁,共61頁，2024年2月25日，星期天7分鐘-地物反射光譜-0002.flv《遙感課程》視頻資料3分鐘-地物反射光譜-0001.flv7分鐘-地物反射光譜-0003.flv7分鐘-地物反射光譜-0004.flv第42頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

6、地物的發(fā)射特性—自然界中的一切物體，無論是固體的、液體的，當(dāng)其溫度高于絕對0度（-273.16c）時(shí)都會(huì)不斷地向四周空間發(fā)射電磁波（以紅外、微波為主），物體的溫度越高，輻射出的能量就越多，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。地物發(fā)射電磁波的能力是以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)的，而發(fā)射率又是以黑體輻射作為基準(zhǔn)的。第43頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

7、總結(jié)：地物光譜特性是遙感技術(shù)應(yīng)用的重要的理論依據(jù)，因?yàn)椋海?）可為傳感器的工作波段的選擇提供依據(jù)；（2）是遙感數(shù)據(jù)正確分析和判讀的理論基礎(chǔ)，其中包括：

時(shí)間特性—反映在不同時(shí)間被測地物的光譜特性變化；

空間特性—反映在由被測地物的不同特性光譜而造成的空間差異來區(qū)分。第44頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

8、環(huán)境對地物光譜特性的影響（以反射為主）—（1）地物的物理性狀：表面狀況如色澤、粗糙度等；還有位置、形狀、傾向、陰陽坡等空間分布。（2）光源輻照度的強(qiáng)弱：緯度（照射度）和海拔高度（大氣層厚度）不同，同一種地物其反射率不同。（3）季節(jié)：不同的季節(jié)，同一地物的反射率值有差異，但曲線形態(tài)相似。（4）地表的覆蓋：稀疏時(shí)，可以反映裸露地物的特征，如土壤、巖性等；覆蓋時(shí)，反映綜合信息，造成假象。（5）測試時(shí)間和天氣條件：反射率陰天的小于晴天的，中午的最大，一般選擇10點(diǎn)—14點(diǎn)之間為佳。第45頁,共61頁，2024年2月25日，星期天遙感的基本術(shù)語1、大氣作用——對于可見光和近紅外的衛(wèi)星遙感而言，傳感器所接收的能量必須經(jīng)過相當(dāng)厚的地球大氣層。太陽輻射的強(qiáng)度和波長在經(jīng)過地球大氣層時(shí)會(huì)與大氣中的粒子和氣體發(fā)生吸收和散射作用，這會(huì)影響遙感影像的質(zhì)量，降低判讀精度。所有能量到達(dá)遙感儀器前都經(jīng)過了這種大氣的衰減作用，這就是大氣作用。第46頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

遙感的基本術(shù)語2、三種遙感模式——依據(jù)遙感傳感器所探測能量的波長和研究需要，一般可概括為三種基本的遙感模式，即可見光∕近紅外遙感、熱紅外遙感和雷達(dá)微波遙感。

①可見光∕近紅外遙感是最簡單的一種模式，即傳感器記錄地表反射太陽輻射的能量，主要采用可見光和近紅外波段，這與我們?nèi)粘Ｉ钪杏孟鄼C(jī)或攝像機(jī)拍攝照片有相似之處，屬于被動(dòng)式遙感，只能白天工作。

②熱紅外遙感采用熱紅外波段，是傳感器記錄地表或物體自身所發(fā)射的輻射能量，如紅外輻射計(jì)或紅外掃描儀，也屬于被動(dòng)式，因?yàn)椴皇莻鞲衅髯陨戆l(fā)射能量的，可以全天時(shí)工作。

③雷達(dá)微波遙感模式是傳感器自身發(fā)射出能量，屬于主動(dòng)式遙感。可以全天候工作。第47頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

不同遙感工作波段的主要作用1、紫外光遙感—可以監(jiān)測水面的油膜污染；2、可見光遙感—可以監(jiān)測水體中的懸浮泥沙濃度；3、近紅外遙感—可以區(qū)分水陸界線，區(qū)分植被類型；4、熱紅外遙感—可以監(jiān)測熱場信息，譬如城市熱島效應(yīng)；5、雷達(dá)微波遙感—可以探測地下埋藏，還有鐵質(zhì)物體信息；第48頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

遙感信息判讀《遙感課程》第49頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

攝影師桑德羅·桑蒂奧里拍攝了一組航拍照，展示壯觀絢爛的冰島自然風(fēng)光。這些自然風(fēng)光圖，看起來就好像從外星球的角度拍攝的。震撼的航空攝影-展現(xiàn)冰島自然之美

2012-02-21冰島的一條河流，好似一棵壯觀的巨樹。第50頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

冰島的斯卡弗塔喬庫爾冰川（SkaftarjokullGlacier），黑色和白色成為這幅航拍照的主色調(diào)。第51頁,共61頁，2024年2月25日，星期天冰島的蘭德雅桑杜爾（Landeyasandur）地區(qū)。由于拍攝時(shí)必須打開窗戶，攝影師桑蒂奧里不得不忍受寒風(fēng)侵襲。第52頁,共61頁，2024年2月25日，星期天時(shí)代周刊精選2012年度太空照片

太空中看到的密西西比河奈斯波利拍攝的另一幅照片，展現(xiàn)了密西西比河的一個(gè)三角洲。第53頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

衛(wèi)星遙感看地球精選圖像

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