遥感遥感物理基础市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 遥感物理基础,电磁辐射与地物光谱特征,1,电磁波谱与电磁辐射,2,太阳辐射及大气对辐射影响,3,地球辐射与地物波谱,第1页,2.1.1 电磁波与电磁波谱,波：振动传输称为波,。,电磁波（电磁辐射）：电磁振源产生电磁振荡在空间传输。,电磁波性质：电磁波是横波，传输速度为光速；不需要媒质也能传输；波长与频率成反比，二者乘积为光速；电磁波含有波粒（波动性和粒子性）二象性；电磁波传输到气体、固体、液体介质时，会发生反射、吸收、透射、散射等，并遵照同一规律。,2.1 电磁波谱与电磁辐射,第2页,电磁波叠加原理(干涉),当两列波在同一空间传输时，空间尚各点振动为各列波单独振动合成。,任何复杂电磁波都能够分解成许多比较简单电磁波；,比较简单电磁波也能够合成为复杂电磁波。,（,白光色散和合成，计算机显示器工作原理，,混合像元分解,）,第3页,电磁波衍射和偏振,电磁波碰到有限大小障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传输。把这种经过障碍物边缘改变传输方向地现象，称为电磁波衍射。,(,设计遥感器空间分辨率含有主要意义。),电磁波碰到“狭缝”障碍物时，能够经过狭缝地振动分量，称为电磁破偏振。,偏振光，非偏振光，部分偏振,最小分辨角:,d,物镜有效孔径,第4页,电磁波波长,第5页,动量：,P,能量：,E,h:普朗克常数，6.626075510,34,J s,c:光速；v:频率,能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和X射线Y射线。,电磁波粒子性,第6页,电磁波波长、频率,第7页,电磁波谱：将各种电磁波在真空中波长（或频率）按其长短，依次排列制成图表称为电磁波谱。（P17，F2.3）,依次为：,射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。,电磁波谱示图,2.1 电磁波谱与电磁辐射,第8页,电磁波谱,第9页,近红外,：,0.76,3.0,m,，与可见光相同。,中红外,：,3.0,6.0,m,，地面常温下辐射波长，有热感，又叫热红外。,远红外,：,6.0,15.0,m,，地面常温下辐射波长，有热感，又叫热红外。,超远红外,：,15.0,1000,m,，多被大气吸收，遥感探测器普通无法探测。,红外线划分,第10页,遥感导论,遥感对地观察,波长：0.0010.38,m,特征：1.大气对紫外线吸收较强；,2.能使溴化银底片感光；,3,.,太阳光谱中只有0.30.38,m光抵达地面，对油污染敏感,应用：1.用于测定碳酸岩分布,2.用于油污监测,波长：0.380.76,m,特征：1.由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫光组成；,2.人眼对可见光有敏锐分辨率；是遥感技术应用中主要波段。,应用：1.判别物质特征主要波段,2.以光学摄影或扫描方式接收和统计地物对可见光反射特征,第11页,2.1 电磁波谱与电磁辐射,2.1.2 电磁辐射度量,辐射源：任何物体都是辐射源。不但能够吸收其它物体对它辐射，也能够向外（发出）辐射。,遥感辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类：,（1）,自然辐射源：有,太阳辐射(,被动式遥感系统中主要自然辐射源)和,地球电磁辐射,（地球辐射可分为两个部分：短波（0.32.5m）和长波（6m 以上）部分。）,（2）,人工辐射源,主动遥感采取人工辐射源，是指人为发射含有一定波长（或一定频率）波束。工作时接收地物散射该光束返回后向反射信号强弱，从而探知地物或测距，称为雷达探测。雷达又可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，当前惯用主要为侧视雷达,。,第12页,2.1 电磁波谱与电磁辐射,2.1.2 电磁辐射度量,辐射能量,（W）,：电磁辐射能量，单位：,J（焦耳）。,辐射通量,（）,：单位时间内经过某一面积辐射能量,单位:,W(瓦),辐照度,（I）,：被辐射物体表面单位面积上辐射通量。