遥感原理与应用-第二章.ppt

第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 第一节电磁辐射与地物光谱特性RS的理论基础主要是物理学 也涉及天文 大气 地理 地质 数学和计算机等学科 迄今为止 在各部门中应用的遥感技术大多是电磁波RS 因此可以说 RS的理论基础是物理学 其核心是电磁波理论 1 电磁波与电磁辐射 1 波 振动在空间的传播 如声波 水波 地震波等都是振源发出的振动在弹性媒介中的传播 称为机械波 2 电磁波 ElectroMagneticwave 由振源发出的电磁振动在空间的传播 振动的是空间电场矢量E和磁场矢量B 电磁波是通过电场和磁场间的相互联系和转化传播的 变化的电场能够在它周围空间产生磁场 交变电场周围会产生交变磁场 交变磁场周围会产生交变电场 它们互相套环 沿直线迅速向远方传播 即 交变电场和交变磁场迅速向远方传播的过程叫做电磁波 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 电磁波性质 电场矢量E和磁场矢量B互相垂直 且都垂直于电磁波传播方向V 因此 电磁波是横波 声波是典型的纵波 在真空中以光速传播 电磁波的几个主要参量 周期 T 频率 f 波长 C f T其中 C为真空中的光速 C 3 1010cm s 图2 2电磁波 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 电磁波性质 电磁波具有波粒二象性 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 这就是电磁波的波粒二象性 波动性 电磁波是以波动的形式在空间传播的 因此具有波动性粒子性 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 电磁波的粒子性 使得电磁辐射的能量具有统计性波粒二象性的程度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 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 3 波段 两个波长之间的全体波长的集合 4 辐射 电磁波在空间中的传播叫做电磁辐射 简称辐射 分为入射 发射 反射 透射 散射 吸收 5 辐射源 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 6 辐射通量 单位时间内通过某一面积的辐射能量 dW dt 单位为W 瓦 7 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 单位为W m2 8 辐照度 I 被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量 I d ds 9 辐射出射度 M 辐射源物体表面单位面积上的辐射通量 M d ds 辐照度与辐射出射度都是辐射通量密度的概念 但I为物体接收的辐射 M是物体发出的辐射 都与波长有关 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 10 黑体 绝对黑体 指能够将外来辐射能量全部吸收的物体 11 发射率 地物单位面积上发射 辐射 能量M与同一温度下同面积黑体发射能量M黑之比值 即 M M黑 12 反射率 地物的反射能量与入射总能量之比 其数值用百分数表示 13 透射率 地物的透射度与其表面的辐照度之比 14 吸收率 地物的吸收度与其表面的辐照度之比 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 2 电磁波谱 electromagneticspectrum 1 定义 按照波长的长短顺序将各种电磁波排列制成的一张图表叫做电磁波谱 在电磁波谱中 从左到右 波长逐渐增大 从左到右依次是宇宙射线 射线 X射线 紫外线 可见光 红外线 微波 以及其它无线电波等 图2 3电磁波谱 electromagneticspectrum radiowaves microwaves infraredradiation visible ultravioletrays X raysandgammarays Theonlydifferencebetweenthemistheirwavelength whichisdirectlyrelatedtotheamountofenergythewavescarry Theshorterthewavelengthoftheradiation thehighertheenergy Radiowaves areusedtotransmitradioandtelevisionsignals X rays arehighenergywaveswhichhavegreatpenetratingpowerandareusedextensivelyinmedicalapplicationsandininspectingwelds Gammarays Gammaraysareusedinmanymedicalapplications TheElectromagneticSpectrum Morethanmeetstheeye Speedoflight wavelength l xfrequency 3x108m sinvacuum LanguageoftheEnergyCycle TheElectromagneticSpectrum Energy Wavelengthl Inresourcesandenvironmentremotesensingapplication themainspectrumisvisible infrared andmicrowave Ultravioletradiationisonlyusedinspecialfieldsunderlimitedconditions 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 2 遥感中常用的电磁波段 紫外线 UV 波长范围是0 01 m 0 38 m 1 m 10 6m 其中波长 0 3 m的能量被大气层吸收 只有0 3 0 38 m 由于紫外线在大气中传输时受到很大衰减 在RS中很少被应用 一般只用来探测海面石油污染的范围和油膜厚度 以及测定碳酸盐岩分布 紫外线从空中可探测的高度 2000m 对高空遥感不适用 Shortestwavelengthsusedforremotesensing UltravioletRadiationNotmuchisdonewithUVforremotesensingsincetheseshorterwavelengthsareeasilyscatteredbytheatmosphere Someearthrocksandmineralsfluorescewhenilluminatedwithultravioletlight 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 可见光 VI 波长范围0 38 m 0 76 m 由红 橙 黄 绿 青 蓝 紫色光组成 是摄影方式常用的遥感波段 