遥感物理基础ppt课件

1、第二章 遥感的物理根底遥感技术是建立在物体电磁波辐射实际根底上的。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才能够运用遥感技术探测和研讨远间隔的物体。了解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的根底。 本章主要引见遥感的物理根底，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。 本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。第一节 电磁波谱与电磁辐射 (1) 电磁波与电磁波谱 (2) 电磁辐射的度量 (3)

2、 黑体辐射 1电磁波与电磁波谱n电磁波电磁波 n 交互变化的电磁场在空间的传播。交互变化的电磁场在空间的传播。n描画电磁波特性的目的描画电磁波特性的目的n 波长、频率、振幅、位相等。波长、频率、振幅、位相等。n电磁波的特性电磁波的特性n 电磁波是横波，传播速度为电磁波是横波，传播速度为3 3108 m/s108 m/s，不需求媒质也能传播，与物质发生作用时会不需求媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵照同一有反射、吸收、透射、散射等，并遵照同一规律。规律。n n 电磁波谱n 按电磁波波长的长短，依次陈列制成的图表叫电磁波谱。n 依次为：n 射线X射线紫外线可见光红外线

3、微波无线电波。n n 1电磁波与电磁波谱 目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理讨论的主要内容。电磁波谱v紫外线：波长范围为紫外线：波长范围为0.010.010.38m0.38m，太阳光谱中，太阳光谱中，只需只需0.30.30.38m0.38m波长的光到达地面，对油污染敏波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在感，但探测高度在2000 m2000 m以下。以下。v可见光：波长范围：可见光：波长范围：0.380.

4、380.76m0.76m，人眼对可见光，人眼对可见光有敏锐的觉得，是遥感技术运用中的重要波段。有敏锐的觉得，是遥感技术运用中的重要波段。v红外线：波长范围为红外线：波长范围为0.760.761000m1000m，根据性质分为，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。近红外、中红外、远红外和超远红外。v微波：波长范围为微波：波长范围为1 mm1 mm1 m1 m，穿透性好，不受云雾，穿透性好，不受云雾的影响。的影响。遥感运用的电磁波波谱段BACKn近红外：近红外：0.760.763.0 m3.0 m，与可见光类似。，与可见光类似。n中红外：中红外：3.03.06.0 m6.0 m，地面常温

5、下的辐射波，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。长，有热感，又叫热红外。n远红外：远红外：6.06.015.0 m15.0 m，地面常温下的辐射，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。波长，有热感，又叫热红外。n超远红外：超远红外：15.015.01 000 m1 000 m，多被大气吸收，多被大气吸收，遥感探测器普通无法探测。遥感探测器普通无法探测。红外线的划分2电磁辐射的度量1、辐射丈量radiometry，以伽玛射线到电磁波的整个波段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。2、光度丈量photometry，由人眼的视觉特性规范光度察看评价的物理辐射量的测定，其度量单位见

6、下表。BACK3黑体辐射n 绝对黑体n 假设一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部吸收即吸收系数恒等于1，那么这个物体称为绝对黑体。n 黑体辐射特性n 1黑体辐射出射度随波长延续变化，每条曲线只需一个最大值。n 2温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大，不同温度的曲线是不相交的。绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的4次方成正比。斯忒藩玻尔兹曼定律n 3黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。维恩位移定律。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。n n n n n 实践物体的辐射n 对于实践物体，都可以看作辐射源。假设物体的吸收身手大，它的发射身手也大，即越接近黑体辐射。实践

7、物体的辐射比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同。n n n BACK第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响 (1) 太阳辐射 (2) 大气作用 大气的层次与成分 大气吸收 大气散射 大气窗口 大气透射的定量分析接纳预处置用户运用途置分析结果、图表输出n太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如下图。太阳辐射曲线如下图。n从太阳光谱曲线可以看出从太阳光谱曲线可以看出()：n太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位天文

8、单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。1.360103W/m2太阳辐射BACKn大气物理情况的物理量普通有气压，大气温度和大气湿度它们在垂直方向上的变化远远大于程度方向上的梯度，所以在大气效应纠正中大量假定大气具有程度均一，垂直分层构造。n气压随高度是以负指数方式递减。大气层次与成分大气层次 大气厚度约为大气厚度约为1000km,1000km,从地面到大气上界，可垂直分为从地面到大气上界，可垂直分为4 4层：层：对流层：高度在对流层：高度在7 712 km,12 km,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变化频繁，航空遥

9、感主要在该层内。温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而变化。上界随纬度和季节而变化。平流层：高度在平流层：高度在121250 km50 km，没有对流和天气景象。底部为同温层航空遥感活动层，同温层以上为暖层，没有对流和天气景象。底部为同温层航空遥感活动层，同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在电离层：高度在50501 000 km1 000 km，大气中的，大气中的O2O2、N2N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星受紫外线照射而电离，对遥感波段是透

