第二章 电磁波谱与地物波谱特征ppt课件.ppt

本章提要2 1电磁波与电磁波谱2 2太阳辐射及大气对辐射的影响2 3地球的辐射与地物波谱 第二章电磁辐射与地物光谱特征 本章主要介绍遥感的物理基础 包括电磁波特性 太阳辐射 大气对太阳辐射的影响 地物反射波谱特征与测量 2 1电磁波与电磁波谱 2 1 1电磁波2 1 2电磁波谱2 1 3遥感应用电磁波段2 1 4黑体辐射 2 1 1电磁波 波 振动的传播成为波 电磁波 电磁振动的传播 描述电磁波特性的指标 波长 频率 振幅等 2 1 1电磁波 电磁波的特性电磁波是横波 在真空中以光速传播 速度为3 108m s 在传播过程中伴有反射 折射 吸收 透射和散射等现象 电磁波谱示图 2 1 2电磁波谱 电磁波谱 按电磁波在真空中传播的波长或频率 递增或递减依次排列制成的图表叫电磁波谱 该波谱以频率从高到低排列 可划分为 射线 X射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波 在遥感中较多使用的是可见光 红外和微波波段 遥感应用各电磁波波长 2 1 3遥感应用电磁波段 2 1 3遥感应用电磁波段 互补光 如果某两种相对应颜色的光按一定比例混合 可以成为白光 那么这两种色光就称为互补色光 色环图中直径两端的颜色为互补色 紫外线 波长范围为0 01 0 4 m 太阳辐射含有紫外线 通过大气层时 波长短于0 3 m的能量几乎都被吸收 只有0 3 0 4 m波长到达地面 紫外线强烈作用于皮肤时 皮肤上出现红斑 痒 水疱 水肿 眼痛等 使皮肤老化产生皱纹 斑点 严重的还可引起皮肤癌 只要不接收过量的紫外线 对人体是有益无害的 还可以帮助身体促进钙的吸收 在日常生活中对灭虫杀菌有一定的作用 2 1 3遥感应用电磁波段 2 1 3遥感应用电磁波段 波长范围从0 38 0 76 m 它由红 橙 黄 绿 青 蓝 紫色光组成 人眼对可见光有敏锐的感觉 不仅对可见光的全色光 而且对不同波段的单色光 也都具有敏锐的分辨能力 其中对0 55 m最敏感 所以可见光是作为鉴别物质特征的主要波段 可见光 2 1 3遥感应用电磁波段 2 1 3遥感应用电磁波段 波长范围为0 76 1000 m 分为 近红外 0 76 3 0 m 中红外 3 0 6 0 m 远红外 6 0 15 0 m 超远红外 15 1000 m 近红外在性质上与可见光相似 所以又称为光红外 中红外 远红外和超远红外是产生热感的原因 所以又称为热红外 应用实例 红外线夜视仪 监控设备 宾馆的房门卡 汽车 电视机的遥控器 洗手池的红外感应 饭店门前的感应门等 红外线 2 1 3遥感应用电磁波段 微波的波长范围1mm lm 微波遥感是借助微波散射现象来探测地物的性质 穿透性好 基本不受云雾影响 微波 2 1 3遥感应用电磁波段 微波遥感特性 能全天候 全天时工作 对某些地物具有特殊的波谱特征 对冰 雪 森林 土壤等具有一定穿透能力 对海洋遥感具有特殊意义 分辨率较低 但特征明显 这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形 地质构造 军事目标以及埋藏在地下的工程 矿藏 地下水等 微波对于海水特别敏感 其波长很适合于海面动态情况 海面风 海浪等 的观测 主要是由于其波长较长 衍射现象显著的缘故 对干沙可以穿透几十米 对冰层能穿透100m左右 2 1 3遥感应用电磁波段 雷达是有源传感器 自己提供照射 并不依赖于日光 在汶川地震遥感监测中 高分辨率SAR发挥了重要作用 在5月13日至5月15日 灾区一直是阴雨天 光学遥感 卫星和航空 都无法得到图像 