可以粗分为蓝 绿 红三色 蓝 0 38 m 0 50 m 绿 0 50 m 0 60 m 红 0 60 m 0 76 m 可见光是RS中最早和最常使用的波段 VisibleSpectrumDetectedbyouronboardremotesensor eyes AverysmallpartofthetotalspectrumRangesfrom0 38 mto0 76 m including7colorlight 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 红外线 IR 波长是0 76 m 1000 m 可分为4个光谱段 近红外 NIR 0 76 m 3 m 在性质上与可见光相似 在RS技术中采用摄影和扫描方式 可接收和记录光红外反射 中红外 MIR 3 m 6 m 远红外 FIR 6 m 15 m 热红外 产生热感的原因 超远红外 SFIR 15 m 1000 m 红外线也是RS中常用的波段之一 使用率仅次于可见光 红外RS采用热感应方式探测地物本身的热辐射 红外线在云 雾 雨中传播时 受到严重的衰减 因此红外RS不是全天候RS 不能在云 雾 雨中进行 但不受日照条件的限制 InfraredSpectrumRangesfrom0 7to1000 m ReflectedIRcoverswavelengthsapproximately0 7 mto3 0 m ThermalIRcoverswavelengthsfromapproximately3 0 mto1000 m 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 微波 1mm 1m的无线电波 微波和红外两者的特征相似 都属于热辐射性质 微波能穿透云雾 小雨 是全天候遥感 昼夜均可进行 微波对植被 冰雪 干沙 干土均有较强的穿透力 常被用来探测被冰雪 植被 沙土所遮掩的地物 MicrowaveSpectrum Fromabout1 mto1mwavelengths Radarsensors hasstrongtransmission ShortwavelengthssimilartothermalLongwavelengthssimilartoradiowaves 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 RS技术使用电磁波段分类名称和波长范围 ComparisonsofEMspectrum 3 电磁辐射源 1 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5900K的黑体辐射来模拟 其辐射波长范围极大 辐射能量集中于短波辐射 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 SolarSpectrum Shortwavespectrum visiblespectrum TerrestrialSpectrum LongwaveSpectrum InfraredSpectrum ThermalSpectrum TheoreticalPlanckcurves Earth 300K peakemission 15mm EarthSpectrum IncomingfromSun Highenergy shortwavelength OutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength 0 5mm 10mm 20mm 太阳与地球辐射的电磁波谱 2 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 4 大气辐射 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 1 大气的结构 大气的垂直分层 对流层 平流层 中气层 热层和大气外层 对流层 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 平流层 较为微弱 中气层 温度随高度增加而递减 热层 增温层 电离层 卫星的运行空间 大气外层 1000公里以外的星际空间 2 大气的吸收作用 Absorption 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 臭氧 数量极少 但吸收很强 两个吸收带 对航空遥感影响不大 水 吸收太阳辐射能量最强的介质 到处都是吸收带 主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分 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内 AbsorptionofEMenergybytheatmosphere Atmosphericabsorptionresultsintheeffectivelossofenergytoatmosphericconstituents Thisnormallyinvolvesabsorptionofenergyatagivenwavelength Mostlycausedbythreeatmosphericgasses WaterVapor Loweratmosphere Mostlyimportantinhumidareas veryeffectiveatabsorbinginportionsofthespectrumbetween5 5and7micrometerandabove27micrometer CarbonDioxide Loweratmosphereabsorbsenergyinthe13 17 5micrometerregion Ozone absorbsUV 3 大气的散射作用 Scattering 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 ScatteringofEMenergybytheatmosphere 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 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 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 RayleighScatter a Rayleighscatteriscommonwhenradiationinteractswithatmosphericmolecules gasmolecules andothertinyparticles aerosols thataremuchsmallerindiameterthatthewavelengthoftheinteractingradiation TheeffectofRayleighscatterisinverselyproportionaltothefourthpowerofthewavelength Asaresult shortwavelengthsaremorelikelytobescatteredthanlongwavelengths