1、1,第二章 遥感的物理基础,本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响,2,第一节 电磁波与电磁波谱,电磁波及其特性电磁波谱电磁辐射源,3,一、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（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源发出的电磁振荡在空气中传播。,4,电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理电磁辐射: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。,5,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
2、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,6,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。,7,二、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。 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。2、遥感常用的电磁波波段的特性,8,The Electromag
3、netic Spectrum,More than meets the eye!,9,Wavelength,The distance from one wave crest to the nextRadio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest!,10,Wavelength Units,Meters micronMore commonly in nanometers (1 nm = 10-9 meters),11,Speed of light = wavelength (l) x frequency = 3 x 10
4、8 m/s in vacuumWavenumers=1/wavelength(cm-1)Frequency in GHz (1 Hz = sec 1),Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic Spectrum,Energy,Wavelength l,12,Solar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum:,13,Terrestrial(陆地) Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum = Thermal(热) Spectrum
5、: Sahara Desert on Nimbus(大型气象实验卫星) 4 Satellite,Theoretical Planck(普朗克) curves:Earth 300K, peak emission 15 mm,14,Earth Spectrum,Incoming from Sun:High energy, short wavelength,Outgoing from EarthLow energyLong wavelength,0.5 mm,10 mm,20 mm,15,Electromagnetic Spectrum,16,17,紫外线(UV)：0.01-0.38m，碳酸盐岩分布
6、、水面油污染。可见光：0.38-0.76 m，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线(IR) ：0.76-1000 m。近红外0.76-3.0 m，中红外3.0-6.0 m；远红外6.0-15.0 m；超远红外15-1000 m。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。,2、遥感常用的电磁波波段的特性,18,三、电磁辐射源,自然辐射源太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用5900K的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。地球的电
7、磁辐射：小于3 m的波长主要是太阳辐射的能量；大于6 m的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6 m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。,19,太阳辐射照度分布曲线,20,太阳与地球辐射的电磁波谱,21,人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。微波辐射源：0.8-30cm激光辐射源：激光雷达测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。,22,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。,23,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
8、；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。,一、地物的反射光谱特性,24,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,25,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,26,27,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
9、.5-0.6 m) MSS2(0.6-0.7 m) MSS3(0.7-0.8 m) MSS4(0.8-1.1 m),28,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,29,不同植物光谱曲线比较,30,植被的病虫害,31,时间特征,32,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(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。,二、地物的发射光谱特性,33,1. Power
10、Source: Blackbody Radiation,Plancks Law:The amount and spectrum of radiation emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperature,Max Planck (1858 1947) Nobel Prize 1918,Emission from warm bodies peak at short wavelengths,wavelength,3、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。,35,黑
11、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。,(2)玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmanns law 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。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。,(3)维恩位移定律：Wiens displacement law 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。,4、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
12、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。,39,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，
13、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。,41,5、黑体的微波辐射,任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。,42,6、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。岩石的发射光谱分析（图2-9石英）,43,第三节 大气和环境对遥感的影响,大气的成分大气的结构大气对太阳辐射的影响
14、大气窗口环境对地物光谱特性的影响,44,一、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。大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。,45,二、大气的结构,大气的垂直分层：对流层、平流层、中间层、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。中间层：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。,46,三、大气对太阳辐射的影响,太阳辐射的衰减过程：_%被云层反射回；_%被大气
