高光譜遙感理論基礎(chǔ)通用PPT課件

1、高光譜遙感理論基礎(chǔ)12 遙感是根據(jù)收集到的電磁波來(lái)判斷目標(biāo)地物和自然現(xiàn)象（物體種類、特征和環(huán)境不同，具完全不同的電磁波反射或發(fā)射特征），遙感技術(shù)主要是建立在物體反射或發(fā)射電磁波原理上的。電磁波 :根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論, 變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生,以有限的速度由近及遠(yuǎn)在空間內(nèi)傳播的過(guò)程稱為電磁波.3.1 電磁波及電磁輻射3.1.1 電磁波的特性3描述電磁波特性的指標(biāo) 波長(zhǎng)、頻率、振幅、位相等。電磁波的特性 1）不需要傳播介質(zhì)2）橫波3）波動(dòng)性4）粒子性5）疊加原理6）相干性和非相干性 7）衍射和偏振（遙感器的幾何圖象分辨率，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，偏振現(xiàn)象越顯著，偏振攝影和雷達(dá)成像） 8）多譜勒效應(yīng) （合成

2、孔徑側(cè)視雷達(dá)）電磁波因輻射源（或者觀察者）相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化4按電磁波波長(zhǎng)（頻率大?。╅L(zhǎng)短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。依次為： 射線X射線紫外線可見(jiàn)光紅外線微波無(wú)線電波。電磁波譜5電磁波譜圖6共性：傳播速度相同；遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律；一些電磁波的用途wavelengthuseWavelengthuseg rayMineral1.55-1.75（近紅外）Water content in plant or soilX rayMedical2.04-2.34（近紅外）Mineral, rock typesultraviolet(uV)（紫外

3、）Detecting oil；spill10.5-12.5（熱紅外）Surface temperature0.4-0.45 um（藍(lán)波段）Water depthturbidity3cm-15cm（短波）Surface relief（地勢(shì)起伏）, soil moisture0.7-1.1 m（近紅外）Vegetation20cm-1m（短波）woody biomass（木頭水分）73.1.2 電磁輻射能量定律輻射能量（W）：以電磁波形式傳輸?shù)哪芰浚粶y(cè)量的指標(biāo)包括：輻射通量，輻射強(qiáng)度，輻射照度，輻射亮度等等。理想的輻射體：黑體，它既是完全的吸收體，又是完全輻射體。即朗伯源，自然界中的物體：煙煤，M

4、gO等通過(guò)研究這種理想狀態(tài)的輻射體，目前已經(jīng)摸索出一定的定律。人工制造的接近黑體的吸收體8（1）普朗克公式：描述黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)分布的關(guān)系。h: 普朗克常數(shù)6.6260755*10-34 Ws2k: 玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380658*10-23 WsK-1c: 光速; : 波長(zhǎng)（m）; T: 絕對(duì)溫度（K）描述黑體的定律9變化特點(diǎn)：(1) 輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，只有一個(gè)最大值；(2) 溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不相交；(3) 隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動(dòng)。圖示普朗克公式10（2）斯忒藩玻爾茲曼定律：對(duì)普朗克定律在全波段內(nèi)積分得到。輻射通量密度隨溫度增

5、加而迅速增加，與溫度的4次方成正比。紅外裝置測(cè)試溫度的理論根據(jù)。 : 斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)，5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4 11（3）維恩位移定律：高溫物體發(fā)射較短的電磁波，低溫物體發(fā)射較長(zhǎng)的電磁波。常溫（如人體300K左右，發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng)9.66m ）b : 常數(shù)，2897.80.4 m K針對(duì)要探測(cè)的目標(biāo)，選擇最佳的遙感波段和傳感器。12一般輻射體和發(fā)射率對(duì)于一般物體而言，需要引入發(fā)射率（熱輻射率、比輻射率），表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。非黑體的輻射通量密度與同一溫度下黑體輻射通量密度的比值。發(fā)射率與物質(zhì)種類、表面狀態(tài)、溫度等有關(guān)，還與波長(zhǎng)有關(guān)。按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，

6、輻射源可以分為：1）黑體2）灰體3）選擇性輻射體13一般輻射體和發(fā)射率14（4）基爾霍夫定律給定溫度下，任何地物的輻射通量密度M與吸收率之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。發(fā)射率等于吸收率。好的吸收體也是好的發(fā)射體，如果不吸收某些波長(zhǎng)的電磁波，也不發(fā)射該波長(zhǎng)的電磁波。153.1.3 太陽(yáng)輻射地球上的電磁波主要來(lái)自于太陽(yáng)，因此，太陽(yáng)是遙感主要的輻射源，在大氣上界和海平面測(cè)得的太陽(yáng)輻射曲線如圖所示。16太陽(yáng)輻照度分布曲線17從圖中可以得出結(jié)論：太陽(yáng)輻射的光譜是連續(xù)的，太陽(yáng)光譜相當(dāng)于6000 K的黑體輻射；它的輻射特性與黑體的輻射特性基本一致。太陽(yáng)輻射從近紫外到中紅外這一波段區(qū)間能量最集中

