电磁波及遥感物理基础课件.ppt

,摄影测量学是对所研究的对象进行摄影，然后根据所摄像片信息来分析、研究，确定这些物体的大小、形状、性质和空间位置，并提供各种所需资料的一门科学（艺术、技术）遥感是指非接触的，远距离的探测技术。一般指运用传感器/遥感器对物体的电磁波的辐射、反射特性的探测，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。,遥感是以航空摄影技术为基础，在20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。开始为航空遥感，自1972年美国发射了第一颗陆地卫星后，这就标志着航天遥感时代的开始。经过几十年的迅速发展，地质地理等领域，成为一门实用的，先进的空间探测技术。,摄影测量与遥感,隶属于地球空间信息科学的范畴，它是利用非接触成像和其他传感器对地球表面及环境、其他目标或过程获取可靠的信息，并进行记录、量测、分析和表达的科学与技术。,国际摄影测量与遥感学会ISPRS,(International Society for Photogrammetry and Remote Sensing)成立于1910年，是国际一级学术组织。该组织以推动国际摄影测量、遥感与空间信息技术的发展、应用与交流合作为宗旨，成员遍及近百个国家和地区，下设8个技术委员会，具有学术活动历史悠久、组织严密、参与面宽、影响力大、知名度高等特点。其每四年举办一次国际摄影测量与遥感大会，研讨最新前沿技术与发展方向，展示最新技术系统与成果，制订下一个四年的研究指南，选举新一届领导机构。,遥感的发展,萌芽时期初期发展现代遥感第一代第二代第三代,萌芽时期,无记录地面遥感阶段（1608-1838）：1608年汉斯李波尔赛制造了世界第一架望远镜1609年伽利略制作了放大三倍的科学望远镜并首次观测月球1794年气球首次升空侦察为观测远距离目标开辟了先河，但望远镜观测不能把观测到的事物用图像的方式记录下来。有记录地面遥感阶段（1839-1857）：1839年达盖尔（Daguarre）发表了他和尼普斯（Niepce）拍摄的照片，第一次成功将拍摄事物记录在胶片上1849年法国人艾米劳塞达特（Aime Laussedat）制定了摄影测量计划，成为有目的有记录的地面遥感发展阶段的标志。,初期发展,空中摄影遥感阶段（1858-1956）1858年用系留气球拍摄了法国巴黎的鸟瞰像片1903年飞机的发明1909年第一张航空像片一战期间（1914-1918）：形成独立的航空摄影测量学的学科体系二战期间（1931-1945）：彩色摄影、红外摄影、雷达技术、多光谱摄影、扫描技术以及运载工具和判读成图设备。,现代遥感,1957年：前苏联发射了人类第一颗人造地球卫星20世纪60年代：美国发射了TIROS、ATS、ESSA等气象卫星和载人宇宙飞船1972年：发射了地球资源技术卫星ERTS-1（后改名为Landsat Landsat-1），装有MSS感器，分辨率79米1982年Landsat-4发射，装有TM传感器，分辨率提高到30米1986年法国发射SPOT-1，装有PAN和XS遥感器，分辨率提10米1999年美国发射 IKNOS，空间分辨率提高到1米,9,遥感是一种远离目标，以电磁波（包括从紫外可见光红外微波）为媒介，通过非直接接触而判定、测量并分析目标性质的技术。特点：视域宽广、信息丰富、客观真实、定时定位观测、资料的可处理性应用领域：环境 灾害 海洋 农业 土地 地质 军事趋势：光学-微波 多光谱-高光谱,本书章节安排,第一章 电磁波及遥感物理基础 第二章 遥感平台及运行特点 第三章 遥感传感器及其成像原理 第四章 遥感图像数字处理的基础知识 第五章 遥感图像几何处理 第六章 遥感图像辐射处理 第七章 遥感图像判读 第八章 遥感图像自动识别分类 第九章 遥感技术的应用,第一章 电磁波及遥感的物理基础,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、热红外地物波谱特征。,本章内容,一、概述二、物体的发射辐射三、地物的反射辐射四、地物波谱特性的测定,世界上没有第二张照片，能像上图一样，在一幅画面之内集中了数量如此之多的，水平如此之高的人类精英，甚至可以说：地球上三分之一的智慧都集中在这张照片上。这张照片是1927年第五届索尔维会议(在布鲁塞尔举行)参加者的合影。索尔维既是科学家又是实业家，与设立了以自己名字命名的最高科学奖金的诺贝尔相似，索尔维为世界最高水平学术会议提供了召开经费。而这张照片中的许多人都对量子力学的发展作出了杰出的贡献：普朗克在1900年提出了能量子假说，以非常新奇的概念，冲破了传统概念的桎梏，揭示了微观世界中的重要规律，开创了物理学的一个全新领域，被誉为量子力学的奠基人，并于1918年获得了诺贝尔物理学奖。