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第二章 遥感物理基础,第二章 遥感物理基础,第一节 电磁波与电磁波谱第二节 太阳辐射与大气窗口第三节 地物波谱特征第四节 色度学,地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式电磁波。不同的物体具有不同的物质组成和结构；由此导致其电磁波谱特征（特征光谱）不同。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。不同地物的光谱曲线不同。同一种物体在不同的情况下，在各波段的反射率也不同。,第一节 电磁波与电磁波谱,不同类型的地物具有反射或辐射不同波长电磁波的特性，遥感技术是利用地物反射和辐射电磁微波的固有特性来探测地面目标的。因此，关于电磁波辐射的基本原理就成为遥感技术的理论基础。本章仅从“遥感”的角度简述一些有关问题。 一、电磁波 电磁波是能量的一种动态形式。只有当它与物质相互作用时才表现出来。 在自然界中，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线都是电磁波，不过它们产生的方式不同，波长也不同。 根据电磁场理论，变化的电场能够在它的周围激起磁场的变化，同样，变化的磁场也能够在它周围激起电场的变化，这种交变的电磁场在空间由近及远的传播过程称为电磁波。,电磁波的电（E）、磁（H）向量,电磁波示意图,电磁波,电磁能量有以下几个主要参数,波长(Wavelength)：指波在一个振动周期内传播的距离。即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰或波谷)间的距离。用表示，单位为厘米(cm)、毫米(mm)、微米(m)、纳米(nm)等周期：波前进一个波长那样距离所需的时间（T）频率(frequency)：指单位时间内，完成振动或振荡的次数或周期（T）.用V示。单位为赫兹(Hz)、千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等 。,波长与频率,振幅(Amplitude)：表示电场振动的强度。它被定义为振动物理量偏离平衡位置的最大位移。即每个波峰的高度。单位为瓦特米2厘米 电磁波的波长、频率、及速度间有如下关系： V 电磁波在真空中以光速C2.998108米秒(ms)传播，在大气中小于光速但接近于光速传播。 一般可用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。在可见光一红外遥感中多用波长，如m、nm等：在微波遥感中多用频率，如MHz、GHz等。,几个辐射度量概念,辐射能W电磁辐射所携带（或传递）的能量，它表示在给定的时间间隔内由辐射源辐射出的全部能量。辐射能的单位是焦尔（符号J）辐射通量辐射能传递的时间速率，是单位时间内所传递的能量。常用单位是瓦（符号W）。大多数传感器响应的是辐射能传递的时间速率，而不是所传递的总能量,辐射通量密度单位面积所截获的辐射通量。辐照度投射到表面上的辐射通量密度。用符号E表示（单位为Wm-2)出射率从表面发出的辐射通量密度。用符号M表示（单位为Wm-2）,辐射强度I 辐射源每单位立体角所发出的辐射通量密度，单位为瓦球面度-1（W Sr-1)立体角是辐射通量定量测量的一个基本概念，采用类似弧度的度量方法。,辐射率L在扩展源的某一方向上的单位立体角内，由垂直于那个方向的平面上辐射源的投影单位面积所发射的辐射通量。,1） 不需要传播介质,2） 横 波,3） 波动性,4） 粒子性,5） 叠加原理,6） 相干性和非相干性,7） 衍射和偏振 （遥感器的几何图象分辨率，波长越 长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）,8）多谱勒效应 （合成孔径侧视雷达）,电磁波的特点和遥感意义,动量：P,能量：E,h : 普朗克常数，6.62607551034 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。