遥感导论第二章教材课件.ppt

一、电磁波谱 ；二、电磁辐射的度量（自学为主)1、电磁波谱按频率由高到低排列主要由 、 、 、 、 、 、 等组成。2、遥感应用的电磁波波谱段有哪些？有什么特点？3、名次解释：辐射能量（W）、辐射通量()、辐射通量密度。,三、黑体辐射（问题讨论）1、什么是绝对黑体?2、简述斯忒藩玻尔兹曼定律和维恩位移定律的内容及其对遥感的意义。,第2章 电磁辐射与地物光谱特征,2.1 电磁波谱与电磁辐射,SPOT5图像10米,思考： 目标物怎样与 电磁波作用形 成影像图？,第2章 电磁辐射与地物光谱特征,本章主要内容：2.1 电磁波谱与电磁辐射2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响2.3 地球的辐射与地物波谱,(1) 电磁波谱,2.1 电磁波谱与电磁辐射,电磁波：,电磁波性质：,电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列。依次为：,射线,电磁波谱示图p15、 p17,X射线,紫外线,可见光,红外线,无线电波,紫外线：可见光：红外线：微波：,遥感应用的电磁波波谱段,波长范围为0.010.38m，对油污染敏感。,波长范围：0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。,波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。,波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。,辐射源：,2.辐射测量,（2）电磁辐射的度量,任何物体都是辐射源 遥感探测实际上是辐射能量的测定。,辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J 辐射通量()：（它是辐射能量随时间的变化率） 辐射通量密度：单位时间通过单位面积上的辐射能量,单位:W/m2,辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上 辐照度（I）：被辐射物体表面单位面积上辐射亮度（L）：某一方向,单位投影表面,单位立体角内辐射通量,即,理论和实验表明，物体的吸收本领越大，其辐射本领也越大。 结论：黑体吸收最强，辐射也最强。,黑体吸收模型,（3）黑体辐射,1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。,（，T）1 ，（，T） 0 能100%地发射某一波段的辐射。 黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体。,2黑体辐射规律 1）普朗克公式 2）斯忒藩-玻尔兹曼定律： 3）维恩位移定律：, 1) 黑体辐射定律，即普朗克定律。,不同温度的黑体辐射,黑体辐射的能量(辐射出射度)只与波长、温度有关，与物质组成无关，发射能量是一个连续的波长谱。,b, 2） 对普朗克公式积分得,绝对黑体的总辐射出射度（曲线下面所围面积）与黑体温度的四次方成正比。,黑体辐射光谱中辐射最强的波长与黑体温度T 成反比,不同温度的黑体辐射,斯忒藩-玻尔兹曼定律,维恩位移定律, 3）对普朗克函数求波长曲线极值, 基尔霍夫定律,3实际物体的辐射,黑体的辐射能力最大，物体吸收率越大，辐射能力越强。,在任一给定温度下，地物的辐射出射度M和吸收率之比，对于任一地物都是一个常数，等于该温度下黑体的辐射出射度。,发射率(比辐射率)：实际物体辐射与黑体辐射之比。它也是遥感探测的基础和出发点。,实际物体的辐射（实际物体的辐射出射度比绝对黑体低）,影响地物发射率的因素： 地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。,返回,植物生长状况的解译,健康的绿色植物具有典型的光谱特征。遭受病虫害的植物其反射光谱曲线的波状特征被拉平。,课堂练习：1、简述斯忒藩玻尔兹曼定律和维恩位移定律的内容及其对遥感的意义。,2、计算太阳辐射最强的波长？,b,维恩位移定律用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测波段，如火灾检测。,斯忒藩-玻尔兹曼定律地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量较明显变化。这种特征是构成红外遥感的理论依据。,两定律意义,第二节 太阳辐射及大气对太阳辐射的影响一、太阳辐射；二、大气吸收（自学为主：观看讲课视频；查看课外学习体系；提问习题予以评分）。1、太阳光谱的特点有哪些？2、大气吸收对遥感技术有什么影响？,三、大气散射；四、大气窗口及透射分析（问题讨论）1.大气的散射现象有几种类型？根据不同散射类型的特点分析可见光遥感与微波遥感的区别，说明为什么微波具有穿云浮透雾能力而可见光不能。2、综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回到遥感传感器这一整个过程中所发生的物理现象。3、何为大气窗口？分析形成大气窗口的原因。简述大气窗口对于遥感探测的重要意义。,2.2太阳辐射及大气对辐射的影响,（2）大气对辐射的影响 （一）大气吸收 （一）大气散射 （一）大气窗口及透射分析, （1）太阳辐射,1太阳常数：2太阳光谱,（1）太阳辐射,太阳辐照度分布曲线,0.4,地面接收,太阳辐射能主要集中在0.3-3.0m近紫外到中红外波段区间,太阳辐射总能量的46%集中在0.3-0.76 m之间的可见光波段,大气分层：对流层、平流层、中间层、热层和大气外层（散逸层）。,（2）大气对辐射的影响,大气的成分：分子和其他微粒分子：氮和氧占99%，臭氧、二氧化碳、水分子及其他约占1%。颗粒：烟、尘埃、雾、小水滴和气溶胶。,大气对辐射的影响,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。,（一）大气的吸收作用（二）大气的散射作用（三）大气窗口及透射,（一）大气的吸收作用,大气的吸收作用： 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）（图示P28）,（二）大气的散射作用,大气发生的散射主要有三种： 1瑞利散射：粒子直径d ,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。,瑞利散射（粒子直径d 绿光 红光。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。,无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？,3. 无选择性散射（粒子直径d ） 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？,米氏散射（粒子直径d ） 散射强度与波长的二次方成反比。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。潮湿天气米氏散射影响较大。,（三）大气窗口,1）折射现象：2）反射现象：3）大气窗口：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。（对遥感有用的部分）大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。,常见的大气窗口：,第三节 地球的辐射与地物波谱一、太阳辐射与地表的相互作用；二、地表自身热辐射（问题讨论）1、了解地球辐射的分段特性的意义?2、基尔霍夫定律是什么？三、地物反射波谱特征（自学为主）。1、叙述土壤、植物、和水的光谱反射率随波长变化的一般规律。