爱因斯坦在1905年引入了光量子(光子)的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，进一步证实了辐射场本身也是量子化的。玻尔在1913年建立了原子的量子理论，规定了原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。尽管对于进一步解释实验现象还有许多困难，但这个理论还是有许多的成功之处。普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论被称为旧量子理论，此后逐渐发展形成了如今的量子力学。德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说,成功解释了一些经典理论无法解释的现象。薛定谔在1926年首先提出了用于描述微观粒子状态随时间变化的状态的波函数所满足的运动方程，即薛定谔方程，它是坐标和时间的复函数。海森伯在1927年首先提出了测不准原理，成功得说明了当微观粒子处于某一状态时，它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。而在同时，玻尔提出了并协原理，对量子力学给出了进一步的阐释。,14,17,电磁波定义:是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传播电磁能量的波。,电磁振荡的传播,横波：电磁场的电场矢量和磁场矢量互相垂直，且都垂直于波的传播方向。,在空间传播的交变电磁场。物质的一种，相互依存的电场和磁场的总和。电场和磁场一有变化，就会以光速传播，形成电磁波。具有质量、动量、能量，静止质量为0。射线、射线、紫外线、可见光、微波、无线电波等都是电磁波。,1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。,波粒二象性,23,波动性：电磁辐射以波动的形式在空间传播。,粒子性：以电磁波形式传播出去的能量为辐射能，其传播表现即为光子组成的粒子流的运动。,1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、散射。,麦克斯韦（1831-1879）,普朗克（1858-1947）,爱因斯坦（1879-1955）,波动性,粒子性,24,叠加原理：当空间同时存在由两个或两个以上的波源产生的波时，每个波并不因其它的波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率（或波长）和振动方向，按照自己的传播方向继续前进，而空间相遇点的振动的物理量则等于各个独立波在该点激起的振动的物理量之和。,相干性与非相干性：由叠加原理可知，当两列频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波叠加时，在空间会出现某些地方的振动始终加强，另一些地方的振动始终减弱或完全抵消，这种现象叫电磁波的相干性。没有固定相位关系的两列电磁波叠加时，没有一定的规律可循，这种现象叫电磁波的非相干性。,微波雷达图象就是利用电磁波的相干特性成像，正因为波的相干性，图像上会出现颗粒状或斑点状的特征。其它的遥感图象是非相干波所形成的图像。,电磁波的衍射和偏振,电磁波的衍射和偏振,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。,电磁波的粒子性,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 按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。依次为：射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。（波长由短到长，频率由高到低）,（1）电磁波谱,电磁波谱,遥感应用的电磁波波谱段,紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m以下。可见光：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。红外线：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。微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。,BACK,遥感对地观测,波长：0.0010.38m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的光到达地面，对油污染敏感应用：1.用于测定碳酸岩的分布 2.用于油污的监测,紫外波段,波长：0.380.76m特征：1.