,电磁波的粒子性,电磁辐射传播的基本特性,干涉衍射偏振,干涉 (interference) 一列波在空间传播时，将引起空间各点的振动，两列(或多列)波在同一空间传播时，每列波对各点的振动都有贡献，因此空间各点的振动就是各列波单独在该点产生的振动的叠加合成（波的叠加原理）。这种波的叠加合成不是筒单的代数和，而是矢量和。同振幅、频率和初位相(具固定位相关系)的两列(或多列)波的叠加合成而引起振动强度重新分布的现象称为“干涉现象”,干涉现象中，在波的交叠区有的地方振幅增加，有的地方振幅减小，振动强度在空间出现强弱相间的固定分布，形成干涉条纹。干涉现象普通存在，它是波的一个重要特性，但只有相干波(具有固定位相关系的波束)才能产生干涉现象。 光波的干涉图样是一系列明暗相间的条纹或曲线。在光学仪器中利用光的干涉原理制作干涉滤光片等；也可以利用电磁波的干涉制作定向的发射天线。,杨氏干涉,衍射 (diffraction),波在传播过程中遇到障碍物时，在障碍物的边缘一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的“阴影区”的现象称为“衍射现象”。它是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化，导致波在空间上振幅或强度重新分布的现象，也是波的重要特性之一。,小孔衍射,光学仪器分辨能力,偏振 (Polarization),偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波作为一种横波，其相互垂直的电场和磁场的振动方向是与传播方向垂直的。传播方向确定后其振动方向并不是唯一的,也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转，出现偏振现象。纵波则不同，它沿着波的传播方向振动，传播方向确定后其振动方向便是唯一的，所以不会有偏振现象。,用起偏振器获得偏振波,通常把包含电场振动方向的平面称为偏振面。如果振动方向是唯一的，不随时间而改变，即偏振面方向固定，则为线偏振(线性极化或平面极化)。沿一个固定方向振动的光为偏振光；太阳光是非偏振光(所有方向的振幅相等，无一优势方向)；一些人造光源(如激光和无线电、雷达发射)是偏振光源，常有明确的极化状态。介于两者之间的为部分偏振光-许多散射光、反射光、透射光均属此类(其部分能量有明确的极化状态)。 电磁波在反射、折射、吸收、散射过程中，不仅其强度发生变化，其偏振状态也往往发生变化，所以电磁波与物体相互作用的偏振状态的改变也是一种可利用的遥感信息。,A天然光；B偏振光；C部分偏振光,二、电磁波谱,定义：按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列成的图表，称为电磁波谱。,蓝0.380.50m，绿0.500.60m，红0.600.76m。,0.010.38m,0.380.76m,0.761000m,微波：1000 m 1.0m,各种电磁波的特点,电磁波谱中各谱段的主要特点,射线 波长小于0.03nm,波长短、频率高，具很大能量，很高的穿透能力。来自太阳辐射中的全被大气吸收，因此不能用于遥感。但来自放射性矿物的可被低空遥感所探测，有遥感前景。,X射线,波长0.033nm，在大气中全部被吸收，不能用于遥感,紫外线（UV）,波长3nm0.38 m 3nm0.01m 超远紫外 0.010.2 m 远紫外 0.20.3 m 中紫外 0.30.38 m 近紫外（摄影紫外） 具较高能量，在大气中散射严重,可见光(Visible light),波长0.380.76 m ，电磁波谱中人眼所唯一能见到的波区。