遥感的物理基础简介.ppt

第二章 遥感的物理基础遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。理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基础。本章主要介绍遥感的物理基础，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)黑体辐射（1）电 磁波与电磁波谱电磁波电磁波 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。描述电磁波特性的指标描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为电磁波是横波，传播速度为3103108 8 m/s m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律规律。电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。的图表叫电磁波谱。依次为：射线射线XX射线射线紫外线紫外线可见光可见光红红外线外线微波微波无线电波。无线电波。（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，是遥感成像机理探讨的主要内容。电磁波谱v紫紫外外线线：波波长长范范围围为为0.010.010.38m0.38m，太太阳阳光光谱谱中中，只只有有0.30.30.38m0.38m波波长长的的光光到到达达地地面面，对对油油污污染染敏敏感，但探测高度在感，但探测高度在2000 m2000 m以下。以下。v可可见见光光：波波长长范范围围：0.380.380.76m0.76m，人人眼眼对对可可见见光光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。v红红外外线线：波波长长范范围围为为0.760.761000m1000m，根根据据性性质质分分为为近红外、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微微波波：波波长长范范围围为为1 1 mmmm1 1 m m，穿穿透透性性好好，不不受受云云雾雾的影响的影响。遥感应用的电磁波波谱段BACKn近红外：近红外：0.760.763.0 3.0 m，与可见光相似。与可见光相似。n中红外：中红外：3.03.06.0 6.0 m，地面常温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 15.0 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 1 000 m，多被大气吸收，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。遥感探测器一般无法探测。红外线的划分（2）电 磁辐射的度量1、辐射测量（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、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。BACK（3）黑体辐射 绝对黑体 如果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），则这个物体称为绝对黑体。黑体辐射特性 （1）黑体辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。（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）（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。实际物体的辐射 对于实际物体，都可以看作辐射源。如果物体的吸收本领大，它的发射本领也大，即越接近黑体辐射。实际物体的辐射比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同。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收预处理用户应用处理分析结果、图表输出太阳辐射：太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太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太阳辐射曲线阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所如图所示示。从太阳光谱曲线可以看出从太阳光谱曲线可以看出()()：太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单太阳常数：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，单位面积单位时间位内，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。（黑体所接受的太阳辐射能量。（1.360103W/m2）太阳辐射 BACKn n太阳光谱相当于太阳光谱相当于6000K6000K的黑体辐射；的黑体辐射；n n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0.380.38 0.76m0.76m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%46%，最大辐射强度位于波长，最大辐射强度位于波长0.47m0.47m左右；左右；n n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0.30.3 3.0m3.0m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；n n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；n n各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。n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方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，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。n气压随高度是以负指数形式递减。大气层次与成分大气层次 大大气气厚厚度度约约为为1000km,1000km,从从地地面面到到大大气气上上界界，可可垂直分为垂直分为4 4层：层：对对流流层层：高高度度在在7 712 12 km,km,温温度度随随高高度度而而降降低低，空空气气明明显显垂垂直直对对流流，天天气气变变化化频频繁繁，航航空空遥遥感感主主要要在在该该层层内内。上上界界随随纬纬度和季节而变化。度和季节而变化。平平流流层层：高高度度在在121250 50 kmkm，没没有有对对流流和和天天气气现现象象。底底部部为为同同温温层层（航航空空遥遥感感活活动动层层），同同温温层层以以上上为为暖暖层层，温温度度由由于于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电电离离层层：高高度度在在50501 1 000 000 kmkm，大大气气中中的的O O2 2、N N2 2受受紫紫外外线线照照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大大气气外外层层：80080035 35 000 000 km km,空空气气极极稀稀薄薄，对对卫卫星星基基本本上上没没有影响。有影响。O3n臭氧主要分布在1050km的平流层大气中，极大值出现在2025km处，对流层中的臭氧含量不到十分之一。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，在高纬度地区6070区域内达到极大值。n70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前在南极上空已形成臭氧空洞。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，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能力，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）。BACK 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现象。v不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。v大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。v对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。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：瑞利散射：d 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：（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。（2）如果入射光的为自然光，散射光的相函数为（1cos2Q)。（3）当Q取0或180时，散射光的偏振度为0。（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光的波长可以比拟或大于入射光的波长时发生的散射。v米氏散射的特征：（1）电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒的内部。（2）由于颗粒尺度与波长可以比拟，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相同。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：大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成。气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减。就平均状况而言，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。BACK大气窗口v折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气密度越大，折射率越大。v反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪声）。