遙感技術物理基礎課件

1、 第二章 遙感技術物理基礎 1、立體角與截面 立體角 點狀物體輻射通常是以球面波形式向外均勻傳輸能量。為定量化地在一個方向上的某個面接收到的輻射能量的大小，引出立體角概念。 定義: 為立體角 即輻射球面上的一個面S 占全部球面，如此稱為立體角（附圖1） 第1頁，共22頁。 這個定義與平面上定義一個弧度制的平面角在概念上是一致的。 當 R 足夠大， S 可以當平面來處理。 立體角表達點狀地物向各方向輻射量，在以點狀地物位置為球心的某一球面上的某一局部球面上獲取輻射能的比例。同樣道理，立體角可以表達球上局部面向外輻射能量，在其垂直方位上的一個點接收到的能量比例。這就是為什么遙感傳感器（包括人肉眼）

2、距離地物越近，則地物相對于傳感器立體角越大，收到地物輻射能越多，地物辨別越清楚。第2頁，共22頁。 截面 注意以上立體角概念中，輻射面對于一個點 A 的立體角要求這一點 A 必須在輻射面的法線方向上。如果點 A 不在法線方向上應做如何處理？這就引出截面概念。所謂截面就是將輻射面投影到一個平面 S 的法線通過點 A 。顯然輻射面投影到平面 S 后面積減少了。兩面積之間數(shù)量關系為：A 為輻射面面積；S 為截面面積； 為輻射面與截面法線的交角。 第3頁，共22頁。2、波長與波段電磁波波長與頻率的關系： 為波長，c 為光速（3 10 m/s）， f 為頻率。0.003 0.38 紫外 0.38 0.4

3、3 紫 0.43 0.47 蘭 0.47 0.50 青 0.50 0.56 綠 0.56 0.59 黃 0.59 0.62 橙 0.62 0.76 紅 0.76 3 近紅外 3 5 中紅外 8 14 遠紅外 0.3 100 cm 微波與雷達 電磁波波譜第4頁，共22頁。注意： 波段劃分并不是唯一的 可見光是一個很窄的波長范圍（0.38 0.76 ） 紅外中 8 14 又稱熱紅外。3、黑體輻射 黑體概念 黑體是對外界輻射量完全吸收的理想物體，自然界并不存在。自然界存在著灰體，即一部分能量吸收，一部分能量反射。 灰體輻射的規(guī)律接近黑體。第5頁，共22頁。 黑體輻射定律，即普朗克定律。 W 為波長為

4、 時的輻射功率密度，單位 w / cm 為波長，單位為 c 為光速 2.98 10 m / s h 為普朗克常數(shù) 6.6256 10 J s K 為波爾茲曼常數(shù) 1.38 10 J / K T 為絕對溫度，單位為K此式有兩個自變量： 、T ，其它都是常數(shù)因而可寫為：W = ( , T ) 其函數(shù)曲線可表示為注意：公式的量綱平衡；波段寬度與W 的關系。W6000k4000k._第6頁，共22頁。 對普朗克定律的討論： 1）黑體輻射的能量只與波長、溫度有關，與物質組成無關，發(fā)射能量是一個連續(xù)的波長譜； 2） 對普朗克公式積分可得到： 由此可引出 亮溫 的概念，所謂 亮溫 即此溫度下的總輻射量。 再

5、差分： 為斯忒藹 波爾茲曼常數(shù)，單位為 上式意義為輻射能量隨溫度變化的梯度很大。 3）對普朗克函數(shù)求波長曲線極值，得到： 此式稱為維恩定律，或稱為光譜位移定律。用它可測定太空星體表面溫度，也可用來選擇對特定地物的監(jiān)測波段，如火災檢測。第7頁，共22頁。4、太陽輻射 太陽常數(shù) 太陽常數(shù)（ Solar Constant ）即距離太陽在地球與太陽的平均距離上，單位面積上的光能量功率。 太陽光能到達地面上的能量功率為： 太陽能量光譜的波段分布 0.2 1.4 占有 90.8 % 1.4 1.8 占有 5.2 % 1.8 2.5 占有 2.6 % 3.0 4.2 占有 1.1 % 4.5 5.5 占有

6、0.18 % 7.5 14 占有 0.11 % 第8頁，共22頁。 可見太陽光絕大部分能量分布在 0.2 1.4 上。 其中在可見光部分（ 0.4 0.76 ）集中 46 % 能量。5、大地輻射 0 3 占有 0.2 % 3 5 占有 0.6 % 5 8 占有 10 % 8 14 占有 50 % 14 30 占有 30 % 30 100 占有 9 % 1 mm 占有 0.2 %大地也近似可看為黑體，向外輻射能量。大地輻射能量分布為：這就是熱紅外的波段劃分的依據(jù)。注意： 遙感夜晚成象可以反映地表溫度。第9頁，共22頁。6、大氣效應 大氣散射效應 瑞利散射（Rayleigh-Scattering）

7、 選擇性散射要求條件為微粒半徑 r 第11頁，共22頁。 大氣位太陽光的作用大致情況為： 20 30 % 返回太空； 20 % 漫散射到達地面（天空光） 17 % 吸收 40 % 直接到達地面 大氣窗口 0.15 0.20 遠紫外 透射率 70 % 0.30 1.30 近紫外 、可見光、近紅外 透射率 90 % 特別是可見光透射率更高 1.55 1.75 近紅外 透射率 80 % 可用于遙感 2.08 2.35 近紅外 透射率大于 80 % 可用于遙感 第12頁，共22頁。 3.5 5.50 中紅外 透射率 60 70 % 可用于監(jiān)測火災 8 14 熱紅外 透射率 80 % 1.5 cm 微波

