2遙感的物理基礎PPT課件

1、第二章 電磁波及遙感物理基礎一、電磁波二、物體的發(fā)射輻射三、物體的反射輻射四、地物波譜特性的測定五、大氣對輻射的影響第二章 電磁波及遙感物理基礎 遙感技術是建立在物體電磁波輻射電磁波輻射理論基礎上的。本章主要學習電磁波的發(fā)射和反射特性、地物波譜特性曲線及應用。第二章 電磁波及遙感物理基礎為什么我們的眼睛能夠看見東西？第二章 電磁波及遙感物理基礎一、電磁波1.什么是電磁波？ 變化的電場和磁場交替產生，以有限的速度由近及遠在空間內傳播的過程稱為電磁波。電磁波是一種橫波橫波。一、電磁波2.電磁波的特性波動性粒子性干涉、衍射、偏振 光電轉換（1）干涉干涉：由兩個（或兩個以上）頻由兩個（或兩個以上）頻率

2、、振動方向相同率、振動方向相同，相位相同或相位差相位相同或相位差恒定的電磁波在空間疊加時，合成波振恒定的電磁波在空間疊加時，合成波振幅為各個波的振幅的矢量和幅為各個波的振幅的矢量和，因此會出因此會出現(xiàn)交疊區(qū)某些地方振動加強現(xiàn)交疊區(qū)某些地方振動加強、某些地方某些地方振動減弱或完全抵消的現(xiàn)象。振動減弱或完全抵消的現(xiàn)象。微波遙感中的雷達是應用了干涉原理成像的微波遙感中的雷達是應用了干涉原理成像的（2）衍射衍射：光通過有限大小的障礙物光通過有限大小的障礙物時偏離直線路徑的現(xiàn)象時偏離直線路徑的現(xiàn)象。 研究電磁波的衍射現(xiàn)象對設計遙感儀器和提高遙感圖像幾何分辨率具有重要意義。另外在數(shù)字影像的處理中也要考慮光

3、的衍射現(xiàn)象。（3）偏振偏振：橫波的振動矢量偏于某些橫波的振動矢量偏于某些方向的現(xiàn)象。方向的現(xiàn)象。 偏振在微波技術中稱為“極化”。遙感技術中的偏振攝影和雷達成像就利用了電磁波的偏振這一特性。一、電磁波3.電磁波譜 按電磁波在真空中傳播的波長或頻率按電磁波在真空中傳播的波長或頻率遞增或遞減順序排列，就能得到電磁波譜遞增或遞減順序排列，就能得到電磁波譜。 遙感采用的電磁波波段可以從紫外一直到微波波段。 紅紅 0.62 0.76m可見光可見光 綠綠 0.50 0.56m 藍藍 0.43 0.47m 遠紅外處遠紅外處 6 15m紅外波段紅外波段 中紅外中紅外 3 6m 近紅外近紅外 0.76 3m微波微

4、波 1 mm 1m第二章 電磁波及遙感物理基礎二、物體的發(fā)射輻射（一）、黑體輻射（一）、黑體輻射 1. 絕對黑體絕對黑體： 吸收率吸收率(,T)1 反射率反射率（,T）0絕對白體絕對白體： 吸收率吸收率(,T)0 反射率反射率（,T）1與溫度和波長無關與溫度和波長無關2.黑體輻射定律黑體輻射定律 W 分譜輻射通量密度 h 普朗克常數(shù) C 光速 K 玻耳茲曼常數(shù) T 絕對溫度3.黑體輻射波譜曲線黑體輻射波譜曲線4.黑體輻射的三個特性黑體輻射的三個特性(1)總輻射通量密度總輻射通量密度W是隨溫度是隨溫度T的增加而迅速增加的增加而迅速增加。 斯忒藩玻耳茲曼公式斯忒藩玻耳茲曼公式:單位面積發(fā)出的總輻射