由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫光组成；2.人眼对可见光有敏锐的分辨率；是遥感技术应用中的重要波段。应用：1.鉴别物质特性的主要波段 2.以光学摄影或扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征,可见光波段,红外波段,微波波段,二：物体的发射辐射,辐射源任何物体电磁波传递电磁能量的传递遥感探测辐射能量的测定,1.2.0 电磁辐射的度量,45,辐射源：任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外（发出）辐射。遥感的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(被动式遥感系统中重要的自然辐射源)和地球的电磁辐射（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：主动遥感采用人工辐射源，是指人为发射的具有一定波长（或一定频率）的波束。工作时接收地物散射该光束返回的后向反射信号强弱，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，目前常用的主要为侧视雷达。,辐射源,（1）黑体辐射和实际物体辐射,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。黑体是一个理想的辐射体，黑体也是一个可以与任何地物进行比较的最佳辐射体。自然界中并不存在绝对黑体，实用的黑体是由人工方法制成的。黑体辐射 能够在热力学定律所允许的范围内，最大限度的把热能转换成辐射能的理想热辐射体。它是在一切方向上都均等的辐射。,式中，为普朗克常数，6.62610-34（Js）；为光速，3108（ms-1）；为波尔兹曼常数，1.3810-23（JK-1）；为绝对温度，（K）；为波长（m）。,1.黑体热辐射三大定律：,(1)普朗克公式：,某一波长处的辐射通量,黑体辐射波长的分布特性，与温度密切相关。,49,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。,太阳常数是指不受大气影响，在距太阳一个天文单 位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面 积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。,大气顶端接受太阳能量,1.2.2 太阳辐射,56,太阳辐射：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如图所示。,太阳辐射（太阳光谱）的主要特征(1)太阳辐射到达大气层顶时与60000K黑体的辐射能特征基本相同：辐射能的强度特征、辐射能随波长的分布特征。(2)太阳辐射穿过大气层到达地面后，被大气反射、散射和吸收强度有所减少，而且存在多个O3、CO2、H2O的吸收带。(3)在0.30.47范围内，随波长的增加太阳辐射能急剧增长，最大辐射强度位于波长0.47左右；随波长的继续增大，太阳辐射能逐渐减少，在中红外波段，太阳辐射能已相当微弱。,(4)在0.6附近有一个O3的吸收带；在0.7、0.9、1.1附近有三个水汽的吸收带、在1.4和1.9附近太阳辐射能完全被吸收；CO2 的强吸收带在2.7和4.3附近。(5)到达地面的太阳辐射能43.5%集中在可见光波段,36.8%集中在近红外波段。,地球的辐射源-地球辐射,地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称。地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。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。,太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.24um波段之间。（可见光和近红外）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）,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。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。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,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。