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第二章遥感物理基础 遥感物理基础 第二章遥感物理基础 本章主要内容 电磁波基础 物体的发射辐射 物体的反射辐射 大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 知识点 掌握 概念 电磁波与电磁波谱 大气窗口 黑体 基尔霍夫辐射定律遥感技术所用的主要电磁波及其特性 物体发射 反射光谱特征的特点了解 电磁波的特性 大气对太阳辐射的影响 第二章遥感物理基础 遥感的基础能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象 一切物体由于其种类 特征和环境条件的不同 具有完全不同的电磁波反射或发射 辐射特征 遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理之上的 遥感物理基础 2 1电磁波基础 本节主要内容 电磁波的定义 电磁波的特性 电磁波谱 遥感应用的电磁波波谱段 遥感物理基础 电磁波基础 2 1电磁波基础 电磁波的定义电磁波 ElectromagneticWave 在真空或物质中通过电磁场的振动而传输电磁能量的波 光波 热辐射 微波 无线电波等都是由振源发出的电磁振荡在空间的传播 遥感物理基础 电磁波基础 2 1电磁波基础 电磁波的定义电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的 根据麦克斯韦电磁场理论 空间任何一处只要存在着场 也就存在着能量 变化着的电场能够在它的周围激起磁场 而变化的磁场又会在它的周围感应出变化的电场 这样 交变的电场和磁场相互激发并向外传播 闭合的电力线和磁力线就象链条一样 一个接一个地套连着 在空间传播开来 形成了电磁波 遥感物理基础 电磁波基础 2 1电磁波基础 电磁波的定义 遥感物理基础 电磁波基础 Electromagneticradiation 2 1电磁波基础 电磁波的特性电磁波具有波粒二象性 即波动性和粒子性 光的波动性形成了光的干涉 衍射 偏振等现象电磁波是一种横波 电场和磁场的振动方向是相互垂直的 且垂直于波的传播方向 遥感物理基础 电磁波基础 2 1电磁波基础 电磁波的特性电磁波的波长 wavelength 和频率f frequency 及波速v velocity 之间的关系 v f电磁波在真空中以光速c 2 998 108m s 传播 不需要媒质也能传播 与物质发生作用时会有反射 吸收 透射 散射等 并遵循同一规律 遥感物理基础 电磁波基础 2 1电磁波基础 电磁波谱定义将电磁波在真空中传播的波长或频率按递增或递减顺序排列制成的图表叫做电磁波谱 依次为 射线 X射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波 遥感物理基础 电磁波基础 2 1电磁波及电磁波谱 电磁波谱 2 1电磁波及电磁波谱 遥感应用的电磁波波谱段紫外线 波长范围为0 01 0 38 m 太阳光谱中 只有0 3 0 38 m波长的光到达地面 且能量很小 主要用于探测碳酸盐岩的分布和油污染的监测 由于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收和散射作用 通常探测高度在2000米以下 遥感物理基础 电磁波及电磁波谱 2 1电磁波及电磁波谱 遥感应用的电磁波波谱段可见光 波长范围 0 38 0 76 m 人眼对可见光有敏锐的感觉 是遥感技术应用中的重要波段 尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用 它仍是遥感成像所使用的主要波段之一 在此波段大部分地物都具有良好的亮度反差特性 不同地物在此波段的图象易于区分 遥感物理基础 电磁波及电磁波谱 2 1电磁波及电磁波谱 遥感应用的电磁波波谱段红外线 波长范围为0 76 1000 m 根据性质分为近红外 中红外 远红外和超远红外 红外遥感是采用热感应方式探测地物本身的辐射 如热污染 火山 森林火灾等 所以不仅白天可以进行 夜间也可进行 能进行全天时遥感 遥感物理基础 电磁波及电磁波谱 2 1电磁波及电磁波谱 遥感应用的电磁波波谱段微波 波长范围为1mm 1m 穿透性好 不受云雾的影响 所以能进行全天时全天候的遥感探测 另外 微波对某些物质具有一定的穿透能力 能直接透过植被 冰雪 土壤等表层覆盖物 遥感物理基础 电磁波及电磁波谱 2 2物体的发射辐射 遥感物理基础 物体的发射辐射 Emission 本节主要内容 黑体辐射 太阳辐射 一般物体的发射辐射 2 2物体的发射辐射 黑体辐射概念的引入 温度高于绝对零度的物体 均有发射电磁波的能力 遥感技术中 物体的电磁波发射强度是以 发射率 为量度的 而发射率又以 黑体 作为基准 遥感物理基础 物体的发射辐射 Emission 