10、明的，是陆地卫星活动空间。活动空间。大气外层：大气外层：80080035 000 km ,35 000 km ,空气极稀薄，对卫星根本上没有影响。空气极稀薄，对卫星根本上没有影响。O3n臭氧主要分布在1050km的平流层大气中，极大值出如今2025km处，对流层中的臭氧含量不到非常之一。n臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地域6070区域内到达极大值。n70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但随着时间开展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前在南极上空已构成臭氧空洞。 大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合物。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，

11、O3 气溶胶 大气的成分可分为常定成分 N2，O2 ，CO2等与可变成分两个部分水汽，气溶胶。大气成分BACK大气对辐射的吸收v大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内 0.2um 的电磁波几乎被氮气或氧气吸收。v大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um的电磁波具有极强的吸收才干，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。v真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽28页图。v v BACKv 大气散射v散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向的一种景象。v不同于吸收作用，只改动传播方向

12、，不能转变为内能。v大气的散射是太阳辐射衰减的主要缘由。v对遥感图像来说，降低了传感器接纳数据的质量，呵斥图像模糊不清。v散射主要发生在可见光区。v大气发生的散射主要有三种：v 瑞利散射：d v v v瑞利散射：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时发生的散射，属小颗粒散射。v小颗粒散射的特征：v 1散射光强度与波长4次方成反比，由此可以解释天空为什么呈蓝色。v 2假设入射光的为自然光，散射光的相函数为1cos2Q)。v 3当Q取0或180时，散射光的偏振度为0。v 4当Q取90时，散射光的偏振度为1线偏振，其它角度为部分偏振光。v v v米氏散射：大气中的气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等的直径与入射

13、光的波长可以比较或大于入射光的波长时发生的散射。v米氏散射的特征：v 1电磁波可以穿透介质外表而深化到散射颗粒的内部。v 2由于颗粒尺度与波长可以比较，所以颗粒的不同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这高度电流会产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热损耗的出现电磁波的吸收。v v v无选择散射：大气粒子的直径比波长大得多时发生的散射，散射强度与波长无关，在符合无选择散射的条件的波段中，任何波长的散射强度一样。v v 大气散射的特点v群体散射强度是个体散射强度的线性和。v大气散射系数与高度的关系：v 大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成。v 气溶胶颗粒密度随

14、高度呈指数衰减。v 就平均情况而言，4km以下的气溶胶米氏散射占优 势，4km以上的分子散射占相对优势。v分子散射与气溶胶散射光强之比随角度和能见度的变化规律。v v v BACK大气窗口v折射景象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改动，大气密度越大，折射率越大。v反射景象：电磁波在传播过程中，经过两种介质的交界面时会出现反射景象，反射景象出要出如今云顶云呵斥的噪声。v v v 大气窗口v太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。v由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段遭到衰减的作用轻重不同，因此各波段的透射率也各不一样。v电磁波经过大

15、气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。对地遥感要用的部分v v v 大气窗口大气窗口波段波段透射率透射率/%/%应用举例应用举例紫外可见光紫外可见光近红外近红外0.30.31.3 m1.3 m9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近红外近红外1.51.51.8 m1.8 m8080TM5TM5近近- -中红外中红外2.02.03.5 m3.5 m8080TM7TM7中红外中红外3.53.55.5 m5.5 mNOAANOAA的的AVHRRAVHRR远红外远红外8 814 m14 m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5c

16、m100100RadarsatRadarsatBACKv在可见光和近红外波段，太阳辐射30被云或其它粒子反射，22被散射，17被吸收，到达地面能量31。v v 大气透射的定量分析v光学厚度v 光学厚度：沿某一途径长度的总衰减系数，波长的函数无因次量。v 大气的总光学厚度：在某一垂直途径上，从大气顶层到地表的总衰减系数。v v v v透过率v 经过大气后的辐照度与经过大气前的辐照度之比。v v v v v太阳辐射透过大气并被地表反射有用的；v太阳辐射被大气散射后被地表反射纠正后有用；v太阳辐射被大气散射后直接进入传感器；v太阳辐射透过大气被地物反射后又被地表发射进入传感器；v被视场以外地物反射后

17、进入视场的交叉辐射项。v v v 太阳光在地气系统的吸收、散射过程BACKv v v 第三节 地球的辐射与地物波谱 (1) 地球的辐射源(2) 地球辐射的特性分段特性(3) 地物波谱的特征反射波谱特征(4) 地物波谱特性的丈量(5) 微波辐射与雷达遥感 地球的辐射源地球辐射v地球辐射：地球外表和大气电磁辐射的总称。v地球辐射是被动遥感中传送地物信息的载体。v装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐射携带的地物信息，经过处置构成遥感影像。v v v 被动遥感的辐射源v太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.32.5um波段之间。可见光和近红外v地球本身热辐射近似300K的黑体辐射，能

18、量集中在6.0um以上的波段。热红外v v v BACKv在0.32.5um波段主要在可见光和近红外波段，地表以反射太阳辐射为主，地球本身的辐射可以忽略 。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射对地表进展探测和成像。v在2.56.0um波段主要在中红外波段，地表反射太阳辐射和地球本身的热辐射均为被动遥感的辐射源。v在6.0um以上的热红外波段，以地球本身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。热红外成像v v v 地球辐射的特性地球辐射的分段特性了解地球辐射的分段特性的意义v可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。v中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有

