第2章电磁辐射与地物光谱特征(1)090921要点.ppt

第2章电磁辐射与地物光谱特征,南京师范大学泰州学院信科系,复习回顾,遥感的定义（狭义）遥感技术系统的组成传感器、遥感平台遥感的分类遥感的特点,遥感之所以能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的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，有必要了解地物具有哪些电磁辐射特性,本章主要内容,第一节电磁波与电磁波谱第二节大气和环境对遥感的影响第三节地物的光谱特性,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的度量黑体辐射,一、电磁波及其特性,1、波的概念：波是振动在空间的传播横波与纵波2、机械波：声波、水波和地震波3、电磁波（ElectroMagneticSpectrum)：由振源发出的电磁振荡在空气中传播,4、电磁波：通过电场和磁场之间相互联系传播5、电磁辐射:近代物理中电磁波也称为电磁辐射，具有反射、折射、吸收和透射现象,电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播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：遇到物体，根据波长发生衍射，电磁波彼此相遇发身干涉，互不相扰粒子性：电磁波传播遇到气体、液体、固体介质时，会发生反射、吸收、透射等现象；电磁波入射到不透明物体上，只发生吸收和反射现象,7、电磁波的主要参数波长(Wavelength)：指波在一个振动周期内传播的距离。即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰或波谷)间的距离。用表示，单位为厘米(cm)、毫米(mm)、微米(m)、纳米(nm)等1m=1000nm。,电磁波的电（E）、磁（H）向量,周期：波前进一个波长的距离所需的时间（T）频率(frequency)：指单位时间内，完成振动或振荡的次数，用f表示。单位为赫兹(Hz)、千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等电磁波的波长、频率及速度间的关系：f电磁波在真空中以光速c3.0108m/s传播，在大气中小于光速但接近于光速传播,一般可用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围在可见光一红外遥感中多用波长，如m、nm等在微波遥感中多用频率，如MHz、GHz等,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的度量黑体辐射,二、电磁波谱,1、电磁波谱定义：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列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,电磁波区段划分,电磁波谱示意图,Morethanmeetstheeye!,2、遥感常用的电磁波波段的特性,可见光波段0.38-0.76m作为鉴别物质特征的主要波段，是遥感中最常用的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,2、遥感常用的电磁波波段的特性,红外波段0.761000m遥感中主要利用315m波段，更多的是利用35m和814m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），可进行全天时遥感,2、遥感常用的电磁波波段的特性,微波波段1mm1m，分为：毫米波、厘米波和分米波微波辐射和红外辐射都具有热辐射性质。由于微波的波长比可见光、红外线要长，能穿透云、雾而不受天气影响，能进行全天时全天候的遥感探测微波遥感可采用主动或被动方式成像微波对某些物质还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,2、遥感常用的电磁波波段的特性,紫外线波段0.010.4m，太阳辐射含有紫外线，只有0.3-0.4m波长的紫外线部分能够穿过大气层，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。碳酸盐岩在0.4m以下的短波区域对紫外线的反射比其它类型的岩石强。水面漂浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈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,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的度量黑体辐射,三、电磁辐射的度量,辐射源任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射分类：太阳辐射源：可见光及近红外遥感的主要辐射源地球辐射源：远红外遥感的主要辐射源人工辐射源：人为发射的具有一定波长的波束；主动遥感采用人工辐射源，目前较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐射源,电磁辐射度量辐射能量（W）辐射通量（）辐射通量密度（E）辐照度（I）辐射出射度（M）辐射亮度（L）,电磁辐射度量辐射能量：电磁辐射的能量，单位为焦耳（J）辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量，单位是瓦（W），表示为：=d/dt辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，单位：W/m2，表示为：E=d/dS,电磁辐射度量辐照度I：被辐射物体单位面积上所接收的辐射