3遥感技术的物理基础

第三章遥感技术的物理基础,第一节遥感系统,一、构成传感器遥感平台地面控制系统数据接收系统遥感应用系统,二、遥感的分类,1按照遥感的工作平台分类：地面遥感、航空遥感、航天遥感。2按照探测电磁波的工作波段分类：可见光遥感、红外遥感、微波遥感等。3、按照研究对象分类：资源遥、环境遥感、农、林、渔、水4、按照传感器工作方式分类：主动遥感、被动遥感,三、遥感系统信息获取的工作模型,第二节电磁波谱与电磁辐射,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,波的概念：波是振动在空间的传播。,机械波：声波、水波和地震波电磁波（ElectroMagneticSpectrum)由振源发出的电磁振荡在空中传播。,演示,电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理电磁辐射:电磁能量随电磁波的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。其传播表现为光子（或称为量子）组成的粒子流的运动。,一、电磁波及其特性,电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播,电磁波在介质中的传播速度V为：,C为光速3108米/秒,可见，电磁波在介质中的传播速度V总是小于在真空中的传播速度C,3）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：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待，用波长、频率、振幅等来描述。粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子-光子，其能量大小用频率来描述。光是电磁波的一个特例光的波动性-表现在光的干涉、衍射、偏振和色散等现象中；光的粒子性-表现在光电效应、黑体辐射等现象中。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。,电磁辐射-波动性,1干涉（interference）一列波在空间传播时，将引起空间各点的振动；两列（或多列）波在同一空间传播时，空间各点的振动是各列波在该点产生的振动的叠加合成。这种波的叠加合成不是简单的代数和，而是矢量和。,光的干涉,同振幅、频率和初位相（具固定位相关系）的两列（或多列）波（相干波）的叠加合成而引起振动强度重新分布的现象称为“干涉现象”。干涉现象中，在波的交叠区有的地方振幅增加，有的地方振幅减小，振动强度（取决于程差与波长的关系）在空间出现强弱相间的固定分布，形成干涉条纹。干涉滤光片、透镜组、干涉雷达天线等，均应用了波的干涉原理。,小孔的衍射,波在传播过程中遇到障碍物时，在障碍物的边缘一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的“阴影区”的现象称为“衍射现象”。这是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化，导致波在空间上振幅或强度重新分布的现象。如光通过小孔，在孔后的屏上出现的不是一个亮点，而是一个亮斑。其亮斑周围有逐渐减弱的明暗相间的圆环。其亮斑的大小（衍射角）与小孔的直径d成反比，与波长成正比，即,遥感中部分光谱仪的分光器件-衍射光栅等，正是运用多缝衍射原理。,2衍射（diffraction）,偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波作为一种横波，其相互垂直的电场和磁场的振动方向是与传播方向垂直的。传播方向确定后其振动方向并不是唯一的。它可以是垂直于传播方向的任何方向。它可以是不变的，也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转，即出现偏振现象（微波中称为“极化”）。通常把电场振动方向的平面称为偏振面。若偏振面方向固定，不随时间而改变，则为线性偏振（线性极化或平面极化）。沿一个固定方向振动的光为偏振光，一些人造“光源”（如激光和无线电、雷达发射）常有明确的极化状态；太阳光是非偏振光（所有方向的振幅相等，无一优势方向）；介于两者之间的为部分偏振光-许多散射光、反射光、透射光均属此类。电磁波在反射、折射、吸收、散射过程中，不仅其强度发生变化，其偏振状态也往往发生变化。这种偏振状态的改变也是一种可以利用的遥感信息。,3偏振（Polarization）,线性极化类型,任一振动方向的电磁波总可以分解为两个特定的偏振（极化）方向。电矢量E的振动面垂直入射面的线偏振称为水平极化，平行入射面的线偏振称为垂直极化。,电磁波的“粒子性”是指电磁辐射除了它的连续波动状态外，还能以离散形式存在，其离散单元称为光子或量子。大量实验证明，光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。光电子的能量与光的强度、光照的时间的长短无关，而仅与入射光的频率有关。光电倍增管、电视摄象管等光电器件，正是运用光电效应原理制作的。光电效应现象用光的波动性是无法解释的。普朗克用模型来说明光电效应，并指出电磁辐射能量Q的大小直接与电磁辐射的频率成正比，可表示为：（h为普朗克常数，取值为6.62610-34焦耳秒）已知，则可得：可见，辐射能量Q与它的波长成反比。即电磁辐射波长越长,其辐射能量越低。这对遥感是有重要意义的，如地表的微波发射要比热红外辐射低（更难感应）。,电磁辐射-粒子性,二、电磁波谱,电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其次是红外线、可见光、紫外线、X射线；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。无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生的红外线是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的.可见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的X射线是原子内层电子受激发产生的射线是原子核受激发产生的,TheElectromagneticSpectrum,Morethanmeetstheeye!,LanguageoftheEnergyCycle:TheElectromagneticSpectrum,常用电磁波分类名称和波长范围,1.