环境遥感第二章.ppt

环境遥感 课件 杨泽元 博士 副教授 环工学院环境科学系 教学内容 本章主要介绍遥感物理基础的电磁学部分 包括电磁波谱 电磁辐射和黑体的概念 太阳辐射和地球辐射的特征 大气对电磁辐射的影响 地物电磁辐射特性 教学目的 通过本章的学习 要求掌握电磁波谱 电磁辐射和黑体的概念 太阳辐射和地球辐射的特征 了解大气对电磁辐射的影响 地物电磁辐射特性 教学重点 电磁辐射的度量 黑体辐射的两大定律和实际物体辐射规律 第二章遥感物理基础 本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响 第一节电磁波与电磁波谱 电磁波及其特性电磁波谱电磁辐射源 一 电磁波及其特性 波的概念 波是振动在空间的传播 波动是各质点在平衡位置振动而能量向前传播的现象 声波 水波 弹簧纵波 绳波 光波 无线电波 无处不在的波 地震波 横波 纵波 一 电磁波及其特性 2 机械波 声波 水波 弹簧纵波 绳波 地震波 一 电磁波及其特性 3 电磁波 ElectromagneticSpectrum 由电磁振源发出的电磁振荡在空间中的传播 光波 无线电波 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的 原理 变化的电场和磁场交替产生 以有限的速度由近及远在空间传播 形成电磁波 5 电磁辐射 这种电磁能量的传递过程 包括发射 吸收 反射和透射 称为电磁辐射 电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播 c 3 0 108m s满足 f cE hfP h 式中f 频率 波长 E 光子能量 h 普朗克常数 6 626 10 34J s P 光子动量 4 电磁波具有波粒二相性波动性 时空周期性 电磁波是以波动的形式在空间传播的 因此具有波动性 可以用 c T和f来表征 表现为电磁波有干涉 衍射 偏振 散射等现象 粒子性 它是由密集的光子微粒组成的 电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动 主要表现为电磁辐射的光电效应 康普顿效应等 电磁波的粒子性 使得电磁辐射的能量具有统计性 与过程有关 电磁波在传播过程中 主要表现为波动性 在与物质相互作用时 主要表现为粒子性 与电磁波的波长有关 波长愈短 辐射的粒子性愈明显 波长愈长 辐射的波动特性愈明显 二 电磁波谱 1889年 赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波 电磁波谱 将各种电磁波在真空中的波长 频率按其长短 高低 依次排列制成的图表 在电磁波谱中 波长最长的是无线电波 其按波长可分为长波 中波 短波和微波 波长最短的是 射线 电磁波的波长不同 是因为产生它的波源不同 ExamplesfromSpace Wavelength ThedistancefromonewavecresttothenextRadiowaveshavelongestwavelengthandGammarayshaveshortest WavelengthUnits Meters likeonlastslideandinbook p 613 Morecommonlyinnanometers1nm 10 3 m 10 7cm 10 9m1 m 10 3mm 10 4cm 10 6mAngstromsstillusedNamedforSwedishAstronomerwhofirstnamedthesewavelengths1nanometer 10Ao Speedoflight wavelength l xfrequency 3x108m sinvacuumWavenumber 1 wavelength cm 1 FrequencyinGHz 1Hz sec 1 LanguageoftheEnergyCycle TheElectromagneticSpectrum Energy Wavelengthl SolarSpectrum Shortwavespectrum visiblespectrum TerrestrialSpectrum LongwaveSpectrum InfraredSpectrum ThermalSpectrum TheoreticalPlanckcurves Earth 300K peakemission9 66mm OutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength IncomingfromSun Highenergy shortwavelength ElectromagneticSpectrum TheElectromagneticSpectrum Morethanmeetstheeye 注 也有人将0 76 15 m看作近红外 将15 1000 m看作远红外 紫外线 UV 0 01 0 38 m 主要用于探测碳酸盐岩分布 水面油污染 可见光 0 38 0 76 m 鉴别物质特征的主要波段 是遥感最常用的波段 红外线 IR 0 76 1000 m 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 近红外又称光红外或反射红外 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 