2-物理基础教学课件

1、定量遥感,首都师范大学 资源环境与旅游学院,教师：谢东海,1.1 基本概念 1.1.1 表征电磁辐射的物理量 1.1.2 电磁波与介质的相互作用 1.1.3 物体表面的反射特性 1.1.4 遥感数据定标 1.2 遥感建模系统,1、绪论,数字值: DN，Digital Number。 早期的遥感统计系统总是利用DN值来直接估计地表特征变量。 DN是量化得到的整数，不是一个物理量。典型的为 612 bits。,数字值,立体角（ ）描述辐亮度的方向性。,立体角,平面角,立体角,立体角,立体角经常用极坐标系下的天顶角和方位角来表示。,辐射能量 Q,电磁辐射是具有能量的，它表现在： 使被辐照的物体温度升

2、高 改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动 ,辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）,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： =Q/ t,辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）,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= / A M辐出度= / A,辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）,法向,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

3、是瓦/球面度（W/Sr）,=A/R 2、4 各向同性源？,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？,小 结,辐 射 度 量 一 览 表,太阳辐射,太阳发射的电磁辐射（辐照度）在地球大气顶层随波长的分布称为太阳光谱。,极大值位于0.47m，维恩位移定律maxT=2.897810-3mK，色温Tsun?,Wiens displacement law,夫琅和费(Fraunhofer)吸收线,太阳常数,在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单位面积

4、上的太阳辐射通量称为太阳常数。 F0 = 1353(21) W/m2 (1976, NASA),上式中太阳常数是对太阳光谱的积分。太阳对地球的张角很小(9)，因此太阳光可以认为是平行光束。太阳总辐射和表面辐出度分别是多少？,左图大气顶的通量密度为 F = F0(dm/d)2cos0,0.9674(dm/d)21.0344,通量密度很多时候简称通量,太阳常数与太阳辐射亮度,L = / A F = / A ,太阳光是平行光入射，即只在0方向存在亮度，注意到公式：,因此，太阳的辐射亮度与0方向上的辐射通量（即太阳常数）之间的关系为：,L0=(,0)F0,等式两边单位一样吗？,各向同性辐射时亮度与通量

5、的关系,假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度在各方向分布均一，则其垂直地表向上的辐射通量为：,通量密度针对垂直穿过某个平面的量，为半球积分。,由于d = d/r2 = sindd 因此：,基本辐射量总结：,表征辐射的物理量很多：能量、通量、密度、强度、亮度，以及谱（分谱）,需要注意的是： 文献中的称谓不尽相同，关键看单位 最重要的是密度（通量）和亮度 凡是涉及面积的都要注意使用法向面积，即cos,1.1 基本概念 1.1.1 表征电磁辐射的物理量 1.1.2 电磁波与介质的相互作用 1.1.3 物体表面的反射特性 1.1.4 遥感数据定标 1.2 遥感建模系统,电磁波的散射和吸收,当电磁波在介质

6、中传播时，会发生散射 (scattering)和吸收(absorption)，其中散射又 分为反射(reflection)和透射(transmission)。,吸收使电磁波强度减弱,在热红外和微波区域，还存在介质自身发射的电磁波，增强电磁波强度。,反射与透射区别在于电磁波出射的方向：2？,反射率 ,以比例形式表征的反射辐射强度，反射率为 反射辐射（亮度）与入射辐射（亮度）之比： = Lr / Li,透射率？ 吸收率？ 反射率、透射率、吸收率之间的关系： + + = ？（介质有无发射是不同的）,光谱反射率 ,由于物体自身成分和结构特点，对于不同波长 的电磁波有选择性的反射。,例如绿色植物的叶子由

7、上表皮、叶绿素颗粒组成的栅 栏组织和多孔薄壁细胞组织构成。入射的太阳辐射透 过上表皮，蓝、红辐射能被叶绿素吸收进行光合作用； 绿光也吸收了一大部分，但仍能反射一部分，所以叶 子成绿色；而近红外辐射可以穿透叶绿素，被多孔薄 壁细胞组织所反射。因此，在近红外波段上形成强反 射。,波长与穿透性的关系？,地物反射光谱特性,物体反射率随波长而改变的特性称为地物反射 光谱特性。,光谱曲线： 植物？ 水体？ 土壤？ 云？雪？ 水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？,地物波谱（特性）,电磁波与介质的相互作用总结：,率：以比例形式表征的反射、透射和吸收强度 与入射辐射强度无关 + + = 1（无自身发射）,

