遥感的物理基础.ppt

1、遥感原理,第二章 遥感的物理基础,本章主要内容 电磁波与电磁波谱 大气和环境对遥感的影响 地物的光谱特性,遥感原理,第一节 电磁波与电磁波谱,电磁波及其特性 电磁波谱 电磁辐射源 黑体辐射,遥感原理,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（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源发出的电磁振荡在空气中传播。,演示,遥感原理,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:这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。,遥感原理,电磁波的特性 电磁波是横波 在真空中以光速传播 满足：频率与波长的乘

2、积是光速 能量等于普朗克常数h与频率f的乘积 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。,遥感原理,波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性 粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性 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。,遥感原理,二、电磁波谱,电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长或频率,递增或递减排列，则构成了电磁波谱。 在电磁波谱中，波长最长的是无线电波

3、，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。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。,The Electromagnetic Spectrum,More than meets the eye!,Examples from Space!,射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波,Wavelength,The distance from one wave crest to the next Radio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest。,Wavelength units,Meters （米） Mor

4、e commonly in nanometers (1 nm = 10-9 meters) Angstroms （埃） Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths 1 nanometer = 10 Ao,Speed of light = wavelength (l) * frequency = 3 x 108 m/s in vacuum Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1) Frequency in GHz (1 Hz = sec 1),Language of the Energy

5、 Cycle:The Electromagnetic Spectrum,Energy,Wavelength l,Solar Spectrum = Shortwave spectrum =visible spectrum:,Terrestrial Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum = Thermal Spectrum: Sahara Desert on Nimbus 4 Satellite,Theoretical Planck curves: Earth 300K, peak emission 15 mm,Earth Spectru

6、m,Incoming from Sun: High energy、 short wavelength,Outgoing from Earth Low energy Long wavelength,0.5 mm,10 mm,20 mm,Electromagnetic Spectrum,遥感原理,遥感原理,紫外线(UV)：0.01-0.4m，碳酸盐岩分布、水面油污染,摄影紫外。 可见光：0.4-0.76 m，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段,摄影和扫描方式。 红外线(IR) ：0.76-1000 m。近红外0.76-3.0 m,中红外3.0-6.0 m；远红外6.0-15.0 m；超远红

7、外15-1000 m。近红外又称光红外或反射红外（摄影红外)；中红外和远红外又称热红外(扫描方式)。 微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。,2、遥感常用的电磁波波段的特性,遥感原理,三、电磁辐的度量,辐射源 1)自然辐射源 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用6000的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。 地球的电磁辐射：小于3 m的波长主要是太阳辐射的能量；大于6 m的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6 m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。,遥感原理,太阳辐射照度分布曲线,遥感原理,

8、太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射； 太阳辐射的能量主要集中在可见光，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； 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 3.0 m波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外； 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 各波段的衰减是不均衡的。,遥感原理,太阳与地球辐射的电磁波谱,遥感原理,2)人工辐射源：主动式遥感的辐射源。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：激光雷达测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。,遥感原理,2 辐射测量 表征电磁辐射的物理量： 1)辐射能量

9、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 ,辐射能量（Q）的单位是焦耳（J） E=h.f h为普朗克常数，6.63*10-34J/s F为频率。,1/11,遥感原理,2)辐射通量 (radiant flux) ,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,遥感原理,3)辐射通量密度 (irradiance) E、(radiant exitance) M,单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： E辐照度= W / A M辐射出射度= / A,辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）,法向,3

10、/11,遥感原理,4)辐射强度 (radiant intensity) I,辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量： I= / ,辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）,=A/R 2、4 各向同性源？,4/11,遥感原理,5)辐射亮度 (radiance) L,单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度： L= / A ,辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米微米球面度（W/m m Sr）,图中出射辐射亮度是多少？,6/11,遥感原理,小 结,辐 射 度 量 一 览 表,7/11,遥感原理,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

11、黑体辐射作为参照标准。 黑体：在任何温度下，对任何波长的电磁辐射都全部吸收,则 这个物体是绝对黑体 。 黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。黑色烟煤 恒星太阳,四、黑体辐射,3、黑体辐射定律,(1)普朗克热辐射定律 表示出了黑体辐射出射度与温度的关系以及按波长分布的规律。,M,-1,遥感原理,黑体辐射的三个特性( p20 ),辐射出射度随波长连续变化，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。,(2)斯忒藩-玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmanns la

