《遥感的物理基础》课件

遥感的物理基础遥感技术是利用电磁波的特性来获取和研究地球表面及其周围环境信息的一种方法。了解电磁波的基本物理特性是掌握遥感技术的关键。本节课将介绍电磁波的产生、传播、反射、折射和散射等基本原理,为后续的遥感应用奠定基础。12by1223电磁波的特性1频率每秒振动的次数2波长一个波周期的距离3能量电磁波携带的能量电磁波是一种能够传播能量的波动现象。它们的主要特性包括频率、波长和能量。频率决定了波的振动次数,波长决定了波在空间的传播距离,能量则决定了电磁波对物质的影响力。这些特性是理解和应用遥感技术的基础。电磁波的传播1频率决定振动次数2振幅决定能量大小3传播速度以光速C传播电磁波具有周期性的振荡特性,其传播过程由频率、振幅和传播速度三个基本参数决定。频率决定了波的振动次数,振幅决定了波的能量大小,而传播速度是一个普遍常数,在真空中为光速。这些特性共同决定了电磁波在空间中的传播规律。电磁波的反射1表面反射当电磁波照射到介质表面时,会产生镜面反射,反射角等于入射角。光滑表面反射较强,粗糙表面反射较弱。2材料特性不同材料的反射特性不同,取决于它们的电磁特性,如介电常数和导电率。金属表面反射较强,而绝缘体反射较弱。3衍射效应当电磁波遇到障碍物边缘时,会发生衍射现象,波能会绕过障碍物传播。这种衍射效应会影响遥感图像的质量。电磁波的折射折射定律当电磁波从一种介质进入另一种介质时,会发生折射现象。入射角、折射角和介质折射率之间满足斯涅耳定律。反折射当电磁波从高折射率介质进入低折射率介质时,会发生临界角以上的全反射现象。这种反射可用于制造光学元件。大气折射大气中的温度和压力梯度会使电磁波在大气中发生折射,影响其传播路径。这种大气折射效应会影响遥感观测。电磁波的散射瑞利散射当电磁波遇到小于其波长的粒子时,会发生瑞利散射。这种散射会使短波长的蓝光更容易被大气散射,造成天空呈蓝色。米Mie散射当电磁波遇到与其波长相当的粒子时,会发生米Mie散射。这种散射使云和雾气中的水滴和颗粒散射光线,形成白色天空。非选择性散射当电磁波遇到大于其波长的粒子时,会发生非选择性散射。这种散射不会选择性地散射某些波长,而是均匀地散射各个波长。电磁波的吸收1选择性吸收不同物质对电磁波的吸收能力不同2分子振动分子吸收特定频率电磁波产生振动3电离作用高能电磁波可以电离大气分子4热效应电磁波能量转化为热量加热物质电磁波在传播过程中会被物质选择性地吸收。这是因为不同物质的分子结构和组成对特定频率电磁波有不同的亲和力。被吸收的电磁波能量会导致分子振动或电离,并最终转化为热量加热物质。这种选择性吸收现象是遥感应用中的重要机理。黑体辐射1定义黑体是一个理想化的物体,它完全吸收所有入射的电磁辐射,并以最大辐射功率发射热辐射。2普朗克定律德国物理学家马克斯·普朗克提出了黑体辐射的理论,描述了黑体在不同波长和温度下的辐射特性。3应用黑体辐射理论为遥感技术提供了基础,可用于测量物体的温度和研究大气成分等。普朗克定律1热辐射物体会发射热量作为电磁辐射2黑体辐射理想黑体完全吸收并发射辐射3普朗克定律描述黑体辐射的频率和温度关系普朗克定律是德国物理学家马克斯·普朗克提出的黑体辐射理论。它描述了理想黑体在不同温度下发射的电磁辐射的频率分布规律。这一理论为研究物体的温度和大气成分提供了基础,在遥感技术中得到广泛应用。斯蒂芬-玻尔兹曼定律1定义斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述了黑体在不同温度下辐射功率的关系。2计算公式根据该定律,辐射功率与绝对温度的4次方成正比。3应用这一定律为遥感技术提供了理论基础,可用于测量物体温度。太阳辐射1太阳黑体辐射太阳表面温度约6000K,按照普朗克定律发射宽范围的电磁辐射。2太阳光谱太阳辐射包括可见光、紫外光和红外光等多个波段。3太阳能量释放通过核聚变反应,太阳不断释放巨大能量,源源不断地照射地球。作为一颗恒星,太阳表面温度约6000K,按照普朗克定律发射着广泛范围的电磁辐射。这些辐射包括可见光、紫外光和红外光等不同波长的光线。通过持续的核聚变反应,太阳不断释放出巨大的能量,为地球提供持续不断的能源。地球辐射1热量辐射地球表面吸收太阳辐射后会发出红外辐射。2长波辐射地球辐射主要集中在长波红外波段。3温度变化地球辐射受太阳高低角度和云层变化影响。地球表面吸收来自太阳的短波辐射后,会根据温度通过热量辐射的形式,向空间发射长波红外辐射。这种地球辐射主要集中在长波红外波段,并受到太阳高低角度和云层变化的影响而出现温度变化。这种地球长波辐射过程是遥感技术监测地表温度和大气状况的基础。大气对电磁波的影响折射大气中温度和压力的变化会造成折射率的梯度变化,从而影响电磁波的传播路径。散射大气中的气体分子、水汽和尘埃等会发生瑞利散射和米散射,减弱电磁波强度。