第1章电磁波及遥感物理基础 遥感原理与应用教学课件

1 第一章 电磁波及遥感物理基础 2 内容提纲 概述概述 物体的发射辐射物体的发射辐射 地物的反射辐射地物的反射辐射 地物波谱特性的测定地物波谱特性的测定 3 1 1 概述 电磁波 机械波 声波 重力场 地磁 场等都可以用作遥感 但一般而言 RS指 的是电磁波遥感 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判 断地物目标和自然现象 是因为一切物体 由于其种类 特征和环境条件的不同 而 具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特 征 4 1 1 1 电磁波 麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论 电磁波是一种横波电磁波是一种横波 5 几个重要性质 单色波可以用波函数来描述 是一个时空周期性 函数 振幅 相位 波长 一般成像 记录振幅 全息成像 记录振幅和相位 干涉 一般地 凡是单色波都是相干波 利用相干波进 行距离测量 INSAR利用干涉原理成像 衍射 研究电磁波的衍射现象对设计遥感传感器和提高 遥感图像的几何分辨率具有重要意义 偏振 电磁波有偏振波 部分偏振波和非偏振波 散射光 反射光 透射光是部分偏振波 偏振在微波技术中称为 极化 一般有四种极化方式 6 1 1 2 电磁波波谱 遥感信息获取 一般指收集 探测 记录地物的电磁波特 征 即地物的发射辐射或反射电磁波特性 由于电磁波传 播的是能量 实际上也是记录辐射能量的过程 电磁波具有不同的频率和波长 因而具有不同的特性 Gamma 射线 X 射线紫外线可见光可见光红外线微 波无线波 紫蓝绿黄 红 频率 波长 7 遥感应用的光谱范围 名称名称波长范围波长范围可见光的范围可见光的范围 紫外线紫外线0 001 0 38 m紫紫 0 38 0 43 m 可见光可见光0 38 0 76 m蓝蓝 0 43 0 47 m 红红 外外 线线 近红外近红外0 76 3 0 m青青 0 47 0 50 m 中红外中红外3 6 m绿绿 0 50 0 56 m 远红外远红外6 15 m黄黄 0 56 0 59 m 超远红外超远红外15 1000 m橙橙 0 59 0 62 m 微微 波波 毫米波毫米波1 10mm红红 0 62 0 76 m 厘米波厘米波1 10cm 分米波分米波10cm 1m 8 电磁波谱的范围非常宽 从波长最短的 射线到最长的无线电波 波长之比高达 1022倍以上 遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到 微波波段 遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性 选择相应的电磁波段 通过传感器探测不 同的电磁波谱的发射或反射辐射能量而成 像的 9 1 2 物体的发射辐射 黑体辐射黑体辐射 太阳辐射太阳辐射 大气对辐射的影响大气对辐射的影响 一般物体的发射辐射一般物体的发射辐射 10 1 2 1 黑体辐射 1860年基尔霍夫 好的吸收体也是好的辐射体 绝对黑体 任何波长的电磁辐射全部吸收 一个不透明的物体 对入射到它上面的电磁波只 有吸收和反射 光谱吸收率 T 和光谱反射率 T 二者之和恒等于1 绝对黑体 T 1 T 0 绝对白体 T 0 T 1 11 普朗克定律 1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律 黑体辐射通量密度与温度 波长的关系满足普朗 克定律 W 分谱辐射通量密度 单位W cm2 m 波长 单位是 m h 普朗克常数 6 6256 10 34J s c 光速 3 1010cm s k 玻耳兹曼常数 1 38 10 23J K T 绝对温度 单位是K 12 黑体辐射特性 与曲线下的面积成正比的总辐射通量密与曲线下的面积成正比的总辐射通量密 度度W W是随温度是随温度T T的增加而迅速增加 的增加而迅速增加 对普朗克公式进行积分 可得到从1cm2 面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射 通量密度的表达式为 为斯忒藩 玻耳兹曼常数 T为绝对黑 体的绝对温度 K 44 32 45 15 2 TT hc k W 从上式可以看出 绝对黑体表面上 单位面积发出的总辐射能 与绝对温度的四次方成正比 称为斯忒藩 玻耳兹曼公式 图图1 5 几种温度下的黑体波谱辐几种温度下的黑体波谱辐 射曲线射曲线 13 黑体辐射特性 分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移 动 动 可微分普朗克公式 并求极值 可微分普朗克公式 并求极值 维恩位移定律 温度温度3005001000200030004000500060007000 波长波长9 665 802 901 450 970 720 580 480 41 14 黑体辐射特性 