第二章-遥感的物理基础-2

1、1.电磁波谱与电磁辐射 2.太阳辐射及大气对辐射的影响 3.地球辐射与地物波谱 4.地物波谱测量,第二章 电磁波及遥感物理基础,1,3、 地球辐射与地物波谱,（1）地球辐射源 （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）常见几种地物的波谱特性 （5）地物波谱特性测量,2,（1）地球的辐射源,定义：地球表面和大气电磁辐射的总称。 地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。 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，经过处理形成遥感影像。,地球辐射,3,被动遥感的辐射源,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

2、光和近红外） 地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0um以上的波段。（热红外）,4,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，地球自身的辐射可以忽略 。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行探测和成像。 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自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。 在6.0um以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像）,（2）地球辐射的特性,地球辐射的分段特性：,5,了解地球辐射的分段特性的意义,可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特

3、性。 中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。 热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。,6,地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。 地物波谱特性：地物波谱随波长变化而变化的特性，是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。 地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。,（3）地物波谱的特性,7,不同电磁波段中地物波谱特性,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。 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

4、色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带） 微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。,8,反射率（）：地物的反射能量与入射总能量的比，即=(P/ P 0)100%表征物体对电磁波谱的反射能力。,（3）地物波谱的特性 反射率,9,地物的反射类型：根据地表目标物体表面性质的不同，物体反射大体上可以分为三种类型，即镜面反射、漫反射、实际物体的反射 1）镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射。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。,（3）地物波谱的特性 反射类型,10,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，就是这个原因造成的

5、。,镜面反射,11,2）漫反射：发生在非常粗糙的表面上的一种反射现象。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，从任何角度观察反射面，其反射辐照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。,漫反射,12,漫反射,13,3）方向反射：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，即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。,方向反射,14,方向反射,15,从空间对地面观察时，对于平面地区， 并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射； 对于地形起伏和地面结构复

6、杂的地区，为可以看成方向反射。,实际物体反射,16,地物反射波谱：是研究可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。 表示方法：一般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。,反射波谱曲线,17,植被 土壤 水体 岩石,（4）常见的几种地物类型波谱特征,18,物的光谱曲线,植被的波谱曲线,19,植被的波谱特征,在0.45um附近（蓝色波段）有一个吸收谷； 在0.55um附近（绿色波段）有一个反射峰； 在0.67um附近（红色波段）有一个吸收谷。 从0.76um处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一个峰值，反射率最大可达50，形成植被的独有特征。

7、,在可见光波段,在近红外波段,20,1.51.9um光谱区反射率增大； 以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水的吸收带，其附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。,植被的波谱特征,21,影响植被波谱特征的主要因素,植物类型 植物生长季节 病虫害影响等 植被波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被类型、生长状态等。,22,不同植被类型的光谱曲线比较,23,24,不同湿度下的植被的波谱特性曲线,25,26,水体的反射主要在蓝绿光波段，其它波段吸收率很强，特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为零。,水体的波谱特征,27,水中其它物质对波谱特征的影响,水中

8、含有泥沙，在可见光波段的反射率会增加，峰值出现在黄红区。 水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率明显抬高。,28,叶绿素含量不同时水体的光谱特性曲线,29,受海藻、浮游生物等影响，叶绿素含量增加，水体的反射率发生变化,30,但是当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。上图不同浊度下的水体的波谱特性曲线,31,浑浊度不同时水体的光谱特性曲线,岩石矿物的光谱曲线,岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构等决定。 影响岩石矿物波谱曲线的因素包括岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等。,32,岩石的光谱曲线,33,土壤的波谱特征,自然状态下土壤表面的反

9、射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。 在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和此生矿物）和土壤有机质有关。 土壤含水量增加，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。,34,三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线,35,由于地物处于不同的时间、空间和环境，相同的物体往往表现出不同的光谱特性。 时间效应：地物的光谱特性一般随时间季节变化，这称为时间效应。 空间效应：处在不同地理区域的同种地物具有不同的光谱响应，这称之为空间效应。,（5）影响地物波谱特征因素,36,1、太阳位置，太阳位置主要指太阳高度角

10、和方位角，改变太阳高度角和方位角，则地面物体入射照度也就发生变化。 2、传感器位置，传感器位置指传感器的观测角和方位角，一般空间遥感用的传感器大部分设计成垂直指向地面，这样影响较小。,37,（5）影响地物波谱特征因素,3.不同的地理位置，太阳高度角和方位角、地理景观不同都会引起反射率变化，还有海拔高度不同，大气透明度改变也会造成反射率变化。 4.地物本身的变异，如植物的病害将使反射率发生较大变化。又如海水中叶绿素含量的不同也直接影响海水的光谱反射率。 气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气状况等。,38,（5）影响地物波谱特征因素,同一春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线,39,（5）影

11、响地物波谱特征因素,上图为沥青路在新旧时期的光谱曲线：对于沥青路面，路面的粗糙新旧程度对于地面光谱反射率是有区别的，旧沥青路面反射率高于新沥青路面反射率，由于新沥青颜色较深，所以反射率比较低。,40,（5）影响地物波谱特征因素,水泥地面在不同湿度下的光谱曲线：不同湿度对水泥地面反射率会有影响，越湿反射率越低，对于水泥道路，道路含水会使整个光谱反射率下降。但是波形整体上保持不变。,41,（5）影响地物波谱特征因素,应用地物波谱特征需要注意的问题,绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的曲带。 地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。,42,1.电磁波谱与

