第二章 遥感的物理基础

第二章 遥感的物理基础第一节 电磁波与电磁波谱电磁波 : 波是振动在空间的转播 机械波：振源发出的振动在弹性介质中的传播如声波、水波、地震波等 电磁波：振源发出的电磁振荡在空间的传播如光波、热辐射、微波、无线电波等 电磁波辐射：电磁能量的传递过程（所发生的辐射、吸收、反射、透射等）称为电磁波辐射。Date 1电磁波的特点 : 横波 在真空中以光速传播 c = 3*108m/s 电磁波具有波的特点：时空周期性可以由波动方程表示： sin(t-kx)+ 电磁波具有粒子性E=H (2-3)P=h/ (2-4)Date 2电磁波的几个波动特性 电磁波的叠加原理 ： 当两列波在同一空间传播时，空间各点的振动就是各列波单独在该点产生的振动的合成。 电磁波的相干性和非相干性 ：当两列 振动方向相同 的具有 固定的相位关系 的电磁波叠加时，在空间会出现某些地方的振动始终加强，另一些地方的振动始终减弱或完全抵消，这种现象叫电磁波的 相干性 。没有 固定相位关系 的两列电磁波叠加时，没有一定的规律可寻，这种现象叫电磁波的 非相干性 。 电磁波的衍射与偏震 ：电磁波传播遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物的后面传播，波的这种现象叫电磁波的 衍射 （绕射）。电磁波在传播的过程中碰到狭缝等障碍时，能通过狭缝的那部分电场的分振动叫电磁波的偏振Date 3 电磁波的多谱勒效应 ：电磁波因辐射源（或观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接收到的频率发生变化向着 接收的频率 原有的频率远离 接收的频率 原有的频率波源波源Date 4电磁波谱 :将各种电磁波在真空中的波长按其长短排列制成的图表称为电磁波谱 .Date 5用于遥感技术的光谱段 :名 称 波 长 范 围紫外 线 0.01-0.38um(0.3-0.38)可 见 光 0.38-0.76um红外线近 红 外 0.76-3um中 红 外 3-6um远 红 外 6-15um超 远红 15-1000um微波 毫米波 1-10mm厘米波 1-10cm分米波 10cm-1m紫 0.40-0.43um蓝 0.43-0.47um青 0.47-0.50um绿 0.5-0.56um黄 0.56-0.59um橙 0.59-0.62um红 0.62-0.76umDate 6电磁辐射源 自然辐射源： 主要包括太阳辐射和地球辐射， 太阳辐射Date 7从太阳光谱曲线可以看出从太阳光谱曲线可以看出 :太阳光谱相当于太阳光谱相当于 6000 K的黑体辐射；的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中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，最大辐射强度位于波长 0.47 m左右；左右；到达地面的太阳辐射主要集中在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；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。各波段的衰减是不均衡的。Date 8 地球的电磁辐射 如图 210 ， page 29 人工辐射源 微波辐射源 :在微波遥感中常用的波段是 0.8 30cm,其微波遥感的特点是： 具有全天候的探测能力 微波对冰、雪和土壤等表层的覆盖物有一定的穿透能力 某些物质的光谱在微波波段有较大的差异 激光辐射源：遥感中常用的波段 0.24um 1000um(1mm)波段名称波长地球辐射的分段特性特性可见光和近红外0.3-3微米地表反射太阳辐射为主中红外3-6微米地表反射太阳辐射和自身的热辐射远红外大于 6微米地表物体自身热辐射为主Date 9第二节 地物的光谱特性 (spectral characteristic )v漫反射 和镜面反射 当一束平行的入射光 线 射到粗糙的表面 时 ，表面会把光 线 向着四面八方反射，所以入射 线虽 然互相平行，由于各点的法 线 方向不一致，造成反射光 线 向不同的方向无 规则 地反射， 这 种反射称之 为 “漫反射 ”或 “漫射 ” 一束平行光射到平面 镜 上 ,反射光是平行的 ,这 种反射叫做 镜 面反射。Date 10v地物的反射光谱特性 当电磁辐射能量入射到地表上时，产生三个过程：反射、吸收、透射PP+P+P (2-6)1= PPo+PPo+PPo (2-7)+=1 (2-8)对于不透明的地物，透射率为零，则+=1 （ 2-9）结论：反射率高的地物，吸收率低；反射率低的地物，吸收率高。Date 11 地物反射率 (reflectivity )： 是地物对某一波段电磁波的反射能量与入射总量之比。用百分数表示。P P 影响地物反射率大小的主要因素：l入射电磁波的波长l入射角的大小l地表颜色与粗糙度Date 12在遥感中的应用：l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。l反射率大，说明地物的反射能力强，在黑白遥感图像上呈现的色调就浅；如白雪。l 反射率小，说明地物的反射能力弱，在黑白遥感图像上呈现的色调就深。如湿地。l 地物的反射率随入射波长而变化Date 13 地物的反射光谱 :将地物的反射率与入射波长的关系绘成曲线。如图 2-11/p31Date 14由此可见： 同一地物在不同波段上的反射率是不同的，因此在不同波段的遥感（黑白）影像上的色调也是不同的。 不同的地物在同一波段上的反射率是不同的，因此在同一波段的遥感（黑白）影像上的色调也是不同的。 一般地说，同类地物的反射光谱是相似的 ,但也随着该地物的内在差异而有所不同。