吸收大气中的气体分子对特定频段的电磁波有选择性吸收,影响电磁波传播。大气的吸收選擇性吸收大氣中不同成分對電磁波有選擇性吸收,如氧和臭氧對紫外線的吸收。分子振動大氣氣體分子對特定頻率的電磁波會產生共振振動,從而吸收能量。遮蔽效應大氣中的粉塵和水汽會遮蔽部分電磁波,減弱光線強度。大气的散射1瑞利散射气体分子粒子对短波长光线的散射2米散射较大粒子对长波长光线的散射3大气遮蔽气溶胶对光线的吸收和散射大气中存在各种气体、水汽和粉尘等颗粒物,会对入射的电磁波产生散射效应。根据粒子大小,散射分为瑞利散射和米散射两种类型。其中瑞利散射主要影响短波段光线,而米散射则主要作用于长波段。此外,大气中的气溶胶还会对光线产生吸收和散射,造成遮蔽效应。这些散射现象会加剧电磁波在大气中的衰减。大气的折射1温度梯度大气温度随高度变化形成梯度2压力变化大气压力随高度降低而减小3折射率改变温度和压力变化导致大气折射率发生变化大气中温度和压力随高度的变化会导致折射率发生梯度变化。较高温度和较低压力会使光线发生弯曲,形成下凹的折射路径。这种大气折射现象会影响遥感系统的观测精度,需要在数据处理中进行校正。遥感系统的组成1传感器遥感系统的核心是能够捕捉和记录电磁辐射信号的传感器。包括摄像头、光谱仪、雷达等不同类型。2数据处理收集到的原始数据需要经过复杂的数字处理,提取有效信息,转换为可用的图像和数据产品。3数据传输处理后的数据通过各种通信设备和网络传输到用户端,如卫星传输、地面中继等。传感器的类型被动式传感器这类传感器仅记录和采集目标自身发出或反射的电磁辐射,如摄像头和光谱仪。主动式传感器这类传感器会主动向目标发出电磁波,并接收反射信号,如雷达和激光测距仪。光学传感器广泛应用于可见光和近红外波段的成像和测量,如高光谱和超光谱成像。被动式遥感1接收辐射被动式遥感仅依靠目标物体的自身辐射或反射特性。2光学成像通过相机等光学传感器捕捉目标的电磁辐射信息。3光谱分析利用光谱仪分析目标反射或发射的不同波段辐射。被动式遥感技术依赖于目标物体自身发射或反射的电磁辐射信号,而非主动向目标发射信号。典型的被动式遥感方式包括光学成像和光谱分析。光学遥感使用相机等传感器记录目标的反射光信息,而光谱遥感则利用光谱仪分析目标在不同波段的辐射特征。这种无需主动照射的方式相对简单、经济,常用于监测环境、农业、地质等领域。主动式遥感1主动发射主动式遥感系统会向目标发射电磁波信号。2探测反射接收并分析从目标反射回来的信号。3信息提取通过信号分析提取目标的位置、速度等信息。与被动式遥感不同的是,主动式遥感会主动向目标发射电磁波信号,然后接收和分析从目标反射回来的信号。通过对反射信号的分析,可以获取目标的位置、速度、大小等信息。这种主动发射、探测反射的工作机理使主动式遥感在某些应用场景下具有独特的优势,如雷达对飞行器的检测和测量。光学遥感1可见光成像利用相机等传感器捕捉可见光波段的反射信息,获取目标物体的彩色影像。2近红外成像通过近红外波段的反射特性,可以获取目标物体的特征和结构信息。3多光谱分析综合分析目标在多个不同波段的反射特性,可以提取更丰富的信息。红外遥感1非可见光谱红外波段位于可见光之外2热量辐射探测针对目标物体的热量辐射特性3温度信息提取可获取目标的温度分布和变化红外遥感主要利用红外波段的电磁辐射来探测和分析目标物体。这种波段位于可见光之外,主要探测目标物体自身发出的热量辐射。通过分析这些热量辐射特性,可以提取目标的温度信息,包括温度分布和温度变化等。红外遥感广泛应用于环境监测、工业检测、军事侦察等领域。微波遥感1波长范围微波遥感采用1毫米到1米的电磁波长范围进行探测和成像。2穿透性强微波可穿透云层、雾霾等大气条件,对观测目标的影响较小。3应用领域微波遥感广泛应用于天气监测、海洋遥感、地质勘探等领域。雷达遥感电磁波发射雷达系统主动向目标发射高频微波信号,通常工作在厘米波或毫米波波段。信号反射分析接收并分析从目标物体反射回来的信号,提取目标的位置、速度、高度等信息。全天候监测雷达无需可见光反射,可在任何天气条件下对目标进行全天候监测。遥感数据的获取1数据采集利用多种遥感传感器获取原始数据2数据接收通过卫星、航空等载体接收数据信号3数据存储将采集的数据保存于高容量存储设备4数据传输将数据通过网络等渠道传输到地面站遥感数据的获取是整个遥感系统的起点。首先需要利用各类传感器设备,如相机、光谱仪、雷达等,在目标区域进行数据采集。这些数据会通过卫星、飞机等载体接收,并存储在大容量设备中。最后,这些原始数据将通过网络等渠道传输到地面站,供后续分析和应用使用。这一过程需要精确的采集时间和位置控制,以确保数据的准确性和完整性。遥感数据的处理1预处理对原始遥感数据进行校正、增强、滤波等处理2影像处理包括几何校正、辐射校正、大气校正等3信息提取从校正后的数据中提取所需的地物信