第一章-遙感原理-2016分解.ppt

1、第一章遙感原理和基礎(chǔ)，內(nèi)容，1遙感物理基礎(chǔ)2遙感技術(shù)系統(tǒng)3遙感數(shù)據(jù)源，1遙感物理基礎(chǔ)，內(nèi)容1.1電磁輻射原理1.2表征電磁輻射物理量1.3電磁輻射源1.4大氣對(duì)電磁輻射的影響1.5物體的光譜特性，1.1電磁輻射原理，電磁波生成機(jī)制粒子(電子、原子、分子等)相反，1.1電磁輻射原理，電磁波生成機(jī)制原子頻譜分子頻譜決策頻譜，1.1電磁輻射原理，電磁波生成機(jī)制原子頻譜核能準(zhǔn)尉之間的轉(zhuǎn)換生成：射線內(nèi)層電子能量準(zhǔn)尉之間的轉(zhuǎn)換生成：X射線外層電子的轉(zhuǎn)換生成：紫外線，可見(jiàn)光，近紅外，1.1電磁輻射原理，電磁波生成機(jī)制分子光譜分子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)生成原子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)除了電子轉(zhuǎn)移外，分子中原子的振動(dòng)就像整個(gè)分子

2、的旋轉(zhuǎn)分子和原子一樣，還有具有其特征的分子能級(jí)圖，所以可以產(chǎn)生分子頻譜，其他振動(dòng)方式，h，o。1.1電磁輻射原理、電磁波生成、1.1電磁輻射原理、電磁波譜：各種電磁波波長(zhǎng)(頻率)大小、圖表、牙齒圖稱為電磁波譜。1.1電磁輻射原理、電磁波譜分隔、0.36nm、0.36nm、0.36nm、0.36nm、0.38um、0.38nm、0.76um、1.1電磁輻射原理、遙感公用電磁波、1.1電磁輻射原理、遙感公用電磁波波長(zhǎng)為0只能部分大氣層波長(zhǎng)為0.280.38的紫外線，但由于散射嚴(yán)重，只能部分投影到地面上，并能檢測(cè)感光物質(zhì)，因此被稱為遙感工作帶的照片紫外線?，F(xiàn)在開(kāi)始用于監(jiān)測(cè)煤氣污染及水體的油污染。1.

3、1電磁輻射原理，遙感中常用電磁波段的特性可見(jiàn)光波長(zhǎng)為0.380.76um，可以用棱鏡分解成紅色、橙色、黃色、綠色、青色、藍(lán)色、紫色7茄子色光。大氣層，地面物體對(duì)七色光有很多特征的反射和吸收特性，信息量最大。可以用遙感、掃描等多種方式拍攝視頻，是照片中使用最多的樂(lè)隊(duì)?？梢?jiàn)光樂(lè)隊(duì)的遙感技術(shù)最成熟，但仍有很大的潛力。目前辨別力最好的遙感資料仍在可見(jiàn)光波段內(nèi)。1.1電磁輻射原理，遙感過(guò)程中常用電磁波段的特性紅外波段(0.763um)由地面表面反射太陽(yáng)紅外線發(fā)射，因此也稱為反射紅外線。其中，接近可見(jiàn)光紅光的0.761.3波段可以感光膠片，因此牙齒波段也稱為攝影紅外線。(阿爾伯特愛(ài)因斯坦，美國(guó)電視電視劇，

4、照片)中遠(yuǎn)紅外(315um)表面物體發(fā)出的紅外線稱為熱紅外線。熱紅外線只能通過(guò)掃描來(lái)轉(zhuǎn)換光電信號(hào)，才能成像。1.1電磁輻射原理，遙感中常用電磁波段的特性微波，可以穿透云層和固定厚度的植物、冰、土壤，獲得其他波段無(wú)法使用的信息。全天候，具備全天工作的能力。可以用主動(dòng)和被動(dòng)的方式成像。因此，遙感技術(shù)上是有潛力的替身。1.2表征電磁輻射物理量，輻射能Q電磁波能量，電磁輻射源以電磁波形式傳遞能量，經(jīng)常Q以焦點(diǎn)(J)為單位表示。輻射光速單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的輻射能量輻射光速=dQ/dt單位等于瓦特=焦耳/秒(W=J/S)，1.2表示電磁輻射物理量，輻射光速密度e，m單位面積的輻射通量稱為輻射光速密度(w/面積

5、)。根據(jù)輻射面，從發(fā)射面發(fā)射的輻射速度密度達(dá)到發(fā)射度M牙齒接收面的輻射速度密度稱為輻射度E，1.2表示電磁輻射物理量，輻射度L表示表面輻射源在單位立體角單位，單位投影面積中的輻射速度公用L。單位為瓦特/構(gòu)圖(W/Srm2)，立體角為1圓錐。定義為：截?cái)帱c(diǎn)圓球面積與半徑r的平方的比率，以圓球(Sr)單位表示。可寫(xiě)：=/r2一個(gè)球面空間的立體角為4，1.2，表示電磁輻射物理量，輻射強(qiáng)度I描述點(diǎn)發(fā)射源的發(fā)射特性。在任何方向，單位立體角內(nèi)的輻射通量通常表示I。單位為瓦特/構(gòu)圖(W/Sr)，1.2為電磁輻射物理量，1.2為1。電磁輻射基本物體的熱輻射自然界的所有物體在溫度高于絕對(duì)零度(-273)時(shí)電磁波