通讯也基本中断 5月13日日本方面ALOSPALSAR首先获得ScanSAR模式的图像 但是分辨率为100m 无法应用 意大利的COSMOSkyMed首先得到都江堰3m和1m分辨率的SAR图像 5月14日我国的遥感1号得到分辨率为5m的灾区SAR图像 在2008春节期间我国南方地区的冰雪灾害过程中 在历次洪涝灾害过程中 在我国南方地区农作物生长的关键时刻 经常是阴云密布 或大雨滂沱 只有SAR能够工作得到遥感图像 绝对黑体 blackbody 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收 即吸收率 1 则这种物体称为绝对黑体 或简称黑体 一般物体收到辐射时 对辐射能量总是有吸收 反射 吸收部分占总能量的份额称为吸收率 其值在0 1之间 黑颜色的物体吸收能力大于白颜色的物体 吸收系数也比较大 如黑色的煤烟 其吸收系数接近99 被认为是最接近绝对黑体的自然物质 恒星和太阳的辐射也被看做是接近黑体辐射的辐射源 但实际上自然界并不存在绝对黑体 2 1 4黑体辐射 2 2太阳辐射及大气对辐射的影响 2 2 1太阳辐射2 2 2大气吸收2 2 3大气散射2 2 4大气窗口 太阳是被动遥感最主要的辐射源 2 2 1太阳辐射 从太阳光谱曲线可看出 2 2 1太阳辐射 到达地面的太阳辐射包括近紫外 可见光和红外 太阳辐射的光谱是连续光谱 太阳辐射的能量主要集中在可见光 最大辐射强度位于波长0 47 m左右 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 太阳常数 指不受大气影响 在距太阳一个天文单位内 垂直于太阳光辐射方向上 单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量 I 1 360 103W m2根据日地距离计算出太阳的总辐射通量为 太阳常数 4 r2 3 826 1026W 2 2 1太阳辐射 2 2 1太阳辐射 1 大气垂直结构对流层平流层电离层外大气层 2 2 2大气吸收 2 2 2大气吸收 为大气的底层 对流层中空气作垂直运动而形成对流 热量的传递产生天气现象 其高度在7 12km 温度随高度的增加而降低 高度每增加1km 温度下降6 气象变化强 是现代航空遥感主要活动的区域 在对流层内 由于大气层的吸收作用 使电磁波传播受到衰减 对流层 2 2 2大气吸收 其高度在12 80km 层内气流比较稳定 没有明显对流 几乎没有天气现象 在25km以下气温一般保持恒温约为 55 C 25 80km以上气温随高度递增 臭氧吸收了太阳紫外光 平流层的上部又称中间层 中间层内温度随高度增加而递减 平流层 2 2 2大气吸收 其高度在80 1000km 大气十分稀薄 下部称为热层 上部称为散逸层 大气中的O2 N2受紫外线照射处于电离状态 热层的空气分子和粒子直接吸收太阳辐射能量 使气温升高 温度随高度增加而递增 对可见光 红外直至微波的影响较小 是人造地球卫星绕地球运行的主要空间层 电离层 2 2 2大气吸收 该位于离地面1000km高度以上直至几万公里 该层空气极为稀薄 该层对卫星运行基本上没有影响 800km以上高度的空气极为稀薄 已对遥感产生不了影响 因此真正对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层 外大气层 2 2 2大气吸收 2 大气成分 2 2 2大气吸收 大气主要成分为分子和悬浮微粒 分子 N2和O2占99 其余为O3 CO2 H2O等 悬浮微粒 烟 尘埃 雾霾 水滴及气溶胶 气溶胶是一种固体 