5、單位面積發(fā)出的總輻射 能與絕對溫度的四次方成正比能與絕對溫度的四次方成正比 。(2)分譜輻射能量密度的峰值波長隨溫度的增加向分譜輻射能量密度的峰值波長隨溫度的增加向 短波方向移動短波方向移動。 維恩位移定律維恩位移定律 :若知道了某物體溫度，就可以推若知道了某物體溫度，就可以推 算出它算出它的輻射峰值波長。的輻射峰值波長。(3)每根曲線彼此不相交每根曲線彼此不相交 溫度溫度T越高所有波長上的波譜輻射通量密度也越越高所有波長上的波譜輻射通量密度也越大大。第二章 電磁波及遙感物理基礎二、物體的發(fā)射輻射（二）、太陽輻射（二）、太陽輻射遙感的兩種形式？被動遙感被動遙感主動遙感主動遙感（二）、太陽輻射（

6、二）、太陽輻射A 與黑體特性一致B 能量集中在可見光和紅外波段第二章 電磁波及遙感物理基礎二、物體的發(fā)射輻射（三）、一般物體的發(fā)射輻射（三）、一般物體的發(fā)射輻射 自然界中實際物體的發(fā)射和吸收自然界中實際物體的發(fā)射和吸收的輻射量都比相同條件下絕對黑體的的輻射量都比相同條件下絕對黑體的低低。（三）、一般物體的發(fā)射輻射（三）、一般物體的發(fā)射輻射發(fā)射率發(fā)射率：實際物體與同溫度的黑體在相同條件實際物體與同溫度的黑體在相同條件 下輻射功率之比。下輻射功率之比。 = W/ W 是一個介于0和1的數(shù) 絕對黑體 1 灰體 但01 選擇性輻射體 () 理想反射體（絕對白體） 0大多數(shù)物體可以視為灰體 為了便于分析

7、，常常用一個最接近灰體輻射曲線的黑體輻射曲線作為參照，這時的黑體輻射溫度稱為等效黑體溫度（或等效輻射溫度），寫為T等效 式中T為實際物體的輻射溫度第二章 電磁波及遙感物理基礎三、物體的反射輻射1.地物的反射類別（三種形式） 鏡面反射 漫反射 方向反射第二章 電磁波及遙感物理基礎三、物體的反射輻射2.光譜反射率及地物反射光譜特性（1）光譜反射率光譜反射率:物體的反射輻射通量與入射輻物體的反射輻射通量與入射輻 射通量之比射通量之比 。 物體的反射波譜限于紫外、可見光和近紅物體的反射波譜限于紫外、可見光和近紅外，尤其是后兩個波段。外，尤其是后兩個波段。 一個物體的反射波譜的特征主要取決于該一個物體的

8、反射波譜的特征主要取決于該物體與入射輻射相互作用的波長選擇物體與入射輻射相互作用的波長選擇。 （1）光譜反射率光譜反射率 反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長變化的規(guī)律，以波長為橫坐標，反能）隨波長變化的規(guī)律，以波長為橫坐標，反射率為縱坐標所得的曲線即為該物體的反射波射率為縱坐標所得的曲線即為該物體的反射波譜特性曲線。譜特性曲線。（1）光譜反射率光譜反射率（2）地物的反射波譜特性同一地物同一地物 時間效應：地物的光譜特性一般隨時時間效應：地物的光譜特性一般隨時 間季節(jié)變化。間季節(jié)變化。 空間效應：處在不同地理區(qū)域的同種空間效應：處在不同地理區(qū)域的同

9、種 地物具有不同的光譜響應。地物具有不同的光譜響應。春小麥在不同生長期的反射波譜特性曲線不同地物不同地物各種建筑物屋頂?shù)牟ㄗV特性各種道路的波譜特性幾種巖石的反射波譜曲線不同含水量的玉米葉子反射特性曲線三種低含水量土壤的反射特性曲線第二章 電磁波及遙感物理基礎三、物體的反射輻射3.影響地物光譜反射率變化的因素 太陽位置、傳感器位置、地理位置、地形、季節(jié)、氣候變化、地面濕度變化、地物本身的變異、大氣狀況等 第二章 電磁波及遙感物理基礎四、地物波譜特性的測定1. 地物波譜特性地物波譜特性是指各種地物各自所具有的電是指各種地物各自所具有的電 磁波特性（發(fā)射輻射或反射輻射）磁波特性（發(fā)射輻射或反射輻射）