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。,1、地球大气2、大气对电磁波的影响3、大气窗口,1.2.3 大气对辐射的影响,66,1、地球大气,大气成分主要有：氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢等；这些气体在80km以下的相对比例保持不变，通常称为不变成分。臭氧、水蒸气、液态和固态水(雨、雾、雪、冰 等)、盐粒、尘烟等；这些气体的含量随高度、温度、位置而变，通常称为可变成分。,68,气体,气溶胶,由于地球重力作用，气流溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对光的散射作用属于米氏散射。气溶胶大多集中在底层大气1-4km范围之内。由于来源的不同，构成成分有差别，其变介电常数不尽相同，对电磁波的吸收散射作用差别较大，故大气气溶胶可分为不同类型。,悬浮于地球大气之中具有一定稳定性的，沉降速度小的，尺度在10-3m到10m的液态及固体粒子。,自然因素：火山、沙尘暴 森林和草原火灾 活的陆地与海洋植物、海水的飞沫人为因素：工业、交通、取暖燃烧的石油和煤炭 土地覆盖和土地利用变化、森林砍伐和沙漠化,气溶胶的来源：,烟囱的位置,大气物理状况的物理量：气压、大气温度、大气湿度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多假定大气具有水平均一、垂直分层结构。气压随高度是以负指数形式递减。,大气层次,对流层：温度随高度的增加而降低，空气明显垂直对流，上界随季节和纬度而变化。平流层（对流层顶50km）：包括下部的等温层和暖层，几乎没有对流和天气现象。,大气厚度约1000km，可垂直分为4层：,中间层（5080km）：温度随高度增加而降低。电离层：包括下部的热层与上部的逸散层，温度极增。大气中的氧气和氮气等气体呈电离状态。,通讯卫星、气象卫星（36000KM）,资源、气象卫星（800900KM）,航天飞机（200250KM）,侦察卫星（150200KM）,74,2、大气对电磁波的影响,大气对电磁波的影响主要有散射、吸收、折射、反射、透射等，而对于遥感来说，主要的影响因素是散射和吸收。（1）大气对电磁波的吸收（2）大气对电磁波的散射（3）大气对电磁波反射和折射等,75,大气对太阳辐射的衰减 太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果，是使能量不断减弱。约有30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；约有17%被大气吸收，约有22%被大气散射；而仅有31%的太阳辐射能量到达地面。反射、散射和吸收作用共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分，剩余强度越高，透过率越高。对遥感传感器而言，透过率高的波段，才对遥感有意义。,（1）大气对电磁波的吸收大气中有一些成分如水蒸气、二氧化碳、臭氧对电磁波谱中某些波长处的电磁波能量有或多或少的吸收。根据实验测定其主要的吸收带为：,77,对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内。,氧（O2）：对小于0.2m的电磁波有极强的吸收，由于氧的吸收，在低层大气内几乎观测不到小于0.2m的紫外线，在0.6m和0.76m附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。因此，在高空遥感中很少应用紫外线波段。,氮（N2）：,真正对电磁波起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、水汽,臭氧主要分布在平流层大气中（10-50km），主要集中在30km高度附近，极大值出现在20-25km处，对流层中的臭氧含量不到总量的10%。臭氧总含量分布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60-70区域内达到极大值。,臭氧（O3）,两个吸收带：0.6m处的弱吸收带 9.6m处的较强吸收区,二氧化碳（O）,CO2含量较少，但它对红外波段，特别是以15m为中心形成了一个13-17m的强吸收波段。混合在大气中的CO2强烈地吸收着来自地表的热辐射，以比地表低的温度向太空辐射热量，这就构成了一个辐射能量的差距（吸收多、支出少），增加地-气系统的温度。由于CO2的相对含量近似恒定，该吸收的波段便构成为遥测大气温度垂直分布和主要手段。,*以4.3m为中心的吸收带*以1.4m、1.6m、2.0m、2.7m、4.8m、5.2 m、9.4m、10.4m为窄的弱吸收带，宽度约0.1 m而且由于太阳辐射在红外区能量很少，因此一般不予考虑。