遥感技术的物理基础.ppt

第二章遥感技术的物理基础 电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气对遥感的影响 第一节电磁波与电磁波谱 电磁波及其特性电磁波谱 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象 是因为一切物体 由于其种类 特征和环境条件的不同 而具有完全不同的电磁波的反射或发射辐射特征 一 电磁波及其特性 波的概念 波是振动在空间的传播 机械波 声波 水波和地震波电磁波 ElectroMagneticSpectrum 由振源发出的电磁振荡在空气中传播 是通过电场和磁场之间相互联系传播的 电磁辐射 这种电磁能量的传递过程 包括辐射 吸收 反射和透射 称为电磁辐射 电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播电磁波具有波粒二象性 电磁波在传播过程中 主要表现为波动性 在与物质相互作用时 主要表现为粒子性 这就是电磁波的波粒二象性 波动性 电磁波是以波动的形式在空间传播的 因此具有波动性粒子性 它是由密集的光子微粒组成的 电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动 电磁波的粒子性 使得电磁辐射的能量具有统计性 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关 波长愈短 辐射的粒子性愈明显 波长愈长 辐射的波动特性愈明显 描述电磁波特性的指标波长 频率 振幅 位相等传播速度为3 108m s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 并遵循同一规律 二 电磁波谱 电磁波谱 将各种电磁波在真空中的波长按其长短 依次排列制成的图表 依次为 射线 x射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波波长最长的是无线电波 其按波长可分为长波 中波 短波和微波 波长最短的是 射线电磁波的波长不同 是因为产生它的波源不同 各电磁波段主要特性 紫外线 波长范围为0 01 0 38 m 太阳光谱中 只有0 3 0 38 m波长的光到达地面 对碳酸盐岩分布 油污染敏感 但探测高度在2000m以下 可见光 波长范围 0 38 0 76 m 人眼对可见光有敏锐的感觉 鉴别物质特征的主要波段 是遥感最常用的波段 红外线 波长范围为0 76 1000 m 根据性质分为近红外 中红外 远红外和超远红外 微波 波长范围为1mm 1m 穿透性好 不受云雾的影响 全天候遥感 有主动与被动之分 具有穿透能力 发展潜力大无线电波 波长范围10 3 104m之间 主要用于广播 通信等方面 红外线的划分 近红外 0 76 3 0 m 与可见光相似 中红外 3 0 6 0 m 地面常温下的辐射波长 有热感 又叫热红外 远红外 6 0 15 0 m 地面常温下的辐射波长 有热感 又叫热红外 超远红外 15 0 1000 m 多被大气吸收 遥感探测器一般无法探测 第二节地物的光谱特性 任何地物都有自身的电磁辐射规律 如反射 发射 吸收电磁波的特性 少数还有透射电磁波的特性 地物的这种特性称为 地物的光谱特性 地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准 地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准 黑体 在任何温度下 对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1 100 的物体 指入射的全部电磁波被完全吸收 既无反射也没有透射的物体 一 地物的发射光谱特性 自然界并不存在 自然界存在着灰体 即一部分能量吸收 一部分能量反射 灰体辐射的规律接近黑体 1 黑体辐射 BlackBodyRadiation 定义 是指黑体的热辐射 它是在一切方向上都均等的辐射 它在一定的温度下 比其它任何物质的辐射能量都要大 因此也叫完全辐射体 黑体辐射定律 BlackBodyRadiation 1 普朗克 Plank slaw 热辐射定律表示出了黑体辐射通量与温度的关系以及按波长分布的规律 黑体辐射的三个特性 辐射通量随波长连续变化 每条曲线只有一个最大值 温度越高 辐射通量越大 不同温度的曲线不同 随着温度的升高 辐射最大值所对应的波长向短波方向移动 2 史蒂芬 玻尔兹曼定律Stefan Boltzmann slaw即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加 它与温度的四次方成正比 是红外装置测定温度的理论基础 叫做史蒂芬 玻尔兹曼常数 其值为5 670 10 8瓦 米 2 开 4 W m 2 K 4 3 维恩位移定律 Wien sdisplacementlaw随着温度的升高 辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动 是选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段的依据 2 地物的发射率 发射率 Emissivity 地物的辐射出射度 单位面积上发出的辐射总通量 