还可分出更窄的谱段，如红、橙、黄、绿、青、兰、紫，也可粗分为：蓝0.380.50 m 绿0.500.60 m 红0.600.76 m,红外线（Infrared ,IR),波长0.761000m 近红外（NIR）0.763m （反射红外）（其中0.760.9 m 又称摄影红外）中红外（MIR）36m 远红外（FIR）615m 超远红外（UFIR）151000m （其中中、远红外等是物体发射的一种热辐射，所以也叫热红外）,红外(Infrared, IR)反射红外（reflective IR）：0.7-3.0m热红外(Thermal IR)：3.0-100m以往用法：近红外：0.7-1.1 m中红外：1.1-3.0（6.0，8.0） m远红外：8.0-100 m目前遥感界习惯用法：近红外（NIR, near-infrared）：0.7-1.1 m短波红外(SWIR, shortwave IR）：1.1-3.0（2.5） m中红外(MWIR, Mid wave IR)：3.0-6.0（8.0） m热红外(TIR, Thermal IR)：8.0-15 m,微波（Microwave),波长0.1100cm,实际是无线电波的一部分毫米波:1mm10mm厘米波:1cm10cm分米波:1dm10dm特点：穿透性（云、雾、冰） 不受气候和昼夜影响 能量弱,微波波段(1mm-1m, 最常用1cm-1m)遥感常用波段符号：P：30-100cmL: 15-30cmS: 7.5-15cmC: 3.75-7.5cmX: 2.4-3.75cmKu: 1.57(1.7)-2.4cmK: 1.1-1.57(1.7)cmKa: 0.75-1.1cm,无线电波（Radio wave),不能用于遥感。短波被大气层全部反射，中波长波被电离层吸收,电磁波谱及其在遥感上的应用,第二节 太阳辐射与大气窗口,在地球环境中，太阳是一个最强大的辐射源，目前遥感技术中所用的可见光波段，近红外波段的能量来源主要来自太阳。地球本身也是天然电磁辐射源，是目前热红外遥感的主要辐射源。,一、太阳辐射和大地辐射,太阳辐射及其能量分布,1）5900K的黑体辐射。 2）短波辐射（太阳辐射总能量的40集中于0.40.76um的可见光范围内，51在红外部分）,地球是另一个大的天然电磁辐射源。地球除以反射太阳辐射的方式以外，还以火山喷发、温泉和大地热流等多种形式，向宇宙空间不断地辐射热能。 地球辐射能量集中在中红外（36m）及热红外（615m）谱段，其峰值波长在9.7m处。 太阳辐射波谱曲线与地球的辐射曲线在约3m处相交。由此可知，当人们对地面目标进行遥感时，传感器接收到的波长小于3m部分，主要是地物反射太阳辐射的能量；波长大于3m部分，主要是地物自身的发射辐射（热辐射）能量。,地球辐射及其能量分布,地面物体的电磁辐射信息包括反射信息，它只能在白天接收发射信息，它既能在白天，又能在夜间接收,太阳、地物和人工发射辐射电磁波，都要通过地球大气。而大气作为一种传输介质，对电磁辐射的影响主要表现为散射与选择性吸收，致使电磁辐射强度减弱，其光谱成分也发生一定的变化。这种影响通常以衰减因数来衡量。即： 0 0衰减因数 吸收系数 散射系数 散射系数 取决于大气中气体分子、液态和固态杂质的散射；吸收系数 取决于大气中气体分子的吸收。 与 随波长不同而变化。在可见光波段以散射为主，红外波段以吸收为主。,二、大气的作用,二、大气的作用,传感器接收到：L Ls + La,La 散射辐射,（一）大气散射,Ls 表面反射的辐射率,（一）大气散射 1、 瑞利散射 当微粒直径小于波长时，d 时，一般认为（d /10）散射系数与4成反比，主要由大气中的气体分子引起可见，波长越短，散射越强。,晴朗的天空为蓝色； 出现蓝色蒙雾，紫外区不适于进行遥感 主要影响短波波段，主要是使传感器接收到的能量加上一个常数，这就造成图像反差变小，模糊。,1、 瑞利散射,质点直径和电磁波波长差不多时（d ）,2 米散射,主要是大其中的气溶胶引起的散射。 云、雾等的悬浮粒子的直径和0.7615 um之间的红外线波长差不多，需要注意。,3 非选择性散射,当质点直径大于电磁波波长时（d ）, 散射率与波长没有关系,人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果 。,（二）大气吸收,大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。