2 物理基础.ppt

1、1,第二章 遥感物理基础,2,遥感是根据收集到的电磁波来判断目标地物和自然现象（物体种类、特征和环境不同，具完全不同的电磁波反射或发射特征），遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波原理上的。 电磁波 :根据麦克斯韦电磁场理论, 变化的电场和磁场交替产生,以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波.,2.1 电磁波及电磁辐射,2.1.1 电磁波的特性,3,描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。 电磁波的特性 1）不需要传播介质2）横波3）波动性4）粒子性5）叠加原理6）相干性和非相干性 7）衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像） 8）

2、多谱勒效应 （合成孔径侧视雷达）电磁波因辐射源相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化,满足公式： f * = c E= h * f 其中，c和h均是常量。,5,按电磁波波长（频率大小）长短，依次排列制成的图 表叫电磁波谱。 依次为： 射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。,电磁波谱,6,电磁波谱图,7,共性：传播速度相同；遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律；,一些电磁波的用途,8,2.1.2 电磁辐射能量定律,辐射能量（W）：以电磁波形式传输的能量；测量的指标包括：辐射通量，辐射通量密度，辐照度，辐射出射度，辐射亮度（P18）。 理想的辐射体：黑体，对任意波长的电磁波

3、全部吸收，即吸收率恒等于1，反射率恒等于0。自然界中的物体：烟煤，MgO等 恒星和太阳被认为是接近黑体辐射的辐射源。通过研究这种理想状态的辐射体，目前已经摸索出一定的定律。,人工制造的接近黑体的吸收体,9,一个公式普朗克公式： 描述黑体辐射出射度与温度、波长分布的关系。,h: 普朗克常数6.6260755*10-34 Ws2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK-1 c: 光速; : 波长（m）; T: 绝对温度（K）,黑体辐射规律,10,变化特点： (1) 光谱辐照度随波长连续变化，只有一个最大值； (2) 温度越高，光谱辐照度越大，不同温度的曲线不相交； (3) 随

4、温度升高，辐照度最大值向短波方向移动。,11,（1）斯忒藩玻尔兹曼定律： 对普朗克定律在全波段内积分得到。某一波段的的总辐射出射度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。,红外装置测试温度的理论根据。,: 斯忒藩玻尔兹曼常数，5.6697108 W cm-2K-4,引出的三个定律,12,（2）维恩位移定律：,高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的 电磁波。常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰 值波长9.66m ）,b =2.898*10-3 m K,针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。,（3）基尔霍夫定律 （P22）,基尔霍夫（Kirchhoff）热辐射 定律可以简述为

5、： ()=(), 即物体的发射率和吸收率相等。 其中， 发射率()为物体辐射出的能量和同温度下黑体辐射出能量的比值； 吸收率()为物体吸收的能量与黑体吸收的能量的比值。 基尔霍夫定律指出，如果物体的吸收能力越强，那么辐射的能力也就越强，如果反射能力越强，那么吸收能力就越低。,定律表明：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，仅与波长和温度有关，即：,发射率=吸收率 好的吸收体也是好的发射体，例如：黑色的烟煤，常温下吸收的本领很强，如果燃烧起来也可以达到很强的发射能力。,15,2.1.3 太阳辐射,地球上的电磁波主要来自于太阳，因此，太阳是遥感主要的辐射源。 在大气上界和海平面测得

6、的太阳辐射曲线如图所示：,16,太阳辐照度分布曲线,17,结论： 太阳辐射的光谱是连续的，太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射；它的辐射特性与黑体的辐射特性基本一致。 太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中而且相对稳定，其中0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47 m左右；在x射线、远紫外及微波波段，能量小但变化大。 海平面处的太阳辐射照度曲线与大气层外的曲线有很大的不同。主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射造成的。经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 就遥感而言，被动遥感主要是利用可见光、红外等稳定辐射，因而太阳的活动对遥感没有太大的影响

7、，可以忽略。,太阳辐照度分布曲线,太阳辐射,太阳是被动遥感最主要的辐射源 太阳常数:指不受大气的影响,在距离太阳一个天文单位内,垂直于太阳光辐射方向上,单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量 I=1.36*103W/m2 太阳常数可认为是大气顶端接收的太阳能量,地球辐射,地球的短波辐射 0.32.5m,以地球表面对太阳的反射为主,地球自身的热辐射可以忽略 长波辐射 6 m以上, 太阳照度影响很小,只考虑物体自身的热辐射 中红外波段2.56 m: 太阳辐射和地球热辐射都有 在夜间，当太阳辐射消失后，地面发出的能量以发射光谱为主，探测其红外辐射及微波辐射与同等温度条件下的曲线相比较，是识别地物的

8、重要方法之一。,21,2.1.4 电磁波与物质的相互作用,大气组成：大气主要由气体分子、悬浮的微 粒、水蒸气、水滴等组成。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 悬浮微粒：尘埃,1 太阳辐射与大气的作用,22,大气对太阳辐射的影响主要分为：散射和吸收。 在可见光波段，引起电磁波衰减的主要原因是分子散射（瑞利散射）。,23,大气散射,大气散射不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。 大气散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。 散射主要发生在可见光区，大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：d 各式各样，散射强度与波长无关

9、。,24,大气吸收,大气的吸收作用： 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形 成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。,25,大气窗口,概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使 得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同， 因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到 大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗 口。,26,太阳辐射与地表的相互作用() 地物的反射率() 漫反射() 镜面反射(),2.1.5 太阳辐射与地物的作用,太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。 一般而言，绝