每根曲线彼此不相交 故温度每根曲线彼此不相交 故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量越高所有波长上的波谱辐射通量 密度也越大 密度也越大 在波长大于1mm的微波波段 hv 99 来源于太阳 太阳辐射 5 紫外线 45 可见光 50 红外线 16 太阳辐射照度分布曲线 太阳常数 指不受大气影 响 在距离太阳一个天文单 位内 垂直于太阳光辐射的 方向上 单位面积单位时间 黑体所接收的太阳辐射能量 I 135 3 103 W m2 太阳辐射的光谱是连续的 它的辐射特性与绝对黑体的 辐射特性基本一致 被动遥感主要利用可见光 红外等稳定辐射 因而太阳的 活动对遥感的影响没有太大影 响 可以忽略 17 太阳辐射的特点 太阳光谱是连续的 辐射特性与黑体基本一致 近紫外到中红外波段区间能量集中 稳定 被动主要利用可见光 红外波段等稳定辐射 海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外 的曲线有很大不同 这主要是地球大气层对太 阳辐射的吸收和散射造成的 18 1 2 3 大气对辐射的影响 19 1 大气的垂直分布 20 2 大气对太阳辐射的吸收 在紫外 红外与微波区 电磁波衰减的主要原因是大气吸收 引起大气吸收的主要成分 氧气 臭氧 水 二氧化碳 大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡 大气对紫外线有很强的吸收作用 因此 现阶段中很少使用 紫外线波段 21 2 大气对太阳辐射的散射 在可见光波段范围内 大气分子吸收的影响很小 主要是散射引起的衰减 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 散射的方式随电磁波波长与大气分子直径 气溶 胶微粒大小之间的相对关系而变 主要有米氏 Mie 散射 均匀散射 瑞利 Rayleigh 散射等 22 介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长 同 数量级时 发生米氏散射 介质中不均匀颗粒的直径a 入射波长 时 发生均匀散射 介质中不均匀颗粒的直径a小于入射波长 的十分之一时 发生瑞利散射 23 瑞利散射中 散射强度与波长的关系 4 2 sin 2 s EI 蓝光散射较强 红光散射较弱 为什么微波具有穿透云雾的能力 24 2 大气对太阳辐射的反射 由于大气中有云层 当电磁 波到达云层时 就象到达其 他物体界面一样 不可避免 的要产生反射现象 这种反 射同样满足反射定律 而且 各波段受到不同程度的影响 削弱了电磁波到达地面的程 度 因此应尽量选择无云的 天气接收遥感信号 四川省江油市四川省江油市 25 3 大气窗口 太阳辐射在到达地面之前穿过大气层 大气折射只是改变太阳辐射在到达地面之前穿过大气层 大气折射只是改变 太阳辐射的方向 并不改变辐射的强度 但是大气反射 太阳辐射的方向 并不改变辐射的强度 但是大气反射 吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度 剩余部分才为吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度 剩余部分才为 透射部分 透射部分 不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的 因而遥不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的 因而遥 感所能够使用的电磁波是有限的 有些大气中电磁波透过感所能够使用的电磁波是有限的 有些大气中电磁波透过 率很小 甚至完全无法透过电磁波 这些区域就难于或不率很小 甚至完全无法透过电磁波 这些区域就难于或不 能被遥感所使用 称为 大气屏障 能被遥感所使用 称为 大气屏障 反之 反之 有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小 透过率有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小 透过率 较高 对遥感十分有利 这些波段通常称为 大气窗口 较高 对遥感十分有利 这些波段通常称为 大气窗口 研究和选择有利的大气窗口 最大限度地接收有用信息是研究和选择有利的大气窗口 最大限度地接收有用信息是 遥感技术的重要课题之一 遥感技术的重要课题之一 26 可以用作遥感的大气窗口 0 30 1 15 m大气窗口 这个窗口包括全部可见光波段 部分紫外波段 和部分近红外波段 是遥感技术应用最主要的窗口之一 1 3 2 5 m大气窗口 属于近红外波段 3 5 5 0 m大气窗口 属于中红外波段 8 14 m热红外窗口 热红外窗口 透射率为80 左右 属于地物的发射 波谱 1 0mm 1m微波窗口 27 1 2 4 一般物体的发射辐射 自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量 