2 2物体的发射辐射 黑体辐射黑体 Blackbody 定义 入射的全部电磁波被完全吸收 既无反射也没有透射的物体 自然界中 黑体是不存在的 黑色的烟煤其吸收吸收系数为99 因而被认为是最接近黑体的自然物质 恒星和太阳的辐射也被看作是接近黑体辐射的辐射源 遥感物理基础 物体的发射辐射 Emission 2 2物体的发射辐射 黑体辐射基尔霍夫辐射定律 Kirchhoff slawofradiation 一定温度下的物体 对某一波长的电磁波辐射的吸收能力和发射能力相对应 吸收能力越强 发射能力也越强 遥感物理基础 物体的发射辐射 Emission 2 2物体的发射辐射 太阳辐射 SolarRadiation 太阳辐射是地球上生物 地球大气运动的能源 也是被动式遥感系统中遥感器接收信息的主要来源 太阳送到地球的能量约估计为17 3 1016J s 太阳可以被看作是近似5762K的黑体 由于太阳辐射总能量的46 集中在0 4 0 76 m之间的可见光波段 所以太阳辐射一般称为短波辐射 遥感物理基础 物体的发射辐射 Emission 2 2物体的发射辐射 一般物体的发射辐射发射率 emissivity 物体的光谱发射能量与同一条件下黑体发射能量之比 称为发射率 发射率随物质的介电常数 表面的粗糙度 温度 波长 观测方向等条件变化 取0到1之间的值 遥感物理基础 物体的发射辐射 Emission 2 2物体的发射辐射 一般物体的发射辐射地物发射波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 遥感物理基础 物体的发射辐射 Emission 2 2物体的发射辐射 一般物体的发射辐射地物发射波谱曲线 同种地物 因发射的电磁波波长不同 发射率也不同 某物体电磁波的发射率随波长而变化的曲线 称为该物体的发射波谱曲线 不同物体 由于他们的物质结构不同 发射波谱曲线的特征也不同 可以根据该曲线特征来识别地物 尤其是地质体 的性质 遥感物理基础 物体的发射辐射 Emission 2 2物体的发射辐射 一般物体的发射辐射地物发射光谱特征的特点 任何温度大于AZ的物体 都能发射红外线和微波 高温物体 还能发射可见光 T恒定时 物体吸收和发射的电磁波波长一致 任何物体发射红外线的强度与温度有关 而发射微波的差别与物体性质有关 不同性质的物体具有不同的发射波谱曲线 一般而言 粗糙的物体发射系数较大 遥感物理基础 物体的发射辐射 Emission 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 本节主要内容 地物的反射类别 地物的光谱反射特性 地物反射光谱特性的测量 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物的反射类别地物对电磁波的反射有三种形式 镜面反射 mirrorreflection 漫反射 diffusereflection 方向反射 directionalreflection 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物的反射类别镜面反射 mirrorreflection 反射能量集中在一个方向 反射角 入射角 如果界面相对入射波长 而言非常光滑 界面粗糙度 则反射是镜面的 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物的反射类别漫反射 diffusereflection 整个表面都均匀地向各向反射入射光 各方向反射亮度相同 从空间对地面观察时 对于平面地区 并且地面物体均匀分布 可以看成漫反射 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物的反射类别方向反射 directionalreflection 由于地形起伏和地面结构的复杂性 往往在某些方向上反射最强烈 这种现象称为方向反射 对于地形起伏和地面结构复杂地区 为方向反射 2 3物体的反射辐射 地物的光谱反射特性反射率 reflectivity 物体反射的辐射能量P 占总入射能量P0的百分比 称为反射率 不同物体的反射率不同 这主要取决于物体本身的性质 表面状况 以及入射电磁波的波长和入射角 利用反射率可以判断物体的性质 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物的光谱反射特性地物反射光谱特性地物光谱反射率随波长变化而改变的特性称之为地物反射光谱特性 将地物光谱反射率与波长的关系在直角坐标系中描绘出的曲线称为地物反射光谱曲线 以波长为横坐标 反射率为纵坐标 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物的光谱反射特性不同地物在不同波段反射率存在差异 雪 沙漠 湿地 小麦的光谱曲线任何同类地物的反射光谱具有相似性 