2 遥感常用的电磁波波段的特性 二 电磁辐射的度量 任何物体都是辐射源 不仅能够吸收其它物体对它的辐射 也能够向外辐射 只是辐射的强度和波长不同而已 因此 电磁波传递就是电磁能量的传递 RS探测实际上是辐射能量的测定 辐射能Qc 以电磁波形式传递的能量 J 焦耳 辐射通量 在单位时间内通过某一面积的辐射能量 dQc dt单位 w 瓦大多数传感器响应的是辐射能传递的时间效率 辐射通量密度E 单位时间内通过单位面积的辐射能量 E d ds单位 w m2 辐照度Ee 被辐射物体表面单位面积上的辐射通量 Ee d ds单位 w m2辐射出射度Me 辐射物体表面单位面积上的辐射通量 Me d ds单位 w m2Ee Me都是辐射通量密度的概念 不过Ee为物体接收的辐射 Me为物体发出的辐射 都与 有关 辐射强度 radiantintensity I 辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的 指在某一方向上单位立体角内的辐射通量 I 单位 瓦 球面度 W Sr S 立体角 单位 球面度 无量纲 S R2 R 点辐射源与球面上面元S的距离 即球半径 S 与球半径R垂直的某小面元的面积 球心对全球面所张的立体角为 4 R 辐射亮度L 假定有一辐射源呈面状 辐射源在某一方向 单位投影表面 单位立体角内的辐射通量 L Acos 式中L W Sr m2 瓦 m 2 球面度 1 辐射通量 立体角 单位 球面度 无量纲 A 小辐射面元的面积 球半径与地表法线之间的夹角 又称观察角 辐射亮度L与观察角 无关的辐射源 称为朗伯源 如新鲜的氧化镁 硫酸钡 碳酸镁表面 在反射天顶角 45 时 可近似看成朗伯面 S 小结 辐射度量一览表 8 13 吸收系数 当物体的温度为T 波长在 内 吸收能量与入射能量之比 绝对黑体 在任何温度下 对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1 100 的物体 又称为完全辐射体 黑体辐射 BlackBodyRadiation 黑体的热辐射称为黑体辐射 在一切方向上都均等 三 黑体辐射 自然界并不存在绝对黑体 黑色的烟煤是最接近绝对黑体的自然物质 恒星和太阳的辐射被看作是接近黑体辐射的辐射源 理想的绝对黑体在实验上是用一个带有小孔的空腔做成的 图2 6 空腔壁由不透明的材料制成 空腔器壁对于辐射只有吸收和反射 当从小孔进入的辐射照射到器壁时大部分被吸收 仅有5 或更少部分被反射 PowerSource BlackbodyRadiation Planck sLaw Theamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperature MaxPlanck 1858 1947 NobelPrize1918 Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengths wavelength 4 黑体辐射定律 1 普朗克热辐射定律 MaxPlanck 表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律 黑体辐射的三个特性 p20 辐射通量密度随波长连续变化 每条曲线只有一个最大值 温度越高 辐射通量密度越大 不同温度的曲线不同 随着温度的升高 辐射最大值所对应的波长向短波方向移动 2 斯特藩 玻耳兹曼定律Stefan Boltzmann slaw即黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比 因此 温度的微小变化 就会引起辐射通量密度很大的变化 这是红外装置测定温度的理论基础 式中 M 黑体表面的总辐射出射度 w m2 斯特藩 玻耳兹曼常数 取值为5 6697 10 8W m 2 k 4 T 发射物体的热力学温度 3 维恩位移定律 Wien sdisplacementlaw黑体辐射光谱中最强辐射的波长 max与黑体绝对温度T成反比 式中 为最大波谱辐射出射度对应的波长 m 2898 m k 从图2 7也可以看出 黑体温度越高 其曲线的峰顶就越往左移 即往波长短的方向移动 这就是位移的含义 如果辐射最大值落在可见光波段 物体颜色会随着温度的升高而变化 波长逐渐变短 颜色由红外到红色再逐渐变蓝变紫 表2 2 表2 2绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系 四 电磁辐射源 自然辐射源 1 太阳辐射太阳辐射 是可见光和近红外的主要辐射源 表面温度约6000K 5900K 其辐射波长范围极大 最大辐射波长强度位于波长0 47 m 辐射能量集中在中 短波辐射 大气层对太阳辐射具有吸收 反射和散射作用 太阳常数 当地球处于日地平均距离时 单位时间内投射到位于地球大气上界 且垂直于太阳光射线的单位面积上的太阳辐射能量为 I 1 36 103W m2 太阳辐射照度分布曲线 2 地球辐射地球的电磁辐射 是远红外遥感的主要辐射源 地球外围的温度大约为300K 27 其最大辐射强度位于波长9 66 m 辐射能量属于远红外波段 热红外能量 小于3 m的波长主要是反射太阳辐射的能量为主 大于6 m的波长 主要是地物本身的热辐射为主 3 6 m之间 地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射都要考虑 