,(属于辐射通量密度概念),辐射出射度,（M）,：辐射源物体表面单位面积上辐射通量，单位：,W/m,2,。,(属于辐射通量密度概念),以上各辐射量都是波长函数,辐射通量密度、辐射亮度（P18）,第13页,光谱辐射通量,以上各辐射量都是波长函数。,右图表示单位波长间隔内辐射通量，称为,光谱辐射通量,。,(,),=d/d,单位：,瓦/微米（W,m,-1,）,第14页,2.1 电磁波谱与电磁辐射,2.1.3 黑体辐射,绝对黑体（简称黑体）：假如一个物体对于任何波长电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。,光谱吸收系数（吸收率）：,（,，T）,光谱反射系数（反射率）：,（,，T）,绝对黑体特征：,（,，T）=1 ，,（,，T）=0，与温度和波长无关,第15页,2.1 电磁波谱与电磁辐射,2.1.3 黑体辐射,黑体辐射规律,（1）黑体辐射（发射）能量-辐射出射度（M）是波长和温度T函数；某一波长下黑体辐射出射度M,是指在某一单位波长间隔（,）辐射出射度。在紫外、可见光和红外波段 M,与,5,成反比；在微波波段，M,与,2,成反比。,（2）,黑体总辐射出射度 M：黑体对全部波长（发射）辐射能量总和。在这种情况下M,M（T）。即：MT,4,（P20，F2.7）F2.7表明总辐射出射度 M与温度T关系是：伴随温度升高，M值急剧增大；不一样温度下M值在波长能量曲线图中，展现为一系列互不相交曲线（族）。,第16页,2.1 电磁波谱与电磁辐射,（3）黑体辐射出射度M,最大值所对应波长,max,与黑体本身温度 T 关系：,max,与,T 成反比。（维恩位移定律）,即：黑体温度越高，其总辐射出射度 M曲线峰值就越向短波方向偏移。（太阳,max,=0.47,；地球,max,=9.66,）,高温物体发射较短电磁波，低温物体发射较长电磁波。,（P21，,T2.2）,常温（如人体300K左右，发射电磁波峰值波长9.66,m）,针对要探测目标，选择最正确遥感波段和传感器。,第17页,2.1 电磁波谱与电磁辐射,实际物体辐射,（1）发射率（比辐射率、热辐射率）概念：物体（地物）辐射出射度与同温度下黑体辐射出射度之比。,（2）物体发射率等于该物体吸收率：,=,，普通情况下,物体发射率:0,1。,好吸收体也是好发射体，假如不吸收一些波长电磁波，也不发射该波长电磁波。,（3）物体发射率是温度和波长函数。物体发射率与身性质、物理情况（如粗糙度、颜色等）相关；物体表面温度受本身比热、热惯量、热导率、热扩散率等影响较大。,（4）按照与关系，辐射源能够分为三种：,黑体,灰体,选择性辐射体。黑体,=1；灰,体,=常数1;选择性辐射体,1,且随波长而变。（P22，表2.3；P23，F2.10）,第18页,2.1 电磁波谱与电磁辐射,1,第19页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,2.2.1 太阳辐射,太阳常数：,在不受大气影响情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，约1.49610,8,公里）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑体接收到太阳辐射能量。其数量为：1.360 10,3,瓦/平方米。（太阳常数不是恒定不变，但改变不会超出1%。）,地面所接收全部太阳辐射能，忽略大气损失时为,为太阳天顶角，D为日地之间距离（以日地平均距离为单位）。,(参见教材P,26,),第20页,太阳辐射源,太阳,大气,位置,温度,厚度,辐射特点,辐射光谱,光球层,内,4300-7500,300km,连续辐射,可见光和红外,色球层,中,7000-8000km,线状辐射,无线厘米波,日冕层,外,形状多变，厚度不定，普通太阳直径4-5倍,连续辐射,米波,第21页,遥感导论,太阳能量随波长分布,红外波段38%,第22页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,2.2.1 太阳辐射,太阳辐射（太阳光谱）主要特征(P25,F2.11),(1)太阳辐射抵达大气层顶时与6000,0,K黑体辐射能特征基本相同：辐射能强度特征、辐射能随波长分布特征。