MRSIC2遥感电磁辐射基础.ppt

第二章 遥感电磁辐射基础,本章提要()1 电磁波谱2 辐射基本定律3 太阳辐射4 太阳辐射与大气的相互作用5 太阳辐射与地面的相互作用6 三种遥感模式,本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、三种遥感模型等。,1 电磁波谱,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（ElectroMagnetic Spectrum)由振源发出的电磁振荡在空气中传播。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。,演示,电磁波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。,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。在电磁波谱中，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。,电磁波的来源,电磁波谱,各电磁波段主要特性,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。无线电波：波长范围10-3 104m之间，主要用于广播、通信等方面。,近红外：0.763.0 m，与可见光相似。中红外：3.06.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.015.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.01 000 m，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。,红外线的划分,2 辐射基本定律,黑体辐射普朗克辐射(Planck)定律斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 基尔霍夫（Kirchhoff)辐射定律维恩(Wien)位移定律,辐射通量通常，把以电磁波形式传播的能量称为辐射能，用Q表示，单位为焦耳。h是普朗克常数，是光的频率，与光速c、波长之间都是可换算的.辐射能即可以表示辐射源发出的电磁波的能量，也可以表示被辐射表面接收到的电磁波的能量。在单位时间内通过某一面积的辐射能，称为通过该面积的辐射通量，符号，单位为W，如果是某个波长的辐射通量，则记为()。,黑体辐射,黑体是绝对黑体的简称，指在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（100%）的物体。黑体的热辐射称为黑体辐射。,黑体模型,普朗克定理,波长，光学遥感中一般单位用m 或nm；波数v=1/，单位一般为cm-1；频率f=c0/,单位为1/s,其中c0为光速。,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。黑体辐射：黑体的热辐射称为黑体辐射。,黑体辐射定律,普朗克定律黑体辐射的能量是由温度决定的,Max Planck(1858 1947)Nobel Prize 1918,黑体温度越高，辐射最大值对应的波长越短,黑色的煤烟，吸收系数接近99，接近绝对黑体,黑体辐射定律,(1)普朗克热辐射定律 表示出了黑体辐射通量密度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,辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，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。,斯特潘-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律,对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。,:斯蒂芬玻尔兹曼常数，（5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4,红外装置测试温度的理论根据。,地物的发射率和基尔霍夫定律,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。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。,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(grey body)：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。,基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W 黑。,在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。,地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。,维恩(Wien)位移定律,黑体辐射的峰值波长max与绝对温度T的乘积是常量，即：,b:常数，2897.80.4 m K,黑体温度增加时，其辐射曲线的峰值波长向短波方向移动。,3 太阳辐射,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,太阳辐射能量分布,太阳光谱曲线,太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射；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；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；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。,4 太阳辐射与大气的相互作用,大气概况大气的吸收作用大气的散射作用大气窗口大气校正,大气结构,从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在712 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在1250 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。中间层：高度在5080 km，温度随高度增加而降低电离层：高度在501 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：80035 000 km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。,大气成分,大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。大气密度和压力随高度上升均按指数率下降,气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3悬浮微粒：尘埃，冰晶，水滴,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。,Absorption of EM energy by the atmosphere,吸收,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。,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。两个吸收带；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。,Scattering of EM energy by the atmosphere,散射,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。,大气的散射作用,不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。散射主要发生在可见光区。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。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。大气发生的散射主要有三种：瑞利散射：d,瑞利散射：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时发生的散射，属小颗粒散射。小颗粒散射的特征：（1）散射光强度与波长4次方成反比，由此可以解释天空为什么呈蓝色。（2）主要发生在距地面910公里的大气。（3）当波长大于1微米时，瑞利散射基本上可以忽略不计。红外线、微波可以不考虑瑞利散射的影响，对可见光来说，由于波长较短，瑞利散射影响较大。,米氏散射：大气中的气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等的直径与入射光的波长可以比拟或大于入射光的波长时发生的散射。米氏散射的特征：（1）米氏散射影响的波长范围包括可见光和近红外，红外。（2）米氏散射主要发生在近地面05km的大气中。,非选择散射：大气粒子的直径比波长大得多时发生的散射，散射强度与波长无关，在符合无选择散射的条件的波段中，任何波长的散射强度相同。,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。,可见光,中红外,远红外,近红外,透过率(%),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,5 太阳辐射与地面的相互作用,反射作用反射率的概念反射光谱曲线常见地物的光谱曲线吸收作用透射作用,地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。,地物波谱的特性地物波谱,不同电磁波段中地物波谱特性,可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸收作用。（树叶苍翠欲滴、水下温度）热红外波段：主要表现地物热辐射作用。（热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带）微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。,可见光和近红外波段地物波谱特征地物反射波谱特征,太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量。一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.450.56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达1020 m，清澈水体可达100 m的深度。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。,地物反射,地物的反射类型：根据地表目标物体表面性质的不同，物体反射大体上可以分为3种类型，即镜面反射、漫反射、实际物体的反射（1）镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射。物体的反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，入射角等于反射角。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。,物体表面性质对反射的影响,（2）漫反射：发生在非常粗糙的表面上的一种反射现象。不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。即当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。,（3）实际物体反射：介于镜面和朗伯面（漫反射）之间的一种反射。自然界种绝大多数地物的反射都属于这种类型的反射，又叫非朗伯面反射。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。,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,反射率的概念,反射率（）：地物的反射能量与入射总能量的比，即=(P/P 0)100%地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。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。,反射光谱曲线,地物反射率随波长是变化的，我们以波长作为横坐标，反射率作为纵坐标，将地物反射率随波长的变化绘制成曲线，即地物的反射率随波长变化的曲线，叫地物的反射光谱曲线。不同地物的该曲线是不同的。,植被土壤水体岩石,常见地物的光谱曲线,植被光谱曲线,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。,在可见光波段,在近红外波段,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。1.51.9um光谱区反射率增大；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。,所有植物的反射光谱曲线呈明显的双峰双谷的特点。,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。,水体光谱曲线,水体的反射率总体很低，小于10%，远低于大多数地物。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。,土壤光谱曲线,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（原生矿物和次生矿物）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。,岩石的光谱曲线,不同类型岩石的反射光谱曲线都较平缓，没有明显的波段起伏，但反射率的值相差很大。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。,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,绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的曲带。地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。“同物异谱”是指两个相同类型的个体地物，在某个波段上波谱特征不同；“异物同谱”是指不同类型的地物具有相同的波谱特征。,吸收作用,太阳辐射到达地面，一部分能量被地物吸收并且转换成热能，使地表具有一定温度再发射，被称为“热辐射”。地表的辐射发射率是地物的辐射能量与相同温度下黑体辐射能量之比，又叫比辐射率。影响发射率的因素温度一定时，地物的发射率随波长变化的曲线，叫地物的发射光谱曲线。地表的辐射温度，也叫亮度温度或表征温度，是指能辐射出与观测地物相等辐射能量的黑体温度。,常见地物的发射率（赵英时，2003）,back,各类岩浆岩的发射率（梅安新等，2001）,back,透射作用,太阳辐射到达地面时，能穿透地面一定深度，这种现象叫透射。自然界绝大多数地物对可见光没有透射能力。红外线只对具有半导体特性的地物，才有一定的透射能力。微波对地物具有明显的透射能力，其透射深度由入射微波的波长决定。水体对可见光波段的电磁波透射能力较强。,6 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,