进行红外遥感探测时 选择清晨时间 目的是为了避免太阳辐射的影响 太阳与地球辐射的电磁波谱 人工辐射源主动式遥感的辐射源 雷达探测 分为微波雷达和激光雷达 微波辐射源 0 8 30cm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 例1已知由太阳常数推算出太阳表面的辐射出射度M 6 284 107W m2 求太阳的有效温度和太阳光谱中最强辐射的波长 max 解 根据斯特藩 玻尔兹曼定律 根据维思位移定律 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 根据能量守恒定律 得到 P0 P P P 2 6 式中P0 入射的总能量 P 地物的反射能量 P 地物的吸收能量 P 地物的透射能量 式 2 6 两端同时除以P0 得到 2 7 1 2 8 反射率 吸收率 透射率 对于不透明的物体 0 则 2 8 式可写成 1 2 9 因此 对于某一波段反射率高的地物 其吸收率就低 吸收率高的地物 其反射率就低 地物的反射率可以通过仪器来测定 而吸收率则可通过上式求出 即 1 任何地物当温度高于绝对温度0K时 组成物质的原子 分子等微粒 都在不停地做热运动 都具有向周围空间辐射红外线和微波的能力 通常地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准 地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准 一 地物的发射光谱特性 1 发射率 Emissivity 地物的辐射出射度 单位面积上发出的辐射总通量 M与同温下的黑体辐射出射度M黑的比值 它也是遥感探测的基础和出发点 影响地物发射率的因素 地物的性质 颜色深浅 表面状况 粗糙程度 温度 比热 热惯量 比热大 热惯量大 以及具有保温作用的地物 一般发射率大 反之发射率就小 2 基尔霍夫定律在一定温度下 地物单位面积上的辐射通量密度M和其吸收率之比 对于任何物体都是一个常数 并等于该温度下同面积的黑体辐射通量密度M黑 M黑 在给定的温度下 物体的发射率 吸收率 同一波段 吸收率越大 发射率也越大 地物的热辐射强度与温度的四次方成正比 所以 地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化 这种特征构成了红外遥感的理论基础 3 黑体的微波辐射 任何物体在一定的温度下 不仅向外发射红外辐射 也发射微波辐射 二者基本相似 但微波是地物低温状态下的重要辐射特性 温度越低 微波辐射越明显 微波辐射比红外辐射弱得多 但技术上可以经过处理来接收 瑞里 金斯公式黑体辐射的微波功率与温度成正比 与波长的平方成反比 微波波段与红外波段发射率的比较 不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多 因此 在可见光和红外波段中不易识别的地物 在微波波段中则容易识别 表2 6 4 地物的发射光谱 发射光谱 地物的发射率随波长变化的规律 发射光谱曲线 按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线 岩石的发射光谱分析 图2 22 图2 22各类岩浆岩的比辐射率 按照发射率与波长的关系 把地物分为 黑体或绝对黑体 发射率为1 常数 灰体 greybody 发射率小于1 常数 选择性辐射体 发射率小于1 且随波长而变化 理想反射体 绝对白体 发射率为0 反射率为1 白体 亮度温度 简称亮温 衡量地物辐射特征的重要指标 指某物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时 该黑体的绝对温度即为该地物的亮度温度 Thetemperatureoftheblackbodywhichradiatesthesameradiantenergyasanobservedobjectiscalledthebrightnesstemperatureoftheobject 亮度温度与实体温度的关系 总小于实体温度 例2一般金属材料都可近似地看成灰体 已知已氧化的铜表面温度为1000K 比辐射率 吸收系数 为0 7 求这时该物体的总辐射出射度M 解 根据斯特藩 玻尔兹曼定律 1000K的黑体总辐射出射度为 0 7根据基尔霍夫定律 该物体的总辐射出射度为 地物的反射当电磁辐射到达两种不同介质的分界面时 入射能量的一部分或全部返回原介质的现象 称为反射 对于某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 1 二 地物的反射光谱特性 地物的反射率 反射系数或亮度系数 地物对某一波段的反射能量与入射能量之比 反射率随入射波长而变化 影响地物反射率大小的因素 入射电磁波的波长 引自兵器工业出版社出版的 国外军用激光仪器手册 p505 509 入射角的大小光从光密介质进入光疏介质时 当入射角达到临界角时 发生全反射现象 小于临界角时 则是部分反射 地表颜色与粗糙度物体的电学性质 电导 介电 磁学性质等 根据林育琼 冯仕猛 王坤霞等 2011 研究了金属薄膜厚度小于电子自由程 就是电子在多大范围内运动时 不会与其它电子发生碰撞 是个平均的概念 对其光反射率的影响 其反射率与膜厚的关系为 其中n 的取值如下 为折射率的实部 为消光系数 表示不连续金属薄膜的电导率 