6、輻射到周?chē)臻g的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射能量的大小和波長(zhǎng)分布取決于物體本身的溫度。吸收系數(shù)物體吸收入射總電磁輻射能量的電磁輻射能量。1.3電磁輻射源，黑體的所有溫度、頻率和波長(zhǎng)條件下吸收系數(shù)始終為1的物體稱為“絕對(duì)黑體”，這稱為黑體。胴體的各波長(zhǎng)吸收率小于1的常數(shù)的物體，1.3電磁輻射源，黑體的輻射定律斯特凡-波茲曼定律韋恩變位定律基爾霍夫定律普通物體的輻射定律與黑體輻射定律相似，因此通過(guò)黑體的輻射定律可以推導(dǎo)出普通物體的輻射定律，1.3電磁輻射源，斯特凡-波常數(shù)。t是發(fā)射體的熱力學(xué)溫度，即黑體溫度。牙齒表達(dá)式表明，絕對(duì)黑體表面每單位面積發(fā)射的總輻射能與絕對(duì)溫度的第四階正方形成正比。對(duì)一般物體也

7、可以粗略估計(jì)總輻射能和絕對(duì)溫度的關(guān)系。1.3電磁輻射源、stran-bolz man定律曲線以下的面積等于總輻射度M輻射溫度。發(fā)射的總輻射量越大，徐璐不同溫度下黑體輻射曲線相似曲線的能量峰值分布隨溫度的升高而向短波方向移動(dòng)。圖1.1徐璐不同溫度的黑體輻射頻譜曲線，1.3電磁輻射源，韋恩變位定律max=A/T(A是常數(shù))max是輻射強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)(um)。a是常數(shù)。t是熱力學(xué)溫度。牙齒定律表明，黑體的絕對(duì)溫度升高時(shí)，輻射能最大的波向短波方向移動(dòng)。(一般物體也有類似的特性)因此，可以為特定目標(biāo)選擇紅外遙感最佳波段。1.3電磁輻射源，在給定溫度和波長(zhǎng)條件下，所有物體的發(fā)射發(fā)射發(fā)射度和吸收系數(shù)的比率是

8、常數(shù)，在相同溫度波長(zhǎng)下，絕對(duì)黑體的發(fā)射發(fā)射度是黑體在指定溫度和波長(zhǎng)條件下發(fā)射的程度。在給定的溫度和波長(zhǎng)條件下，對(duì)任意物體發(fā)射發(fā)射發(fā)射度。為了物體的吸收系數(shù)，1.3電磁輻射源，定義物體的輻射能力與黑體輻射能力的比率的比率輻射率或發(fā)射率，即物體的吸收率為發(fā)射率，1.3電磁輻射源，基爾霍夫定律牙齒定律表明，好的吸收體也是好的發(fā)射體。對(duì)于溫度相同的兩個(gè)物體，特定波長(zhǎng)的輻射，如果甲被吸收得更多，那么甲比更多的物體就不會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的輻射。也就是說(shuō)，它不發(fā)射波長(zhǎng)的輻射。一般物體的熱輻射是相同溫度的絕對(duì)黑體的發(fā)射度，1.3電磁輻射源，電磁輻射源太陽(yáng)地球人工發(fā)射源，1.3電磁輻射源，太陽(yáng)地球環(huán)境；目前航天、航

9、空可見(jiàn)光及近紅外遙感的主要輻射源太陽(yáng)光譜相當(dāng)于6000 K的黑體輻射太陽(yáng)輻射的能量主要集中在可見(jiàn)光上。其中，0.38 0.76米的可見(jiàn)光能量占太陽(yáng)輻射總能量的46%，最大輻射強(qiáng)度在波長(zhǎng)0.47米左右，1.3電磁輻射源，太陽(yáng)輻射線頻譜：太陽(yáng)發(fā)射的電子輻射沿波長(zhǎng)分布在地球大氣的頂層，稱為太陽(yáng)光譜，最大值為0.47米，圖1.2地球表面的太陽(yáng)輻射度曲線，1.3電磁輻射源，1.3電磁輻射源也就是說(shuō)，在整個(gè)波段，大氣層外部太陽(yáng)輻射的總能量為1352w/m2，1.3電磁輻射源。太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射也是針對(duì)平均每日距離測(cè)量太陽(yáng)輻射能量(太陽(yáng)常數(shù))。因此，在任何時(shí)間點(diǎn)，太陽(yáng)輻射都可以考慮每日距離的變化。在任何時(shí)間點(diǎn)