,大气中水汽含量在空间尺度和时间尺度变化都是极大的，地球上最湿润的地区与最干燥地区水汽含量可以相差5个数量级，同一地点水汽含量的振动幅度与其平均值相当。水汽对可见光、红外以及微波波段都有其明显的吸收波段，因此水汽对电磁的吸收与发射是大气效应纠正的重要内容，也是探测大气中水汽含量垂直分布的基本依据。,水（O）,*0.5-0.9m有个窄吸收带*0.95-2.85m有5个宽吸收带*6.25m附近有个强吸收带 液态水的吸收比水汽吸收更强，但主要集中在长波波段。,水蒸气对太阳光谱的吸收,83,尘埃：对太阳辐射有一定的吸收作用，但吸收量很少，当有沙尘暴、烟雾和火山爆发等发生时，大气中 尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较显著。,大气中各种成分对太阳辐射吸收的明显特点，是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。,（2）大气对电磁波的散射 电磁波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，称散射。散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象。散射的能力依赖于大气中的分子和微粒的直径与电磁波波长之间的关系。,85,当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了。不过大气散射不同于吸收，它不会将辐射能转变成质点本身的内能，而是只改变了电磁波传播的方向。由于改变辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。大气散射作用是对太阳辐射衰减的主要原因，集中于太阳辐射能量较强的可见光区。,大气的散射作用 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。散射强度用散射系数表示。根据辐射的波长与散射微粒的大小之间的关系，散射作用可分为三种：,瑞利散射：当微粒直径远小于辐射波长时的散射。小颗粒散射当波长大于1m时，瑞利散射可忽略不计，如红外线、微波；而对于可见光影响较大，如晴朗的天空呈蓝色，就是由于大气中的分子把波长较短的蓝光散射到天空中的缘故。,米氏散射：当微粒直径与辐射波长差不多时的散射。主要是由大气中的气溶胶引起的，由于大气中云、雾等悬浮粒子大小与0.76-15m的红外线的波长差 不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽 视的。,非选择性散射：当微粒直径比辐射波长大得多时的散 射。此时的散射系数为一常数，散射与波长无关。如大气中的水滴、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐 射，常出现这种散射。常见到的云或雾为白色，因 为它们是由比较大的水滴组成，对各波长的可见光 散射均是相同的。对近红外、中红外波段，这种散 射将使传感器接收到的数据严重的衰减。大颗粒散射,（3）大气对电磁波的反射和折射电磁波穿过大气层时还会出现传播方向的改变即发生折射。大气的折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大。离地面越高，空气越稀薄折射也越小。正因为电磁波传播过程中折射率的变化，使电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线。电磁波传播过程中若通过两种介质的反射作用很小，反射现象主要发生在云层交界面，还会出现反射现象。,89,天空为什么是蓝色的？-一封唐僧家书引起的思考,亲爱的悟空，我这封信写的很慢，因为知道你看字不快。我们已经搬家了，不过地址没改，因为搬家的时候把门牌带来了。这礼拜下了两次雨，第一次下3天，第二次下4天。昨天我们去买披萨，店员问我要成8片还是12片，我说8片就成了，12片吃不完。我给你寄去件外套，怕邮寄时超重，就把扣子剪下来放口袋里了。嫦娥快要生了，因为不知道是男是女，所以不知道你是该当舅舅还是阿姨。最后告诉你本来想给你寄钱，可是信封已经封上了元旦快到了，别忘了给孩子们讲讲很久很久很久以前的事：那时候天还是蓝的，水也是绿的，庄稼是长在地里的，肉是可以放心吃的，耗子还是怕猫的，法庭是讲理的，结婚是先谈恋爱的，理发店是只管理发的，药是可以治病的，医生是救死扶伤的，拍电影是不需要陪导演睡觉的，照相是要穿衣服的，欠钱是要还的，孩子的爸爸是明确的，学校是不图挣钱的，白痴是不能当教授的，卖狗肉是不能挂羊头的，结婚了是不能泡MM的，买东西是要付钱的。