一般说来 当入射电磁波波长一定时 反射入射光能力强的地物 反射率较大 在黑白遥感图像上呈现的色调就浅 反之 反射能力弱的地物 反射率较小 在黑白遥感图像上呈现的色调就深 在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像的重要标志 2 物体的反射物体对电磁波的反射率有三种形式 1 镜面反射 Specularreflection 当入射能量全部或几乎全部按反射光线的方向反射 且入射角 反射角 若表面相对于入射波长是光滑的 就出现镜面反射现象 可见光 镜面 光滑的金属表面 平静的水体表面均可发生镜面反射 微波 公路面也符合镜面反射的规律 镜面反射 漫反射 方向反射 2 漫反射当入射能量在所有方向上均匀反射 即入射能量以入射点为中心 在整个半球空间内向四周各向同性反射能量的现象 若表面相对于入射波长是粗糙的 即当入射波长比地表高度小或比地表组成物质粒度小时 则表面发生漫反射 对可见光而言 土石路面 均一的草地表面均属漫射体 由于漫射体保留了反射表面的光谱信息 颜色或亮度 因而在遥感领域广泛应用 镜面反射 漫反射 方向反射 3 方向反射自然界大多数物质反射特征介于镜面反射与漫反射之间的非朗伯表面 其反射具有明显的方向性特征 即方向反射 从这个角度来说 镜面反射可认为是方向反射的特例 不同地物在不同波段反射率存在差异 在不同波段的遥感图像上呈现出不同的色调 这就是判读识别各种地物的基础和依据 镜面反射 漫反射 方向反射 3 地物的反射光谱 地物的反射率随入射波长变化的规律 地物反射光谱曲线 根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线 地物反射光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理 不同地物在不同波段反射率存在差异 雪 沙漠 湿地 小麦的光谱曲线 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 MSS4 0 5 0 6 m MSS5 0 6 0 7 m MSS6 0 7 0 8 m MSS7 0 8 1 1 m 同类地物的反射光谱具有相似性 但也有差异性 不同植物 植物病虫害 4 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性 时间特性空间特性 不同植物光谱曲线比较 植被的病虫害 时间特征 透射 当电磁波入射到两种介质的分界面时 部分入射能穿越两种介质的分界面的现象 透射率 入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比 透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同 可见光 红外 微波的透射能力 见下表 三 地物的透射光谱特性 地物的透射特性 第三节大气和环境对遥感的影响 大气的成分和结构大气对太阳辐射的影响大气窗口环境对地物光谱特性的影响 一 大气的成分 大气的传输特性 大气对电磁波的吸收 散射和透射的特性 这种特性与波长和大气的成分有关 大气的成分 多种气体 固态和液态悬浮的微粒混合组成的 大气物质与太阳辐射相互作用 是太阳辐射衰减的重要原因 大气的垂直分层 二 大气的结构 大气的垂直分层 对流层 平流层 中间层 暖层 散逸层 对流层 0 12km 航空遥感活动区 遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性 飞机平流层 12 55km 温度随高度增加而递减 气球和喷气式飞机 中间层 55 85km 温度随高度增加而激增 无线电波发生全反射 侦察卫星 航天飞机暖层 热层 电离层 85 800km 资源卫星和气象卫星散逸层 外层 800公里以外的星际空间 通讯卫星 气象卫星 三 大气对太阳辐射的影响 太阳辐射的衰减过程 30 遗失在太空 19 被大气层 气体 尘埃和云层 吸收 51 到达地面 1997 图2 3 大气的透射率公式 透射率与路程 大气的吸收 散射有关 其中 为透射率 为衰减系数 为散射系数 为吸收系数 一 大气的吸收作用 氧气 小于0 2 m 0 155为峰值 高空遥感很少使用紫外波段的原因 另外 0 76 m 0 69 m也有窄带吸收 臭氧 数量极少 但吸收很强 0 2 0 32 m 此外 0 6 m和9 6 m的吸收也很强 对航空遥感影响不大 吸收总能量的2 水 吸收太阳辐射能量最强的介质 到处都是吸收带 最强的是6 3 m和大于12 m以上对微波的强吸收带 因此 水对红外遥感有极大的影响 二氧化碳 量少 吸收作用主要在红外区 2 7 m 4 3 m和15 m 可以忽略不计 Absorption Incontrasttoscatter atmosphericabsorptionresultsintheeffectivelossofenergytoatmosphericconstituents Thisnormallyinvolvesabsorptionofenergyatagivenwavelength Themostefficientabsorbersofsolarradiationinthisregardare WaterVapourCarbonDioxideOzone AbsorptionofEMenergybytheatmosphere 