19、地球本身的热辐射的信息。v热红外波段遥感图像上的信息来自地球本身的热辐射特性。v v v BACKv地物波谱：地物的电磁波呼应特性随电磁波长改动而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。v地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。v地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波呼应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的根底。v v v 地物波谱的特性地物波谱不同电磁波段中地物波谱特性v可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸收作用。树叶苍翠欲滴、水下温度v热红外波段：主要表现地物热辐射作用。热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带v微波波段：自

20、动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。v v v 可见光和近红外波段地物波谱特征地物反射波谱特征v太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一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：部分透射，即：v 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量。量透射能量。v普通而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射才干，普通而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射才干，而有些物体如水，对一定波长的电磁波那么透射才干而有些物体如水，对一定波长的电磁波那么透射才干较强，特别是较强，特别是0. 450. 56m0. 450. 56m的蓝绿光波段

21、。普通水的蓝绿光波段。普通水体的透射深度可达体的透射深度可达101020 m20 m，清澈水体可达，清澈水体可达100 m100 m的深的深度。度。v地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。v v v 地物反射v地物的反射：太阳光经过大气层照射到地球外表，地地物的反射：太阳光经过大气层照射到地球外表，地物会发生发射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器物会发生发射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接纳。所接纳。v反射率反射率：地物的反射能量与入射总能量的比，：地物的反射能量与入射总能量的比，即即=(P/ P 0)=(P/ P 0)100%1

22、00%。表征物体对电磁波谱的反射。表征物体对电磁波谱的反射才干。才干。v反射率是可以测定的。反射率是可以测定的。v地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率的差别，可以判别地物的属性。的差别，可以判别地物的属性。v反射率也与地物的外表颜色、粗糙度和湿度等有关。反射率也与地物的外表颜色、粗糙度和湿度等有关。地物反射率v地物的反射类型：根据地表目的物体外表性质的不同，物体反射大体上可以分为3种类型，即镜面反射、漫反射、实践物体的反射v1镜面反射：发生在光滑物体外表的一种反射。物体的反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，入射角等于反射角。v只

23、需在反射波射出的方向才干探测到电磁波。v 例子：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，就是这个缘由呵斥的。物体外表性质对反射的影响2漫反射：发生在非常粗糙的外表上的一种反射景象。不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。即当入射辐照度I一定时，从任何角度察看反射面，其反射辐照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。3实践物体反射：介于镜面和朗伯面漫反射之间的一种反射。自然界种绝大多数地物的反射都属于这种类型的反射，又叫非朗伯面反射。对太阳短波辐射的反射具有各向异性，即实践物面子在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。 v遥感图像上记录的辐射亮度，既与辐射入射

24、方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角和天顶角有关。v由于镜面反射会呵斥太阳光直接进入遥感器，在成像时间选择上，应防止中午成像，防止构成镜面反射。否那么水领会构成非常亮的耀斑，周围地物的反射信息有遭到干扰和减弱。了解物体外表性质对反射影响的意义v地物反射波谱：是研讨可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。v表示方法：普通采用二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。地物反射波谱v植被v土壤v水体v岩石常见的几种地物类型波谱特征植被的波谱特征v在0.45um附近蓝色波段有一个吸收谷；v在0.55um附近绿色波段有一个反射峰；v在0.67um附近红色波段有一个吸收谷。v

25、从0.76um处反射率迅速增大，构成一个爬升的“陡坡,至1.1um附近有一个峰值，反射率最大可达50，构成植被的独有特征。在可见光波段在近红外波段v1.51.9um光谱区反射率增大；v以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水的吸收带，其附近区间遭到绿色植物含水量的影响，反射率下降，构成低谷。植物的光谱曲线影响植被波谱特征的主要要素v植物类型v植物生长季节v病虫害影响等v植被波谱特征大同小异，根据这些差别可以区分植被类型、生长形状等。不同植被类型的光谱曲线比较土壤的波谱特征v自然形状下土壤外表的反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。v在枯燥条件下，土壤的波谱特征主要与成

26、土矿物原生矿物和此生矿物和土壤有机质有关。v土壤含水量添加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带1.4um、1.9um、2.7um处附近区间，反射率的下降尤为明显。三种不同类型土壤在枯燥环境下的光谱曲线水体的波谱特征v纯真水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，在可见光其它波段的反射率很低。v近红外和中红外纯真的自然水体的反射率很低，几乎趋近于0。水中其它物质对波谱特征的影响v水中含有泥沙，在可见光波段的反射率会添加，峰值出如今黄红区。v水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率明显抬高。叶绿素含量不同时水体的光谱曲线岩石矿物的光谱曲线v岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质构造等决议。v影响岩石矿物波谱曲线的要素包括岩石风化程度、岩石含水情况、矿物颗粒大小、岩石外表光滑程度、岩石色泽等。岩石的光谱曲线地物波谱曲线的作用v物体波谱曲线形状，反映出该地物类型在不同波段的反射率，经过丈量该地物类型在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器所获得的数据相对照，可以识别遥感影像中的同类地物。