[工学]遥感技术与应用-2-遥感物理基础

一、电磁波（ Electromagnetic Wave）交变的电场和交变的磁场交替激发，相互套环向远方传播的运动形式，就称为电磁波描述参数： A 振幅（ Amplitude, reflecting the energy of this wave） 角频率（ Frequency, corresponding to periodicity, its reciprocal） 初相位（ initial Phase)V 速度（ Velocity) 第二章 遥感物理基础二、电磁波谱（ Electromagnetic Spectrum）按照波长的长短顺序将各种电磁波依次排列而制成的一张图表从左到右按波长增加排列为：宇宙射线 r 射线 X 射线 紫外线 可见光 红外 微波 无线电波和工业用波不同性质的电磁波波长不同的原因在于：波源性质不同遥感中常用的是：1 紫外线 （ Ultraviolet） 0.02um0.38um不常用 原因 衰减厉害；大多数地物反映差异不明显；成本高（特殊镜头）特殊应用 监测石油污染（面积、厚度）2 可见光（ Visible） 0.38um0.76um 人眼可以检测到的电磁波，视野需要拓展3 红外（ Infrared） 0.76um100um第二章 遥感物理基础二、电磁波谱（ Electromagnetic Spectrum）（ 1）近红外（ NIR） 其中 0.761.4um 为摄影红外（ 2）中红外（ MIR）（ 3）远红外（ FIR）（ 4）超远红外（ UFIR）后 3者合称为 “热红外 ”，对地表热量（温度）差异敏感，红外夜视仪原理城市热岛效应监测等但它在云、雾、雨中传播时衰减严重，因而不是全天候遥感4 微波（ Microwave） 主动遥感，全天候。 1mm1m第二章 遥感物理基础三、大气窗口（ Atmospheric Window）是指在大气中传播受到衰减作用较轻因而透射率较高的电磁波段遥感中常用的大气窗口如下：第二章 遥感物理基础Transmissivity第二章 遥感物理基础四、大气对太阳辐射的效应1 太阳辐射 是地球上能量的主要来源 约 5.11024 J是遥感的主要辐射源光源和热源。太阳辐射主要集中在 0.33um.2 大气组成大气对电磁波传输过程的影响包括 5个方面：散射（ Scattering）、吸收（ Absorption）、扰动（ Turbulence）、折射（ Refraction）和偏振（ Polarizaion），而对于遥感数据而言，最主要的因素是散射和吸收 。由于大气分子和气溶胶粒子的影响，太阳辐射的电磁波在大气层传输时一部分被吸收，一部分被散射，剩下的部分穿过大气层到达地面；地物反射或本身辐射的电磁波部分被吸收，部分被散射，部分到达传感器的接收系统；大气本身的反射或辐射同时也进入传感器。所以，传感器接收的电磁波辐射既有地物的辐射又有大气的辐射 “ 综合辐射 ”，其中地物辐射是所需要的 “信号 -Signal”，大气辐射是遥感过程应当尽量减弱其效应的 “噪声 -Noise”，由于综合辐射，就会降低遥感图像的 “信噪比 ”（ Signal to Noise Ratio， S/N比），表现为图像模糊。 气态成分： N2、 O2、 H2O、 CO、 CO2、 CH4、 O3等固态成分：尘埃、冰晶、盐晶、气溶胶等3 大气厚度对太阳辐射的影响4大气对太阳辐射的吸收作用（选择性吸收， Selective Absorption）Selective Absorption-选择性吸收v氧（ O2）吸收带： 主要吸收波长小于 0.2um的太阳辐射，其中 0.155um吸收最强， 0.6um和 0.76um附近有一窄吸收带，吸收能力较弱。v臭氧（ O3）吸收带： 一个是波长 0.20.36um 的强吸收带，另一个是 0.6um处对太阳的最强吸收。臭氧主要分布在 30km高度附近，因此对高度小于 10km的航空遥感影响较小，主要对航天遥感有影响。v水汽（ H2O)吸收带 ：主要吸收处于红外和可见光中的红光波段，其中红外部分是强烈吸收，所以大气中水汽对红外遥感影响最大。