2、地物波谱曲线的作用有哪些？,2.3地球的辐射与地物波谱,二、地表自身热辐射,三、地物反射波谱特征,一、太阳辐射与地表的相互作用,太阳辐射主要集中在0.3-2.5m，在紫外、可见光、到近红外区段,地球自身辐射主要集中在6m以上的热红外区段,2.5-6m，即中红外波段两种辐射共同起作用（避免太阳辐射）,一、太阳辐射与地表的相互作用,太阳辐射近似温度为6000K的黑体辐射，而地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射。最大辐射的对应波长分别为 max日=0.47m 和max地=9.66m,地球辐射的分段特性,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。（避免太阳辐射）。但对于地表高温目标如火燃等，其温度达600k，辐射峰值波长为4.8m，在热红外波段35m的大气窗口内。远红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。 所以，通常热红外遥感波段的选择在波长814m和35m两个区间内。,二、地表自身热辐射,据黑体辐射规律及基尔霍夫定律，,物体的发射波谱曲线：可根据 和 作出曲线,比辐射率（发射率）波谱特性曲线的形态特征反映：地面物体本身的特性，包括物体本身的组成、温度、表面粗糙度等物理特性。,曲线的形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体，尤其在夜间，太阳辐射消失后，地面发出的能量以发射光谱为主，探测其红外辐射及微波辐射并与同样温度条件下的发射率曲线比较，是识别地物的重要方法之一。,三、地物反射波谱特征 到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量 +透射能量 反射率与反射波谱 地物反射波谱曲线,（1）反射率 物体反射的辐射能量 占总入射能量 的百分比，称为反射率。利用反射率可判断物体的性质。,不同物体反射率不同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。,（2）物体的反射 根据物体表面性质反射状况分为三种：a 镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。 只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波。 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。b 漫反射：反射方向是“四面八方”。 朗伯面：当入射辐照度I一定时，从任何角度观察 反射面，其反射辐射亮度是一个常数，与方向无关。,方向反射因子入射辐射的照度观察方向的反射亮度。,漫入射时的方向反射因子漫入射辐照度,c 实际物体反射：多数都处于两种模型之间，即介于镜面和朗伯面之间。其反射辐射亮度与方向有关。,连,入射辐照度有两部分组成：一部分太阳的直接辐射；一部分太阳辐射经大气散射后又漫入射到地面的部分,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。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?,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。,地物反射波谱曲线,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。,植被土壤水体岩石,常见的几种地物类型波谱特征,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。,在可见光波段,在近红外波段,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,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。,不同植被类型的光谱曲线比较,土壤的波谱特征,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。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。,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,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。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,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。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,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。,岩石的光谱曲线,地物波谱曲线的作用,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,地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。同物异谱是指一种地物对应几种不同的光谱特征. （有周围环境、时相上的原因 ）例如坡度,坡向,海拔,季 相,覆盖度以及地物的组合方式。异物同谱是指不同类型的地物具有相同的波谱特征。,多光谱TM影像TM1：0.45-0.52微米，蓝波段TM2：0.52-0.60微米，绿波段TM3：0.63-0.69微米，红波段，为叶绿素主要吸收波段。TM4：0.76-0.90微米，近红外波段。对绿色植物类别差 异最敏感TM5：1.55-1.75微米，中红外波段。处于水的吸收带TM6：10.4-12.5微米，热红外波段。TM7：2.08-2.35微米，中红外波段。处于水的强吸收带。主要用于地质制图，特别是热液变岩环的制图。,水体：TM1 TM2 TM3 TM4 TM5 TM7植被： TM4 TM5 TM1 TM2 TM7 TM3,绿色植被在近红外光处为高反射，红光处为低反射NDVI：（近红外波段-红光波段）/（近红外波段+红光波段）对于TM： （TM4-TM3）/(TM4+TM3)突出植被在红光、近红光上的反射差异特征。区分植被和非植被 植被在近红外波段的像元值大于可见光波段的像 元值，因此植被的NDVI值必定是正值，并且大 于其它非植被地物的NDVI值，因此可以通过确 定一个阈值来区分。 用于提取植被类别、估算植被生物量、估算农作 物产量、森林蓄积量,2005年植被覆盖度分级图,NDVI=（近红外-红光波段）/（近红外+红光波段）对于TM： （TM4-TM3）/(TM4+TM3),利用TM6提高程值,方位角: 指阳光在水平面上投影和当地子午线间的夹角。天顶距（天顶角）： 指的就是天体到天顶的角距离，也就是天体高度角的余角。,返回,作业：1、画出电磁波谱图，并对现代遥感技术常用光谱段的波长范围及其在遥感上的应用作出简要说明。（请注明参考书相应页码及引用位置）。,分组学习讨论热红外遥感原理、应用等相关内容。制作ppt，小组人员讲述相关内容。,第一节 遥感平台（自学为主）1、主要遥感平台是什么，各有何特点？2、试述NOAA气象卫星的轨道特征和卫星传感器AVHRR各通道的作用。第二节 摄影成像一、摄影机；三、摄影胶片的物理特性（自学为主：阅读教材；内容了解即可）。二、摄影像片的几何特性（讲述法；问题法讨论与训练）1、摄影成像的基本原理是什么？其图像有什么特征？2、像片投影误差的规律是什么？,