紫外线波长范围为0.010.4微米。太阳辐射中的紫外线通过大气层时，波长小于0.3微米紫外线几乎都被吸收，只有0.30.4微米波长的紫外线部分能够穿过大气层到达地面，能量很少，并能使溴化银感光。紫外线在遥感中主要用于探测碳酸盐分布和油污染的监测等。由于紫外线从空中可探测的高度大致在2000m以下，因此紫外线对高空遥感不宜采用。,2、遥感常用的电磁波波段的特性,2、遥感常用的电磁波波段的特性,2.可见光波长范围为0.380.76微米，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光的全色光和单色光都可直接感觉，因此可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。,2、遥感常用的电磁波波段的特性,波长范围为0.761000微米近红外（0.763微米）主要是地面反射太阳的红外辐射，在遥感技术中可以采用摄影方式和扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红外反射，但由于目前技术的限制，目前只能感测0.761.3微米的波长范围。中红外（36微米），远红外（615微米）和超远红外（151000微米）是产生热感的原因，所以又称热红外。在遥感技术中主要利用316微米波段，具有全天时的特性。,3.红外线,4.微波,波长范围为1mm1m。微波又可分为：毫米波、厘米波和分米波。微波也具有热辐射特性，可以穿透云、雾不受天气影响，所以微波能进行全天候全天时遥感。微波遥感可以采用主动和被动方式成像，对某些物质如植被、冰雪、土壤等表层覆盖物具有一定的穿透能力。因此它也是遥感中最有发展潜力的波段。,2、遥感常用的电磁波波段的特性,辐射能量W,电磁辐射是具有能量的，它表现在：使被辐照的物体温度升高改变物体的内部状态使带电物体受力而运动,辐射能量（W）的单位是焦耳（J）,1/11,三、电磁辐射的度量,辐射通量(radiantflux),在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量：=W/t,辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）,2/11,三、电磁辐射的度量,辐射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M,单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：E辐照度=/AM辐射出射度=/A,辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）,法向,3/11,三、电磁辐射的度量,指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，即点辐射源(O)在某一方向上(、)单位立体角(d)内发出的辐射通量，单位为瓦/球面度(wsr-1)，表达为：,辐射强度I,（radiantintensity）,(极坐标中)微小立体角元：d=dA/R2=sindd,三、电磁辐射的度量,辐射亮度L：,辐射亮度，简称辐亮度，指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积）上辐射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量，如右图所示，单位为瓦/米2球面度（wm-2sr-1），表达为：,Acos,A,辐射亮度,（radiance）,遥感观测的是辐射亮度值L。,三、电磁辐射的度量,小结,辐射度量一览表,7/11,四、黑体辐射,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：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。,PowerSource:BlackbodyRadiation,PlancksLaw:Theamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperature,MaxPlanck(18581947)NobelPrize1918,Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengths,wavelength,3、黑体辐射定律,(1)普朗克热辐射定律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。,M,四、黑体辐射,黑体辐射的三个特性,辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。,波长(m)不同温度下的黑体辐射,(2)斯特藩玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmannslaw即黑体总辐射出射度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。,3、黑体辐射定律,(3)维恩位移定律：Wiensdisplacementlaw随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动（即黑体的峰值波长与温度成反比）。,3、黑体辐射定律,4、地物的发射率,发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）M与同温下的黑体辐射出射度M黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。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。,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(greybody)：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。,4、地物的发射率,第三节太阳辐射及大气对辐射的影响,一、太阳辐射:被动遥感最主要的辐射源,太阳光谱,太阳的辐射波谱（x射线无线电波），是个综合波谱。太阳辐射的大部分能量集中于近紫外中红外（0.315.6m）区内，占全部能量的97.5%。