通量，单位：W/m2，表示为I=d/dS,电磁辐射度量辐射出射度M：辐射源物体表面单位面积上辐射出的辐射通量，单位W/m2，表示为M=d/dS,电磁辐射度量辐射亮度L：用来确定面辐射源的辐射强度，具有方向性，指辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量，单位：W/（srm2），表示为：,电磁辐射度量辐射亮度L通常情况下，面元的辐射亮度L()随观测的角度而改变当某一辐射源的L()与无关时，这种辐射源被称为朗伯（Lambert）源严格地说，只有绝对黑体（Blackbody）才是朗伯源,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的度量黑体辐射,四、黑体辐射,绝对黑体对于任何波长的电磁波都全部吸收恒星和太阳的辐射接近黑体辐射电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射现象和吸收想象时，这个物体的光谱吸收系数与光谱反射系数之和恒等于1黑体辐射规律普朗克公式斯忒藩-玻尔兹曼定律维恩位移定律实际物体的辐射地物的发射率基尔霍夫定律,黑体辐射规律,普郎克公式,c：真空中的光速k：玻尔兹曼常数，K=1.3810-23J/Kh:普朗克常数,h=6.6310-34JsM(,T):辐射出射度,斯忒藩-玻尔兹曼定律,：斯忒藩-玻尔兹曼常数，=5.6710-8Wm-2K-4,斯忒藩-玻尔兹曼定律（揭示能量与温度的关系）1、绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比2、温度越高辐射出射度越高,维恩位移定律,b为常数,b=2.89810-3mK,维恩位移定律（揭示温度和波长的关系）1、当物体温度一定时，物体在某波长上的辐射量最大2、随着物体温度升高，物体辐射量最大的电磁波波长向短波方向移动3、如果辐射最大值落在可见光波段，物体的颜色会随着温度的升高而变化：波长逐渐变短，颜色由红色逐渐变蓝,绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系,根据维恩位移定律计算不同温度绝对黑体的最大辐射所对应的波长自然界一般物体不是黑体,但在某一确定温度T时,物体最强辐射所对应的波长也可用维恩位移公式进行近似计算,实际物体的辐射,自然界中黑体辐射是不存在的，一般地物辐射能量总要比黑体辐射能量小。如果利用黑体辐射有关公式，则需要增加一个因子，那就是发射率（比辐射率）发射率：指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的辐射总通量）M与同温度的黑体辐射出射度（即黑体单位面积发出的辐射总通量）M黑的比值,实际物体的辐射,基尔霍夫定律,给定温度下，任何地物的辐射出射度M与吸收率之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射出射度M黑,第二节太阳辐射及大气对辐射的影响,太阳辐射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,1太阳辐射,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辐射是可见光和近红外遥感的主要辐射源,（1）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=1.360*103W/m2,太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量,1太阳辐射,（2）太阳辐射的光谱,太阳辐射各波段的百分比,从太阳辐照度分布曲线可以看出：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从近紫外到中红外（0.3-6m）这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定；被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射大气对太阳辐射的吸收是有选择性的,2大气的成分和结构,大气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，大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体在80km以下的相对比例保持不变，称不变成分）臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些成分的含量随高度、温度、位置而变，称为可变成分）等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大气外层,大气垂直分层,3大气对太阳辐射的影响,太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面,3大气对太阳辐射的影响,大气吸收大气散射大气窗口大气衰减大气纠正,大气组分的吸收光谱,大气吸收,大气吸收,O3：主要集中于2030km高度的平流层它是由高能的紫外辐射与大气中的氧分子(02)相互作用生成的O3对太阳辐射的吸收带：O3在紫外(0.220.32m)有个很强的吸收带在0.6m附近有一宽的弱吸收带在远红外9.6m附近也有个强吸收带,C02：主要分布于低层大气，其在大气中的含量仅占0.03左右，人类的活动使之含量有所增加C02在中远红外区段(2.8、4.3、14.5m附近)均有强吸收带其中最强的吸收带出现在13-17.5m的远红外段,H20：这里不包括固态水中的水滴。水汽一般出现在低空。它的含量随时间、地点的变化很大(约从0.13%)，而且水汽的吸收辐射是所有其它大气组分的吸收辐射的几倍水的吸收带：两个宽的强吸收带:2.53.0um和57um两个窄的强吸收带：波长为1.38um、1.86um一个弱的窄吸收带：0.71.23um,大气散射(Scattering),散射电磁辐射在非均匀媒质或各向异性媒质中传播时，改变原来传播方向的现象。