遥感电磁辐射基础3.ppt

中国农业大学 信息与电气工程学院 张超 地理信息工程系,2019年6月7日星期五,遥感电磁辐射基础3,遥感电磁辐射基础,1 电磁波和电磁波谱,2 电磁波辐射源,3 大气对太阳辐射的作用,4 地物波谱特征,5地物波谱特性的测量,太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。 从太阳光谱曲线可以看出()： 太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。（1.360103W/m2）,太阳辐射,太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射； 太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47 m左右； 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 3.0 m波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外； 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 各波段的衰减是不均衡的。,BACK,太阳辐射,大气对太阳辐射的衰减,大气成分组成 大气分层 大气对太阳辐射的衰减 大气窗口,大气是地球的保护伞 ,两小儿辩日 孔子东游，见两小儿辩斗，问其故。一儿曰：“我以日始出时去人近，而日中时远也。”一儿以日初出远，而日中时近也。一儿曰：“日初出大如车盖，及日中，则如盘盂，此不为远者小而近者大乎？”一儿曰：“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎？”孔子不能决也。两小儿笑曰：“孰为汝多知乎！”,圣人不能解释的,地球,大气,早晨太阳温和 有效截面不同 A=A0cos(),早晨的太阳比中午大，因为大气散射和折射等造成，早晨大气路径长,1 大气成分组成,2 大气垂直分层,大气垂直结构 对流层(Troposphere) 平流层(Stratosphere) 中间层(Mesosphere) 热层(Thermosphere) （中间层和热层又称电离层） 外大气层 各层的顶部分别为： Tropopause； Stratopause； Mesopause； Thermopause,看一下课本39页的图2.12,其中， ：太阳辐射通过的大气路程，与太阳高度角有关 ：大气衰减因子， ：大气对太阳辐射的吸收率和散射率，是电磁波波长的函数。 E0 大气顶部的辐照度，E为地球表面的辐照度,3 大气对太阳辐射的衰减,太阳辐射衰减的原因： 散射、吸收、反射,3.1 散射作用,太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子和大气中固体微粒、液体的散射作用。 电磁波在传播过程中，遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，电磁波的强度和方向发生各种变化，称为散射。 大气散射分为： 瑞利散射；米氏散射；非选择性散射,3.1.1 瑞利（Rayleigh） 散射,微粒的直径 d (电磁波波长)时 一般认为（d /10）,大气中的气体分子微小颗粒; 晴朗的天空为蓝色； 紫及紫外区不适于进行卫星遥感,瑞利散射与波长的关系,微粒直径和电磁波波长相近时（d ）,3.1.2 米氏散射,大其中的烟、气溶胶、云雾（水蒸气）等中等颗粒引起的散射 云、雾等的悬浮粒子的直径和0.7615 um之间的红外线波长差不多。所以， 云雾对红外线的散射主要是米氏散射。,3.1.3 非选择性散射,当质点直径远大于电磁波波长时（d ）, 散射率与波长没有关系,人看到的云和雾是白色的，就是云雾粒子直径比可见光波长大很多，所以云雾对可见光波段为非选择性散射。,3.2吸收作用,大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧 1）水：分为气态水和液态水 水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波，都有水汽的吸收带。 液态水的吸收更强，主要在长波范围。 2）二氧化碳 主要在红外区，1.352.85um 之间有3个弱吸收带，2.7，4.3， 14.5 um 为强吸收带。 3）臭氧 对紫外线的吸收 4）其它吸收电磁波的物质：氧气主要吸收波长小于0.2um的， 尘埃吸收作用很少。,3.3反射作用,主要是大气中的云层，大的尘埃。 云量越多、云层越厚， 反射越强。,北京地区2004年5月19日TM卫星遥感影像（波段组合543（RGB）,太阳辐射经大气衰减图,大气对太阳辐射的衰减规律： 大气吸收17， 散射22，反射30，其余31 太阳辐射到达地面,3.4 大气窗口,大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段,要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。,常用大气窗口,1）1）0.31.4um： 包括全部可见光（95），部分紫外光（70），部分近红外光（80）。 摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。 2）1.42.5um： 近红外窗口，6095，扫描成像，白天记录 3）3.55.5um： 中红外窗口，6070，白天夜间，扫描成像记录 4）814 um： 远红外窗口，超过80， 白天夜间，扫描记录 5）1300mm： 微波窗口， 白天夜间，扫描记录。,ETM+各波段设置,各波段设在大气窗口,4 地物波谱特征,概念： 地物波谱（地物光谱）:各种地物具有的电磁波特性，指地物反射率、发射率、透射率随波长的变化规律。 意义： 设计遥感器； 图象判读和分析的基础。,4 地物波谱特征,4.1 地物的发射波谱,4.2 地物的透射波谱,4.3 地物的反射波谱 4.4 遥感器接收到的电磁辐射,4.1 地物发射光谱,地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光谱。地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据。,4.2 地物的透射光谱,透明物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。,透射率（） ： 入射光透过物体的能量与入射总能量之比。,举例： 1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10- 20米。 2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长决定。,4.3 地物的反射光谱,电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。,4.3.1 物体反射分类,判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则：,根据物体表面的粗糙程度，反射分为：,1）镜面反射,2）漫反射（朗伯反射）,3）有向反射,4）混合反射,反射分类图示,(a) 镜面反射,(b) 漫反射（朗伯反射）,(c) 有向反射,(d) 混合反射,1) 镜面反射,2) 朗伯反射,朗伯定律：漫反射的反射辐射亮度（单位面积单位立体角内的辐射通量）和观察方向与表面法线夹角的余弦成正比。,航天遥感中，地球表面近似视为朗伯面。,3) 有向反射,4) 混合反射,一部分镜面反射，一部分朗伯反射。,有向反射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函数。,有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向有关，在航空遥感中具有重要意义。,4.3.2 常见地物的反射波谱曲线,A）植被光谱特征,1) 白橡树不同生长期的反射光谱曲线,2) 不同健康状态松树的反射光谱曲线,3) 不同植被的反射光谱曲线,B) 土壤的光谱曲线,三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线,土壤的波谱特征,自然状态下土壤表面的反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。 在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和此生矿物）和土壤有机质有关。 土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4um、1.9um、2.7um处附近区间），反射率的下降尤为明显。,C) 水体的光谱曲线,水体的波谱特征,纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，在可见光其它波段的反射率很低。 近红外和中红外纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于0。,水中其它物质对波谱特征的影响,水中含有泥沙，在可见光波段的反射率会增加，峰值出现在黄红区。 水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率明显抬高。,遥感器接受到的太阳辐射 Bs： 太阳辐射经地面目标反射后到达遥感器的辐射能。 BA： 太阳辐射经大气散射到遥感器的辐射能。,4.4 遥感器接收到的电磁辐射,到达地面的太阳辐射 直接辐射： 太阳辐射经大气衰减后到达地面的部分。 天空辐射：太阳辐射经过大气散射后辐射到地面的部分。,还有大气散射到地物又被反射到遥感器的部分，一般忽略,4.4 遥感器接收到的电磁辐射,地物的电磁波响应,5 地物波谱特性的测量,可见光和近红外波段是研究地表的主要波段。 可见光和近红外地物光谱测量的作用： （1）传感器波段的选择、验证、评价； （2）建立地面、航空和航天遥感数据的定量关系； （3）地物光谱数据与地物特征的相关分析。,野外光谱测量理论基础,BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) 二向性反射率分布模型/函数,方向反射率,反射依赖于入射、出射方向,意义：引起反射的增量/入射有一微增量,野外光谱测量,BRF (Bidirectional Reflectance Factor) 二向性反