福师《遥感导论》第二章课堂笔记.ppt

第2章 电磁辐射与地物光谱特征,2.1 电磁波谱与电磁辐射,波 振动的传播称为波 纵波 质点振动方向与波的传播方向相同 横波 质点振动方向与波的传播方向垂直 电磁波 电磁振荡在空间的传播是电磁波 电磁波谱 按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减排列，则构成了电磁波谱。,电磁波谱,电磁波谱,现在用人工方法产生的电磁波的波长，长的已经达几千米，短的不到一百万亿分之一厘米，覆盖了近20个数量级的波段。电磁波传播的速度大，波段又如此宽广，已成为信息传递的非常有力的工具。 电磁波的性质决定了传感器的类型，或者说各种传感器是为接受不同特性的电磁波而设计的。例如，可见光可以使摄影胶片感光，而经过箐类染料增感的胶片，更可以将感受波长延伸到近红外波段的1.1m左右。,电磁波的性质,电磁波具有波粒二象性，并同时满足： fc Ehf 式中:f频率； 波长； c光速，c=3108m/s E能量，单位J; h普朗克常数， h=6.62610-34J/s;,光或电磁波可以为物质所发射、吸收、反射、折射、透射和散射。 反射率、吸收率、透射率 当所研究的物体或空间的大小远大于光波的波长时，光可以当作沿直线行进的光线来处理； 但当研究深入到现象的细节，其空间范围和光波波长差不多大小的时候，就必须要考虑光的波动性。 而研究光和微观粒子的相互作用时，还要考虑光的粒子性。,与电磁波有关的重要概念,电磁波是横波（质点振动方向与波的传播方向垂直的一类波动） 电磁波有偏振现象 电磁波在真空中以光速传播(C=300000km/s) 光波是电磁波的一部分，也是最早研究的电磁波。可由实验证明电磁波的性质与光波的性质相同 在近代物理中，电磁波也称为电磁辐射。辐射能量的强弱可以用一些物理量表征。,电磁辐射的度量,辐射源（温度高于绝对零度的物体） 辐射度量 辐射能量W ：电磁辐射的能量；单位J 辐射通量 ：单位时间通过某一面积的辐射能量，=dw/dt， t为时间；单位W 辐射通量密度E：单位时间通过单位面积的辐射能量， E=d/ds ，S为面积； 单位W/m2 辐照度I：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量， I= d/ds ；单位W/m2 辐射出射度M：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M= d/ds （单位W/m2）,以上定义的、E、I、M各量，都是辐射源面积很小，在讨论的问题中可以当做点源来看待的情况。但实际的辐射源经常不是点源。 当讨论的问题必须考虑源的延展度时，这种源被称为“面源”或“扩展源”，其辐射能量的强弱常以“辐射亮度”表征,辐射亮度（L）,辐射亮度L：又称辐射率，某面辐射源在某一方向单位投影表面，单位立体角内的辐射通量 L=/（Acos） 单位：W/srm2(瓦/球面度平方米) 式中： 辐射方向的立体角(=S/R2,S为与球半径垂直的上某小面元的面积，R为该面元处的球半径)，单位是球面度，无量纲；A 扩展源的面积；观察角 在成像系统中，成像面上的照度或输出信号与物体的辐射亮度成正比。 朗伯源：辐射亮度与观察角无关的辐射源,L=/（Acos） 单位：W/(srm2) 式中： 辐射方向的立体角(=s/r2,s为辐射波球 面上某小面元的面积，r为该面元处的球半径) A 扩展源的面积 观察角,辐射亮度,在成像系统中（黑白），辐射亮度表现为图像的亮度值（或称灰度值），二者成正比关系。 在测量物体的反射能量大小时经常套用用辐射亮度的概念，称为反射亮度，更经常简称亮度。 记录物体反射能量的影像（例如可见光各波段的影像），其亮度值与反射亮度（亮度）成正比。 根据各波段图像亮度（灰度），并结合实际地物在该波段上辐射或反射特性，可反推图像是什么地物这是利用遥感图像判断地物的最基本思路。 在某一波段上不同地物经常会有相同的亮度值，因此要用几个波段的组合来区分不同地物。,光谱吸收系数和光谱反射系数,光谱吸收系数 物体在一定温度下一定波长范围内吸收能量与入射能量之比。 光谱反射系数 物体在一定温度下一定波长范围内反射能量与入射能量之比。 不透明物体上光谱吸收系数与光谱反射系数之和恒等于1,黑体,在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（即全部吸收）的物体称为“绝对黑体”，简称“黑体”，也称“普朗克辐射体”。 理想黑体是不存在的，它只能由实验室模拟：一个由低反射材料制成的带小孔的恒温空 腔，这个小孔可以被视为黑体。 