液体的悬浮物 有固体的核心 如尘埃 花粉 微生物 海水的盐粒等 在核心外包有液体 2 2 2大气吸收 3 大气对辐射的吸收作用 太阳辐射在通过大气层时 约有30 被云层和其它大气成分反射回宇宙空间 17 被大气吸收 22 被大气散射 仅有31 的太阳辐射直射到地面 其中 大气层中H2O O2 CO2 O3对太阳辐射产生选择性吸收 由于各种气体对太阳辐射波长吸收特性不同 使有些波段范围通过大气层到达地面 而另一些波段则全部被吸收不能到达地面 2 2 2大气吸收 2 2 2大气吸收 水 H2O 它是吸收太阳辐射能量最强的介质 从可见光 红外直至微波波段 都有水汽的吸收带 主要有2 5 3 0 m 5 7 m 0 94 m 1 13 m 1 38 m 3 24 m及24 m以上对微波的强吸收带 2 2 2大气吸收 氧 O2 对太阳辐射能量吸收很强 在0 2 0 32 m附近有很强的吸收带 此外0 6 m和9 6 m的吸收也很强 在波长0 155 m处吸收最强 在低层大气内几乎观测不到小于0 2 m的太阳辐射 在0 6 m和0 76 m附近 各有一个窄吸收带 臭氧 O3 2 2 2大气吸收 它的吸收主要在红外区内 吸收峰主要是2 8 m 4 3 m与14 5 m 二氧化碳 CO2 它对太阳辐射也有一定的吸收作用 但吸收量很少 当有沙暴 烟雾和火山爆发等现象发生时 大气中尘埃急剧增加 这时它的吸收作用才比较显著 尘埃 2 2 2大气吸收 辐射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 成为散射 散射使原传播方向的辐射强度减弱 而增加向其他方向的辐射 主要发生在可见光区 对遥感图像来说 降低了传感器接收数据的质量 2 2 3大气散射 散射现象是实质是电磁波在传输中遇到大气颗粒而产生的一种衍射现象 2 2 3大气散射 衍射 指电磁波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象 根据波长与散射微粒大小之间的关系 大气散射有三种情况 瑞利散射米氏散射无选择性散射 2 2 3大气散射 瑞利散射 当大气微粒的直径 d 比辐射波长 小得多时发生的散射 d 最大特点 波长越长 散射越弱 I 1 4瑞利散射对可见光的影响很大 无云的天空呈现蓝色 就是因为蓝色波长短 散射强度大 因此蓝光向四面八方散射 使整个天空蔚蓝 对于红外和微波 由于其波长较长 散射强度较弱 几乎不受影响 2 2 3大气散射 思考 1 为何晴朗的天空呈蓝色 而不是紫色 2 为何朝霞和夕阳都偏橘红色 2 2 3大气散射 2 2 3大气散射 这是因为在日出和日落时太阳高度角偏小 阳光斜射向地面 通过的大气层比阳光直射时要厚得多 在过长的传播过程中 蓝光波长最短 几乎被散射殆尽 波长次短的绿光散射强度也居其次 大部分被散射掉了 只剩下波长最长的红光 散射最弱 因此透过大气最多 再加上剩余的少量绿光 最后合成呈现橘红色 为何朝霞和夕阳都偏橘红色 太阳高度角 指太阳的入射方向和地平面之间的夹角 即太阳光线与通过该点与地心相连的地表切线的夹角 简称高度角 2 2 3大气散射 米氏散射 当大气中微粒的直径与辐射波长相近时发生的散射 d 其散射强度与波长的二次方成反比 即 I 1 2它主要由大气中的微粒 如烟 尘埃 小水滴及气溶胶等引起 云 雾对红外线的米氏散射是不可忽视的 潮湿天气米氏散射影响较大 2 2 3大气散射 非选择性散射 当微粒的直径比波长大得多时发生的散射 d 这种散射的特点是散射强度与波长无关 即任何波长散射强度相同 如大气中的水滴 雾 烟 尘埃等气溶胶对太阳辐射 常常会出现这种散射 