CH1电磁波与遥感物理基础.ppt

1 一 电磁波与电磁波谱 二 物体的电磁波特性三 地物波谱特性的测定 第一章电磁波及遥感物理基础 2 一 电磁波与电磁波谱 电磁辐射产生于各种形式的能量 机械能 化学能 热能 电能 磁能 核能 凡是温度高于绝对零度 273 16摄氏度 的物体都发射电磁波 波长由物质内部状态的变化决定电磁波的特性 电磁波是横波电磁波具有波粒二象性 电磁波的来源 3 电磁波谱 把各种电磁波 包括无线电波 微波 红外波 可见光 紫外线 x射线 伽玛射线等 按照波长或频率的大小依次排列 就形成了电磁波谱 遥感中所用的电磁波段 微波 红外波 可见光 4 物体的电磁波特性 物体的发射辐射地物的辐射波谱 热红外遥感的理论基础物体的反射辐射地物的反射波谱 可见光和近红外遥感的理论基础物体的微波后向散射辐射地物的后向散射波谱 微波遥感的理论基础 5 1 黑体辐射2 实际地物的发射辐射 物体的发射辐射 6 黑体辐射 黑体是一种理想的辐射体 能够完全吸收任何波长入射能量的物体 称为黑体 黑体是一种理想的模型 在自然界里则很难找到 自然界里有些物质的性质接近黑体 如黑色的烟煤 恒星和太阳等 7 黑体辐射定律 1 普朗克定律 其中 h为普朗克恒量K为波耳兹曼常数 普朗克定律表明 黑体的单色辐射度是温度和波长的函数 8 黑体的辐射度曲线 9 3 基尔霍夫定律 好的吸收体一定是好的辐射体 2 斯忒藩 波耳兹曼定律 对普朗克公式积分得 斯忒藩 波耳兹曼常数 10 4 瑞利 琴斯定律 当波长大于1mm时 普朗克定律可以近似为 5 维恩位移定律 为分谱辐射通量密度曲线的峰值所对应波长 b为常数2898 m k 黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比 11 实际地物的发射辐射 发射率太阳辐射与大气窗口地球辐射地物的辐射波谱特性 12 1 发射率 为无量纲纯数 根据发射率可将实际地物分为三类 1 黑体 2 灰体 3 选择性辐射体发射率随波长变化而变化 13 2 太阳辐射与大气窗口 太阳辐射大气层对太阳辐射的作用大气窗口大气透射的定量分析 14 被动遥感最主要的辐射源太阳辐射接近6000K的黑体辐射 能量集中在0 3 2 5微米的波段之间 太阳常数 不受大气影响 距太阳一个天文单位 垂直太阳光入射方向上 单位时间单位面积黑体所接受的太阳辐射能量 I 太阳光谱 太阳辐射 15 16 大气层次结构与成分大气层对太阳辐射的作用吸收作用散射作用反射作用折射作用 大气层对太阳辐射的作用 17 大气层次结构与成分大气物理状况的物理量一般有气压 大气温度和大气湿度 它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度 所以在研究大气效应问题时可以假定大气具有水平均一 垂直的分层结构 对流层 0 12KM 温度 密度 气压随高度的增加而降低 空气明显垂直对流 上界随季节和温度而变化 平流层 12 80KM 空气密度继续随高度增加而降低 几乎没有对流和天气现象 其中25 30KM处 臭氧含量较大 为臭氧层 电离层 80 1000KM 空气稀薄 分子被太阳辐射作用而电离成离子和自由电子状态 该层对无线电波可全反射 外大气层 1000KM以外的大气层 大气厚度一般认为约1000KM 18 大气成分 大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合物 大气的气体成份可分为常定成份和可变成份两部分 19 吸收作用 主要是气态分子的吸收 可使电磁辐射的能量衰减 大气中含量最高的氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围 大气上层臭氧的存在 对小于的电磁波具有极强的吸收能力 所以到达地面的太阳短波辐射中 很少存在波长小于的短波辐射 对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体 其中作用最为显著的有臭氧 二氧化碳 甲烷和水汽 大气层对太阳辐射的作用 20 大气在0 15波长的吸收 21 散射作用 主要是气体分子和气溶胶的散射 散射是由于电磁辐射与物质相互作用导致部分能量再辐射到其他方向而引起的 散射使入射波束的能量有所衰减 与吸收作用不同的是 散射并未引起能量的损失 而只是导致能量在其他方向上重新分配 三种散射 