8、 透射率 幾乎100 % 注意：大氣窗口僅是大氣對電磁波的作用結果，不包括大氣云層、煙塵、水汽作用。 大氣窗口還不止以上這些，有很多不適于遙感。未在以上列舉。 大氣窗口對遙感波段選擇的意義 遙感工作波段選擇要考慮兩個因素： 1） 電磁波能量 注意是電磁波能量譜 的積分量 2） 大氣窗口第13頁，共22頁。7反射與散射 （Reflecting and Scattering ） 反射是指入射角等于反射角的地物對入射電磁波的作用。 散射是指不遵從入射角等于反射角的地物對入射電磁波向外返回的作用。 漫散射是散射的一種，即完全沒有方向性 如散射。產(chǎn)生漫散射的地物表面稱為朗伯面 基本概念 瑞利判據(jù) 目的：

9、判斷物體表面對特定光到底是反射還是散射。第14頁，共22頁。 考慮方法： 其中： 為粗糙度； 為光的入射角； 為光波長。兩波差 相位為完全抵消，差0 為完全相重合，介乎之間差 粗糙度推導示意圖（光程差）（相位差）第15頁，共22頁。 瑞利判據(jù)分析： 如果 兩波偏于相重合，則呈反射為主、光滑表面。 如果 兩波偏于相抵消，則呈散射為主、粗糙表面。 增大， 增大， 有利于形成光滑表面。 減小， 減小，有利于形成粗糙表面。 由此引出粗糙度的概念：在遙感中一個象元覆蓋的地面面積單元內，相鄰一個波長距離的平均高差 。 對于可見光， 在 范圍內，所有地物都是粗糙面，而對于微波， 在 cm 到 m 之間，地物

10、表面呈粗糙與光滑臨界狀態(tài)。第16頁，共22頁。8、地物反射光譜 地物對不同波長入射光有不同的反射率，這就構成了地物反射光譜。這也是我們能夠用顏色、色調分辨各種地物的原因。 雪反射光譜曲線 1） 雪對所有波長反射率都很高且與太陽能量頻譜基本同步、這是雪呈現(xiàn)白色的原因。 2） 雪在紫蘭波段反射率較大，因而雪呈蘭白色。雪、沙漠、植物與濕地反射光譜示意圖R(%)(m) 雪植物沙漠濕地第17頁，共22頁。 綠色植被反射光譜曲線 1） 對綠光 （0.55 ）有一小的反射峰值，反射率大致為20%，這是綠色植物呈現(xiàn)綠色的原因。注意這里也正是太陽光的光能峰值。 沙漠反射光譜曲線 沙漠與雪有基本相同的性質，相對講

11、紅、橙、蘭波段反射率較大，因而呈淡橙黃色。 2）在紅光處（0.68 ）有一吸收谷，這是光合作用吸收谷。注意此處太陽光能仍很大，若吸收谷減小，則植被發(fā)黃、紅。 3）在 0.71.4 與 1.5 1.9 有很高紅外反射峰，反射率可高達70%以上，這兩峰與前邊紅光波谷是植被光譜的特征。這第一峰波長段還處在太陽光能波譜中主要能量分布區(qū)（0.21.4 ）占有全部太陽光能量90.8%，這是遙感識別植被并判斷植被狀態(tài)的主要依據(jù)。 第18頁，共22頁。 4） 在 1.45 至 1.95 有兩處吸收谷，表明植被中水分含量。 5） 不同種類植物反射光譜曲線的變化趨勢相同，而植物與其它地物的反射光譜曲線顯著不同，這

12、是遙感可以估測生物量的基礎。 6）植物葉片重疊時，反射光能量在可見光部分幾乎不變，而在紅外卻可增加2040%。這是因為紅外光可透過葉片，又經(jīng)下層葉片重復反射。葉片重疊反映作物長勢旺盛，生物量高。 7) 植物葉片可見光區(qū)反射率有顯著的方向性，這是因為植物葉片反射（散射）不是純粹的朗伯散射，還有方向性。而在紅外區(qū)方向性就不顯著，這是因為紅外光透射性好，透射后重復反射打擾了方向性。 濕地 濕地對可見光 紅外很寬的波區(qū)反射率都很低，絕大部分光能被吸收，因而在遙感圖像上呈黑色或深灰色。第19頁，共22頁。9 、遙感物理的幾個基本概念 反射率與反照度（Reflectivity and Albedo） 反射

13、率 = 反射光能 / 入射光能 反照度 = 到達遙感傳感器光能 / 入射太陽光能 注意：到達遙感傳感器光能中不僅包含有反射太陽光的光能，還包括程輻射光能。所以遙感圖像每個象元的灰度是該象元對應地物加權平均反照度的表征，不是地物反射率的表征。 一個物體的反射率本身受多種原因影響，包括有：入射角、入射光、波長、物體本身狀態(tài)。 反照度除反射率所受各種因素影響外，還包括大氣狀態(tài)、太陽角等影響。第20頁，共22頁。 同物異譜與同譜異物 在某一個譜段區(qū)，兩個不同地物可能呈現(xiàn)相同的譜線特征。這是同譜異物，也可能同一個地物，處于不同狀態(tài)，如對太陽光相對角度不同，密度不同，含水量不同等等，呈現(xiàn)不同的譜線特征。 同物異譜與同譜異物現(xiàn)象給圖像判譯帶來困難。 這就引申出一個概念，遙感中絕對定標（Absolute Calibration）是不可能的。如果定標，可以做相對定標，即尋找典型地物的光譜特征，其它地物的光譜與之對比。 三種分辨率 幾何分辨率，即遙感圖像上一個象元覆蓋實際地面的大小。反映為遙感制圖的比例尺。 輻射分辨率，即遙感傳感器將截獲的光能量能夠分出的等級。反映為