1）水：分为气态水和液态水 水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波，都有水汽的吸收带。液态水的吸收更强，主要在长波方向。2）二氧化碳 主要在红外区。1.352.85um 之间有3个弱吸收带，2.7，4.3， 14.5 um 为强吸收带。3）臭氧 主要在紫外线，所以在遥感技术中很少应用紫外光谱段4）其它吸收电磁波的物质 氧气主要吸收波长小于0.2um的， 尘埃吸收作用很少。,（三）反射作用,主要是大气中的云层，大的尘埃。 云量越多、云层越厚， 反射越强。,大气对太阳辐射的衰减总体规律：大气吸收15， 散射和反射42，其余43 太阳辐射到达地面。又一说：大气吸收17， 散射22，反射30，其余31 太阳辐射到达地面。,太阳辐射经大气衰减图,（四） 大气窗口,大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。,要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。,（四） 大气窗口,常用大气窗口,1）0.31.4um： 包括全部可见光（95），部分紫外光（70），部分近红外光（80）。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。2）1.42.5um： 近红外窗口，6095，扫描成像，白天记录3）3.55.5um： 中红外窗口，6070，白天夜间，扫描成像记录4）814 um： 远红外窗口，超过80， 白天夜间，扫描记录5）1.4300mm： 微波窗口， 白天夜间，扫描记录。,一、地物波谱特征的概念 地物波谱特征是指各种地物各自所具有的电磁波特性（反射、发射、吸收、透射）。 任何物体对外来电磁波均有反射、吸收和透射作用。同时任何物体只要其温度高于绝对零度，都会不断向外界发射电磁波（热辐射）。在入射电磁波与反射、吸收和透射电磁波之间，据能量守恒原理，为： 100 式 反射率 吸收率 透射率,第三节 地物波谱特征,(1)镜面反射(Specular reflection)(2)漫反射(Diffuse reflection) (3)方向反射(Directional reflection),地物对电磁波的反射有三种形式, 任何物体的发射率总是等于它同温度同波段的吸收率即 （T）（T） 对于不透明的物体来说，可以认为（）0则（）1（） 1则 1 即各种地物发射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射电磁波的特性得到。 正因为各种地物反射、发射电磁波能力各不相同，才构成遥感据以探测和识别各种目标物的依据。,二、地物反射波谱特征 （一）地物反射波谱特性 当电磁波从较稀疏的空气介质入射到较密介质时，将产生反射。一般用反射率来表示地物反射能力。 通常反射率定义为物体的反射能量与入射能量之比。 即：EE 显然，反射率高，在遥感图像上就越亮，反之则越暗。 因为波长不同，同一地物其反射率也不同。遥感中更常用的是光谱反射率。 光谱反射率：地物在某波段的反射能量与该波段的入射能量之比，即 EE,地物反射波谱特性：地物波谱反射率随波长变化而改变的特性。 地物反射特性曲线：将地物的波谱反射率与波长的关系在直角坐标系中描绘出的曲线。通常以横坐标代表波长，纵坐标代表光谱反射率所作出的相关曲线来表示 对同一地物来说，其它条件相同的情况下，由于入射波长不同，反射率也不同。同时，对同一入射波长来说，不同物质其反射率也不同。任何物体均有其自己独特的反射波谱曲线形态，遥感图像的解译工作就是建立在这个基础上的。,、植被 、水体 、土壤 、岩石 、沙漠 、湿粘土 7 、雪,（二）几类常见地物反射波谱特性,可分为三段：1、0.4-0.76m: 有一个小的反射峰，位于绿色波段（0.55 m ），两边（蓝、红）为吸收带（凹谷）2、0.76-1.3 m: 高反射，在0.7 m处反射率迅速增大，至1.1处有峰值3、1.3-2.5 m: 受植物含水量影响，吸收率增加，反射率下降，形成几个低谷,植被的光谱曲线：,绿色植物有效光谱响应特征,植被的光谱曲线：,水体的反射主要在蓝光波段，其他波段吸收都很强，特别在近红外以后水体便成为一个吸收体。