W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值 它也是遥感探测的基础和出发点 按照发射率与波长的关系 把地物分为 黑体或绝对黑体 发射率为1 常数 灰体 greybody 发射率小于1 常数选择性辐射体 发射率小于1 且随波长而变化 地物的发射光谱 发射光谱 地物的发射率随波长变化的规律 发射光谱曲线 按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线 2 太阳辐射 1 太阳常数 指不受大气影响 在距离太阳一个天文单位内 垂直于太阳光辐射的方向上 单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量 太阳辐射是可见光和近红外的主要辐射源 I 135 3mW m2 是美国水手6 7号航天器1969年用空腔辐射计测定的数值 计算误差为1 0mW m2 太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量 2 太阳辐射的光谱 在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的光谱曲线 它近似于6000K的黑体辐射曲线 太阳辐射光谱及大气的作用 太阳辐射的光谱是连续的 相当于6000K的黑体辐射 它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致 太阳辐射的能量主要集中在可见光 其中0 38 0 76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46 最大辐射强度位于波长0 47 m左右 大气层对太阳辐射产生的吸收 反射和散射 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减 各波段的衰减是不均衡的到达地面的太阳辐射主要集中在0 3 3 0 m波段 包括近紫外 可见光 近红外和中红外 从近紫外到中红外 0 3 6 m 这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定 被动遥感主要利用可见光 红外等稳定辐射 大地辐射的电磁波谱 地表物体的温度一般在 400C 400C 平均270C 相当于300K 辐射峰值在9 26 12 43 m波段范围 地物的反射率 吸收率和透射率对于某波段反射率高的地物 其吸收率就低 即为弱辐射体 反之 吸收率高的地物 其反射率就低 二 地物的反射光谱特性 镜面反射 漫反射 实际地面反射 地物的反射率 反射系数或亮度系数 地物对某一波段的反射能量与入射能量之比 反射率随入射波长而变化 影响地物反射率大小的因素 入射电磁波的波长入射角的大小地表颜色与粗糙度地物在不同波段的反射率是不同的反射率是可以测定的 地物的反射光谱 地物的反射率随入射波长变化的规律 地物反射光谱曲线 根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线 地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理 不同地物在不同波段反射率存在差异 雪 沙漠 湿地 小麦的光谱曲线 传感器探测波段的设计 是通过分析比较地物光谱数据而确定的 多光谱扫描仪 MSS 的波段设计 MSS1 0 5 0 6 m MSS2 0 6 0 7 m MSS3 0 7 0 8 m MSS4 0 8 1 1 m 同类地物的反射光谱具有相似性 但也有差异性 不同植物 植物病虫害地物的光谱特性具有时间特性和空间特性 时间特性空间特性 植被的反射光谱 不同植物光谱曲线比较 不同施氮水平下小麦冠层高光谱反射率 植被的病虫害 时间特征 小麦冠层高光谱反射率随生育期的变化 拔节 孕穗 开花及花后7d 14d 21d 28d 40d可见光 孕穗期最低 近红外反射平台 开花期最大 地物光谱仪 地物光谱仪 测量以太阳为辐射源的地物反射光谱的仪器 冠层光谱反射率采用美国CROPSCAN公司生产的MSR 16型便携式多光谱辐射仪和美国ASD公司生产的FieldSpecProFR光谱仪进行测量 波段范围为460 1650nm 16波段 视场角为31 1 波段范围350 2500nm 视场角25 采样间隔1 4nm 350 1050nm 2nm 1000 2500nm 光谱分辨率3nm 350 1050nm 10nm 1000 2500nm 第三节大气对太阳辐射的影响 大气的结构和成分大气对太阳辐射的影响大气窗口 1大气的结构 大气的垂直分层 对流层 平流层 中气层 热层和大气外层 对流层 航空遥感活动区 遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性 平流层 较为微弱 中气层 温度随高度增加而递减 热层 增温层 电离层 卫星的运行空间 大气外层 1000公里以外的星际空间 2大气的成分 大气的传输特性 大气对电磁波的吸收 散射和透射的特性 这种特性与波长和大气的成分有关 大气的成分 多种气体 固态和液态悬浮的微粒混合组成的 大气成分主要有氮 氧 氩 二氧化碳 氦 甲烷 氧化氮 氢 这些气体再80km以下的相对比例保持不变 称不变成分 臭氧 水蒸气 液态和固态水 雨 雾 雪 