黑色的煤烟吸收率接近黑体（吸收 系数接近0.99），被认为是最接近 黑体的自然物质。 黑体在遥感中的应用：经常在辐射量测量仪器上用作热辐射的绝对校准源或参考源。,与黑体有关的重要术语和定律,朗伯源：辐射亮度L与观察角无关的辐射源称为“朗伯源”。朗伯源在各个方向上辐射率都相同。实验上常用涂有氧化镁的表面（俗称“白板”）近似表示朗伯源；自然界里，一些粗糙的表面也可近似看作朗伯源。 灰体：对于各种波长的电磁波，吸收系数为常数（即吸收系数与波长无关）的物体称为“灰体”。其吸收系数介于0与1之间。 选择性辐射体：发射本领随波长的变化而变化的物体。这类辐射体的辐射频谱曲线有明显的最大值和最小值，大多数金属，特别是金属氧化物及其它一些化合物属此类辐射体。,黑体辐射,普朗克辐射公式：描述绝对黑体的光谱辐射出射度与温度、波长关系的定律。该定律的基本公式为： M（，T）2hc25(ehc/kT-1)-1 式中：c 真空中的光速； h 普朗克常数，h6.6261034 (J /s) k 波尔兹曼常数，k1.3806 1023 (J /K) M 辐射出射度。 该公式解释了实验室给出的黑体辐射能量分布曲线。由它可以导出斯忒藩波尔兹曼定律、维恩位移定律等。,斯忒藩波尔兹曼定律：绝对黑体的总辐射出射度与温度的4次方成正比。定律的数学式为： M(T)T4 式中为斯忒藩波尔兹曼常数， 5.67108 （w/(m2K4）) 该定律说明，当绝对黑体的温度增加1倍时，其总辐射出射度将增加为原来的16倍。,黑体辐射能量分布曲线,维恩位移定律：黑体的光谱辐射出射度极值对应的波长max与温度T成反比。定律的数学式为： max T b 式中b为常数，b2.897103（mK） 该定律反映出，随着黑体温度的升高（或降低），max向短波（或长波）方向偏移。,实际物体的辐射,基尔霍夫定律：物体的光谱辐射出射度与吸收系数之比，和物体本身的性质无关，是波长、温度的普适函数。该定律反映在一定温度下的物体，如它对某一波长的辐射有强吸收，则发射这一波长辐射的能力亦强；若为弱吸收，则发射亦弱。由此可知，只要确定物体的温度和吸收系数，就可以确定物体的热辐射强度。 M1/1=M2/2=I i是一定温度一定波长内的吸收系数，也叫比辐射率或发射率，记做，表示实际物体与黑体辐射之比。此时，基尔霍夫定律可写做 M=M0,基尔霍夫定律 实际物体的辐射 黑体温度和波长，吸收系数（比辐射率、发射率）,石英的辐射曲线,2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响,太阳辐射能量分布 太阳辐射经过大气后的变化 变化情况 变化原因,遥感信息传递实际是电磁辐射能量 在相互关联的四个实体间的传递,能源（太阳、地球、传感器） 大气（环境） 目标物特性 传感器,能源太阳,太阳辐射是遥感最常用的能源之一。 研究地球表面接收的太阳辐射强度常用两个量表征。 （1）太阳常数 用以表示太阳总辐射能量。 太阳常数是距离太阳为日地平均距离（1天文单位1.4960108km）时，在大气上界，垂直于太阳光线的单位面积上，单位时间从太阳接收到的辐射能量总值，通常此值取为：1.360*103W/m2,（2）太阳光谱 用以表示太阳辐射能量按波长的分布情况。 太阳光谱辐照度指投射到单位面积上的太阳辐射通量密度，该值随波长不同而异，表示为太阳辐照度分布曲线。 太阳表面（光球）发出的连续光谱，近似于5800K的黑体辐射。 由于太阳大气的吸收，该曲线具有不连续性，这种太阳光谱中的吸收线称为“夫琅和费谱线”。这些吸收谱线与太阳大气中的化学成份一一对应。,太阳辐照度分布曲线,图中显示了太阳辐射能量的分布情况，比较大气上界和海平面上的太阳辐照度，可见由于地球大气的吸收，在红外波段形成若干个吸收带。,太阳辐射各波段能量分布,太阳辐射随高度角变化,辐照度随高度角的变化,斜射时辐照度计算公式,大气影响对太阳辐射的影响,大气吸收作用 大气散射作用 大气反射作用 大气折射作用 大气透射作用 大气辐射作用,大气垂直分层,大 气 组 成 与 垂 直 分 层,大气主要成份,大气吸收作用,与大气吸收相关的两个因子： 大气的物质成分 电磁波波长 大气吸收带：不能穿过大气的某些电磁波波长区间，如在0.7-2.5m处的3个相间的水汽吸收带。,大气吸收谱,大气吸收谱,主要大气吸收带,水的吸收带：2.5-3.0、5-7、0.94、1.13、1.38、1.86、3.24、24以上 二氧化碳的吸收峰：2.8、4.3 臭氧：0.2-0.32、0.6、9.6 氧气：小于0.2、0.6、0.76,大气窗口,大气窗口：也叫“大气透射带”，指能透过大气的电磁波连续区。