8、光谱、地物光谱特性,1.1 基本概念 1.1.1 表征电磁辐射的物理量 1.1.2 电磁波与介质的相互作用 1.1.3 物体表面的反射特性 1.1.4 遥感数据定标 1.2 遥感建模系统,物体表面的反射辐射,物体表面对电磁波的反射有三种形式： 镜面反射(mirror reflection) 反射能量集中在一个方向，反射角=入射角 漫反射(diffuse reflection) 整个表面都均匀地向各向反射入射光称为漫反射 方向反射(directional reflection) 介于漫反射和镜面反射之间，各向都有反射， 但各向反射强度不均一。,镜面反射,漫反射,方向反射,L.Rayleigh提出

9、表面为光滑或粗糙的 标准为： 当 为光滑表面 当 为粗糙表面,镜面反射,折射定律（斯涅耳 Snell 定律）表征了入射角与折射角的关系： n1sini = n2sint 其中n为折射系数。,如果界面相对入射波长而言非常光滑（ 界面粗糙度），则反射是镜面的。,根据菲涅耳公式（此处省略），当i+t=/2时，垂直极化波出现零反射点，即反射波中没有垂直极化的偏振波，因此用镜面反射的方法可以得到线偏振波束。此时的入射角称为起偏角，又称为布儒斯特（Brewster）角：p = tan-1(n2/n1),若入射辐射无偏振，反射辐射通常是偏振的。 水与空气间的相对折射率n2/n1=1.3，对应的布儒斯特角约为

10、？,入射光为非偏光，在Brewster角时的反射,漫反射,实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗糙表面。当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的中心的2空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。漫反射又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。,严格讲自然界中只存在近似意义下的朗伯体。只有黑体才是真正的朗伯体。,回忆辐射亮度：L= / A ,关于天顶角在表述辐射中的作用： 若辐射亮度为L0的辐射，以入射角0，辐射到物体表面， 则入射辐射亮度Li为：L i= L0cos0,设朗伯体反射率为，则出射辐射亮度Lr与L0关

11、系为？ 亮度与通量的关系？,方向反射,介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射，也称非朗伯反射。产生方向反射的物体在自然界中占绝大多数，即它们对太阳短波辐射的散射具有各向异性性质。当遥感应用进入定量分析阶段，我们必须抛弃“目标是朗伯体”的假设。,目前大部分应用还都采用朗伯近似。 描述方向反射不能简单用反射率表述，因为各方向的反射率都不一样。,地物波谱特征与方向谱特征,对非朗伯体而言，它对太阳短波辐射的反射、散射能力不仅随波长而变，同时亦随空间方向而变。 所谓地物的波谱特征是指该地物对太阳辐射的反射、散射能力随波长而变的规律。地物波谱特征与地物的组成成份，物体内部的结构关系密切，通俗讲地物波谱特

12、征也就是地物的颜色特征。 而地物的方向特征是用来描述地物对太阳辐射反射、散射能力在方向空间变化的，这种空间变化特征主要决定于两种因素，其一是物体的表面粗糙度，它不仅取决于表面平均粗糙高度值与电磁波波长之间的比例关系，而且还与视角关系密切。,双向反射率分布函数 (Bi-directional Reflectance Distribution Function, BRDF),设波长为，空间具有分布函数的入射辐射，从 (0，0) 方向，以辐射亮度L0 (0，0，)投射向点目标，造成该点目标的辐照度增量为dE (0，0，) = L0 (0，0，) cos0 d。传感器从方向(，)观察目标物，接收到来自

13、目标物对外来辐射dE的反射辐射，其亮度值为dL (，)。,则定义双向反射率分布函数 ：,双向反射率分布函数（BRDF）的物理意义是：来自方向地表辐照度的微增量与其所引起的方向上反射辐射亮度增量之间的比值。,对于理想漫反射体（指反射率为100%的朗伯体）：,对于反射率为的朗伯体，f=?,这样定义的BRDF为什么可以恰当地表达地物的非朗伯体特性呢？ 众所周知，在现实世界中投射到地物表面上的辐射能量往往有两部份组成，即来自太阳的直射辐射与天空散射辐射，而传感器在方向上测得的辐射亮度是空间入射辐射场的综合效应，它不仅与该点地物的反射特性有关，而且与辐射环境（即入射辐射亮度的空间分布函数）有关。 （为了