Rayleigh散射Mie散射Nonselective散射 22 Rayleigh散射 是气态分子的散射当气体分子的尺度远小于光波的波长时会发生Rayleigh散射 Rayleigh散射属于小颗粒散射 散射光强度与波长的4次方成反比 由此可以解释天空为什么呈蓝色 23 Mie散射 云滴 气溶胶的散射 当颗粒的直径与入射光的波长相当时 往往发生Mie散射 Mie散射是强烈的前向散射 属于大颗粒散射 大颗粒散射的特征 电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒内部 由于颗粒的尺寸与波长相当 所以颗粒的不同部位往往处在不同的电场强度下 导致诱发电流的产生 一方面这种高度电流会产生高变的磁场 另一方面电流的存在意味着焦耳热损耗的出现 电磁波的吸收 24 Nonselective散射 大气中云 粒子的散射 当颗粒的直径远大于入射波的波长时 会发生无选择性散射 由此可解释雾为什么呈现白色 散射强度与波长无关 25 大气散射的特点 群体散射强度是个体散射强度之线性和 大气散射系数与高度的关系 大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成 气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减 就平均状况而言 4KM以下气溶胶的Mie散射占优势 4KM以上的分子散射相对占优势 分子散射与气溶胶散射光强之比随角度的变化而变 实际上 当大气状况相同时 同时会出现各种类型的散射 如云层中的小雨滴 对可见光可发生无选择性散射 而对微波则发生瑞利散射 26 反射作用电磁波传播过程中 通过两种介质的交界面时会出现反射现象 反射现象主要发生在云顶 折射作用电磁波穿过大气层时出现传播方向改变的现象 大气密度越大 折射率越大 27 大气窗口 吸收作用 散射作用 折射作用 对太阳辐射有衰减作用 透过率小 大气屏障 透过率大 大气窗口 改变太阳辐射传输方向 电磁波通过大气层时较少被反射 吸收和散射的 透过率较高的波段称为大气窗口 反射作用 对太阳辐射有衰减作用 28 可用做遥感的大气窗口 0 3 1 3微米 紫外 可见光和近红外波段1 5 1 8微米 2 0 3 5微米 近中红外波段3 5 5 5微米 中红外波段8 14微米 热红外波段0 8 2 5厘米 微波波段 29 30 太阳辐射进入传感器前的吸收 散射过程 A 太阳辐射透过大气并被地表反射进入传感器 B 太阳辐射被大气散射后被地表反射进入传感器 C 太阳辐射被大气散射后直接进入传感器 G 太阳辐射透过大气 被地物反射后又被地表反射进入传感器 I 被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项 多光谱遥感 可见光和近红外波段 31 3 地球辐射 地球辐射是地球表面和大气电磁辐射的总称 被动遥感主要的辐射源 地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体 遥感图像就是由装载在遥感平台上的传感器接收来自地球辐射所携带的地物信息 经过处理而形成的 地球辐射的分段特性 32 插图 地球辐射图 地球辐射的分段特性 33 4 地物的辐射波谱特性 反映地物自身辐射电磁能量的特性 主要针对红外波段 地物的辐射波谱是红外遥感的理论基础 34 几种硅酸盐的红外发射波谱 35 1 地物的反射2 地物的反射类别3 地物的反射光谱特性 二 物体的反射辐射 36 1 地物的反射 可见光和近红外波段地物的波谱特性 太阳光通过大气层照射到地球表面 地物会发生吸收 透射和反射作用 反射后的短波辐射一部分被遥感器所接收 入射到物体的总能量 吸收 透射 反射除水体 植被等物体 多数地物透过率几乎为零 可以忽略不计 反射率与光谱反射率 37 2 地物的反射类别 根据地表目标物体表面性质的不同 物体反射可分为三种类型 镜面反射漫反射方向反射 了解物体反射类型的意义 38 镜面反射 发生在光滑物体表面的一种反射 光滑表面的定义光滑是一个相对的概念 它由入射波长和表面起伏共同决定 当时 表面光滑 当时 表面粗糙 特点是 反射满足反射定律 即入射波和反射波在同一平面内 入射角等于反射角 39 漫反射 发生在非常粗糙表面上的一种反射现象 特点是 当入射辐照度I一定时 从任何角度观察反射面 其反射辐射亮度是一个常数 这种反射面叫朗伯面 