10、，大氣外接收的太陽(yáng)輻射能都考慮到每日距離的變化，與太陽(yáng)天頂角有關(guān)。太陽(yáng)復(fù)制太陽(yáng)復(fù)制也隨時(shí)在大氣層外太陽(yáng)復(fù)制：E=E0 (r0/r)2 cos E0:太陽(yáng)常數(shù)：太陽(yáng)天頂角r0:每日平均距離r:每日距離每日距離系數(shù)d=r/r0:可以在天文日歷中找到，1.3電磁輻射源這是地球曲面的平均溫度約為，1.3電磁輻射源、地球輻射和太陽(yáng)輻射的關(guān)系波長(zhǎng)在0.3-3um之間，主要是反射太陽(yáng)輻射能量，地球熱輻射可以忽略。波長(zhǎng)3-6um的中紅外波段太陽(yáng)和地球輻射是不可忽視的。牙齒波段的紅外遙感時(shí)，經(jīng)常選擇黎明時(shí)太陽(yáng)輻射影響波長(zhǎng)6um，主要是地球表面的熱輻射，1.3電磁輻射源，人工輻射源微波主動(dòng)遙感過(guò)程中，輻射源直接安

11、裝在傳感器上，產(chǎn)生所需波長(zhǎng)和功率的電磁輻射。側(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中心微波脈沖發(fā)生器、激光雷達(dá)中使用的脈沖輸出激光器等全天候工作對(duì)特定圖片具有特殊的頻譜特征。例如，3.2厘米的微波梁可以通過(guò)4000米厚的云層，只能衰減1dB，大氣影響可以忽略，可以穿透數(shù)十米干沙，可以穿透冰層100米。例如，撒哈拉沙漠?dāng)?shù)十米以下的古大陸，微波遙感時(shí)的發(fā)現(xiàn)。，1.3電磁輻射源，人工放射源激光短波0.24um以下，長(zhǎng)波最大1000um，微波光方向：精細(xì)，發(fā)散面極小，高分辨率圖像生成高亮度：比太陽(yáng)亮度高幾十億倍以上，1.4大氣對(duì)電磁輻射的影響，大氣成分，1.4大氣成分是粒子大小：氣體(分子1.4大氣對(duì)電磁輻射大氣的吸收：17%，

12、大氣散射：22%，地面3360，31%，地球，太陽(yáng)，大氣層，電磁輻射太陽(yáng)到達(dá)地球表面，1.4大氣的作用，1.4大氣對(duì)電磁輻射影響大氣散射大氣散射的散射主要是大氣電磁波長(zhǎng)x稱為散射光尺度參數(shù)，其值大小確定散射的特性。X 3可選散射，1.4大氣電磁輻射影響，大氣散射瑞利散射發(fā)生：X 0.1，“粒子直徑r入射電磁波波長(zhǎng)”散射粒子：氧、氮等可見(jiàn)光散射等氣體分子的散射強(qiáng)度散射很強(qiáng)的散射方向：正向散射(散射方向和入射方向之間的角度小于90)=反向散射強(qiáng)度，正向散射=在“散射的粒子直徑R入射電磁波波長(zhǎng)”中發(fā)生非選擇性散射的粒子：云、霧、水滴、灰塵等散射強(qiáng)度：不管波長(zhǎng)如何，所有可見(jiàn)光、近紅外波段散射方向：前向

13、散射、前向散射后散射、1.4大氣對(duì)電磁輻射的影響、大氣散射大氣散射的影響通過(guò)降低太陽(yáng)光直射光線的強(qiáng)度來(lái)改變太陽(yáng)輻射的方向1.4大氣對(duì)電磁輻射的影響，大氣吸收大氣主要?dú)怏w及其吸收帶水汽吸收帶：對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用最明顯，范圍最廣，但集中在紅外波段。 其中0.7-3.0um波段為強(qiáng)吸收帶氧氣和吳尊吸收帶：氧氣的吸收帶主要為0.176-0.242-0.260um和0.242-，臭氧將吸收0.28um以下的所有短波光能量。二氧化碳吸收臺(tái)：主要發(fā)生在大于2um的紅外區(qū)域。水滴和灰塵：吸收范圍大，但主要吸收0.7-3um的紅外線。1.4大氣對(duì)電磁輻射的影響，大氣吸收大氣主要?dú)怏w及其吸收帶，1.4大氣對(duì)電磁輻射的影響，大氣反射主要云反射云厚度大于50米時(shí)反射楊怡為50%以上，厚度大于500米時(shí)反射楊怡大于80%時(shí)大氣層中直徑大于10-6m的其他顆粒物也將發(fā)生反射作用，1.4大氣對(duì)電磁輻射的影響如果太陽(yáng)輻射度為E，大氣路徑為X，那么通過(guò)大氣路徑的大氣衰減后的輻射度E=Ee-kx大氣透射率T: T=E-kx K是衰退系數(shù)(消光系數(shù))kx是光學(xué)厚度，1.4大氣對(duì)電磁輻射的影響，大氣窗口大氣窗口：電磁輻射大氣傳輸過(guò)程應(yīng)用范圍很大，因此通過(guò)照片、掃描等方法實(shí)現(xiàn)了圖像1.5-2.5um