14、摆脱辐射环境的影响，我们采取两个措施：其一，设定入射辐射场为分布函数，其二，采用比值形式。）,这样定义的 f 有如下三个特点：,与辐射环境无关，它仅与该地物的反射辐射特性有关，并且具有的 (Sr)-1 因次。 它是0，0， ， 五个自变量的函数，在2空间中无论是入射还是反射均有无穷多个方向。（从概念上说要完整地表达一个物体的非朗伯体特性需要有无穷多个测量数据，而且这组无穷多个测量数据仅与一个具体对象相联系，例如对某一棵树的BRDF测量结果一般不同于对另一棵树的测量结果。实际上它使得对物体的非朗伯体的描述几乎成为不可能。所以重要的问题是能否对一类地物建立一种模型，从无穷多个测量数据集中找到一组个

15、数有限的子集，它足以表征这类地物共同的对入射辐射的反射、散射特性，并且它与这类地物的空间结构特征有着稳定的函数关系，我们把这样的特殊子集称之为这类地物的方向谱。 ） 这样定义的BRDF，虽然从理论上能较好地表征地物的非朗伯体特性，但在实际测量上困难较大，精确测量dE (0，0，)很困难。,双向反射率因子(Bi-directional Reflectance Factor, BRF、BDRF),定义：在相同的辐照度条件下，地物向(，)方向的反射辐射亮度与一个理想的漫反射体在该方向上的反射辐射亮度之比值，称为双向反射率因子R：,待测目标,参考板,对于双向反射率因子（R）的性质，我们应注意到：,我们

16、在给出BRF的定义时，并没有对辐射环境作任何限定，严格讲R值不仅取决于目标物的非朗伯体特性，而且还与辐射环境有关。因此它并不是一个理想的描述地物非朗伯体特性的物理量。 R与 f 有原则上的不同，两者的量纲亦不相同，这充分地表明了它们的区别。,如果入射（）光源对目标物所张的立体角0，以及传感器对目标物所张的立体角都趋于无穷小，则：,当0与趋近无穷小时，在数值上R为f的倍，这为测定目标物的f值提供了一条现实可行的通道。,半球反射率（albedo）,定义：目标物的出射度与入射度之比值称为半球反射率，通常用符号表示,在某些问题中我们并不需要知道辐射亮度值及其空间分布，而只需要知道辐射通量密度值，比如在

17、求解辐射热平衡问题中，或者在讨论作物光合作用强度问题时都是如此。,半球透射？,严格讲要求解出射度（M），必须对2空间的L值进行积分，这几乎是不可能的。因为从个别方向的BRDF的测值中，我们无法判断目标物在2空间中的反射辐射行为，因此也无法由积分求得半球反射率。 目前流行的目标物的半球反射率的测量方法，实际上只是视角取天底角条件下的BRF。如果用此值代替严格意义下的半球反射率，其误差有时可以高达45%。,方向-半球反射率,反射特性总结：,1.1 基本概念 1.1.1 表征电磁辐射的物理量 1.1.2 电磁波与介质的相互作用 1.1.3 物体表面的反射特性 1.1.4 遥感数据定标 1.2 遥感建

18、模系统,辐射定标（calibration）定义,辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度（DN）值，转换成实际的物理量（如辐射亮度、反射率等）。,通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后，将其转为灰度值进行存储，是为了节省空间。,Landsat TM: 0-255 NOAA AVHRR: 0-1023,但是，当我们开展定量分析的时候，就必须重新将其转换回实际物理量。,L = a*DN + b,定标过程一般采取线形公式进行转换：,a(gain)、b(offset)通常可以从遥感数据头文件读出,线形定标公式,F = F0(dm/d)2cos0,回忆大气顶的通量密度为：,各向同性反射时亮度与通量的关系： M= LS,辐射亮度定标与反射率定标转换,传感器数据（图象灰度值）经过定标后可以直接得到地表的辐射亮度，设为Ls，如何得到反射率？,因此可以计算得到（大气顶部）反射率：,以及半球反射