遥感技术基础-第03讲电磁波与地物的作用

FundamentalsofRemoteSensing,解放军信息工程大学测绘学院遥感信息工程系,遥感技术基础,第三讲电磁波与地物的相互作用,主要内容：一、物体与电磁波的相互作用形式二、物体反射电磁波的形式三、地物的波谱反射特性,一、电磁波与物体的作用形式,遥感时，太阳光（或传感器发射的电磁波）照射到地面目标后，与地面目标之间会发生哪些作用？对遥感成像有何影响？,电磁波与物体间会发生哪些作用？,作用形式：1、反射（R）2、吸收（A）3、透射（T）图中“I”表示入射光,发生作用时遵守的能量守恒定律,只有反射电磁波才能到达传感器,遥感中，只有反射电磁波才有可能到达传感器的接收系统进行成像，所以此处我们仅介绍电磁波的反射特性。,二、物体反射电磁波的形式,镜面反射漫反射方向反射。,1、镜面反射,特点：反射方向有严格的方向性，即反射角等于入射角。对不透明物体，反射能量入射能量地物吸收的能量。经反射后，电磁波的偏振情况会发生变化，即若入射光为自然光，则反射光为部分偏振光（折射光也是部分偏振光）。地面上大部分地物，均不具备发生镜面反射的条件。,镜面反射,镜面反射发生的条件？,电磁波照射到光滑的表面（如光滑的路面、平静的水面等）上，会发生镜面发射。镜面发射是一种极端情况。,镜面反射对遥感成像的影响？,反射光具有严格的方向性，若传感器的接收系统对准反射光时，接收的电磁波能量最强，否则可能接收不到地物的反射光而无法成像，从而导致影像色调的差异。,没有对准反射光时的水面影像,对准反射光时的水面影像,同样是水域，为什么影像色调不一样？,2、漫反射,特点：不论入射方向如何，各个方向都有反射光。从任意方向都可观察到反射面。从各个方向观察到的反射亮度是相同的。,朗伯定律,无论从哪个方向观测朗伯面（朗伯体是指标准的漫反射体），看到的朗伯面的亮度是一样的（但不同方向的反射能量是随角变化的。）。,式中：L为辐射亮度；d为朗伯表面的辐射通量（单位时间内的辐射能量）dA为朗伯表面的面积；dI为朗伯表面的辐射强度；d为辐射立体角；为测量方向与表面法线的夹角。,什么时候发生漫反射？,电磁波照射到一定粗糙程度的表面上，会发生漫发射。漫发射也是一种极端情况。,3、方向反射,方向反射,特点：大部分地面物体的反射既不是镜面反射，也不是漫反射，而是方向反射。从不同方向看到地物表面的亮度是不一样的，反射能量也不一样。各个方向都有反射，但在某些方向上反射强烈。电磁波照射到非常粗糙的表面上，会发生方向发射。,为什么会发生不同形式的反射？,电磁波入射到物体表面后，之所以产生不同形式的反射，主要与地表的粗糙程度有关。地表粗糙程度是相对电磁波的波长和入射角而言的。瑞利通过试验发现，若两点反射光线的相位差小于/2弧度，则认为是平滑的，否则是粗糙的。等价条件如下：,地物光滑程度判据瑞利准则,1971年Peake和Oliver通过理论推导进一步修改了瑞利准则，其判断粗糙程度的条件是：,光滑（镜面反射）中等粗糙（漫反射）粗糙（方向反射）,重要结论,地物表面的粗糙程度与入射电磁波的波长和入射角有关。地物表面的光滑与粗糙是相对于入射电磁波的波长和入射角而言的。当地物表面光滑时，入射到其表面的电磁波产生镜面反射；否则会产生漫反射或方向反射。,三、地物的波谱反射特性,光谱反射率地物反射波谱特性影响地物反射率化的因素,发生作用时遵守的能量守恒定律,光谱反射率的定义,通常反射率定义为物体的反射通量（单位时间内的反射能量）与入射通量之比，即E/E。