这种不同是由于多种因素造成的，如物质成分、内部结构、表面光滑程度、颗粒大小、几何形状、风化程度、表面含水量、生物量以及色泽等差别 。如如病虫害初期和病虫害中期Date 15Date 16 此外，研究地物的光谱特性，还应考虑其时间特性和空间特性： 时间特性是指同一位置上同一地物，由于时间的推移（如不同季节的水稻），光谱特性的变化。 空间特性是同一类地物，由于所处的地理位置不同（如南北的小麦），光谱特性也不同。所以要建立每个地域典型地物的光谱数据库。 北师大的网站上有光谱数据库 /indexDate 17 地物的反射光谱测量方法： p48样品的实验室测量 ： 使用严格的样品采集和处理过程。室内测量的条件高，所以一般不用。野外测量（采用比较法）： 使用光谱仪分别对准地物和标准板进行测量得到 I物 、 I标。 地物与标准板的测量值（反射辐射亮度）之比就是它们的反射率之比： I物 物 =标 * I标 Date 18v地物的发射 (emission)光谱特性 (一个公式和三个定律 ) 基本概念： 黑体辐射： 绝对黑体 (black body)是指在任何温度下，对于各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于 1的物体。黑体的热辐射称为黑体辐射。B Ta l( , ) = 1Date 19 辐射能 ： 以辐射形式发射、传输或接受的能量（单位焦耳 J） 辐射通量： 单位时间内通过某一面积的辐射能。 辐射通量密度 ： 单位时间通过单位面积上的辐射能量， 单位： w/cm2 or W/m2Date 20 黑体热辐射定律：1、普朗克公式 :描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。2hc2 1W (,T) = （ 2-10） 5 ech/kT-1Date 21黑体辐射的三个特性：通过普朗克公式与实验求出各种温度（ 200K-6000K） 下的按波长分布的黑体辐射曲线。图中虚线代表辐射最大值所在的位置。从图中可以看出三个特性1、 辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。2、 温度越高，辐射通量密度越大。不同温度的曲线是不相交的。3、 随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。Date 222、斯忒藩 -玻耳兹曼定律：如果对 普朗克公式从零到无穷大的波长范围内进行积分，就可以得到全部波长范围内的辐射通量密度。2hc2 1W 0= 0 * d5 ech/kT_1转换成单位面积的总辐射通量：25k4W 0 = T4 = T4 （ 2-11）15c2h2结论：黑体辐射通量密度随温度的增加而迅速增大，与温度的四次方成正比。即温度的微小的变化，也能引起辐射通量密度很大的变化。这就是热红外装置（包括热红外传感器 ） 的理论依据。Date 233、维恩位移定律：从右图中可以看出每个温度的黑体辐射曲线均有一个最大值。若对普朗克公式中的辐射通量密度求波长的偏微分，并求极值，即可得到：W (,T) =0 max T = b （ 2-13） 结论：地物的温度乘以地物最强辐射对应的波长为一常数。遥感应用：已知地物的温度，就可以计算地物最强辐射对应的波长近似值，选择对应波段的遥感图像对地物进行研究。如人体 310K左右，发射电磁波的峰值波长 max b/ T= 9.34m Date 24 地物发射率 (emissivity)和基尔霍夫定律对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领 。Date 25地物发射率 (emissivity)地物的发射率是指地物的辐射通量密度 W与同温度的黑体的辐射通量密度 W黑之比(T, ) = W / W 黑 (2-14)基尔霍夫定律： 在任一温度下，地物单位面积上的辐射通量密度 W和吸收率 之比，对于任何地物都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量密度 W黑W / = W黑 (2-15) = W / W黑 而发射率定义为： = W / W黑 = (2-17)结论：-发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。-另外，地物发射率的差异也是遥感探测的基础和出发点。Date 26W = W黑 = W黑 = (1- )T4 (2-19)遥感应用：地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量较大的变化。这就是红外遥感的理论依据。Date 27 地物发射光谱： 地物的发射率随波长变化的规律叫地物的发射光谱。按地物的发射率和波长的关系绘成的曲线叫地物的发射光谱曲线。图 2-18若干种岩浆岩的发射光谱曲线总结： 要测定地物的发射光谱，首先要测量地物的发射率。然后根据地物的发射率与波长对应关系可以画出发射光谱曲线，测量地物发射率最简单的方法是通过测量地物的反射率来推求地物的发射率（即 =1-）v地物的透射光谱特性：对一定波长的电磁波具有透射能力的地物叫透明地物。而透射率 (transmissivity)就是入射光透射过地物的能量与入射总能量的比。Date 28第三节 大气和环境对遥感的影响v大气结构和成分 大气层传输特性： 大气对通过的电磁波产生吸收、散射、透射的特性称为大气传输特性。 大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度和大气湿度，它们在垂直向上的变化远远大于水平方向上的变化，所以在大气效应纠正中大量假定大气具有水平均一，垂直分层结构。 气压随高度是以负指数形式递减 Date 29 大气结构： 大气层约 1000公里 ，垂直分为四层