,90,91,由于瑞利散射的强度与波长四次方成反比，所以太阳光谱中紫光的散射比红光强得多，这就造成大气的散射光谱（散射光能量按波长的分布）对于入射的太阳光谱而言，向短波方向移动。因太阳光谱在短波段中以蓝光能量最大,所以在晴空大气浑浊度小时,在大气分子的强烈散射作用下，天空即呈现蔚蓝色。但当大气浑浊时，由于大气气溶胶的米散射作用，散射光强与波长没有显著的关系，从而使天空呈现灰白色。另外，在气溶胶粒子强烈的前向散射作用下，使得太阳周围的天空特别明亮，这就是日周光。以上种种现象都是大气散射的结果。由于大气密度随高度急剧降低，大气分子的散射效应相应为之减弱，天空的颜色也随高度由蔚蓝色变为青色（约8公里）、暗青色（约11公里）、暗紫色（约13公里）、黑紫色（约21公里），再往上，空气非常稀薄，大气分子的散射效应极其微弱，天空便为黑暗所湮没。,3、大气窗口,太阳辐射经过大气传输后，由于大气对电磁波的反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波段，才对观测有意义。通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段称为大气窗口。,92,大气窗口,大气窗口的光谱段主要有：,1、紫外、可见光、近红外波段（0.31.15m）0.3-0.4m透过率约为70%0.4-0.7m透过率约为95%0.7-1.1m透过率约为80%这一波段范围是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，如：Landsat卫星的TMl4波段，SPOT卫星的HRV13波段。,94,2、近红外波段（1.5-1.8m和2.0-3.5m）透过率约在60%95之间，是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如TM的5，7波段等，用以探测植物含水量以及云、雪、或用于地质遥感等。3、中红外波段（3.55.5m）透过率约在60%70之间，该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.553.93探测海面温度，获得昼夜云图，可用于森林火灾、火山、核爆炸的监测等。,95,4、热红外波段（814m）透过率约在80左右，属于地物发射波谱，常温下地物辐射的波长最大为9.7m。主要用于探测自地物热辐射的能量或温度；适于夜间成像。5、微波波段（0.82.5cm）透过率近100，由于大气对微波几乎没有影响，这一区间可以全天候观测。如：Radarsat的卫星雷达的波段就在这一区间，常用的波段为0.8cm，3.0cm，5.0cm，10.0cm，甚至可将该窗口扩展至0.05-300 cm。,96,根据地物的光谱特性以及传感器技术的发展，目前主要使用（或试用）的探测波段如下：,大气窗口与遥感光谱通道,太阳辐射透过大气并被地表反射（有用的）；太阳辐射被大气散射后被地表反射（纠正后有用）；太阳辐射被大气散射后直接进入传感器；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；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,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。,根据能量守恒定理，入射在地表面的辐射功率E等于吸收功率E、透射功率Er和反射功率E三个分量之和，即：等式两边分别除以E得：式中：为吸收率；为透射率；为反射率。对于不透射电磁波的物体 可以得到,三：地物的反射辐射,1.3.1 地物的反射类别 物体的反射状况分为三种：镜面反射：光滑物体表面 物体的反射满足反射定律，入射波和反射波在同 一平面内，入射角与反射角相等。只有在反射波射出的方向上才能探测到电磁波。,镜面反射示意图,非常平静的水面,106,漫反射：非常粗糙的表面 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，这种反射面又称为朗伯面。氧化镁、硫酸钡、碳酸镁表面，在反射天顶角45时可近似看成朗伯面。,漫反射示意图,某一方向上的反射因子,平面的总反射率,107,朗伯面：对于漫反射面，当入射照度一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面称朗伯面。把反射比为1的朗伯面叫做理想朗伯面。,方向反射（实际物体反射）：介于镜面和朗伯面之间的一种反射，自然界中绝大多数地物都属于这种类型。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。,方向反射示意图,109,1.3.2 地物的反射光谱特性 不同地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，通常采用反射率来表示。