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受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。v电磁波通过大气层时较少被反射，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）大气窗口主要光谱波段大气窗口主要光谱波段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 1.3 mm9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近红外近红外1.51.51.8 1.8 mm8080TM5TM5近近-中红外中红外2.02.03.5 3.5 mm8080TM7TM7中红外中红外3.53.55.5 5.5 mmNOAANOAA的的AVHRRAVHRR远红外远红外8 814 14 mm60607070TM6TM6微波微波0.80.82.52.5cmcm100100RadarsatRadarsatBACKv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。大气透射的定量分析v光学厚度 光学厚度：沿某一路径长度的总衰减系数，波长的函数（无因次量）。大气的总光学厚度：在某一垂直路径上，从大气顶层到地表的总衰减系数。v透过率 通过大气后的辐照度与通过大气前的辐照度之比。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进入视场的交叉辐射项。太阳光在地气系统的吸收、散射过程BACK 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)地物波谱特性的测量(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：地球表面和大气电磁辐射的总称。v地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。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，经过处理形成遥感影像。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）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。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自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）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，也有地球自身的热辐射的信息。v热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。BACKv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。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。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：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。可见光和近红外波段地物波谱特征地物反射波谱特征v太太阳阳辐辐射射到到达达地地表表后后，一一部部分分反反射射，一一部部分分吸吸收收，一一部部分透射，即：分透射，即：到到达达地地面面的的太太阳阳辐辐射射能能量量反反射射能能量量吸吸收收能能量量透射能量。透射能量。v一一般般而而言言，绝绝大大多多数数物物体体对对可可见见光光都都不不具具备备透透射射能能力力，而而有有些些物物体体如如水水，对对一一定定波波长长的的电电磁磁波波则则透透射射能能力力较较强强，特特别别是是0.450.56m的的蓝蓝绿绿光光波波段段。一一般般水水体体的的透透射射深深度可达度可达1020 m，清澈水体可达清澈水体可达100 m的深度。的深度。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。地物反射v地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，地地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，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收。所接收。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/P P 0 0)100%)100%。表征物体对电磁波谱的反射能力。表征物体对电磁波谱的反射能力。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，可以判断地物的属性。的差别，可以判断地物的属性。v反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物反射率v地物的反射类型：根据地表目标物体表面性质的不同，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。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波。例例子子：水水面面是是近近似似的的镜镜面面反反射射，在在遥遥感感图图像像上上水水面面有有时时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。物体表面性质对反射的影响（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。（3）实际物体反射：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。v遥感图像上记录的辐射亮度，既与辐射入射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由于镜面反射会造成太阳光直接进入遥感器，在成像时间选择上，应避免中午成像，防止形成镜面反射。否则水体会形成非常亮的耀斑，周围地物的反射信息有受到干扰和削弱。了解物体表面性质对反射影响的意义v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。v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。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。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，其附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。植物的光谱曲线影响植被波谱特征的主要因素v植物类型v植物生长季节v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。不同植被类型的光谱曲线比较To be To be continuedcontinued土壤的波谱特征v自然状态下土壤表面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。v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。三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线水体的波谱特征v纯净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近红外和中红外纯净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增加，峰值出现在黄红区。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、物质结构等决定。v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。岩石的光谱曲线地物波谱曲线的作用v物体波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测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。应用地物波谱特征需要注意的问题v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。v地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。“同物异谱”是指两个类型的个体地物，在某个波段上波谱特征不同；“异物同谱”是指不同类型的地物具有相同的波谱特征。BACK地物波谱特性的测量v可见光和近红外波段是研究地表的主要波段。v可见光和近红外地物光谱测试的作用：（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。v反射光谱特性的测量方法（1）样品的实验室测量（2）野外测量两种方法BACK在电磁波谱中，波长在1mm1m范围的波称微波。（微波波段划分）成像雷达所提供的信息是地物对于雷达信号的后向散射。影响地物对雷达信号的后向散射能力的因素有：表面状况（如：地形，粗糙程度）、电学性质（介电常数）及含水量等。微波辐射与雷达遥感 微波遥感特性：v能全天候、全天时工作；v对某些地物具有特殊的波谱特征；v对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力；v对海洋遥感具有特殊意义；v分辨率较低，但特征明显。BACK接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出遥感数据：v航空像片v卫星影像v微波影像Madras,India Before the Tsunami(December 11,2004)After the Tsunami(December 28,2004)After the Tsunami(December 28,2004)Banda Aceh,IndonesiaBefore the Tsunami(June 23,2004)During Tsunami(December 28,2004)微波的波段划分波段名称波段名称波长波长/cmKKKuXCSLP0.751.131.131.671.672.422.423.753.757.57.515153030100BACK太阳辐射（1）P34,图 2.20To be To be continuedcontinued地面太阳辐射地面太阳辐射地面太阳辐射地面太阳辐射波长(nm)大气上界太阳辐照度海平面太阳辐照度太阳光谱辐照度太阳辐射（2）BACKBACK