这是在理想的漫反射情况下的定义，是指在整个电磁波波长范围的平均反射率。实际上，地物对不同波长的电磁波是有选择性反射的。因此，光谱反射率的定义是：地物在某波段的反射通量与该波段的入射通量之比。,光谱反射率（例）,蓝、红光波段基本被叶绿素吸收殆尽而进行光合作用；绿光波段大部分被吸收，有一部分被发射；近红外波段可以穿透表皮，被薄壁细胞组织反射。绿叶在蓝、绿、红、红外波段的反射率是不同的。如果不引入光谱（或波谱）反射率达概念，就不能准确描述这些特征。,绿叶反射原理,地物反射波谱特性,概念：地物反射波谱特性：地物波（光）谱反射率随波长变化而变化的特性称之为地物反射波谱特性。地物反射特性曲线：将与的关系在直角坐标系中描绘出的曲线称为地物反射特性曲线。灰体（亦称消色物体或非选择性反射体）：反射率不随波长变化而变化的物体。选择性反射体：反射率随波长的变化而变化的物体。与灰体相反,典型地物的反射特性-雪,雪在可见光波段基本上是非选择性低吸收体，即高反射体(80%)，呈耀眼白色，但在近红外波段吸收强得多，变成选择性吸收体。,典型地物的反射特性-水,水在蓝光波段反射率稍高，约为10%左右，到0.75微米以后的近红外波段，变成了全吸收体。,阔叶树,针叶树,典型地物的反射特性-树,阔叶树在绿光波段有一个反射小峰，峰值约15%左右，所以看上去它呈绿色；在近红外波段反射率很大，可达6070%。针叶树与阔叶树反射光谱相似，只是小峰峰值不到10%，近红外强反射只有30%左右。,典型地物的反射特性-沙漠,沙漠在绿、红光波段内可近似看成是非选择性高反射体，反射率接近60%，而在近红外波段，虽然有两个吸收谷，但也可以近似地看成是的非选择性反射体。,总的看来，在0.41.1微米光波段中，可把沙漠近似地看成非选择性高反射体。,波状沙丘,窝状沙丘,典型地物的反射特性-湿粘土,湿粘土反射率低，近于非选择性反射体。,典型地物的反射特性-大理石,灰白色大理石是反射率接近于40%的非选择性反射体。,典型地物的反射特性-红砂岩,红砂岩是反射率随波长增加而增大的选择性反射体。,不同地物反射波谱特性的比较,不同的地物有不同的，同一地物在不同波段有不同的，即在图像色调（彩）上会有所差异。,蓝色,绿色,红色,近红外,3、影响地物反射率变化的因素,地物的反射率主要取决于入射通量及地物本身性质（由定义可知）。在被动遥感中，入射光主要来之太阳，太阳位置对地物的反射率有哪些影响呢？,太阳位置对入射光的影响,其高度角和方位角不同，太阳辐射经大气层到地面的路径不同，对地物的入射角不同引起入射能量的变化。为此，卫星设计在同一地方时间通过当地上空，但由于季节变化和地理纬度的差异造成太阳高度角和方位角变化是不可避免的。,太阳位置对入射光的影响,遥感器位置对接收能量的影响,地理位置对入射光的影响,在同一时刻，不同地理位置的地物的太阳辐射能量不一样，因为太阳高度角和方位角不同，大气路径长短引起入射能量的变化。,地物本身的差异对反射率的影响,健康松树与病虫害松树,地物本身的差异对反射率的影响,不同含水量的土壤,地物本身的差异对反射率的影响,水体的含沙、浮游生物,地物本身的差异对反射率的影响,新雪与陈雪,主要内容：1、物体与电磁波间的三种作用形式2、物体反射电磁波的三种形式3、地物的波谱反射特性重点内容：1、镜面反射、漫反射、方向反射2、反射率、波谱反射率、波谱反射特性3、地物波谱特性与遥感影像上对应目标色调之间的关系。,本次课小结,作业题,名词解释：镜面反射、漫反射、方向反射、反射率、波谱反射率、波谱反射特性问答题：