第二章遥感的物理基础.ppt

1、烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，第二章遥感物理基础，本章主要内容：电磁波与地物光谱特征大气与环境对遥感的影响，第一节电磁波与光谱，电磁波及其特征电磁辐射源，遥感原理，烟台师范大学地理与资源管理学院，1。电磁波及其特性，波的概念：波是振动在空间中的传播。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，机械波：声波、水波和地震波电磁波谱通过振动源的电磁振荡在空气中传播。电磁波通过电场和磁场相互作用传播：原理、遥感原理，烟台师范大学地理与资源管理学院，5。电磁辐射电磁能量的传输过程(包括辐射、吸收、反射和传输)称为电磁辐射。电磁波的特点是横波在真空中以光速传播，电磁波具有波粒二象性：在传播过程中，电

2、磁波主要表现为波动性；当与物质相互作用时，它主要以粒子为特征，这就是电磁波的波粒二象性。波动：电磁波在空间中以波动的形式传播，因此它具有波动性，这导致光的干涉、衍射和偏振。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，特殊性：它是由密集光子粒子组成的电磁辐射的本质，是光子粒子有规律运动的电磁波的粒度，这使得电磁辐射的能量具有与电磁波波长相关的统计波粒二象性：波长越短，辐射的粒度越明显。波长越长，辐射的波动特性越明显。烟台师范大学地理与资源管理学院，遥感原理，7。电磁波谱：根据不同电磁波在真空中的长度排列它们的波长而制成的图表。遥感原理，烟台师范大学地理与资源管理学院，电磁波谱，不只是看得见！来自太空

3、的例子！波长，从一个波峰到下一个波峰的距离无线电波的波长最长，伽马射线最短！波长单位，米(如最后一张幻灯片和书中第613页)更常用的单位是纳米(1纳米=10-9米)埃，仍以瑞典天文学家的名字命名，他首次将这些波长命名为1纳米=10奥，能量循环的语言：电磁光谱，光速=波长(1)x频率=3 x 108米/秒在真空中波数=1/波长(厘米-1)频率在千兆赫(1赫兹=秒1)，能量，波长1，太阳光谱=短波光谱=可见光谱3 地面光谱=长波光谱=红外光谱=热光谱：撒哈拉沙漠在光轮4号卫星上，理论普朗克曲线：地球300K，峰值发射15毫米，地球光谱，来自太阳：高能量，短波长，来自地球低能量长波长，0.5毫米，1

4、0毫米，20毫米，电磁光谱，遥感原理，烟台师范大学地理与资源管理学院，2。 遥感常用电磁波波段特征，紫外线：0.01-0.4m，碳酸盐岩分布，水面油污。可见光：0.4-0.76米，识别材料特性的主波段；这是遥感中最常用的波段。IR:0.76-1000米。近红外0.76-3.0米，中红外3.0-6.0米；远红外6.0-15.0米；15-1000米的超远红外线(近红外线也称为光红外线或反射红外线；中红外和远红外也被称为热红外。微波：1毫米-1米。全天候遥感；有主动和被动之分；具有渗透能力；发展潜力巨大。烟台师范大学地理与资源管理学院，遥感原理，3。电磁辐射源、自然辐射源太阳辐射：可见光和近红外的主

5、要辐射源；5900的黑体辐射经常被用来模拟；它的辐射波长范围非常大；辐射烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，太阳辐照度分布曲线，遥感原理，烟台师范大学地理与资源管理学院，太阳和地球辐射电磁波谱，人工辐射源：主动遥感辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。微波辐射源：0.8-30cm激光辐射源：激光雷达用于测量卫星的位置、高度、速度和地形。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理第二节地物光谱特征所有地物都有自己的电磁辐射规律，如电磁波的反射、发射和吸收等特征。少数具有传输电磁波的特性。地面物体的这一特征被称为：地面物体的光谱特征。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，某一波段高反射率地物

6、的反射率、吸收率和透过率较低，为弱辐射源；相反，吸收率高的地面物体的反射率低。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，1。地面物体的反射光谱特征，地面物体的反射率(反射率或亮度系数):地面物体的反射能量和入射能量与某一波段的比值。反射率随入射波长而变化。影响地物反射率的因素：入射电磁波的波长和入射角、表面颜色和粗糙度、遥感原理、烟台师范大学地理与资源管理学院、地物反射率谱：地物反射率随入射波长的变化规律。表面反射光谱曲线：根据表面反射率和波长之间的关系绘制的曲线。地物电磁频谱特征的差异是地物遥感识别的基本原理。不同波段不同地物的反射率存在差异：雪、沙漠、湿地和小麦的光谱曲线，遥感原理，烟台师范