它是地物对某一波段电磁波的反射能量与入射的总能量之比，其数值常用百分率表示。,物体反射的辐射能量,总入射能量,地物反射率的大小，与入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。,110,地物反射率的大小，与入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。地物反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律；地物反射光谱曲线：按地物反射率与波长之间的关系 绘成的曲线。,雪、沙漠、湿地、小麦反射波谱曲线,纵坐标,横坐标,二维空间,111,遥感图像上集中反映出各种地物或现象的光谱特性，并体现出其光谱特性的空间特性和时间特性的变化。因此，在遥感图像中识别地物和现象的属性以及研究它们之间的关系和演化变化规律时，必须首先了解和掌握地物的光谱特性，以及它们空间和时间特性的变化。地物光谱特性是进行判读、识别的基础和出发点。,112,不同波谱段的地物波谱特性：可见光/近红外：反射、吸收 中红外：反射+地物自身热辐射 远红外：地物自身热辐射 微波：主动遥感地物后向散射 被动遥感地物微波辐射,各种物体，由于其结构和组成成分不同，反射光谱特性是不同的。即各种物体的反射特性曲线的形状是不一样的，即便是在某些波段处相似，甚至一样，但在另外的波段还是有很大的区别的。水体植被云、雪城市道路和建筑物土壤岩石,1.3.2 不同地物的反射波谱特性,114,纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，可见光其他波段反射很低，在近红外和中红外波段纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零。,水体的波谱反射率曲线,几 种 典 型 地 物 的 反 射 波 谱 特 性 水 体,115,。,但是当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。上图不同浊度下的水体的波谱特性曲线,116,受海藻、浮游生物等影响，叶绿素含量增加，水体的反射率发生变化。,117,可见光波段：在0.45微米附近区间（蓝色波段）有一个吸收谷，在0.55微米附近区间（绿色波段）有一个反射峰，在0.67微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷；近红外波段：从0.76微米处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”，至1.1微米附近有一个峰值，反射率最大可达50%，形成植被的独有特性；中红外波段：1.5-1.9微米光谱区反射率增大，在1.45微米，1.95微米和2.7微米为中心的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。,几 种 典 型 地 物 的 反 射 波 谱 特 性 植 被,118,不同植物光谱曲线比较图,同类地物的光谱相似，但随着该地物的内在差异而有所变化。这种变化是由于多种因素造成的。如物质成分、内部结构、表面光滑程度、颗粒大小、几何形状、风化程度、表面含水量及色泽等差别。,不同湿度下的植被的波谱特性曲线,120,121,白橡树叶子不同时间的反射光谱变化,研究地物的光谱特性，还应考虑其时间特性和空间特性的变化。时间特性是指同一位置上的同一地物，由于时间的推移，该地物在一段时间内光谱特性的变化。空间特性是指同一类地物，由于其所处的地理位置不同，光谱特性可能存在的一些差异和变化。,遥感图像上集中反映出各种地物或现象的光谱特性，并体现出其光谱特性的空间特性和时间特性的变化。因此，在遥感图像中识别地物和现象的属性以及研究它们之间的关系和演化变化规律时，必须首先了解和掌握地物的光谱特性，以及它们空间和时间特性的变化。地物光谱特性是进行判读、识别的基础和出发点。,云：非选择性散射体，在400-2500nm反射强烈雪：可见光、近红外反射强烈，在水的吸收波段附近趋于0,几 种 典 型 地 物 的 反 射 波 谱 特 性 云、雪,城市中道路的主要铺面材料为水泥沙地和沥青两大类，它们的反射波谱特性曲线大体相似，水泥沙路在干爽状态下呈灰白色，反射率最高，沥青路反射率最低。,几 种 典 型 地 物 的 反 射 波 谱 特 性 城市道路,125,几 种 典 型 地 物 的 反 射 波 谱 特 性 建筑物,126,自然状态下土壤表面反射曲线呈现比较平滑的特征，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（原生矿物和次生矿物）和土壤有机质有关。