冰等 盐粒 尘烟 这些气体的含量随高度 温度 位置而变 称为可变成分 等 大气物质与太阳辐射相互作用 是太阳辐射衰减的重要原因 3大气对太阳辐射的影响 太阳辐射的衰减过程 30 被云层反射回 17 被大气吸收 22 被大气散射 31 到达地面 大气的透射率公式 透射率与路程 大气的吸收 散射有关 一 大气的吸收作用 氧气 小于0 2 m 0 155为峰值 高空遥感很少使用紫外波段的原因 臭氧 数量极少 但吸收很强 主要吸收0 3 m以下紫外 对航空遥感影响不大 水 吸收太阳辐射能量最强的介质 到处都是吸收带 主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分 因此 水对红外遥感有极大的影响 二氧化碳 量少 吸收作用主要在红外区内 可以忽略不计 AbsorptionofEMenergybytheatmosphere 二 大气的散射作用 散射作用 太阳辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变 并向各个方向散开 改变了电磁波的传播方向 干扰传感器的接收 降低了遥感数据的质量 影像模糊 影响判读 大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区 因此 散射是太阳辐射衰减的主要原因 ScatteringofEMenergybytheatmosphere Non SelectivescatterofEMradiationbyacloud 三种散射作用 瑞利散射 当微粒的直径比辐射波长小得多时 此时的散射称为瑞利散射 散射率与波长的四次方成反比 因此 瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大 紫外线是红光散射的30倍 0 4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍 瑞利散射对可见光的影响较大 对红外辐射的影响很小 对微波的影响可以不计 多波段中不使用蓝紫光的原因 无云的晴天 天空为什么呈现蓝色 朝霞和夕阳为什么都偏橘红色 米氏散射 当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射 云 雾的粒子大小与红外线的波长接近 所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视 空气污染严重的地区天空显示为灰色 无选择性散射 当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射 符合无选择性散射条件的波段中 任何波段的散射强度相同 水滴 雾 尘埃 烟等气溶胶常常产生非选择性散射 云雾为什么通常呈现白色 四 大气窗口 1 大气窗口 通过大气而较少被反射 吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段 大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据 大气窗口 概念 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 我们就把受到大气衰减作用较轻 透射率较高的波段叫大气窗口 主要大气窗口与遥感应用 大气校正 概念 为消除由大气的吸收 散射等引起失真的辐射校正 称作大气校正 大气对遥感图像的影响与波长 时间 地点 大气条件 大气厚度 太阳高度角等因素有关 按照校正的过程 可以分为间接大气校正方法和直接大气校正方法 直接大气校正是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整 以消除大气影响 间接大气校正指对一些遥感常用函数 如NDVI进行重新定义 形成新的函数形式 以减少对大气的依赖 三种遥感模式 依据传感器探测能量的波长和研究需要 一般有三种基本的遥感模式 可见光 近红外遥感热红外遥感主动遥感 传感器记录地球表面反射太阳辐射的能量 此类遥感主要集中在可见光和近红外波段 传感器记录地表自身所发射的辐射能量 此类遥感主要集中在热红外波段 传感器自身发射出能量 然后探测并记录地表对该能量的反射 常见地物的光谱曲线 植物光谱曲线 可见光波段 0 4 0 76um 有一个小的反射峰 位置在0 55um 绿 处 两侧0 45um 蓝 和0 67um 红 则有两个吸收带 这一特征是由于叶绿素的影响 叶绿素对蓝光和红光吸收作用强 而对绿光反射作用强 在近红外波段 0 7 0 8um 有一反射的 陡坡 至1 1um附近有一峰值 形成植被的独有特征 这是由于植被叶细胞结构的影响 除了吸收和透射的部分 形成的高反射率 在中红外波段 1 3 2 5um 受到绿色植物含水量的影响 吸收率大增 反射率大大下降 特别地 以1 45um 1 95um和2 7um为中心是水的吸收带 形成低谷 植物波谱在上述基本特征下仍有细部差别 这种差别与植物种类 季节 病虫害影响 含水量多少等有关系 为了区分植被种类 需要对植被波谱进行研究 反射率 波长 um 0 55 1 1 0 67 0 45 1 45 11 95 2 7 植物光谱曲线 常见地物的光谱曲线 常见地物的光谱曲线 水体光谱曲线 常见地物的光谱曲线 土壤光谱曲线 常见地物的光谱曲线 岩石光谱曲线