,(2)太阳辐射穿过大气层抵达地面后，被大气反射、散射和吸收强度有所降低，而且存在多个O,3、,CO,2、,H,2,O吸收带。,(3)在0.30.,47范围内，随波长增加太阳辐射能急剧增加,，最大辐射强度位于波长,0.47,左右；随波长继续增大，太阳辐射能逐步降低，在中红外波段，太阳辐射能已相当微弱。,第23页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,(4)在0.6附近有一个,O,3,吸收带；在0.7、0.9、1.1,附近有三个水汽吸收带、在1.4和1.9,附近太阳辐射能完全被吸收；,CO,2,强吸收带在2.7和4.3,附近。,(5)抵达地面太阳辐射能43.5%集中在可见光波段36.8%集中在近红外波段。(P25,表2.4),第24页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,2.2.2 大气对太阳辐射影响,大气层次与成份,(,自行阅读,),大气对太阳辐射衰减,太阳辐射进入地球之前必定经过大气层，太阳辐射与大气相互作用结果，是使能量不停减弱。约有30%被云层和其它大气成份反射回宇宙空间；约有17%被大气吸收，约有22%被大气散射；而仅有31%太阳辐射能量抵达地面。反射、散射和吸收作用共同衰减了辐射强度，剩下部分即为透过部分，剩下强度越高，透过率越高。对遥感传感器而言，透过率高波段，才对遥感有意义。,所以：,太阳辐射衰减原因是：,吸收,、,散射,、,反射,。,第25页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,大气对太阳辐射衰减,1、大气吸收作用（,看看这里,）,大气吸收太阳辐射主要物质是：H,2,O、CO,2,和O,3,（P28 T2.14）,氧（O,2,）,：主要吸收小于0.2m 太阳辐射能量，在0.155m 处吸收最强，因为氧吸收，在低层大气内几乎观察不到小于0.2m紫外线，在0.6m 和0.76m 附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。所以，在高空遥感中极少应用紫外波段。,臭氧（O,3,）,：对太阳辐射吸收很强。在波长0.2,0.32m有很强吸收带；在0.6m 附近窄吸收带，该吸收带处于太阳辐射最强部分，所以该带吸收最强；另在0.76 m附近也有一个窄吸收带。臭氧主要分布在30km 高度附近，因而对高度小于10km 航空遥感影响不大，而主要对航天遥感有影响。,第26页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,1、大气吸收作用,水（H,2,O）,：是吸收太阳辐射能量最强介质（有气态和液态）。从可见光、红外直至微波波段，处处都有水吸收带，主要吸收带是处于红外和可见光中红光波段，红外部分吸收最强。比如：在0.5,0.9m 有四个窄吸收带，在0.95,2.85m 有5 个宽吸收带。另外，在6.25m 附近有个强吸收带。所以，水气对红外遥感有很大影响，而水气含量随时间、地点而改变。液态水吸收比水气吸收更强，但主要是在长波方面。,二氧化碳（CO,2,）,：约占0.03%，它吸收作用主要在红外区内。比如：在1.35,2.85m 有3 个宽弱吸收带。另外在2.8m、4.3m 与14.5m 为强吸收带。因为太阳辐射在中红外区能量极少，所以对太阳辐射而言，这一吸收带可忽略不计。,大气中其它微粒即使也有吸收作用，但不起主导作用。,第27页,CO,2,、H,2,O 吸收红外及长波,O,3,吸收紫外光,O 吸收波长0.2m,大气吸收：,太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波一些波段有吸收作用，引发这些波段太阳辐射强度衰减，或完全不能经过大气。,太阳辐射抵达地面时，形成了电磁波一些缺失带,对太阳辐射影响最大是对流层和平流层,第28页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,大气对太阳辐射衰减,2、大气散射作用,大气对太阳辐射吸收显著特点是吸收带主要位于太阳辐射紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，因为大气散射使得可见光区也变成不透明了（P25 T2.11中两条连续曲线差值，表示大气对太阳辐射散射时所造成损失）。