都比相同条件下绝对黑体的要低 不仅依赖于波长和温度 还与构成物体的 材料 表面状况等因素有关 我们用发射率 来表示它们之间的关系 W W 发射率 就是实际物体与同 温度的黑体在相同条件下辐射功率之比 28 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 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 发射率等于0 影响地物发射率的因素 地物的性质 表面状况 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 29 主 要 地 物 发 射 率 30 1 3 地物的反射辐射 地物的反射类别地物的反射类别 光谱反射率以及地物的反射光谱特性光谱反射率以及地物的反射光谱特性 影响地物光谱反射率变化的因素影响地物光谱反射率变化的因素 31 1 3 1 地物的反射类型 镜面反射 是指物体的反射满足反射定律 当发生镜面反射时 对于不透明物体 其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量 自然界中真正的镜面很少 非常平静的水面可以近似认为是镜面 漫反射 如果入射电磁波波长 不变 表面粗糙度h逐渐增加 直 到h与 同数量级 这时整个表面均匀反射入射电磁波 入射到此 表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射 方向反射 实际地物表面由于地形起伏 在某个方向上反射最强 烈 这种现象称为方向反射 是镜面反射和漫反射的结合 它发 生在地物粗糙度继续增大的情况下 这种反射没有规律可寻 32 1 3 2光谱反射率以及地物反射光谱特性 光谱反射率 反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量 之比 这个反射率是在理想漫反射体的情况下 整个电磁波长的反射率 EE 33 实际上由于物体固有的结构特点 对于不同波长的电磁波 有选择的反射 例如绿色植物的叶子由于表皮 叶绿素颗 粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成 入射到叶子 上的太阳辐射透过上表皮 蓝 红光辐射能被叶绿素吸收 进行光合作用 绿光也吸收了一大部分 但仍反射一部分 所以叶子呈现绿色 而近红外线可以穿透叶绿素 被多孔 薄壁细胞组织所反射 因此 在近红外波段上形成强反射 EE 光谱反射率 34 反射波谱 反射波谱是某物体的反射率 或反射辐射能 随波长变化的 规律 以波长为横坐标 反射率为纵坐标所得的曲线即称为 该物体的反射波谱特性曲线 物体的反射波谱限于紫外 可见光和近红外 尤其是后两个 波段 35 反射波谱特性曲线 正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特性 物 体的反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础 广泛地 应用于遥感影像的分析和评价中 图图1 1 13 13 四种地物的反射波谱特性曲线四种地物的反射波谱特性曲线图图1 1 14 14 四种植物的反射波谱特性曲线四种植物的反射波谱特性曲线 36 Panchromatic B W Can t tell deciduous 落叶林 from conifer 针叶林 Infrared B W can clearly see deciduous because higher reflectance in those wavelengths 37 反射波谱特性曲线 同一地物的反射波谱特性 时间效应 空间效应 不同地物的反射波谱特性 城市道路 建筑物的反射波谱特性 水体的反射波谱特性 土壤的反射波谱特性 植物的反射波谱特性 岩石的反射波谱特性 38 同一地物的反射波谱特性 花期的春小麦反射率明显高于 灌浆期和乳熟期 黄叶期 由于不具备绿色植物 特征 其反射光谱近似于一条 斜线 这是因为黄叶的水含量 降低 导致在1 45 m 1 95 m 2 7 m附近3个水吸 收带的减弱 当叶片有病虫害时 也有与黄 叶期类似的反射率 图图1 15 同一春小麦在花期 灌浆期 同一春小麦在花期 灌浆期 乳熟期 黄叶期的光谱测试所得的结果 乳熟期 黄叶期的光谱测试所得的结果 39 不同地物的反射波谱特性 城市道路 建筑物的反射波谱特性 水体的反射波谱特性 土壤的反射波谱特性 植物的反射波谱特性 岩石的反射波谱特性 40 城市道路 建筑物的反射波谱特性 在城市遥感影像中 通常只能看到建筑物的顶部 或部分建筑物的侧面 所以掌握建筑材料所构成 的屋顶的波谱特性是我们研究的主要内容之一 图图1 1 16 16 各种建筑物屋顶的波谱特性各种建筑物屋顶的波谱特性图图1 1 17 17 各种道路的波谱特性各种道路的波谱特性 41 水体的反射波谱特性 水体的反射主要在蓝绿光波段 近红外