第二章遥感的物理基础

第二章：遥感的物理基础第一节：电磁波与电磁波谱第二节：地物的光谱特性第三节：大气对电磁辐射的影响第四节：彩色合成原理1第一节：电磁波与电磁波谱一、电磁波：电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播过程。从能量的角度又称为电磁辐射。二、电磁波谱按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。依次为： 射线 X 射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波。 2 r射线 (Gamma-ray):0.1nm,完全被大气层吸收，不能用于遥感。 x射线 (x-ray)0.1nm-10nm， 完全被大气层吸收，不能用于遥感。 紫外线 (UV)： 0.01-0.4m ， 0.3m 被吸收 。 0.3-0.4m 称为射影紫外 可见光 ： 0.4-0.76 m ， 鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。分不同波段摄影或扫描。 红外线 (IR) ： 0.76-1000 m 。为了应用方便，又分为近红外 0.76-3.0 m ,类似于可见光，称为反射红外，中红外 3.0-6.0 m ；远红外 6.0-15.0 m ；超远红外 15-1000 m 。（近红外又称反射红外；中红外和远红外又称热红外。 微波： 1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。可继续分为： K、 X、 C、 S、 L、 P波段。遥感常用的电磁波波段的特性3电磁波谱遥感应用的波段、遥感载体4三、电磁辐射源 自然辐射源太阳辐射 ： 是可见光和近红外的主要辐射源；常用 5900的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中 -短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。地球的电磁辐射 ： 小于 3 m 的波长主要是反射太阳辐射的能量；大于 6 m 的 波长，主要是地物本身的热辐射； 3-6 m 之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。5太阳光 谱Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mm6CO2 H2OO3地球光谱 Theoretical Planck curves:Earth 300K, peak emission 10 mm7Incoming from Sun:High energy, short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 mm10 mm20 mm 8太阳与地球辐射的电磁波谱9 人工辐射源：人为发射具有一定波长的电磁辐射。主动式遥感的辐射源，雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。l 微波辐射源： 0.8-30cm（通常的被动微波辐射）l 激光辐射源：激光雷达 测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等，激光遥感 。10结合遥感过程理解地物光谱特性的意义11四、电磁辐射的度量1、辐射能量： 单位焦耳2、辐射通量：在单位时间内通过某一面的辐射能量成为辐射通量。单位是瓦特焦耳秒 地物的辐射亮度在图像上表现为灰度值。灰度值 辐射亮度值 地物参数。理解遥感的正反演过程。如何定量地描述辐射能量是定量遥感的基础。123、辐射通量密度：单位面积上的辐射通量。在遥 感中，辐射通量密度又分别用辐射出射度（exitance）和辐照度（ irradiance）单位瓦米 2（ W/m 2）4、辐射强度：点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量。单位是瓦球面度（ W Sr） 13单位是球面度，半球面所张的立体角是 2 5、辐射亮度：确定面辐射源的辐射强度，具有方向性。辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量。单位是瓦米 2球面度（ W m2Sr） 14第二节 地物的光谱特性任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。注意两种变化：反射或发射电磁辐射的能力随波长的变化和随方向的变化。15一、地物的反射光谱特性l 当电磁辐射能量入射到地物表面上，将会出现三种过程：一部分入射能量被地物反射；一部分入射能量被地物吸收，成为地物本身内能或部分再发射出来，一部分入射能量被地物透射。16对于不透明的地物： 对于某一波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之 ,吸收率高的地物，其反射率就低。地物的反射率可以测定 根据能量守恒定律可得： 171、反射率：不同地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，通常采用反射率 (或反射系数、或亮度系数 )来表示。它是地物对某一波段电磁波的反射能量与入射的总能量之比，其数值用百分率表示。地物的反射率随入射波长而变化 。2、地物反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做地物反射光谱。按地物反射率与波长之间关系绘成的曲线 (横坐标为波长值，纵坐标为反射率 )称为地物反射光谱曲线。不同地物由于物质组成和结构不同具有不同的反射光谱特性。因而可以根据遥感传感器所接收到的电磁波光谱特征的差异来识别不同的地物，这就是遥感的基本出发点。18191、地面光谱特征测定（ 1）地物光谱曲线的测定（思考：如何表达地物的光谱特征？）（ 2）地物反射光谱方向性测定，很难，一般用模型模拟（见后）。2、地面光谱和遥感提取光谱曲线的区别光谱分辨率不同；大气的影响；尺度不同，叶片和冠层，混合像元。经过大气校正、光谱重采样和混合像元分解后可以与地面光谱比较匹配。3、遥感如何利用地物光谱特征提取信息（ 1）高光谱遥感：光谱匹配（ 2）多光谱遥感：植被指数法2021不同植物光谱曲线比较22植被的病虫害23时间特征24水库25公路与沙丘的光谱 2627地物波谱曲线的作用l 物体波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器获得的 数据相对照，可以识别遥感影像中地物类型信息或提取参数信息。l 但是，考虑时间和空间的变化特性、地形、太阳高度角、观测方向、地表特征，导致同物异谱和同谱异物现象。提取信息时结合其他辅助信息。28l传感器探测波段的设计，是通过分析比较地物光谱数据而确定的。 多光谱扫描仪（ MSS） 的波段设计：MSS1(0.5-0.6 m ) MSS2(0.6-0.7 m )MSS3(0.7-0.