v二氧化碳（ CO2）吸收带 ：吸收作用主要在红外区。如1.35-2.85um有 3个宽弱吸收带，另外在 2.7、 4.3和 14.5um为强吸收带。 “监测城市大气中二氧化碳的分布与浓度 ”非常有效。v尘埃 它对太阳辐射有一定的吸收作用，但吸收量很少，当有沙暴、烟雾和火山爆发时，大气中尘挨急剧增加，这时其吸收作用才比较明显。第二章 遥感物理基础四、大气对太阳辐射的效应5 大气散射（ Scattering）前面的吸收作用是将电磁波能量转换为分子热运动的热能，而散射只是改变电磁波的传播方向，并没有能量转换。（ 1）瑞利（ Rayleigh）散射 分子散射发生条件：当微粒直径 D电磁波波长 散射效应（规律）：散射系数 与波长无关应用：解释 为何雨天的天空灰蒙蒙的？第二章 遥感物理基础五、地物波谱定义 ： 是指地物发射、反射和吸收电磁波的能力随波长的变化规律内涵： a 发射、反射和吸收之间的比例不同地物之间差异很大，主要取决于地物的类型和性质。 b 地物发射、反射和吸收电磁波的能力是波长的函数，即同类地物其发射、反射和吸收在不同波长处差异很大。重要性： a 是选择传感器工作波段的基础b 是分析、判读遥感图像的基础 c 是遥感图像计算机自动分类的基础 d 可以反映地物的时空差异性第二章 遥感物理基础五、地物波谱(一 ) 地物的反射波谱1 同一地物在不同波段上反射率存在差异因此在不同波段遥感图像上呈现不同的色调2 不同地物在同一波段的反射率存在差异，这为选择诊断波段提供了依据第二章 遥感物理基础五、地物波谱(一 ) 地物的反射波谱 “植被的陡坡效应 -红边效应 ” 植被在绿光有一反射小峰在近红外有一反射高峰，是其3到 5倍。第二章 遥感物理基础五、地物波谱(一 ) 地物的反射波谱 “要注意地物光谱特征的时空变化 ” 第二章 遥感物理基础五、地物波谱(二 ) 地物的发射波谱 1 地物温度高于绝对 0度，就存在分子热运动，就会向外辐射电磁波。地物温度的高低决定了发射电磁波能量大小及光谱成分。2 地物发射率与地物的性质、表面状况（如粗糙度、颜色等）有关，且是温度与波长的函数。同一地物，粗糙或颜色深的其发射率较表面光滑或颜色浅要高；不同温度的同一地物，有不同的发射率。3 物体表面温度主要受地物本身物理性质的影响，如地物的比热、热导率、热扩散率及热惯量等，其中比热和热惯量的影响较大。4 比热是指物质存储热的能力（即 1g物质，温度升高 1C所需的 热 量大小）； 热惯 量是度量物 质热 惰性大小的物理量，也是两种物 质 界面上 热传导 速率的一种度量。5 比 热 大， 热惯 量大，以及具有保温作用的地物，一般 发 射率（Emissivity）大，反之， 发 射率 较 小。水体，白天和夜 间热 特性第二章 遥感物理基础六、摄影材料及技术（一）黑白感光材料的结构及功能 2 感光层 卤素银盐、明胶、光学增感染料 感光 使银盐颗粒均匀分散开来 调节感光能力感光材料指 胶片 (Films)和相纸 (Printing Paper)，两者只在片基上有差异防光晕、防静电、防卷曲第二章 遥感物理基础六、摄影材料及技术（二）黑白感光材料的特性曲线 定义：是表征感光材料感光后变黑的程度与暴光量关系的曲线1 光学密度（ Optical Density) 阻光率 Q 透光率 2 暴光量（ Exposure Amount）光照度（ illumination)与 暴光时间（ Exposure Period）的乘积，常取对数。光照度由相机（ Camera、 Lens、 Focus）的光圈（ Aperture）控制暴光时间由快门（ Shutter）调节3 特性曲线 （ Feature Curve）黑白感光材料的特性曲线Sensitometric Characteristic Curve对特性曲线的理解1 A0至 A “灰雾密度 “ 生产或存贮过程有轻微暴光所致2 A至 B “趾部 ” 暴光不足部分，再现目标物中较暗的部分之间的差异要求其（长 or 短 ?）3 B至 C “直线部分 ” 感光材料唯一能正确记录景物明暗差异部分 越长，表明该感光材料对景物明暗差异的记录能力越强4 C至 D “肩部 ” 暴光过度部分，表达地物较亮部分间的差异能力强5 超过 D “反转部分 ”,暴光量继续增加而光学密度反而降低（三）黑白感光材料的主要性能1 感光度（片速）：感光材料对光的灵敏程度的定量表达，呈反相关关系。