12、电磁辐射 2.太阳辐射及大气对辐射的影响 3.地球辐射与地物波谱 4.地物波谱测量,第二章 电磁波及遥感物理基础,43,4.地物波谱特性的测量 意义,可见光和近红外地物光谱测量的作用： 1）传感器波段的选择、验证、评价； 2）建立地面、航空和航天遥感数据的定量关系； 3）地物光谱数据与地物特征的相关分析。,44,以EPP2000 (StellarNet)为例： EPP2000是一种易携带的光纤光谱仪，可以探测到从紫外到近红外的波段范围（350nm1150nm)的光谱信息，从而可以得到被测物体的吸收率，反射率。,4、地物波谱特性的测量 工作原理,45,传感器阵列由若干个独立的探测象元（通道）按直

13、线排列而成，我们给每一个探测象元一个固定的地址，X1,X2,X3,X512,。不同地址上的探测像元分别响应不同波长的光信号，并将光信号转换为模拟信号输送到转换卡，转为数字信号后，再经过计算机的定标，最终在计算机屏幕上以图形的形式显示出来。,46,由于散射光线不是平行投射在传感器阵列上，而是呈发射性。因此等间隔排列的探测象元（通道）所感应的光信号的波长并不也是等间隔的，而是存在一个偏移量（如图）。这个偏移量同探测象元（通道）的序号成二项式关系： 由于光谱仪偏移情况各不相同，因此在使用光谱仪时设定其三个定标参数，以改正这个偏移量。,47,其主要技术参数如下：,48,地物光谱仪数据处理 为获取正确的

14、目标光谱，需要测定的三 类光谱目标： 暗光谱（ 暗光谱（DC (dark current) ）没有光线进入光谱仪时，仪器本身的噪声； 参考板光谱（ 参考板光谱（RP (reference pan) ）计算和校正目标光谱所用参考光谱； 目标光谱：从感兴趣目标观测所得光谱。,4、地物波谱特性的测量 数据处理,49,数据处理原理 其中“R结果”为最终测得数据， “R目标”为目标光谱，“R参考板”为参考光谱， “R暗”为暗光谱。,50,1、架好光谱仪，接通电源并进行预热。 2、 打开软件，并设置好仪器各个参数。 3 、调节积分时间：为了避免光源变化对测量目标反射值的影响，需要依照测定时的光照条件和环境

15、温度调整光谱仪的积分时间，使在相同的情况下测得样本光谱除以参考光谱得到一个相对的目标反射光谱。 测量时，若环境发生变化，重新设置积分时间是很必要的。,4、地物波谱特性的测量 测量步骤,51,4、 记录参考光谱：将光纤对准白板，并保存此时光谱。在Trans模式下，此时的光谱曲线应该为接近1的一条直线。 5 、记录暗光谱：遮住光源（可以用黑套将光纤套住），并保存此时的光谱。在Trans模式下，此时的光谱曲线应该为接近0的一条直线，但在长波段，会表现为系统噪声。 6、 测量目标物体的光谱曲线： 将光纤对准待测物体，在Trans模式下，此时的曲线即为目标物体的光谱特征曲线。,52,4、地物波谱特性的测

16、量 测量步骤,53,我们将对样本光谱产生影响的因素分为了三类，分别是大气因素、周围物体的散射因素和物体自身反射特性因素。如图：,其中，大气因素和周围物体的散射因素都属于影响样本光谱的环境因素。,54,1、观测时段规定为地方时9:3015:30, 以确保足够的太阳高度角； 2、观测时段内的气象要求为：地面能见度不小于 10km；太阳周围90 度立体角范围内，淡积云量应小于2%，无卷云和浓积云等；风力应小于3级。 3、在准备测量阶段应当有序的连接电源、光谱仪和便携式电脑。 4、应当在不通电的情况下将电源和 USB连接线同光谱仪连接，通电后将USB 连接线同便携式电脑连接。 5、在测量过程中，不得将

17、光谱仪同电源叠放在一起。不得使仪器处于长期暴晒的状态下工作。,4、地物波谱特性的测量 操作规范,55,6、使用参考板时，严禁以手或其他物件与板体工作面相接触，以免造成工作面的污染或损坏。 7、使用过程中参考板较长期处于非工作状态时，应及时将盒盖关闭以避免可能的污染而影响下次使用时数据的准确性。 8、测量工作完成以后，应当及时的将仪器还原装入包装带中。 9、仪器应存放于阴凉通风干燥处，严禁暴晒、雨淋，不得与挥发性气体、液体、油脂类物质共同存放。 10、测量数据的命名应当按照实验的需要具有统一的规律；在保存数据时，应当同时记录下数据名称、测量对象、观测方向、观测角度、观测距离、施测仪器、采参比时间间隔等参数。 11、为减少测量人员自然反射光对观测目标的影响，观测人员应着深色服装。,56,4、地物波谱特性的测量 操作规范,12、观测过程中，观测员应面向太阳站立于目标区的后方，记 录员等其他成员均应站立在观测员身后，避免在目标区两侧走动。 13、转向新的观测目标区时，观测组全体成员应面向太阳接近目标区，应杜绝践踏观测区。 14、观测过