散射使原传输方向辐射强度减弱，而增加向其它各方向辐射。,（1）,大气散射改变了部分辐射方向，干扰了传感器接收，降低了遥感数据质量，造成影像含糊，影响遥感资料判读。,（2）大气散射集中于太阳辐射能量较强可见光区。,（3）大气散射是太阳辐射衰减主要原因。,第29页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,2、大气散射作用,依据辐射波长与微粒直径之间关系，大气散射可分为三种：,（1）瑞利散射：当大气中粒子直径比波长小得多时（普通认为粒子直径d/10）发生散射；主要由大气中原子和分子引发。特点：散射强度,I,-4,。,红外线、微波能够不考虑瑞利散射影响。可见光波长较短，瑞利散射对可见光影响很大。,紫外区不适于进行遥感。,晴朗天空为何是蓝？日出日落时天空是橙红色？,（2）米氏散射：当大气中粒子直径与波长相当初发生散射；主要由大气中烟尘、小水滴和气溶胶引发。散射强度,I,-2,。米氏散射在光线前进方向比向后方散射更强。,因为大气中云、雾等悬浮粒子大小与0.7615m红外线波长差不多，所以，云、雾对红外线米氏散射是不可忽略。,第30页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,2、大气散射作用,（3）无选择性散射：当大气中粒子直径比波长大得多时发生散射；散射强度与波长无关，即在符合无选择性散射条件波段中，任何波长散射强度相同。,-云雾中水滴粒子直径与可见光相比；,云和雾为何是白色？,（4）散射作用与波长关系：散射强度和波长亲密相关，在大气情况相同时，同时会出现各种类型散射。瑞利散射主要发生在紫外、可见光和近红外波段；米氏散射发生在近紫外,红外波段，但在红外波段米氏散射影响超出瑞利散射；在微波波段，因为微波波久远大于云层中水滴直径，因而属于瑞利散射类型；此时，散射强度与波长四次方成反比，散射强度相对很弱，透射能力很强，故微波含有穿透云雾能力。,第31页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,大气对太阳辐射衰减,3、大气反射和折射作用,反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量，云量越多、云层越厚，反射越强。而且各波段均受到不一样程度影响，减弱了电磁波抵达地面强度。所以，应尽可能选择无云天气接收遥感信号。,大气折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大。因而，电磁波（太阳辐射）在大气中传输轨迹是一条曲线。折射改变了太阳辐射方向，并不改变太阳辐射强度。,大气对太阳辐射衰减总体规律（见下页）,第32页,太阳辐射经大气衰减图,大气吸收15，散射和反射42，其余43 太阳辐射抵达地面。,又一说：大气吸收17，散射22，反射30，其余31 太阳辐射抵达地面。,第33页,2.2 太阳辐射及大气对辐射影响,2.2.2 大气窗口及透射分析,大气窗口,：将电磁波经过大气层时较少被反射、吸收或散射,透过率较高波段称为,大气窗口,。大气窗口光谱段主要有：,大气窗口,波段,透射率/%,应用举例,紫外可见光,近红外,0.31.3 m,90,TM1-4、SPOTHRV,近红外,1.51.8 m,80,TM5,近-中红外,2.03.5 m,80,TM7,中红外,3.55.5 m,6070,NOAAAVHRR,远红外,814 m,6070,TM6,微波,0.82.5cm,100,Radarsat,第34页,大气透射分析-,参见教材P,32,第35页,2.3 地球辐射与地物波谱,2.3.1 太阳辐射与地表相互作用,依据书本34页图2.20。自行总结地球电磁辐射基本特征。,第36页,2.3 地球辐射与地物波谱,2.3.2 地表本身热辐射（地物发射光谱特征）,温度为300K黑体，其电磁辐射波长范围是：2.5,50。