10、大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0. 450. 56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达1020 m，清澈水体可达100 m的深度。 地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66 m，主要集中在长波，即6m以上的热红外区段。 荧光，物体被单一波长辐射照射而发射出另外一种波长辐射的现象。比如硫化物，,反射率（）：地物的反射能量与入射总能量的比，即=(P/ P 0)100%。 地物在不同波段的反射率是不同的。 反射率是可以测定的。 反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。 地物的反射光谱曲线

11、：反射率随波长变化的曲线。,不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。,物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。,27,2.2 典型地物的光谱特征,1.岩矿,不同的矿物具有不同的化学组成分和物理结构，因此， 矿物的光谱特征主要取决于光谱吸收的特征，而决定矿 物的吸收特征的因素在于：1）物质内电子与晶体场的 相互作用和 2）物体内所存在的分子振动。,高光谱遥感最早是人们研究岩石和矿物的光谱特性时提 出来的，因此

12、，地质是高光谱遥感应用中最广泛的领域 之一。,矿物,28,1）电子与晶体场的相互作用 矿物体内的电子发生跃迁的过程中会吸收或发射特 定波长的电磁辐射，形成特定的光谱特征。产生的 光谱范围主要在可见光，近红外附近。,29,2）分子振动产生光谱特征 晶体结构不同，受到外来能量的时候，发生振动 而产生的光谱特性并不一致。,3）除此之外，还受到温度和矿物粒度的影响，温度升高，向短波方向移动。,30,野外的岩石光谱是矿物光谱的混合而成，可 见光和红外只有几厘米的穿透率，因此，分析岩石 表面情况很重要： （1）风化，水化物的影响 （2）岩石表面结构：颗粒减小，反射率增大 （3）岩石表面颜色：铁，碳的影响

13、（4）大气环境,岩石,31,2、植被,传统宽波段的研究仅限于判断红光的吸收，近红外 的反射，中红外的水体吸收带。由于受到波段宽度 和波段数的限制，往往对土地覆盖类型或者是植被 长势等的反应并不理想。 高光谱可以通过对不同类型的植被进行生物化学含 量的估算，可以获得较为详细的植被生态学信息； 其次，可以通过监测“红边”位移去获得植被受环 境胁迫的信息。,32,33,34,不同植物光谱曲线比较,35,36,3.土壤,标准土壤反射率光谱,37,矿物 矿物主要包括：石英，云母，长石， 氧化物，因此通过分析相应的矿物含量就 可以区别土壤的特征。例如：氧化铁的含量 会导致土壤颜色的渐变：灰绿，黄色，红色,

14、影响土壤的四大因素：,38,含水 土壤水分是土壤重要组成部分，当含水量增加 时，土壤反射率下降，在水的各个吸收带处 （1400，1900和2700），反射率下降非常明显。,39,有机质 生物或者动物腐烂后的物质，影响最大的在 可见光到近红外，随着有机质的增加，土壤 反射率降低。,40,质地 土壤中颗粒的大小与比例，代表了两个方面情 况：颗粒本身大小与持水能力。,41,4.水体,在近红外和中红外波段，水几乎吸收了其全部的能量，纯净的水体在近红外波段更近似于一个 “黑体”。,42,反应水体的反射光谱变化的三要素：,叶绿素浓度,43,悬浮泥沙含量,44,可溶性黄色物质,45,46,5.城市目标,人类

15、活动使得城市下垫面的成分复杂多样，光谱 性质也相当复杂，城市遥感中主要描述的是： 建筑物与道路.,47,建筑物：从遥感图像上只能看到其顶部，所以，研究的是顶部的材料波谱特性。,48,道路：选取水泥路，柏油路和土路这三种典型的路面来研究波谱特性。,49,50,2.3 地物波谱测量,地物波谱特性 测定原理 测定步骤,一、野外光谱仪（以ASD野外光谱分析仪为例） ASD野外光谱分析仪FieldSpec Pro是一种测 量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具。它 能快速扫描地物，光纤探头能在毫秒内得到地物 单一光谱。,1）FieldSpec 分光仪主要由附属手提电脑，观测仪器，手枪式把手，光纤光学探头

16、及连接数据线组成。 2）FieldSpec 重量只有8kg，非常便于携带。 3）0.35-2.5的光谱范围以及10nm的光谱分辨率,它能在手提电脑上实时持续显示测量光谱，使测量者在测量过程中依据即时反馈的光谱图像获取需要的测量数据。,硬件装备,（1）准备工作。 （2）测量过程。 （3）整理工作。,（1）准备工作 光谱仪、计算机充电：光谱仪电量不足时红灯闪亮，充满电后绿灯亮；如果黄灯闪亮则说明过热，需要等待一段时间； 安装适当的镜头或其他附件（如GPS、余弦接受器等），并准备好白板； 依次打开光谱仪电源及计算机电源，并启动相应RS3软件； 依据所选择镜头以及测量情况，在软件上选择相应镜头，并填写

17、需要存储数据的路径、名称和其他内容。,（2）测量过程 镜头对准白板，点击OPT进行优化。为了光谱测量的准确性，在测量过程中，特别是刚开始测量的前半个小时内，需要每隔一定时间进行一次优化； 首先镜头对准白板，点击WR采集参比（白板应充满镜头，并且没有阴影），然后镜头对准目标（目标与镜头之间的距离应大致等同于采集参比时白板与镜头的距离）； 点击空格键存储目标光谱（或选择自动存储）； 为了提高光谱数据的质量，在测量开始后的一个小时内应当经常采集参比以提高光谱数据质量；,（3）整理工作。 测量完成后，可将有关光谱拷贝到U盘中待用，或留在原机保存； 依次关闭计算机电源及光谱仪电源； 取下镜头及其他附件，装好白板，并将光纤探测头整理好，收回到仪器包中（注意光纤不可过硬弯折）。,其它