,三种不同类型土壤在干燥环境下的反射光谱曲线,几 种 典 型 地 物 的 反 射 波 谱 特 性 土 壤,127,矿物成分矿物含量物质结构,岩石的光谱反射率,几 种 典 型 地 物 的 反 射 波 谱 特 性 岩 石,128,由于地物处于不同的时间、空间和环境，相同的物体往往表现出不同的光谱特性。时间效应：地物的光谱特性一般随时间季节变化而变化，这称为时间效应。空间效应：处在不同地理区域的同种地物具有不同的光谱响应，这称之为空间效应。影响反射率变化因素有：,1.3.3 影响地物光谱反射率变化的因素,129,1、太阳位置，太阳位置主要指太阳高度角和方位角，改变太阳高度角和方位角，则地面物体入射照度也就发生变化。为了尽量减小太阳高度角和方位角引起的反射率变化影响，遥感的卫星轨道大多设计在同一个地方时间通过当地上空（与太阳同步轨道）。但由于季节的变化和地理经纬度的变化造成太阳高度角和方位角的变化是不可避免的。2.不同的地理位置，太阳高度角和方位角、地理景观不同都会引起反射率变化，还有海拔高度不同，大气透明度改变也会造成反射率变化。,130,3、传感器位置，传感器位置指传感器的观测角和方位角，地面物体反射率的变化同太阳入射与观测方位的夹角有关，在太阳高度角和方位角相同的情况下，传感器的观测角和方位角的不同测得的相同地物的光谱反射率是不同的。一般空间遥感用的传感器大部分设计成垂直指向地面，这样影响也就较小，但由于卫星姿态会引起的传感器指向偏离垂直方向，仍会造成反射率变化。4.地物本身的变异，如植物的病害将使反射率发生较大变化。又如海水中叶绿素含量的不同也直接影响海水的光谱反射率。气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气状况等。,131,同一春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线,132,上图为沥青路在新旧时期的光谱曲线：对于沥青路面，路面的粗糙新旧程度对于地面光谱反射率是有区别的，旧沥青路面反射率高于新沥青路面反射率，由于新沥青颜色较深，所以反射率比较低。,133,上图为水泥地面在不同湿度下的光谱曲线：不同湿度对水泥地面反射率会有影响，越湿反射率越低，对于水泥道路，道路含水会使整个光谱反射率下降。但是波形整体上保持不变。,134,叶绿素含量不同时海水的光谱曲线,135,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（1.4、1.9和2.7微米处附近区间），反射率的下降尤为明显。,不同含水量对土壤反射光谱率的影响,粉砂土壤不同含水量情况下的光谱反射率曲线图,136,试分析下图1、2、3地物分别反映的是哪种类型？详细分析出现下面的三种波谱特性曲线是什么原因引起的？三种地物类型为纯净的水体、不太纯净的水体、富营养化的水体。,曲线1表示的是富营养化的水体，含有大量的浮游植物从而使波普特性曲线呈现植被的特性（在近红外波段具有较高的反射率）曲线2表示的是不太纯净的水体，没有在可见光波段出现较低的反射率曲线3表示的是纯净的水体，在可见光波段具有较低的反射率，趋近于0,根据地物的波谱特性，要区分下图所示的四种地物类型，选择什么样的波段范围比较合适？,对于上述四类地物，湿地在任何波段范围都可以与其它三类分开，尤其在0.7微米后近红外波段；近红外波段，可把小麦与沙漠和雪区分开；可见光波段可把雪与沙漠区分开,四：地物波谱特性的测定,地物波谱（反射辐射）的测定原理：用光谱测定仪分别探测被测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段电磁波的反射率，其反射率的变化规律（可绘成波谱曲线）即为该地物的波谱特征（反射辐射）。用来测量太阳反射辐射的仪器称为辐射光谱仪（简称光谱仪）。,1.4.1 地物波谱特性的测定原理,142,为了测定目标的波谱，需要测定三类光谱辐射值：第一类：为暗光谱，即没有光线进入光谱仪时由仪器记录 的光谱，通常是系统本身的噪声值，取决于环境 和仪器本身温度；第二类：为参考光谱或称标准板白光，实际上是从较完美 漫辐射体标准板测得的光谱；第三类：为样本光谱或目标光谱，是从感兴趣的目标物上 测得的光谱，这是研究最终需要的光谱。最后，感兴趣目标的反射光谱是在相同的光照条件下通过参考光谱辐射值除目标光谱辐射值得到，因此，目标反射光谱是个相对于参考光谱辐射的比值光谱反射率。,143,在光谱的采集过程中，对我们所感兴趣的样本产生影响的因素很多而且关系非常复杂。这些因素中，有些是可以在数据的处理过程中削弱和去除的，而有些因素 产生的影响却是无法估计和处理的。所以在采集样本光谱时，我们必须考虑到各种因素，尽量避免一些无法定量的因素对最终结果产生影响。,1.4.2 影响地物光谱反射率测量的因素,144,对样本光谱测量产生影响的因素分别是大气因素、周围物体的散射因素和物体自身反射特性因素