7、而且相對(duì)穩(wěn)定，其中0.38 0.76 m的可見(jiàn)光能量占太陽(yáng)輻射總能量的46%，最大輻射強(qiáng)度位于波長(zhǎng)0.47 m左右；在x射線、遠(yuǎn)紫外及微波波段，能量小但變化大。海平面處的太陽(yáng)輻射照度曲線與大氣層外的曲線有很大的不同。主要是地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射造成的。經(jīng)過(guò)大氣層的太陽(yáng)輻射有很大的衰減；就遙感而言，被動(dòng)遙感主要是利用可見(jiàn)光、紅外等穩(wěn)定輻射，因而太陽(yáng)的活動(dòng)對(duì)遙感沒(méi)有太大的影響，可以忽略。183.1.4 電磁波與物質(zhì)的相互作用大氣組成：大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。 氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 懸浮微粒：塵埃1 太陽(yáng)輻射與大氣的作用19大氣垂直

8、分布的結(jié)構(gòu)：從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對(duì)流層：高度在712 km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在1250 km，底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在501 000 km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。大氣外層：80035 000 km ,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒(méi)有影響。20大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響主要分為：散射和吸收，在可見(jiàn)光波段，引起電磁波衰減的主要原因是分子散射。21大氣散射不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是

9、太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。對(duì)遙感圖像來(lái)說(shuō)，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見(jiàn)光區(qū)。大氣發(fā)生的散射主要有三種： 瑞利散射：d 22大氣吸收大氣的吸收作用：大氣中的各種成分對(duì)太陽(yáng)輻射有選擇性吸收，形成太陽(yáng)輻射的大氣吸收帶（如下表）。O2吸收帶0.2m，0.155 m最強(qiáng)O3吸收帶0.20.36 m，0.6 mH2O吸收帶0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO2吸收帶1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m塵埃吸收量很小23大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽(yáng)輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射

10、率也各不相同。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外可見(jiàn)光近紅外0.31.3 m90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.51.8 m80TM5近-中紅外2.03.5 m80TM7中紅外3.55.5 mNOAA的AVHRR遠(yuǎn)紅外814 m6070TM6微波0.82.5cm100Radarsat24太陽(yáng)輻射與地表的相互作用()地物的反射率()漫反射()鏡面反射()2 太陽(yáng)輻射與地物的作用太陽(yáng)輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即： 到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量反射能量吸收能量透射能量地表反射的太陽(yáng)輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。一般

11、而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見(jiàn)光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是0. 450. 56m的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)1020 m，清澈水體可達(dá)100 m的深度。地表吸收太陽(yáng)輻射后具有約300 K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長(zhǎng)為9.66 m，主要集中在長(zhǎng)波，即6m以上的熱紅外區(qū)段。熒光，物體被單一波長(zhǎng)輻射照射而發(fā)射出另外一種波長(zhǎng)輻射的現(xiàn)象。比如硫化物， 反射率（）：地物的反射能量與入射總能量的比，即=(P/ P 0)100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測(cè)定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物的反射光譜曲線：反

12、射率隨波長(zhǎng)變化的曲線。 不論入射方向如何，其反射出來(lái)的能量在各個(gè)方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個(gè)方向反射的能量大小不同。 物體的反射滿足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測(cè)到電磁波，水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時(shí)很亮，有時(shí)很暗，就是這個(gè)原因造成的。 25地面光譜測(cè)量（field spectrometry）在高光譜定量遙感中起到十分重要的作用。地面光譜測(cè)量的儀器就是地面光譜輻射計(jì)，它能夠在電磁波紫外到近紅外（3002500nm）的太陽(yáng)反射波普段里面獲取連續(xù)的光譜曲線，是建立地物標(biāo)準(zhǔn)反演光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的重要手段，也是對(duì)高光譜圖像處理，分析的有力支持。3.