2 2 3大气散射 2 2 4大气窗口 1 大气折射 电磁波穿过大气层时 除发生吸收和散射外 还会出现传播方向的变化 即折射 大气的折射率与大气密度相关 密度越大折射率越大 离地面越高 空气越稀薄 折射也越小 2 2 4大气窗口 2 大气反射 太阳辐射穿过大气时 被大气中的云层和较大尘埃将其一部分反射到宇宙空间去 从而削弱到达地面的太阳辐射 称为大气反射 2 2 4大气窗口 3 大气逆辐射 大气吸收地面长波辐射的同时 又以辐射的方式向地面放射能量 太阳辐射经过大气的削弱作用 吸收 反射 散射 到达地面 转为地面辐射 地面辐射返还给大气 转为大气辐射 大气辐射一部分射向宇宙空间 另一部分返还给地面 称为大气逆辐射 2 2 4大气窗口 4 大气窗口 大气层的反射 吸收和散射作用 削弱了太阳辐射的能量 剩余部分即为透过的部分 通常把太阳辐射通过大气层时 较少被反射 吸收和散射的 透射率较高的波段称为大气窗口 大气窗口的光谱波段主要有 2 2 4大气窗口 地物的光谱特性是遥感技术的重要理论依据 它既为传感器工作波段的选择提供依据 又是遥感数据正确分析和判读的理论基础 同时也可作为利用计算机进行数字图像处理和分类时的参考标准 2 3 1地物反射光谱特征2 3 2常见地物的光谱曲线2 3 3常见地物的光谱曲线比较 2 3地球的辐射与地物波谱 辐射能量入射到任何地物表面上 一部分被反射 一部分被吸收 还有一部分透射穿过地物 根据能量守恒定律可得 到达地面的太阳辐射能量 反射能量 吸收能量 透射能量一般而言 绝大多数物体对可见光都不具备透射能力 而有些物体如水 对一定波长的电磁波则透射能力较强 特别是0 45 0 56 m的蓝绿光波段 一般水体的透射深度可达10 20m 浑浊水体则为1 2m 清澈水体可达100m的深度 2 3 1地物反射光谱特征 不同地物对入射光的反射能力是不一样的 通常采用反射率 或反射系数 来表示 反射率等于地物的反射能量与入射总能量的比值 通常用百分数表示 P P0 100 1 地物反射率 2 3 1地物反射光谱特征 地物在不同波段的反射率是不同的 反射率也与地物的表面颜色 粗糙度和湿度等有关 根据物体的表面状况 将反射分为三种 镜面反射 漫反射和实际物体反射 2 物体的反射 2 3 1地物反射光谱特征 镜面反射 即物体的反射面是光滑的 如镜子 平静的水面等 漫反射 是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象 实际地物反射 介于镜面和漫反射面之间的反射 地物的反射波谱指地物反射率随波长的变化规律 地物反射率与入射光波长密切相关 这种函数关系称之为地物反射光谱特征 可用曲线表示 称为地物反射光谱曲线 地物反射波谱曲线除随不同地物不同外 同种地物在不同内部结构和外部条件下形态表现也不同 3 地物反射光谱特征 2 3 1地物反射光谱特征 植物的光谱曲线 2 3 2常见地物的光谱曲线 土壤的光谱曲线 2 3 2常见地物的光谱曲线 土质越细反射率越高 有机质含量越高和含水量越高反射率越低 水体的光谱曲线 2 3 2常见地物的光谱曲线 整体反射率非常低 蓝绿光波段相对较高 其他波段吸收都很强 特别到了近红外波段几乎为零 因此 在遥感影像上 水体呈黑色 岩石的光谱曲线 2 3 2常见地物的光谱曲线 2 3 3常见地物的光谱曲线比较 2 3 3常见地物的光谱曲线比较 2 3 3常见地物的光谱曲线比较 2 3 3常见地物的光谱曲线比较 水等地物表面温度的昼夜变化 2 晴朗的天空呈现蔚蓝色 是由于太阳光穿过大气层时 A 直接到达地面的蓝光比重大B 空气分子使蓝光发生散射作用C 高层大气分子