40 方向反射 也叫实际地物的反射 非朗伯面反射 是介于镜面和朗伯面之间的一种反射 特点是 实际地物表面由于地形起伏 对太阳短波辐射的反射具有各向异性 即在有入射波时 各个方向上都有反射能量 但大小不同 在某个方向上反射最强烈 41 3 地物的反射光谱特性 地物的反射波谱同一地物的反射波谱不同地物的反射波谱应用地物波谱曲线时应注意的问题影响地物光谱反射率变化的因素 42 地物的反射波谱 定义 可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律 表示方法 一般采用二维几何空间内的曲线表示 横坐标表示波长 纵坐标表示反射率 43 同一地物的反射波谱 同一地物的反射波谱特性随时间和空间的改变而变化 时间效应空间效应 44 不同地物的反射波谱 常见的几种地物类型波谱特征植被水体土壤岩石 45 植被 可见光波段 在0 45微米附近区间 兰色波段 有一个吸收谷 在0 55微米附近区间 绿色波段 有一个反射峰 在0 67微米附近区间 红色波段 有一个吸收谷 近红外波段 从0 67微米处反射率迅速增大 形成一个爬升的陡坡 至1 1微米附近有一个峰值 反射率最大可大50 形成植被的独有特征 中红外波段 1 5 1 9微米光谱区反射率增大 1 45微米 1 95微米和2 7微米为中心的附近区间受到绿色植物含水量的影响 是水的吸收带 反射率下降 形成低谷 46 47 影响植被波谱特征的主要因素 植物类型植被生长季节病虫害影响植被波谱特征大同小异 根据这些差异可以区分植被种类 生长状态等 48 对植物健康状况的检测 49 水体 纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段 可见光其他波段反射很低 近红外和中红外波段纯净的自然水体的反射率很低 几乎趋近于零 水中含有泥沙 可见光波段反射率会增加 峰值出现在黄红区 水中含有水生植物叶绿素时 近红外波段反射明显抬高 50 清水和混水的反射率对照 51 叶绿素不同含量时水体的波谱曲线 52 土壤 自然状态下 土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征 没有明显的峰值和谷值 干燥条件下 土壤的波谱特征主要与成土矿物 原生矿物和次生矿物 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 4 1 9和2 7微米附近区间 反射率的下降尤为明显 53 三种不同类型的土壤在干燥环境下的反射光谱曲线 54 粉砂土壤不同含水良情况下的光谱反射率曲线 55 岩石 岩石矿物的波谱曲线主要由矿物成份 矿物含量 物质结构 等决定 影响岩石矿物波谱曲线的因素有岩石风化程度 岩石含水状况 矿物颗粒大小 岩石表面光滑程度 岩石色泽等 56 不同岩石矿物的反射波谱曲线 57 应用地物的波谱特征时需要注意的问题 地物波谱曲线形态 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 就可以识别遥感影像中同类地物 应用地物的波谱特征时应注意以下问题 绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅 它们的波谱特征不是一条曲线 而是具有一定宽度的曲带 岩石存在不同程度的风化 岩石表面附着物 土壤 湿度 低等植物等 的不同 它们的波谱值也相应地产生了变化 地物存在着 同物异谱 和 异物同谱 的现象 58 同物异谱 是指两个相同类型的个体地物 在某个波段上波谱特征不同 异物同谱 是指不同类型的地物具有相同的波谱特征 59 影响地物光谱反射率变化的因素 太阳位置传感器位置地理位置地形季节气候变化地面湿度变化地物本身的变异大气状况等 60 后向散射 沿入射方向返回的散射 地物的微波后向散射特性是主动微波遥感的理论基础 雷达遥感中获取的信息就是从入射电波与地物目标相互作用后的后向散射回波中提取的 雷达图像是地物目标对雷达发射信号散射的回波强度分布图 三 物体的微波后向散射 61 地物波谱特性 各种地物各自所具有的电磁波特性 发射辐射或反射辐射特性 地物波谱特性是遥感技术的基础研究内容 地物波谱特性的作用 四 地物波谱特性的测定 62 地物波谱特性测定原理 地物的发射辐射特性和反射辐射特性间存在一定的关系 因此 只需测定反射辐射特性即可 对不透明的物体有 根据基