第二章遙感的物理基礎(chǔ)ppt課件

1、第二章 遙感的物理基礎(chǔ) 本章主要內(nèi)容電磁波與電磁波譜地物的光譜特性大氣和環(huán)境對(duì)遙感的影響第一節(jié)第一節(jié) 電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜v電磁波及其特性v電磁波譜v電磁輻射源一、電磁波及其特性一、電磁波及其特性波的概念：波是振動(dòng)在空間的傳播。機(jī)械波：聲波、水波和地震波電磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源發(fā)出的電磁振蕩在空氣中傳播。演示電磁波是通過電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間相互聯(lián)系傳播的：原理電磁輻射:這種電磁能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射）稱為電磁輻射。電磁波的特性電磁波是橫波在真空中以光速傳播電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)相

2、互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。v波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳播的，因此具有波動(dòng)性v粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計(jì)性v波粒二象性的程度與電磁波的波長(zhǎng)有關(guān)：波長(zhǎng)愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，輻射的波動(dòng)特性愈明顯。二、電磁波譜二、電磁波譜電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長(zhǎng)按其長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表。 在電磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波，其按波長(zhǎng)可分為長(zhǎng)波、中波、短波和微波。波長(zhǎng)最短的是射線 電磁波的波長(zhǎng)不同，是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同。2、遙感常用的電磁波波段的特性遙感原理煙

3、臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院The Electromagnetic SpectrumMore than meets the eye!遙感原理煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院Examples from Space!遙感原理煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院Wavelength The distance from one wave crest to the next Radio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest!遙感原理煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院Wavelength Units Meters (like on las

4、t slide and in book, p. 613) More commonly in nanometers (1 nm = 10-9 meters) Angstroms still used Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths 1 nanometer = 10 Ao煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院 Speed of light = wavelength (l l) x frequency = 3 x 108 m/s in vacuum Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1

5、) Frequency in GHz (1 Hz = sec 1) Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumEnergyWavelength l煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院Solar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.5 m mm煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院CO2H2OO3Terrestrial Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum

6、 = Thermal Spectrum: Sahara Desert on Nimbus 4 SatelliteTheoretical Planck curves:Earth 300K, peak emission 15 m mm煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院Earth SpectrumIncoming from Sun:High energy, short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 m mm10 m mm20 m mm煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院Electromagnetic SpectrumHigh

7、 energyShort wavelength / high frequencyEmitted at high TSunEarth紫外線(UV)：0.01-0.4m，碳酸鹽巖分布、水面油污染?？梢姽猓?.4-0.76 m，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段。紅外線(IR) ：0.76-1000 m。近紅外0.76-3.0 m中紅外3.0-6.0 m；遠(yuǎn)紅外6.0-15.0 m；超遠(yuǎn)紅外15-1000 m。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動(dòng)與被動(dòng)之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ蟆?、遙感常用的電磁波波段的特性三、電磁輻射源三、電磁

8、輻射源自然輻射源太陽(yáng)輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900的黑體輻射來(lái)模擬；其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射。地球的電磁輻射：小于3 m的波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量；大于6 m的波長(zhǎng)，主要是地物本身的熱輻射；3-6 m之間，太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。太陽(yáng)輻射照度分布曲線太陽(yáng)與地球輻射的電磁波譜人工輻射源：主動(dòng)式遙感的輻射源。雷達(dá)探測(cè)。分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。微波輻射源：0.8-30cm激光輻射源：激光雷達(dá)測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測(cè)量地形等。第二節(jié) 地物的光譜特性 任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有

9、透射電磁波的特性。地物的這種特性稱為：地物的光譜特性。地物的反射率、吸收率和透射率地物的反射率、吸收率和透射率對(duì)于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。地物的反射率地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：地物對(duì)某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長(zhǎng)而變化。影響地物反射率大小的因素：l入射電磁波的波長(zhǎng)l入射角的大小l地表顏色與粗糙度地物的反射光譜：地物的反射光譜：地物的反射率隨入地物的反射率隨入射波長(zhǎng)變化的規(guī)律。射波長(zhǎng)變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率根據(jù)地物反射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系而繪成的曲線

10、。地與波長(zhǎng)之間的關(guān)系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識(shí)別物電磁波光譜特征的差異是遙感識(shí)別地物性質(zhì)的基本原理。地物性質(zhì)的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、異：雪、 沙漠、濕地、小麥的光譜沙漠、濕地、小麥的光譜曲線曲線傳感器探測(cè)波段的設(shè)計(jì)，是通過分析傳感器探測(cè)波段的設(shè)計(jì)，是通過分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而確定的。比較地物光譜數(shù)據(jù)而確定的。多光譜掃描儀（多光譜掃描儀（MSS）的波段設(shè)計(jì)：）的波段設(shè)計(jì)： MSS1(0.5-0.6 m) MSS2(0.6-0.7 m) MSS3(0.7-0.8 m) MSS4(0.8-1.1 m) 同類地物的反射光譜具有