但也有差异性 并且地物的光谱特性具有时间特性和空间特性 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物的光谱反射特性同一物体的波谱曲线反映出不同波段的不同反射率 将此与遥感传感器的对应波段接收的辐射数据相对照 可以得到遥感数据与对应地物的识别规律 任何物体的反射性质是揭示目标本质的最有用信息 同一地物的光谱反射特性春小麦在不同生长阶段的波谱特性曲线 花期黄叶期灌浆期乳熟期土壤 不同地物的光谱反射特性四种地物的反射光谱特性曲线 不同地物的光谱反射特性四种植物的反射光谱特性曲线 不同地物的光谱反射特性植被反射波谱曲线 不同树种 不同地物的光谱反射特性土壤反射波谱曲线 不同质地土壤反射光谱曲线 由于土壤反射波谱曲线呈比较平滑的特征 所以在不同光谱段的遥感影像上 土壤的亮度区别不明显 不同地物的光谱反射特性水体反射波谱曲线 不同叶绿素浓度的海水反射光谱曲线 水体的反射主要在蓝绿光波段 其他波段吸收都很强 特别到了近红外波段 吸收就更强 所以水体在遥感影像上常呈黑色 但当水中含有其他物质时 反射光谱曲线会发生变化 水中含泥沙时 由于泥沙散射 反射率峰值出现在黄红区 水中含叶绿素时 近红外波段明显抬升 这些都成为影像分析的重要依据 不同地物的光谱反射特性岩石反射波谱曲线 岩石的反射波谱曲线无统一的特征 矿物成分 矿物含量 风化程度 含水状况 颗粒大小 表面光滑程度 色泽等都会对曲线形态产生影响 几种岩石的反射波谱曲线 影响地物反射率变化的因素太阳位置 太阳高度角和方位角 传感器位置 传感器的观测角和方位角 地理位置 太阳高度角和方位角 地理景观 海拔高度 大气透明度等都不同 地物本身的变异 如植物病害 如图 地物的含水量 如图时间的变化 如图植物生长期的变化 如图各种随机因素的影响 如图 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 2 3物体的反射辐射 不同健康状况的松树反射特性曲线 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 2 3物体的反射辐射 不同含水量 湿度 的砂土的反射波谱特性曲线 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 2 3物体的反射辐射 新雪和陈雪的反射特性曲线 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 2 3物体的反射辐射 白橡树在不同生长期的反射特性曲线 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 2 3物体的反射辐射 在一分钟间隔内两次测定同一麦田的反射率曲线 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 2 3物体的反射辐射 应用地物波谱特征需要注意的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 地物存在 同物异谱 和 异物同谱 现象 同物异谱 是指两个类型的个体地物 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 遥感基础知识 物体的反射辐射 Reflection 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物反射波谱特性的测量地物波谱复杂性 遥感数据的不确定性地物波谱特性的特点和影响的因素 决定了地物波谱特性的复杂性 遥感传感器所获取的数据的不确定性 在进行遥感图象解译的时候 要充分认识地物波谱特性的复杂性 减少外界因素的影响 为提高定量遥感精度 需要通过大量的地面样本分析建立先验知识 确定遥感模型的约束条件 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物反射波谱特性的测量目的选择遥感波谱段 验证和设计遥感传感器的依据 为遥感数据大气校正提供参考标准 建立地物的标准波谱数据 为计算机图像自动分类和分析提供光谱数据 为遥感图像的解译提供依据 2 3物体的反射辐射 遥感物理基础 物体的反射辐射 Reflection 地物反射波谱特性的测量方法实验室测量 野外测量 下图是在长江三峡实地测得的光谱 岩石的波谱特性曲线 草的波谱特性曲线 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 本节主要内容 地球大气 大气对电磁波传输过程的影响 大气窗口及透射分析 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 地球大气在太阳发射辐射 人工发射辐射和地物反射辐射的过程中 辐射都与地球大气发生相互作用 从而地球大气对电磁辐射有很大的影响 