,水体的光谱曲线：,光谱反射特性可能包括来自三方面的贡献：水的表面反射、水体底部物质的反射和水中悬浮物质的反射。 光谱吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关，而且还明显地受到水中各种类型和大小的物质有机物和无机物的影响。,水体的光谱曲线：,水体的光谱曲线：,没有明显的波峰波谷土质越细反射率越高，有机质含量越高含水量越高，反射率越低,土壤的光谱曲线：,自然状况的土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来说土质越细，反射率越高，有机质含量越高和含水量越高反射率越低。此外土壤的肥力也会对反射率产生影响。,土壤的光谱曲线：,岩石的光谱曲线：,岩石的波谱特征是地质遥感的基础，不同的矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面的光滑程度、色泽等都会影响到其反射波谱特征。,形态各异，没有统一的变化规律,岩石的光谱曲线：,岩石的光谱曲线：,其他光谱曲线：,、水份 、矿物成份 、可溶盐量 、风化作用 、表面结构 、季节、植被覆盖 7 、产状、坡向 8 、其它：如时间、气候条件等,（三）影响地物反射波谱特征的因素,任何物体只要它的温度在绝对零度以上，就存在着分子的热运动，它能够不断地向外发射电磁波。在红外波段这种辐射则为热辐射。地物的电磁波发射能力主要与它的温度有关。为了衡量地物发射电磁波能力的大小，常以黑体辐射作为度量的标准。 、黑体 是指能够在热力学定律所允许的范围内，最大限度地把热能转变成辐射能的理想辐射体。或者说能全部吸收外来电磁波辐射而毫无反射和透射能力的理想物体。 黑体的热辐射称为黑体辐射。,三、地物发射波谱特征,灼热物体的光谱成分与温度的关系,(1) 普朗克定律 1900年，普朗克用量子论的概念推导出黑体的热辐射定律，阐明了黑体辐射的能量做为温度的函数沿波长分布的情况 式中：w黑体辐射能量 w/m3 h 普朗克常数（h=6.626*10-34w/s2） k 波耳滋曼常数（k=1.38*10-23ws/k） 波长，m C光速(C=3*108m/s) T黑体的绝对温度K 从上式可以看出w与T和辐射能量的波长有关。以T为第一变量，为第二变量可在直角平面坐标系中绘出w与T、的关系曲线。该曲线也叫做黑体的波谱辐射曲线。,、黑体辐射定律,变化特点：(1) 辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2) 温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3) 随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。,(2)维恩定律 峰值波长与绝对温度的关系。 对普朗克公式微分并求极值：,得maxT 2897.8K上式表明，黑体辐射的峰值波状与绝对温度温度T成反比，即温度越高， max愈小，即向短波方向移动。,例：太阳看作具6000K的黑体，其辐射的峰值波长 max0.5m 地球表面平均温度为27(即300K) max9.6由图中可以看出黑(物)体辐射能量区别最明显处就在其max附近,所以通过记录某物体的max处的辐射特性来识别它最为便利.维恩定律为识别特定物体而设计遥感器的响应波段提供了理论基础. .,(3)斯蒂芬玻耳兹曼定律 将普朗克公式对波长从零到无穷大范围内作积分求得,上式表明黑体辐射能量与绝对温度四次方成正比. 即温度越高,黑体辐射的能量愈大,被遥感器记录的能量也愈大;反之亦然.这说明不同温度的物体具有不同的辐射能量,记录下它们之间的辐射能量差别就为区别它们提供了基础.这也是在遥感图像上识别不同物体的基础.,在任何一个给定的温度下，任何一个物体的发射能量W (T)与其吸收率(T)之比都等于在同一温度T下的黑体的发射能量 W黑(T).