大气散射是电磁辐射能受到大气中微粒(悬浮粒子及大的分子大气分子或气溶胶等)的影响，而改变传播方向的现象。其散射强度依赖于微粒大小、微粒含量、辐射波长和能量传播穿过大气的厚度,大气散射,1、选择性散射散射强度与波长有关,1)瑞利散射(Rayleigh)当引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁波波长(d）时，出现瑞利散射。大气中的气体分子02、N2等对可见光的散射属此类。它的散射强度与波长的4次方成反比。波长越短、散射越强，且前向散射与后向散射强度相同。瑞利散射多在910km的晴朗高空发生。“蓝天”正是瑞利散射的一种表现,瑞利散射理论图解,2)米氏散射(Mie)当引起散射的大气粒子的直径近于等于入射波长(d)时，出现米氏散射。大气中的悬浮微粒水滴，尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶的散射属此类。其前向散射大于后向散射。米氏散射多在大气低层05km，其强度受气候影响较大,2、无选择性散射散射强度与波长无关,当引起散射的大气粒子的直径远大于入射波长(d)时，出现无选择性散射。其散射强度与波长无关。大气中水滴、尘埃的散射属此类。它们一股直径5100m，并大约同等的散射所有可见光、近红外波段。正因为此类散射对所有可见光区段兰、绿、红光的散射是等量的，因而，我们观察云、雾呈白色、灰白色,散射对遥感数据传输的影响极大。大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向，削弱了到达地面或地面向外的辐射，产生了天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”。它是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。散射使地面阴影呈现暗色而不是黑色，使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息。此外，散射使暗色物体表现得比它自身的要亮，使亮物体表现得比它自身的要暗。因此，它降低了遥感影像的反差(对比度)，降低了图像的质量(清晰度)以及图像上空间信息的详度，因此，摄影像机等遥感仪器多利用特制的滤光片，阻止兰紫光透过以消除或减少图像模糊，提高影像的灵敏度和清晰度。,三、大气窗口,大气窗口大气的衰减作用相对较轻、透射率较高、能量较易通过的电磁波段。只有位于大气窗口的波段才能被用于生成遥感图像在VISIR区段，常用的大气窗口有：0.31.3m、1.51.8m、2.02.6m、3.0-4.2m、4.35.0m、814m。在微波区段，主要采用的大气窗口为8mm附近和频率低于20GHz的波段。,大气窗口,四、大气衰减(attenuation),电磁波在大气中传播时，因大气的反射、吸收和散射作用使强度减弱，即被大气衰减。由此而引起的光线强度的衰减叫消光。在可见光波段，吸收作用小(仅3%)，消光主要是由散射引起的,五、大气纠正,大气纠正消除这些大气效应(反射、吸收和散射等)的处理研究大气效应所用的大多数参数均与波长、时间、地点、大气条件、大气层厚度、太阳高度角、观察角度等有关。其中，大气参数的随机性，给大气参数的精确测定与计算增加了难度。特别是(对大气散射起决定作用的)气溶胶和(对大气吸收起重要作用)水汽。在无云的天气条件下，它们是对VISIR辐射传输影响最大、时空变化最大，并难以确定的两个介质。,目前，多运用气象卫星NOAA/AVHRR数据及同时获得的大气垂直探测器TOVS数据来获得完全同步的大气参数，如大气水汽含量、温度、气压的垂直分布等；或用不同的标准大气模型、气溶胶模型；或通过地面、空中测量来确定部分大气参数；或通过不同的大气纠正模型求出大气参数。为了提高大气参数的测定精度，还发射了一系列专门采集大气参数的传感器。,（一）大气的吸收作用,氧气：小于0.2m；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。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().,ScatteringofEMenergybytheatmosphere,RayleighScatter,aNon-selectivescatterismoreofaproblem,andoccurswhenthediameteroftheparticlescausingscatteraremuchlargerthanthewavelengthsbeingsensed.Waterdroplets,thatcommonlyhavediametersofbetween5and100mm,cancausesuchscatter,andcanaffectallvisibleandnear-to-mid-IRwavelengthsequally.Consequently,thisscatteringis“non-selective”withrespecttowavelength.Inthevisiblewavelengths,equalquantitiesofbluegreenandredlightarescattered.,Non-SelectivescatterofEMradiationbyacloud,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：,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？,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