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 地球大气 大气成分 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 地球大气大气结构地球大气层包围着地球 大气层没有一个确切的界限 它的厚度一般取1000公里 大气在垂直方向上可分为对流层 平流层 电离层和大气外层 大气结构 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响吸收 散射及反射作用可见光波段 引起电磁波衰减的主要原因是分子散射 紫外 红外与微波区 引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响大气的反射大气对太阳辐射的反射作用主要是水蒸气造成的 影响最大的就是 云 其影响程度与云量和云的厚度有关 选择无云的天气接收遥感信号 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响大气的吸收大气对太阳辐射的吸收作用主要是臭氧 二氧化碳和水蒸气造成的 大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡 由于大气对紫外线有很强的吸收作用 现阶段遥感中很少用到紫外线波段 在可见光波段范围内 大气分子吸收的影响很小 主要是散射引起衰减 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响大气的散射概念 电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变 并向各个方向散开 影响 强度不大 从遥感数据角度分析 太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中 二次通过大气 传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光 这二次影响增加了信号中的噪声部分 造成遥感影像质量的下降 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响大气的散射实际工作中 我们通常把散射分为以下三种类型 瑞利散射 Rayleighscattering 米氏散射 Miescattering 无选择性散射 nonselectivescattering 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响大气的散射瑞利散射 Rayleighscattering 概念 当大气中粒子的直径比波长小得多时 a 1 10 发生的散射 它的散射强度与波长的四次方成反比 波长越短 散射越强 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响大气的散射瑞利散射 Rayleighscattering 瑞利散射对可见光的影响较大 而对红外的影响很小 对微波基本没有影响 解释 无云的晴天 天空为什么呈现蓝色 朝霞和夕阳为什么都偏橘红色 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响大气的散射米氏散射 Miescattering 当大气中粒子的直径比辐射的波长相当时 a 发生的散射 散射强度与波长的二次方成反比 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响大气的散射米氏散射 Miescattering 大气中云 雾等悬浮粒子的大小与0 76 15 m的红外线的波长差不多 因此 潮湿天气云 雾对红外线的米氏散射是不可忽视的 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气对电磁波传输过程的影响大气的散射无选择性散射 nonselectivescattering 当大气中粒子的直径比波长大得多时 a 发生的散射 解释 云雾为什么通常呈现白色 阴天不利于可见光遥感 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气窗口及透射分析大气窗口 AtmosphericWindow通常我们把太阳辐射通过大气层时较少被反射 吸收和散射的那些透射率较高的波段 称为大气窗口 遥感器只能用大气窗口的电磁波段获取地面信息 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气窗口及透射分析大气窗口 AtmosphericWindow0 3 1 15 m主要是反映地物对太阳光的反射 这个窗口对电磁波的透射率达90 以上 通常采用摄影或扫描的方式在白天感测 收集目标信息成像 2 4大气对电磁波传输的影响 遥感物理基础 大气对电磁波传输的影响 大气窗口及