遥感中的常用大气窗口如下： (1) 0.3-1.3m，可见光、部分紫外和近红外； (2) 1.5-1.8和2.0-2.5m，部分近红外； (3) 3.5-5.5m，中红外； (4) 8-14m，远红外； (5) 0.05cm的微波；常用波段有0.8-2.5、3、5、10cm。,大气散射作用,大气散射指电磁辐射在大气中传输时偏离其初始方向，并向各个方向散开的现象。 散射元：指大气分子密度差异、大气中悬浮的微小水滴、固体微尘。 由“米氏散射理论”给出的散射元直径d、辐射波长与散射能量I间的关系： (1) d时，I4 瑞利散射 (2) d =时，I2 米氏散射 (3) d =1.5时，I1 米氏散射 (4) d2时，I与无关 无选择散射,瑞丽散射,对波长较短的可见光作用强 蔚蓝色的天空 朝霞和夕阳红,米氏散射和无选择性散射,米氏散射 方向性明显，向前的散射更强，对红外线影响大,无选择性散射 散射与波长无关 云雾呈白色,大气分子、原子瑞利散射可见光、近红外，可见光最强 大气微粒米氏散射近紫外至红外，近红外最强 云层中的小雨滴对微波是瑞利散射但能量很小故微波可穿云透雾；对可见光是无选择性散射且云层越厚散射越强,总结,大气反射作用,反射过程主要发生在云层顶部，反射程度取决于云量大小和云层厚度。 如果不是为了研究云层，一般会避开有云的天气以消除大气反射的影响。,大气辐射作用,温度高于绝对零度的物体都会向外辐射能量，大气也不例外。 大气自身辐射主要为波长约10m的热红外辐射。 如果研究的是该波长信息，则要考虑遥感信息中是否叠加了大气辐射的影像。,大气折射作用,也称“大气折光作用”。 因为大气层密度随高度增加而逐渐减小，光线经过这种密度渐变的介质时，会由于折射作用而发生弯曲。在航空摄影中，表现为使记录在感光介质上的像点发生远离中心点方向的偏移。,大气折射： =0时，R=0 =45时，R=1 =90时，R=35,大气透射的定量分析,大气对太阳辐射的总透射率T,大气厚度与大气质量对透射量的影响,透过大气达到地面的太阳辐射,粗略算，31%说反射30%、散射22%、吸收17%，到达地面为太阳总辐射的31%。 稍精确，45%说臭氧吸收3%、云层反射25%，其它气体吸收19%、地面反射8%，其余45%地表吸收。 实际情况非常复杂，要具体情况具体分析,作为地物信息载体的电磁波： 到达传感器的地物反射太阳辐射、到达传感器的地面辐射、到达传感器的回波。 对地物信息起干扰作用的电磁波： 到达传感器的大气散射、大气反射、大气辐射，其中大气散射是最主要的干扰。,2.3 地球辐射与地物波谱,太阳辐射 与地表的 相互作用,太阳与地表辐射的电磁波谱,地球辐射的分段性,(这里的地球辐射指传感器接收到的从地球 方向来的辐射、反射、散射等能量),地表自身热辐射规律,一天内地表附近的温度变化,M0黑体辐射出射度，M实际物体辐射出射度，T为地表温度，为波长,各类 岩浆 岩的 比辐 射率,地物反射波谱特征,到达地面的太阳辐射 =反射能量+吸收能量+透射能量,吸收（非遥感信息） 透射（非遥感信息）,地面反射的太阳辐射是遥感的主要信息源,反射率,镜面反射：入射波=反射波， 入射角=反射角 漫反射：某一方向的反射率 朗伯面：反射亮度是常数 实际物体反射 反射亮度公式,反射,方位角,天顶角,一种物质所产生的自身辐射（发射），或对外来辐射所产生的反射和透射，形成了该物质的一种特别标识：波谱特征（spectral feature）。 在可见光与近红外波段（0.38-2.5m），地表物体的自身热辐射几乎为零；而且在这些物体中，对外来辐射能产生透射作用的只有清澈水体等少数几种。所以，从遥感应用的角度，对遥感波谱特征的研究主要集中在对地物反射波谱特征的研究。,同一物体对不同波长的电磁波有不同的反射系数，这种反射系数随波长的变化特征称为该物体的反射波谱特征（reflectance spectral feature），这种特征的图示表达称为反射波谱曲线，根据不同地物反射波谱曲线的差异可以区分这些地物。,反射波谱：地物反射率随波长变化的规律 传感器获取的地物反射数据与地物波谱比较就能判断地物,绿色植物反射波谱曲线,三种土壤的反射波谱曲线,影响土壤反射率的主要因素： 颗粒大小 有机质含量 含水量,不同叶绿素浓度的海水波谱曲线,几种岩石的反射波谱曲线,图中所示是松林、草地、红砂和泥浆水域的反射波谱曲线。由图可见，泥浆水域在整个可见光和近红外波段范围的反射率都很低，红砂在可见光的大部分波长范围具有较高的反射率，但它在近红