15、吸收；_%被大气散射；_%到达地面。（下页图）大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。,47,48,49,（一）大气的吸收作用(P28),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。,50,Absorption,In contrast to scatter, atmospheric absorption results i
16、n the effective loss of energy to atmospheric constituents.This normally involves absorption of energy at a given wavelength.The most efficient absorbers of solar radiation in this regard are:Water VapourCarbon DioxideOzone,Absorption of EM energy by the atmosphere,52,（二）大气的散射作用,散射作用：太阳辐射在传波过程中遇到小微粒
17、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。,Scattering,Atmospheric scattering is the unpredictable diffusion of radiation by particles in the atmosphere.Three types of scattering can be distinguished, depending on the relationship between the
18、diameter of the scattering particle (a) and the wavelength of the radiation ().,Scattering of EM energy by the atmosphere,55,Rayleigh Scatter(瑞利散射),a Non-selective scatter is more of a problem, and occurs when the diameter of the particles causing scatter are much larger than the wavelengths being s
19、ensed. Water droplets, that commonly have diameters of between 5 and 100mm, can cause such scatter, and can affect all visible and near - to - mid-IR wavelengths equally. Consequently, this scattering is “non-selective” with respect to wavelength. In the visible wavelengths, equal quantities of blue
20、 green and red light are scattered.,Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud,62,三种散射作用,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：,63,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？,64,米氏散射：当微粒的直径与辐
21、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。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？,65,结论,太阳辐射衰减的原因是什么？在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？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？微波为什么具有极强的穿透云层的作用？为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？,66,四、大气窗口,1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射的投
22、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。常见的大气窗口：,Atmospheric Windows,Some sensors, especially those on meteorological satellites, seek to directly measure absorption phenomena such as those associated with CO2 and other gaseous molecules.Note that the atmosphere is nearly opaque(不透明) to EM(Electromagnetic )
23、radiation in the mid and far IR. In the microwave region, by contrast, most of the EM radiation moves through unimpeded(未受到阻碍) - so that radar at commonly used wavelengths will nearly all reach the Earth surface unimpeded - although specific wavelengths are scattered by raindrops.,69,五、环境对地物光谱特性的影响,
24、地物的物理性状光源的辐射强度：纬度与海拔高度季节：太阳高度不同探测时间：时间不同，反射率不同。气象条件,70,咸宁市卫星影像,71,荆州市(老江陵县和沙市市)卫星影像,72,鄂州市航片,73,1998年武汉及周边卫星影像,74,不同地物的遥感影像波谱曲线,4、地物波谱特征的测量,测量的目的 1、传感器波段选择、验证、评价的依据； 2、建立地面、航空和航天遥感数据的关系； 3、将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析并建立应用模型；,76,地物反射波谱测量理论,1、双向反射比因子其定义是：在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一定辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件下的
25、标准参考面的反射辐射通量之比。式(2.12),77,测量的方法,1、样品实验室测量； 可采用分光光度计。 2、野外测量； 可采用地物光谱辐射计。,78,野外测量方法(P42),1、垂直测量方法,79,野外测量方法(P42),2、非垂直测量,80,测量步骤：1、先测K2和K1。地面上平放标准板，用光谱辐射计垂直测量:1)自然光照射时测量一次，相当于I值；2）用档板遮住太阳光使阴影盖过标准板，再测一次相当于Id,；3）求出两者比值K2Id/I;4）再求出K1=1-K22、再测自然光下的反射比因子选择太阳方向 和观测角，在同一地面位置分别迅速测量标准板反射和地物反射的辐射值，计算比值R。,81,3、
26、用黑挡板遮住太阳直射光，在只散射时分别迅速测量标准板和地物的辐射值，计算得到定向反射比因子4、由式(2.16)计算出双向反射比因子。测量时可以保持太阳方位角始终为0度。,作业：,1、 P44第1题2、P44第4题3、P44第5题4、P44第6题5、P44第7题,83,实习一地物光谱反射率的测定,一、实习目的1、学习地物光谱的测定方法2、认识地物光谱反射率规律二、实习仪器1、可见红外光谱辐射计，波长0.41.1um。2、标准参考板（白板或灰板）三、实习步骤1、测量目标和条件的选择,84,环境：无严重污染，光照稳定，无卷云，风力小于3级，避开阴影和强反射体影响（测量者不穿白衣）。时间：9:30-1
27、4:30取样：选择自然状态地表面作为观测面，取样面积大于地物自然表面起伏和不均匀的尺度，被测目标面要充满视场标准板：标准板表面与被测地物的表面相平行，与观测仪器等距，并充满仪器视场。2、记录测量目标基本信息：土壤、植被、水体、人工目标、岩矿等3、记录4、安装仪器并开始测量环境参数：如地点和天气状况（风力、云量）等,85,采用垂直测量，接近卫星传感器状况，步骤如下：1）对标准板，读取数据Vs。2）移开标准板对地物，读取数据Vg。3）重复步骤1）2），测量59次，记录数据并计算平均值。4）更换目标，做好信息记录，重复13步骤。5）整理数据，根据公式计算反射率。,86,仪器安装注意事项如下：1）测量高度：仪器保持水平，与被测表面不小于1m。2）几何关系：仪器轴线与天顶的倾斜角2度，标准面水平放置。5、分析实测结果要求如下：1）根据计算结果，准确绘出光谱反射率曲线图（每一目标一图）2）根据所绘曲线比较不同地物光谱特征3）分析实习过程中可能引起误差的因素。6、完成实习报告：内容同上。,