2 反差性 ：感光片上记录的景物影像的明暗差异与被摄景物实际明暗差异之比，即：表达的是特性曲线的直线部分的斜率，称为反差系数（ Contrast Coefficient）：若 1,此感光材料成像后会扩大原始景物间的亮度差异（硬性）若 =1,此感光材料成像后会保持原始景物间的亮度差异若 1,此感光材料成像后会抑制原始景物间的亮度差异（软性）3 宽容度（ Exposure Latitude）：是指感光材料按比例记录被摄景物明暗范围的大小。范围越大，能正确记录景物明暗层次越丰富。就是特性曲线中 lgH的 宽 度。4 颗 粒度（ Grain Size ）：是指感光乳 剂层 中 AgBr微粒直径的大小，越小生成影像越 细腻 。5 分辨率（ Resolution）与清晰度（ Definition）分辨率反映感光材料对景物细微结构清晰记录的能力影响航空像片分辨率的因素有：A 相机镜头分辨率B 感光材料中银盐颗粒 D的大小C 冲洗水平三者综合作用后的分辨率即为航片分辨率。6 感色性 感光材料对色光的敏感范围和敏感程度7 保存性（ Quality of Preservation）是指感光材料的主要性能不发生明显变化所经历的一定时间和所需要的一定条件。时间越短，条件越苛刻，则这种感光材料的保存性越差。（四）成像过程v 感光 AgBr见光分解，在胶片上形成潜影v 显影 将潜影成比例的放大，要控制显影液的温度、浓度显影时间v 定影 将剩余的未感光的 AgBr洗去v 清水冲洗 避免药水（ Na2S2O3）分解将胶片氧化而发黄v 印相 将胶片上的影像重复上述过程转移到相纸上Negative-to-positive sequence of photography Negative film exposurePaper print enlargementContact printing（五）彩色原理v色彩 分为消色和彩色两种，消色指黑、白以及界于两者间灰色；彩色根据人眼视觉特征区分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，时粗分为红、绿、蓝三色v色彩的生理基础视网膜上的视细胞、神经末梢、中枢神经共同构成色彩的生理基础。基于未通过生理学、解剖学证明的假设，将视细胞分为锥状细胞、杆状细胞。锥状细胞 分布于黄斑区，能检测亮度和颜色信息，每个细胞连一神经末梢因此其分辨率高，能检测目标细节，在强光条件下起作用杆状细胞 只能检测亮度信息，多个细胞连一神经末梢因此其分辨率低，能检测目标总体轮廓，在弱光条件下起作用利用上述假设能解释生活中的现象。（交通灯问题）色彩三要素1 色调（ Hue,色相或色别）决定于彩色光的光谱成分，反映色光在 “质 ”方面的差异2 饱和度（ Saturation） 决定于色光中混入白光的数量，“类似与溶液的稀释效应 ”，混入白光越多则饱和度越低，它是色光 “纯度 ”的表达3 亮度（ Intensity）决定于色光的能量，反映色光在 “量 ”方面的特征v 注意： 光谱成分决定了光的颜色，但某种颜色的光与光谱成分不是一对一的关系。v色彩合成A 加色法 用于物理学、计算机中颜色合成是指用两种或两种以上的原色按一定比例混合而得到新颜色的方法，就成为加色法。几个基本概念：（ 1）相加三原色：红、绿、蓝，它们不能由其它颜色合成，它们按一定比例组合可以合成任何色彩。某种色彩 =aR+bG+ c B,只需改 变 3者的比例，即可合成任何色彩。（ 2）互 补 色：若两种色光等量混合而得到白色， 则这 两种色光互 为补 色。（ 3）加色法合成原理加色法色彩合成原理Cyan YellowFuchsineB 减色法 常用于颜料色混合、