二 大气的散射作用 散射作用 太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变 并向各个方向散开 改变了电磁波的传播方向 干扰传感器的接收 降低了遥感数据的质量 影像模糊 影响判读 大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区 因此 散射是太阳辐射衰减的主要原因 Scattering Atmosphericscatteringistheunpredictablediffusionofradiationbyparticlesintheatmosphere Threetypesofscatteringcanbedistinguished dependingontherelationshipbetweenthediameterofthescatteringparticle a andthewavelengthoftheradiation 三种散射作用 瑞利散射 当微粒的直径比辐射波长小得多时 此时的散射称为瑞利散射 RayleighScatter a Rayleighscatteriscommonwhenradiationinteractswithatmosphericmolecules gasmolecules andothertinyparticles aerosols thataremuchsmallerindiameterthatthewavelengthoftheinteractingradiation TheeffectofRayleighscatterisinverselyproportionaltothefourthpowerofthewavelength Asaresult shortwavelengthsaremorelikelytobescatteredthanlongwavelengths Rayleighscatterisoneoftheprincipalcausesofhazeinimagery Visuallyhazediminishesthecrispnessorcontrastofanimage RelationshipbetweenpathlengthofEMradiationandthelevelofatmosphericscatter 三种散射作用 散射率与波长的四次方成反比 因此 瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大 紫外线是红光散射的30倍 0 4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍 三种散射作用 瑞利散射对可见光的影响较大 对红外辐射的影响很小 对微波的影响可以不计 多波段中不使用蓝紫光的原因 无云的晴天 天空为什么呈现蓝色 因空中的粗微粒比较少 青蓝色光散射更强 天空一片蔚蓝 朝霞和夕阳为什么都偏橘红色 黎明或黄昏时 太阳辐射穿过大气的路程长 蓝绿光已被散射殆尽 只剩下黄红光 所以偏橘红色 米氏散射 当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射 云 雾的粒子大小与红外线的波长接近 所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视 MieScatter a Miescatterexistswhentheatmosphericparticlediameterisessentiallyequaltotheenergywavelengthsbeingsensed WatervapouranddustparticlesaremajorcausesofMiescatter ThistypeofscattertendstoinfluencelongerwavelengthsthanRayleighscatter AlthoughRayleighscattertendstodominateundermostatmosphericconditions Miescatterissignificantinslightlyovercastones 3 无选择性散射 当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射 符合无选择性散射条件的波段中 任何波段的散射强度相同 水滴 雾 尘埃 烟等气溶胶常常产生非选择性散射 云雾为什么通常呈现白色 Non selectivescatter a Non selectivescatterismoreofaproblem andoccurswhenthediameteroftheparticlescausingscatteraremuchlargerthanthewavelengthsbeingsensed Waterdroplets thatcommonlyhavediametersofbetween5and100mm cancausesuchscatter andcanaffectallvisibleandnear to mid IRwavelengthsequally Consequently thisscatteringis non selective withrespecttowavelength Inthevisiblewavelengths equalq