12、w 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，就会引起辐射出射度很大的变化。,地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成是红外装置测定温度的理论基础。 。,M,-1,(3)维恩位移定律：Wiens displacement law 随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长与黑体绝对温度成反比. 即其曲线峰顶向短波方向移动。,绝对黑体温度与最大辐射所对应波长关系,4、实际物体的辐射 基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量M和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度

13、下同面积黑体辐射通量M 0。,M/=M0,4、实际物体的辐射,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与同温下同波长黑体辐射出射度M黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。 M/M0=,在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）； 吸收率越大，发射率也越大。,M/M0=,M/=M0,遥感原理,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。,表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。 地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水

14、体夜晚发射率大，白天就小。,遥感原理,探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是不同的。 热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。,遥感原理,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(grey body)：发射率小于1，常数 选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。,遥感原理,第三节 大气和环境对遥感的影响,大气的成分和结构 大气对太阳辐射的影响 大气窗口 环境对地物光谱特性的影响,遥感原理,一、大气的成分和结构,大气的传输特性：大气对电磁波的反射、吸收、散射和透射的特性

15、。这种特性与波长和大气的成分有关。 大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。 大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。,遥感原理,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，O3，H2O，CO2，CO，CH4， 悬浮微粒：尘埃,一）、大气成分,遥感原理,二）、大气的结构（垂直分布） 对流层 ：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。 平流层：较为微弱。 电离层：（中间层、热层散逸层）温度随高度增加而递减。卫星的运行空间。 大气外层：1000公里以外的星际空间。,遥感原理,从地面到大气上界，大气的结构分层为： 对流层：高度在7

16、12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。 平流层：高度在1280 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高(暖层)，以上为冷层。 电离层：高度在801 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层：100035 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响，静止卫星。,二）、大气结构,遥感原理,二 、大气对太阳辐射的影响,太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；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、

17、散射有关。 吸收、散射是太阳辐射衰减的主要原因。,遥感原理,遥感原理,（一）大气的吸收作用,氧气：小于0.2 m；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，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。,遥感原理,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）。,遥感原理,Absorption of EM energy by the atmosphe

18、re,遥感原理,（二）大气的散射作用,散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向，不能转变为内能；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。 大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。,Scattering of EM energy by the atmosphere,遥感原理,三种散射作用,瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。d 散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外

19、线散射的1万倍。 波长越长，散射越弱。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。晴空兰色，日出日落橙色？ 多波段中不使用蓝紫光的原因？,遥感原理,遥感原理,米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。 d ，散射率与波长的二次方成反比 云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对红外线的米氏散射不可忽视。 无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。d 水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。 云雾为什么通常呈现白色？,Non-Selective scatter of EM ra

20、diation by a cloud,遥感原理,三、大气窗口,1、大气窗口：电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射，透射率较高的波段。 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：,遥感原理,折射现象: 大气的反射: 大气窗口:太阳 辐射经过大气传输后,主要是反射 吸收 和散射的共同影响衰减可辐射强度.,常见的大气窗口：,遥感原理,第四节 地物的光谱特性,任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。 同时任何高于绝对零度的物体都能惊醒热辐射,具有发射红外线微波的特性 地物的这种特性称为：地物的光谱特性。,遥感原理,太阳辐射与地物的作用

21、,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。,遥感原理,一般而言，绝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。,遥感原理,地物的反射率、吸收率和透射率 对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射

22、体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低（非透明物体）。,1地物的反射光谱特性,遥感原理,地物的反射率（ 反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。 =(P/ P 0)100%。 影响地物反射率大小的因素： 入射电磁波的波长 入射角的大小 地表颜色与粗糙度和湿度等有关。,遥感原理,地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。 地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。 地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。 2)不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、 沙漠、湿地、小麦的光谱曲线,遥感原理,遥感原理,同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。不同植物；植物病虫害 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。 时间特性 空间特性,遥感原理,遥感原理,不同