其强度随时间、地点而变化,太阳辐射能各谱段的百分比,第三节太阳辐射及大气对辐射的影响,大气的成分和结构大气对太阳辐射的吸收与散射大气窗口及透射,二、大气对太阳辐射的影响,太阳辐射的传输,（一）、大气的成分,大气的主要成分,*aconcentrationneartheearthssurface,（一）大气的成分,（一）大气的成分,气溶胶,（二）、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。1.对流层：上界往往随纬度、季节等因素而变化（7-19km）。它集中了主要的大气现象。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。2.平流层：（至50km）包括底部的“同温层”（至20km）和随高度上升温度缓慢上升的“暖层”。层内除季节性的风外，几乎没有什么天气现象。对电磁波传输表现较为微弱。3.中气层：（至80km）介于上下两个暖层之间，又称“冷层”，温度随高度增加而递减，大约在80km处降到最低点约178K（-95），也是整个大气最低点。4.热层：又称增温层，电离层。层内空气稀薄，温度很高.可达1500K。无线电波在该层发生全反射现象.而对遥感使用的可见光、红外直至微波的影响较小，基本上是透明的。卫星的运行空间。5.大气外层：1000公里以外的星际空间。对卫星的运行基本上没有影响。,1、,（三）、大气对太阳辐射的影响,大气的吸收作用（总结）,大气中的氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内氧气：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（0.01%-0.1%)，但吸收很强。在(0.2-0.3m）处于强吸收带，此外在0.6m、9.6m处吸收也很强；对高度时，出现无选择性散射，其散射强度与波长无关。大气中云、雾、水滴、尘埃(一般直径5100m)的散射属此类。它大约同等的散射所有可见光、近红外波段。因而，云、雾呈白色、灰白色。,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。它是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。大气散射产生天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”；使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息；并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。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）及图像上空间信息的表达能力（灵敏度）。因此，遥感器常利用滤光片，阻止兰紫散射光透过。散射对低层大气（约低于3km）尤为重要。这是与大气粒子的粒径、含量及有效性的增加密切相关的。,（四）,太阳辐射的衰减过程：30%被云层和其他大气成分反射回宇宙空间；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。,(四)、大气窗口,1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。常见的大气窗口：,第四节：地球的辐射与地物波谱,主要内容：,地球辐射地球辐射的分阶段特征地物的波谱特性（反射、发射、透射）地物反射类型常见地物的反射波谱特征,EarthSpectrum,IncomingfromSun:Highenergy,shortwavelength,OutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength,0.5mm,10mm,20mm,0.32.5m（主要在可见光与近红外波段，短波辐射）-以地表反射太阳辐射为主，地球自身的热辐射可忽略不计；2.56m（中红外辐射）-地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均是被动遥感的信息源，不能忽略。6m以上（长波辐射）-只考虑地表物体自身的热辐射，而地表反射太阳辐射的影响极小。,地球辐射的分波段特性,EI()=ER()+EA()+ET(),太阳光通过大气层，照射到地球表面，地物会发生吸收、反射和透射，反射后的短波辐射一部分为遥感器接收。,一、地物的反射光谱特性,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。,地物波谱,地物的反射,地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。它是波长的函数，又称为光谱反射率，被定义为：以百分数表示,其值在01之间，为无量纲的量.,1地物的反射率（反射系数或亮度系数）：,影响地物反射率大小的因素：地表颜色与粗糙度入射电磁波的波长入射角的大小根据地表目标物体表面性质的不同，物体对电磁波的反射有三种形式：镜面反射、漫反射、方向反射。,地物波谱,式中，h为第一平面以上的高度度量（以波长计）；为波长为入射角。,任一表面的反射特性是由其表面几何形态粗糙度支配的，而粗糙度是相对于入射波长而言的，也就是依据表面几何形态与辐射波长的关系而定的。表面粗糙度是入射波长的函数。关于表面粗糙度的瑞利判别准则是：若为光滑表面；反之，为粗糙表面。,镜面反射,定义：发生在光滑表面的一种反射。特点：入射能量全部或几乎全部在同一平面内按相反方向反射，且反射角等于入射角。对可见光而言，在镜面、光滑金属表面、平静水体表面均可发生镜面反射；而对微波而言，由于波长较长，故马路面也符合镜面反射规律。,（1）镜面反射-specularreflection,（2）漫反射-diffusereflection,定义：发生在非常粗糙的表面上的一种反射现象特点：入射能量在所有方向均匀反射，即入射能量以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向同性的反射能量。又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。一个完全的漫射体称为朗伯体。如对可见光而言，土石路面、均一的草地表面均属漫射体,漫反射,漫反射面按朗伯余弦定律反射，可表达式为：,式中，为观