13、2 地面光譜測(cè)量26地面光譜測(cè)量的作用27地面光譜輻射計(jì)工作原理：由光譜儀通過(guò)光導(dǎo)線探頭攝取目標(biāo)光線，然后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示結(jié)果數(shù)據(jù)，并采用光譜儀自帶的軟件進(jìn)行分析處理。測(cè)定目標(biāo)光譜：包含測(cè)定1）暗光譜2）參考光譜；3）樣本光譜。目標(biāo)光譜的值等于樣本光譜除以參考光譜，因此必須保證目標(biāo)與參考光譜之間的相同光照條件。28野外光譜測(cè)量的光源主要來(lái)自三個(gè)方面：太陽(yáng)直射，太陽(yáng)散射和周圍物體的散射光源。29以美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的野外光譜分析儀FieldSpec Pro為例，它是一種測(cè)量可見(jiàn)光到近紅外波段地物波譜的有效工具。它能快速掃描地物，光纖探頭能在毫秒內(nèi)得到地物單一光譜?？梢詼y(cè)量：相對(duì)反射率，輻

14、射照度與輻射亮度。光譜地面測(cè)量30其它野外的測(cè)量?jī)x器 （1）LAI-2000植物樹(shù)冠分析儀。 （2）LI-6400便攜式光合儀。 （3）LI-6262分析儀 （4）輻射傳感器。 31 地物光譜特性的研究是指將觀測(cè)到的各種地物以完整的光譜曲線記錄下來(lái)，使得本來(lái)不能在寬波段中不能識(shí)別的地物，在高光譜遙感中能夠有效識(shí)別。3.3 典型地物的光譜特征32地物反射率：主要在可見(jiàn)光、近紅外波段反射太陽(yáng)的輻射，反射率等于物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比反射波譜特性曲線：是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，反射率為縱坐標(biāo)所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線。 331.巖礦不

15、同的礦物具有不同的化學(xué)組成分和物理結(jié)構(gòu)，因此，礦物的光譜特征主要取決于光譜吸收的特征，而決定礦物的吸收特征的因素在于：1）物質(zhì)內(nèi)電子與晶體場(chǎng)的相互作用和 2）物體內(nèi)所存在的分子振動(dòng)。高光譜遙感最早是人們研究巖石和礦物的光譜特性時(shí)提出來(lái)的，因此，地質(zhì)是高光譜遙感應(yīng)用中最廣泛的領(lǐng)域之一。礦物341）電子與晶體場(chǎng)的相互作用礦物體內(nèi)的電子發(fā)生躍遷的過(guò)程中會(huì)吸收或發(fā)射特定波長(zhǎng)的電磁輻射，形成特定的光譜特征。產(chǎn)生的光譜范圍主要在可見(jiàn)光，近紅外附近。352）分子振動(dòng)產(chǎn)生光譜特征晶體結(jié)構(gòu)不同，受到外來(lái)能量的時(shí)候，發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生的光譜特性并不一致。3）除此之外，還受到溫度和礦物粒度的影響，溫度升高，向短波方向移

16、動(dòng)。36 野外的巖石光譜是礦物光譜的混合而成，可見(jiàn)光和紅外只有幾厘米的穿透率，因此，分析巖石表面情況很重要：（1）風(fēng)化，水化物的影響（2）巖石表面結(jié)構(gòu)：顆粒減小，反射率增大（3）巖石表面顏色：鐵，碳的影響 （4）大氣環(huán)境巖石372、植被傳統(tǒng)寬波段的研究?jī)H限于判斷紅光的吸收，近紅外的反射，中紅外的水體吸收帶。由于受到波段寬度和波段數(shù)的限制，往往對(duì)土地覆蓋類型或者是植被長(zhǎng)勢(shì)等的反應(yīng)并不理想。高光譜可以通過(guò)對(duì)不同類型的植被進(jìn)行生物化學(xué)含量的估算，可以獲得較為詳細(xì)的植被生態(tài)學(xué)信息；其次，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)“紅邊”位移去獲得植被受環(huán)境脅迫的信息。383940不同植物光譜曲線比較41423.土壤標(biāo)準(zhǔn)土壤反射率光譜43礦物 礦物主要包括：石英，云母，長(zhǎng)石，氧化物，因此通過(guò)分析相應(yīng)的礦物含量就 可以區(qū)別土壤的特征。例如：氧化鐵的含量會(huì)導(dǎo)致土壤顏色的漸變：灰綠，黃色，紅色影響土壤的四大因素：44含水土壤水分是土壤重要組成部分，當(dāng)含水量增加時(shí)，土壤反射率下降，在水的各個(gè)吸收帶處（1400，1900和2700），反射率下降非常明顯。45有機(jī)質(zhì)生物或者動(dòng)物腐爛后的物質(zhì)，影