,地球表面发射辐射能量主要集中于热红外波段,其峰值波长为9.66；在热红外波段，太阳电磁辐射几乎忽略不计，通常称地球发射辐射为热辐射。,地球表面热辐射（能量）与本身发射率、波长、温度相关：M(,T）=(,T)M,0,(,T),地物发射光谱：地物发射率随波长改变规律。,地物发射率不一样是红外遥感技术主要依据。,地物发射光谱曲线：某种地物发射率随波长改变曲线。,地物发射率与物体本身组成、表面粗糙度、颜色和温度相关。,观察图2.22能够发觉：伴随二氧化硅含量降低（酸性-基性）岩石发射率最小值向长波方向偏移。,第37页,2.3 地球辐射与地物波谱,2.3.2 地表本身热辐射（地物发射光谱特征）,表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。,地物辐射能量与温度四次方成正比，比热、热惯性大地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。,探测地物热辐射特征热红外遥感在夜间和白天进行结果是不一样。,因为地表温度日改变，热红外遥感应在一天中何时进行？,热红外遥感探测地物热辐射量用亮度温度（,所谓亮度温度是当物体辐射功率等于某一黑体辐射功率时，该黑体绝对温度即地物亮度温度）,表示，它不一样于地面温度，是接收热辐射能量转换值，图像上表示为亮度,。,第38页,2.3 地球辐射与地物波谱,2.3.3 地物透射光谱特征,透明地物：有些地物（如水体和冰），含有透射一定波长电磁波能力，通常把这些物体叫做透明地物。,透射率()：入射光透射过地物能量与入射总能量百分比。地物透射率伴随电磁波波长和地物性质而不一样。地物透射能力普通用透射率表示。,举例：,1）水体，对0.45,0.56m蓝绿光波段透射能力较强，普通水体透射深度10,20m，混水1,2米，清澈水体可达100m深度。,2）,对于普通不能透过可见光地面物体对波长5cm电磁波则有透射能力，如超长波透射能力就很强，能够透过地面岩石和土壤。,3）,红外线只对含有半导体特征地物，才有一定透射能力。,微波对地物含有显著透射能力，由入射波波长决定。,第39页,2.3.4 地物反射光谱特征,太阳辐射抵达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：,抵达地面太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量,。,地物反射率(),漫反射(),镜面反射(),反射率（,）：地物反射能量与入射总能量比，即,=(,P,/,P,0,)100%。,地物在不一样波段反射率是不一样。,反射率是能够测定。,反射率也与地物表面颜色、粗糙度和湿度等相关。,地物反射光谱：地物反射率随波长改变规律。,地物反射光谱曲线：地物反射率随波长改变曲线。,不论入射方向怎样，其反射出来能量在各个方向是一致。普通地物反射近似漫反射，但各个方向反射能量大小不一样。,物体反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出方向才能探测到电磁波，水面是近似镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成。,2.3 地球辐射与地物波谱,第40页,2.3.4 地物反射光谱特征,常见地物反射波谱曲线,课堂讨论：四种经典地物-雪、小麦、沙漠、湿地在可见 近红外波段反射光谱特征。（,参见,）,土壤、水体、岩石反射光谱特征,见教材,地物波谱特征测量,2.3 地球辐射与地物波谱,第41页,不一样地物反射光谱特征,研究地面物体对太阳辐射反射特征，是遥感图象判读和解译关键。,第42页,不,同,树,种,反,射,光,谱,曲,线,不一样地物反射光谱特征,第43页,不,同,植,被,反,射,光,谱,曲,线,不一样地物反射光谱特征,第44页,同类地物含有不一样反射光谱特征,第45页,白橡树不一样生长久反射光谱曲线,同类地物含有不一样反射光谱特征,第46页,遥感器接收电磁辐射,抵达地面太阳辐射,直接辐射：太阳辐射经大气衰减后抵达地面部分。,天空辐射：太阳辐射经过大气散射后辐射到地面部分。,遥感器接收到太阳辐射,Bs,：太阳辐射经地面目标反射后抵达遥感器辐射能。,B,A,：太阳辐射经大气散射到遥感器辐射能。,第47页,