Rayleighscatterisoneoftheprincipalcausesofhazeinimagery Visuallyhazediminishesthecrispnessorcontrastofanimage 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 所以云雾对红外线的米氏散射不可忽视 MieScatter a Miescatterexistswhentheatmosphericparticlediameterisessentiallyequaltotheenergywavelengthsbeingsensed WatervapouranddustparticlesaremajorcausesofMiescatter ThistypeofscattertendstoinfluencelongerwavelengthsthanRayleighscatter AlthoughRayleighscattertendstodominateundermostatmosphericconditions Miescatterissignificantinslightlyovercastones 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 Non selectivescatter a Non selectivescatterismoreofaproblem andoccurswhenthediameteroftheparticlescausingscatteraremuchlargerthanthewavelengthsbeingsensed Waterdroplets thatcommonlyhavediametersofbetween5and100mm cancausesuchscatter andcanaffectallvisibleandnear to mid IRwavelengthsequally Consequently thisscatteringis non selective withrespecttowavelength Inthevisiblewavelengths equalquantitiesofbluegreenandredlightarescattered Non SelectivescatterofEMradiationbyacloud 关于大气散射 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 称为散射 散射造成太阳辐射的衰减 散射的强度与波长密切相关 对于大气分子 原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段 对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外波段都有影响 特别是对红外波段的影响 大气云层中 对可见光只有无选择性散射 云层越厚 散射越强 而对微波来说 则属于瑞利散射 波长越长散射强度越小 大气折射 Refraction 电磁波穿过大气层时 还会出现折射 大气的折射与大气密度有关 密度越大 折射率越大 离地面越高 折射率越小 折射改变了太阳辐射的方向 但不改变太阳辐射的强度 大气反射 Reflection 电磁波传播过程中 若通过两种介质的交界面 还会发生反射现象 反射主要发生在云层顶部 由于反射的存在 削弱了电磁波到达地面的强度 大气窗口的定义 电磁波在进入地球之前必须通过大气层 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 约有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 电磁波在大气中传输时 通过大气层未被反射 吸收和散射的那些透射率高的波段范围 称为大气窗口 大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据 目前 遥感技术选用的大气窗口 多为下表所列光谱段 在这六个光谱段内各种地物的反射和发射光谱可以很明显地区别开来 AtmosphericWindowsPortionsoftheEMspectrumthatcanpassthroughtheatmospherewithlittleornoattenuation 遥感常用大气窗口 图2 4遥感种常用的大气窗口 5 地物的光谱特性 1 含义 自然界中的任何地物都具有本身的特有规律 如具有反射 吸收外来的紫外线 可见光 红外线和微波的某些波段的特性 具有发射红外线 微波的特性 都能进行热辐射 少数地物具有透射电磁波的特性 2 意义 地物的光谱特性是RS技术的重要理论基础 传感器工作波段的选择提供依据RS数据正确分析和判读的理论基础数字图象处理和分类时的参考标准 地物的反射率 吸收率和透射率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 Leaftarget Watertarget Plantleavescantransmitsignificantamountsofinfraredradiation butcannottransmitvisiblelightasstrongly 地物的反射光谱特性 Reflection 地物的反射率 地物的反射能量与入射的总能量之比 影响地物反射率大小的因素 入射电磁波的波长入射角的大小地表颜色与粗糙度其中 地物的反射率随入射波长变化的规律是地物反射光谱特性的主要反映 一般地 反射率大 传感器记录的亮度值大 在象片上呈现的色调浅 反之 反射率小 传感器记录的亮度值小 在象片上呈现的色调深 Reflection Thedefinitionofreflectionistobounceorthrowback Inourusagereflectionisthebouncingofelectromagneticenergyfromasurface Thetypeofreflectionisdependentonthesizeofthesurfaceirregularitiesrelativetotheincidentwavelength Differenttargetobservedhasdifferentreflectionfeaturestodifferentwavelengthofwave Accordingtothisfeatures wecanidentifythetargets 地物的反射光谱曲线 地物的反射率随入射波长变化的规律 以波长为横坐标 反射率为纵坐标 绘成的曲线图称为地物反射光谱曲线 地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理 传感器探测波段的设计 通过分析比较地物光谱数据确定 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 SpectralResponse Spectralresponsepatternsallowfordifferentiationofvarioussurfaces