7、大学地理与资源管理学院，传感器探测波段的设计，通过分析和比较地物光谱数据确定。多光谱扫描仪(MSS)波段设计：MSS 1(0.5-0.6m)MSS 2(0.6-0.7m)MSS 3(0.7-0.8m)MSS 4(0.8-1.1m)，遥感原理，烟台师范大学地理与资源管理学院，相似地物的反射光谱相似，但也有差异。不同的植物；植物病虫害的光谱特征具有时空特征。时间特性、空间特性、遥感原理、烟台师范大学地理与资源管理学院、不同植物光谱曲线比较、遥感原理、地理与资源管理学院、植被病虫害、遥感原理、烟台师范大学地理与资源管理学院、时间特性、地面物体发射电磁波的能力通过发射率测量；地面物体的发射率基于黑体辐

8、射。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：黑体的热辐射称为黑体辐射。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，2。地面物体的发射光谱特性，1。功率源：黑体辐射，普朗克定律：黑体发射的辐射量和光谱由其温度唯一确定，马克斯普朗克(1858-1947)1918年诺贝尔奖，来自暖体的短波长峰值发射，波长，3，黑体辐射定律，(1)朗格辐射定律显示黑体辐射通量密度和温度之间的关系，以及根据波长的分布定律。黑体辐射的三个特征(p20)，辐射通量密度随波长连续变化，并且每个曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度下的曲线不同。随着温度的升高，最大辐

9、射值对应的波长向短波方向移动(3)维恩位移定律：维恩位移定律随着温度的升高，最大辐射值对应的峰值波长向短波方向移动。4。地面物体的发射率和基尔霍夫定律，发射率：在相同温度下，地面物体的辐射发射率(每单位面积的总辐射通量)w与黑体w的辐射发射率之比。这也是遥感探测的基础和出发点。影响地物发射率的因素：地物属性、表面条件、温度(比热、热惯性):比热大、热惯性大，具有隔热功能的地物一般发射率高，而发射率低。根据发射率与波长的关系，地面物体分为黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体：发射率小于1，恒定选择性辐射器：反射率小于1，随波长变化。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，基尔霍夫定律：在一定温

10、度下，地面物体单位面积的辐射通量w与吸收率之比对于任何物体来说都是一个常数，等于相同温度下相同面积黑体的辐射通量w。在给定温度下，物体的发射率=吸收率(同一波段)；吸收率越大，发射率越大。地面物体的热辐射强度与温度的四次方成正比，因此地面物体的微小温差会引起红外辐射能量的明显变化。这一特征构成了红外遥感的理论基础。黑体微波辐射任何物体在一定温度下不仅会发出红外辐射，还会发出微波辐射。他们基本相似。然而，微波是低温下地物的一个重要辐射特性。温度越低，微波辐射越明显。微波辐射比红外辐射弱得多，但从技术上讲，它可以被处理和接收。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理黑体辐射的微波功率与温度成正比，与

11、波长的平方成反比。微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间的微波发射率差异比红外发射率明显得多，所以在可见光和红外波段难以识别的地物在微波波段容易识别。(表2-6)，遥感原理，烟台师范大学地理与资源管理学院，6。地物发射光谱，发射光谱：地物发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：根据发射率和波长之间的关系绘制的曲线。岩石发射光谱分析(图2-12)，遥感原理，烟台师范大学地理与资源管理学院，亮度与温度：测量地物辐射特性的重要指标。当物体的辐射功率等于黑体的辐射功率时，黑体的绝对温度就是亮度温度。黑体辐射出与被观察物体相同的辐射能，其温度称为物体的亮度温度。亮度温度和场温度之间的关系总是小于场温

12、度。透射率：透过地面物体的入射光能量占总入射能量的百分比。透射率随电磁波的波长和地面物体的性质而变化。可见光、红外线和微波的透射率。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理；3.地面物体的透射光谱特性；3.大气和环境对遥感的影响；大气的组成和结构对太阳辐射的影响；大气窗口环境对地物光谱特性的影响：遥感原理；烟台师范大学地理与资源管理学院；1.大气成分；大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射和传输。这一特性与波长和大气成分有关。大气成分：它由气体、固体和液体悬浮粒子的混合物组成。大气物质和太阳之间的相互作用1000公里外的星际空间。烟台师范大学地理与资源管理学院，遥感原理，3。大气对太阳辐射的影响，太阳辐射的衰减过程：30%被云反射回来；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。(图2-3)大气透过率公式：透过率与距离、大气的吸收和散射有关。烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，烟台师范大学地理与资源管理学院遥感原理，(1)大气吸收，氧气：小于0.2米；0.155是峰值。紫外波段很少用于高空遥感的原因。臭氧：数量很少，