11、相似性，但也有差異性。不同植物；植物病蟲害地物的光譜特性具有時(shí)間特性和空間特性。q時(shí)間特性q空間特性不同植物光譜曲線比較植被的病蟲害時(shí)間特征 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。黑體：在任何溫度下，對(duì)各種波長(zhǎng)的電磁輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體。黑體輻射(Black Body Radiation )：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院1. Power Source: Blackbody Radiation Plancks Law:The amount and spectrum of radiation emitted b

12、y a blackbody is uniquely determined by its temperatureEmission from warm bodies peak at short wavelengthswavelength620 K380 K3、黑體輻射定律(1)朗克熱輻射定律 表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及按波長(zhǎng)分布的規(guī)律。1/5212)(kTchehcTWllll、黑體輻射的三個(gè)特性( p20 )輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)最大值。溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同。隨著溫度的升高，輻射最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。 (2)玻耳茲曼定律

13、Stefan-Boltzmanns law 即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會(huì)引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測(cè)定溫度的理論基礎(chǔ)。4001/1522TdkTchehcWlll溫度3005001000200030004000500060007000波長(zhǎng)9。665。802。901。450。970。720。580。480。41(3)(3)維恩位移定律維恩位移定律：Wiens displacement law 隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。bT maxl4、地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律發(fā)射率(Emissivity )

14、：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。它也是遙感探測(cè)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。影響地物發(fā)射率的因素： 地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。黑WW按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)?；殷w(grey body)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長(zhǎng)而變化?；鶢柣舴蚨桑涸谝欢囟认拢匚飭挝幻娣e上的輻射通量W和吸收率之比，對(duì)于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W 黑。黑WW黑WW在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸

15、收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。4TW地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。5、黑體的微波輻射任何物體在一定的溫度下，不僅向外發(fā)射紅外輻射，也發(fā)射微波輻射。二者基本相似。但微波是地物低溫狀態(tài)下的重要輻射特性，溫度越低，微波輻射越明顯。微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術(shù)上可以經(jīng)過處理來(lái)接收。瑞里瑞里金斯公式金斯公式 黑體輻射的微波功率與溫度成正比，與波長(zhǎng)的平方成反比。 微波波段與紅外波段發(fā)射率的比較：不同地物之間微波發(fā)射率的差異比紅外發(fā)射率要明顯得多，因此，在可見光和紅外波段中不易識(shí)別的地物，在微

16、波波段中則容易識(shí)別。（表2-6）2)(2llkTW6、地物的發(fā)射光譜發(fā)射光譜：地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律。發(fā)射光譜曲線：按照發(fā)射率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系繪成的曲線。巖石的發(fā)射光譜分析（圖2-12） 亮度溫度：衡量地物輻射特征的重要指標(biāo)。指等物體的輻射功率等于某一黑體的輻射功率時(shí)，該黑體的絕對(duì)溫度即為亮度溫度。 The temperature of the black body which radiates the same radiant energy as an observed object is called the brightness temperature of the object.

17、 亮度溫度與實(shí)地溫度的關(guān)系：總小于實(shí)地溫度。TTB 透射率：入射光透射過地物的能量與入射總能量的百分比。 透射率隨著電磁波的波長(zhǎng)和地物的性質(zhì)而不同。 可見光、紅外、微波的透射能力。第三節(jié) 大氣和環(huán)境對(duì)遙感的影響 大氣的成分和結(jié)構(gòu) 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響 大氣窗口 環(huán)境對(duì)地物光譜特性的影響一、大氣的成分 大氣的傳輸特性：大氣對(duì)電磁波的吸收、散射和透射的特性。這種特性與波長(zhǎng)和大氣的成分有關(guān)。 大氣的成分：多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微?；旌辖M成的。 大氣物質(zhì)與太陽(yáng)輻射相互作用，是太陽(yáng)輻射衰減的重要原因。二、大氣的結(jié)構(gòu)大氣的垂直分層：對(duì)流層、平流層、中氣層、熱層和大氣外層。對(duì)流層 ：航空遙感活動(dòng)區(qū)。遙感

18、側(cè)重研究電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。平流層：較為微弱。中氣層：溫度隨高度增加而遞減。熱層：增溫層。電離層。衛(wèi)星的運(yùn)行空間。1.大氣外層：1000公里以外的星際空間。三、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響 太陽(yáng)輻射的衰減過程：30%被云層反射回；17%被大氣吸收；22%被大氣散射；31%到達(dá)地面。（圖2-3） 大氣的透射率公式：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)。煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院（一）大氣的吸收作用氧氣：小于0.2 m；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強(qiáng)。兩個(gè)吸收帶；對(duì)航空遙感影響不大。水：吸收太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和

19、可見光的紅光部分。因此，水對(duì)紅外遙感有極大的影響。二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)?？梢院雎圆挥?jì)。煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院遙感原理Absorption of EM energy by the atmosphere（二）大氣的散射作用 散射作用：太陽(yáng)輻射在長(zhǎng)波過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個(gè)方向散開。改變了電磁波的傳播方向；干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。 大氣散射集中在太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。因此，散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。Scattering of EM energy by the atmosphere煙臺(tái)師范學(xué)院地理與資源管理學(xué)院遙感原理Relationship between path length of EM radiation and the level of atmospheric scatterNon-Selective scatter of EM radiation by a cloud三種散射作用瑞利散射：當(dāng)微粒