Maybesimilaratsomewavelengthsbutquitedifferentatothers 地物反射光谱特性 不同地物在不同波段反射率存在差异 同类地物的反射光谱具有相似性 但也有差异性 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 不同地物在不同波段反射率存在差异 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 不同植物光谱曲线比较 同类地物的反射光谱具有相似性 但也有差异性 植被的病虫害 时间特征 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 水 一般地 水的反射率很低 小于10 纯净水反射率在蓝光谱段最高 雪 在可见光的大部分区域 0 38 0 70 m 内 雪的反射率都很高 云 与雪接近 在可见光到近红外短波段 在近红外中波段 1 55 1 75 m 和长波段 2 10 2 35 m 云的反射率远远大于雪的反射率 植物 在蓝光波段 0 38 0 50 m 反射率低 绿光波段 0 50 0 60 m 的中点0 55 m左右 形成一个反射率小峰 这就是植物叶子呈绿光的原因 在红光波段 0 60 0 76 m 起先反射率甚低 在0 65 m附近达到一个低谷 随后又上升 在0 70 0 80 m反射率陡峭上升 到0 80 m附近达到最高峰 图2 5典型地物的光谱反射特征 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 图2 6植物反射光谱曲线 影响植物反射率的主要因素包括叶色 细胞结构和含水量等 不同结构植被的光谱反射特征曲线 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 不同颜色叶子的植物反射光谱曲线 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 水分含量对玉米叶子反射率的影响 地物的发射光谱特性 任何地物当温度高于绝对温度0K时 就存在着分子运动 不断地向外发射电磁波 实际上 世界上任何物体的温度都高于0K 0K 273 15 所以 任何物体都有热辐射 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 黑体热辐射定律 BlackBodyRadiation 黑体辐射通量密度 可以用普朗克公式表示 式中 c为真空中的光速 k为玻尔兹蔓常数 k 1 38 10 23J K h为普朗克常数 h 6 63 10 34Js M为辐射出射度 单位为w cm 2 m 1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 MaxPlanck 1858 1947 NobelPrize1918 Planck sLaw Theamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperature Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengths 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 不同温度的黑体辐射的光谱能量分布 辐射通量密度随波长连续变化 曲线只有一个最大值 温度愈高 辐射通量密度也愈大 不同温度的曲线不相交 随着温度的升高 辐射最大值所对应的波长移向短波方向 黑体辐射的三个特性 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 由普朗克公式可以导出黑体辐射的两个定律 史蒂芬 玻尔兹曼辐射定律维恩位移定律 史蒂芬 玻尔兹曼辐射定律 Stefan Boltzmann slaw 将普朗克公式对波长 在0到 范围内作定积分 可以得到 其中 为常数 5 670 10 8瓦 米 2 开 4 w m 2 K 4 即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加 它与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 是红外装置测定温度的理论基础 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 维恩位移定律 Wien sdisplacementlaw 对普朗克公式中 求导 可以得到以下公式 max T b 其中 b为常数 b 2 898 10 3m K说明 黑体辐射峰值波长与绝对温度成反比 温度升高时 峰值波长变短 即向短波方向移动 基尔霍夫定律 在任何一个给定的温度T下 任何一个物体的发射度M T 与其吸收率 T 之比都等于同一温度下的黑体的发射度M黑 T 即 M T T M黑 T 即 T T 发射率 吸收率 或者 T M T M黑 T 第二章遥感的理论基础 电磁辐射与地物光谱特性 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 三类发射体 按发射率的大小及其与波长的关系 把物体分为 绝对黑体 任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率恒等于1的物体 灰体 任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率都小于1 且不随波长而变化的物体 其光谱发射率是一个与波长无关的常数 选择性发射体 光谱发射率随波长而变化的物体 此外 如果一个物体的光谱发射率和光谱透射率恒等于0 而反射率恒等于1 称为绝对白体 简称白体 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 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 地物的发射波谱特性 地物的发射率与地物表面的粗糙度 颜色和温度等有关 地物表面粗糙或颜色发暗 其发射率就高 反之则低 比热大的 热惯性大的以及有保湿作用的地物 其发射率就大 反之就小 地物的透射光谱特性 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 如水体对0 45 0 56 m的蓝绿光波段具有一定的透射能力 波长大于1mm的微波对冰体具有透射能力 可见光 红外 微波的透射能力 可见光对大多数地物都没有透射能力 红外线只对半导体地物有一定的透射能力 微波对云 雾 冰 雪 干沙 干土和植被等具有较强的穿透能力 对岩石也能穿透一定深度 但不能穿透金属和水体 微波的波长越长 其透射率越大 透射深度也越深 环境对地物光谱特性的影响 地物的物理性状光源的辐射强度 纬度与海拔高度季节 太阳高度不同探测时间 时间不同 反射率不同 气象条件 colorcomposition computerscreen RGBcolourgunsprimarythreecolors red green andbluecolors Characteristics Nosingleprimarycanbeformedbyacombinationoftheothertwo Allothercolorsar