10、。2. 測定原理測定原理 :用光譜測定儀器（置于不同波長或用光譜測定儀器（置于不同波長或 波譜段）分別探測地物和標準板，測量、記波譜段）分別探測地物和標準板，測量、記錄錄 和計算地物對每個波譜段的反射率，其反射和計算地物對每個波譜段的反射率，其反射率率 的變化規(guī)律即為該地物的波譜特性。的變化規(guī)律即為該地物的波譜特性。 3. 測定地物反射波譜特性的儀器分光光度計、光譜儀、攝譜儀等302型野外分光光度計結構原理圖4. 地物波譜特性的測定步驟(1) 架設好光譜儀，接通電源并進行預熱 (2) 安置波長位置，調好光線進入儀器的狹縫寬度 (3) 將照準器分別照準地物和標準板，并測量和記錄 地物、標準板在波

11、長 1,2,n處的觀測值 A: 先測量地物的反射輻射通量密度先測量地物的反射輻射通量密度 物體的光譜反射輻射通量密度 物體的光譜反射率 太陽入射在地物上的光譜照度 大氣光譜透射率 光度計視場角 光度計有效接收面積 單色光波長寬度 ( 經光電管轉變?yōu)殡娏鲝姸仍陔姳砩现甘咀x數(shù)IB: 測量標準板的反射輻射通量密度測量標準板的反射輻射通量密度 標準板為一種理想的漫反射體，它一般由硫酸鋇或石膏之類做成。C :地物的電流強度與標準板的電流強度相比地物的電流強度與標準板的電流強度相比 (4) 繪制出地物的反射特性曲線 根據(jù)所測結果，以為縱坐標軸，為橫坐標軸畫出地物反射波譜特性曲線。注：因為波譜特性受多種因素

12、的影響，所測的 反射率定量但不唯一。第二章 電磁波及遙感物理基礎五、大氣對輻射的影響1. 大氣層組成 對流層 平流層 電離層 外大氣層五、大氣對輻射的影響2. 大氣對太陽輻射的作用（1）吸收 紫外線 紅外線 微波大氣吸收的影響主要是造成遙感大氣吸收的影響主要是造成遙感影像暗淡影像暗淡。2. 大氣對太陽輻射的作用（2）散射：電磁波在傳播過程中遇到小微粒而使傳 播方向發(fā)生改變，并向各個方向散開。 可見光大氣散射的影響主要是造成遙感大氣散射的影響主要是造成遙感影像質量下降影像質量下降。散射的方式散射的方式(1) 米氏米氏(Mie)散射散射 如果介質中不均勻顆粒的直徑a與入射波長同數(shù)量級，發(fā)生米氏散射；(2) 均勻散射均勻散射 當不均勻顆粒的直徑a時，發(fā)生均勻散射；(3) 瑞利（瑞利（Rayleigh）散射）散射 瑞利散射的條件是介質中的不均勻顆粒的直徑a遠小于入射電磁波波長。 散射強度I與波長的四次方成反比。 瑞利散射瑞利散射（大氣分子、原子引起）可見光和近紅外米氏散射米氏散射（大氣微粒引起）近紫外到紅外2. 大氣對太陽輻射的作用（3）反射 云層大氣反射的影響主要是造成遙感大氣反射的影響主要是造成遙感影像地物間反影像地物間反差變小差變小。五、大氣對輻射的影響3. 大氣窗口 通過大氣后衰減較小，透過率較高，對遙感十分有利的電磁輻射波段稱為“大氣窗口