即,由上式可导出下式 这表明任何一个物体在温度T下的发射率(T)都等于它在此同一温度T下的吸收率(T)。,3、基尔霍夫定律,对于物体在温度T下所发射或吸收的每个单色波长分量而言，以上两式也成立。即 以上四式都是基尔霍夫定律的表达式。 由基尔霍夫定律可知，任一物体在某温度下、某波长处的光谱发射率(,T)与光谱吸收率(,T)永远相等。,地物的发射率是地物的发射能量与同一温度下的黑体发射能量的比值 (T)W(T)/W黑(T) 按照发射率（恒等于吸收率）的大小及其与波长的关系，可以把物体分为三类： 绝对黑体：在任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率恒等1的物体。 灰体：在任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率都小于1，且不随波长而变化的物体。 选择性辐射体：光谱发射率随波长而变化的物体,4、地物发射率与三大发射体,三大发射体,5、地物发射波谱 地物的光谱发射率与波长的关系叫做地物发射光谱，用来表示地物发射波谱的曲线叫做地物发射波谱曲线。 6、影响地物发射波谱的因素： 地物的物质成份 地物表面的粗糙度 地物表面的颜色 地物表面的形态特征,地物发射波谱示例,颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉，因而物体的颜色不仅取决于物体本身，而且还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统都有关系。,第四节 色度学,第四节 色度学一、三原色 三原色：任何一种单色光不能通过其它两种混合而成。即红（R）、绿（G）、蓝（B）、加色法三间色 R+GY(黄) G+BC(青) 黄、青、品红为三间色 R+BM(品红) R+G+BW(白),RGB模型,1、RGB模型,两种原色按照等量叠加得到一种补色。三原色等量叠加得到 白光。如果两种色光叠加后得到 白光（黑光），则称这两种色为互补色。非互补色不等量叠加得到两者之间的中间色。红（多） 绿（少） 橙色红（少） 绿（多） 黄绿色,、减色法互补色 白光三原色中任何一种互补色 W-RG+BC(青) 红、青为互补色 W-GR+BM(品红) 绿、品红为互补色 W-BR+GY(黄) 蓝、黄为互补色 三原色相加为白色，三补色相加为黑色 Y+M+CBL(黑),CMY颜色模型,一般用于颜料的配制、彩色印刷、彩色相片的染印等。 颜料的颜色是由于染料选择性吸收了白光中的某些波长，反射出白光中未被吸收的色光而产生。黄 白蓝 红绿 黄青 白红 蓝绿 青 三种颜料等量混合，白光中的红、绿、蓝 全部被吸收，所以呈现 黑色,减色法,二、彩色合成： 任何一种颜色，均可由三种原色进 行合成。不同波段的图像利用三种原色进行合成，则会重现彩色。,蓝,绿,红,彩色图像,光源,透明正片,透镜（头）,滤光片,对准、投影,合成方案：7R 4G 1B水体：0 R + 0 G + 2 B = 2B 植被：15 R +50 G + 9 B = 9 W + 6 R + 41 G = 9 W + 6 Y + 35 G土壤：50 R + 32 G +18 B = 18W + 32 R + 14 G = 18W + 14Y + 18 R,三、彩色三要素 彩色可以用色调、饱和度和强度三要素来描述 色调（H）：即颜色的类别，相当于光的平均波长 饱和度（S）：相当于颜色的“纯度”，产生某种颜色的波长范围越窄，则饱和度越高。 强度（I）：相当于颜色的亮暗程度，是所有波长的总的亮度，类似于反照率。 用这三个变量可以构成彩色坐标系统。通过彩色坐标的数学变换，可以增强图像中的色彩差异，提高解译和识别的效果。 HIS色度空间 RGB彩色空间,色调(Hue) :是一种颜色区别于其他颜色的因素，也就是我们平常所说的红、绿、蓝、紫等；饱和度(Saturation) :是指颜色的纯度，鲜红色的饱和度高，而粉红色的饱和度低；亮度(Lightness) :就是光的强度，是光给人的刺激的强度。,从心理学和视觉的角度出发:,识别颜色:,