《遙感的物理基礎》課件

遙感的物理基礎遙感技術是利用電磁波的特性來獲取和研究地球表面及其周圍環(huán)境信息的一種方法。了解電磁波的基本物理特性是掌握遙感技術的關鍵。本節(jié)課將介紹電磁波的產生、傳播、反射、折射和散射等基本原理,為后續(xù)的遙感應用奠定基礎。12by1223電磁波的特性1頻率每秒振動的次數(shù)2波長一個波周期的距離3能量電磁波攜帶的能量電磁波是一種能夠傳播能量的波動現(xiàn)象。它們的主要特性包括頻率、波長和能量。頻率決定了波的振動次數(shù),波長決定了波在空間的傳播距離,能量則決定了電磁波對物質的影響力。這些特性是理解和應用遙感技術的基礎。電磁波的傳播1頻率決定振動次數(shù)2振幅決定能量大小3傳播速度以光速C傳播電磁波具有周期性的振蕩特性,其傳播過程由頻率、振幅和傳播速度三個基本參數(shù)決定。頻率決定了波的振動次數(shù),振幅決定了波的能量大小,而傳播速度是一個普遍常數(shù),在真空中為光速。這些特性共同決定了電磁波在空間中的傳播規(guī)律。電磁波的反射1表面反射當電磁波照射到介質表面時,會產生鏡面反射,反射角等于入射角。光滑表面反射較強,粗糙表面反射較弱。2材料特性不同材料的反射特性不同,取決于它們的電磁特性,如介電常數(shù)和導電率。金屬表面反射較強,而絕緣體反射較弱。3衍射效應當電磁波遇到障礙物邊緣時,會發(fā)生衍射現(xiàn)象,波能會繞過障礙物傳播。這種衍射效應會影響遙感圖像的質量。電磁波的折射折射定律當電磁波從一種介質進入另一種介質時,會發(fā)生折射現(xiàn)象。入射角、折射角和介質折射率之間滿足斯涅耳定律。反折射當電磁波從高折射率介質進入低折射率介質時,會發(fā)生臨界角以上的全反射現(xiàn)象。這種反射可用于制造光學元件。大氣折射大氣中的溫度和壓力梯度會使電磁波在大氣中發(fā)生折射,影響其傳播路徑。這種大氣折射效應會影響遙感觀測。電磁波的散射瑞利散射當電磁波遇到小于其波長的粒子時,會發(fā)生瑞利散射。這種散射會使短波長的藍光更容易被大氣散射,造成天空呈藍色。米Mie散射當電磁波遇到與其波長相當?shù)牧Ｗ訒r,會發(fā)生米Mie散射。這種散射使云和霧氣中的水滴和顆粒散射光線,形成白色天空。非選擇性散射當電磁波遇到大于其波長的粒子時,會發(fā)生非選擇性散射。這種散射不會選擇性地散射某些波長,而是均勻地散射各個波長。電磁波的吸收1選擇性吸收不同物質對電磁波的吸收能力不同2分子振動分子吸收特定頻率電磁波產生振動3電離作用高能電磁波可以電離大氣分子4熱效應電磁波能量轉化為熱量加熱物質電磁波在傳播過程中會被物質選擇性地吸收。這是因為不同物質的分子結構和組成對特定頻率電磁波有不同的親和力。被吸收的電磁波能量會導致分子振動或電離,并最終轉化為熱量加熱物質。這種選擇性吸收現(xiàn)象是遙感應用中的重要機理。黑體輻射1定義黑體是一個理想化的物體,它完全吸收所有入射的電磁輻射,并以最大輻射功率發(fā)射熱輻射。2普朗克定律德國物理學家馬克斯·普朗克提出了黑體輻射的理論,描述了黑體在不同波長和溫度下的輻射特性。3應用黑體輻射理論為遙感技術提供了基礎,可用于測量物體的溫度和研究大氣成分等。普朗克定律1熱輻射物體會發(fā)射熱量作為電磁輻射2黑體輻射理想黑體完全吸收并發(fā)射輻射3普朗克定律描述黑體輻射的頻率和溫度關系普朗克定律是德國物理學家馬克斯·普朗克提出的黑體輻射理論。它描述了理想黑體在不同溫度下發(fā)射的電磁輻射的頻率分布規(guī)律。這一理論為研究物體的溫度和大氣成分提供了基礎,在遙感技術中得到廣泛應用。斯蒂芬-玻爾茲曼定律1定義斯蒂芬-玻爾茲曼定律描述了黑體在不同溫度下輻射功率的關系。2計算公式根據(jù)該定律,輻射功率與絕對溫度的4次方成正比。3應用這一定律為遙感技術提供了理論基礎,可用于測量物體溫度。太陽輻射1太陽黑體輻射太陽表面溫度約6000K,按照普朗克定律發(fā)射寬范圍的電磁輻射。2太陽光譜太陽輻射包括可見光、紫外光和紅外光等多個波段。3太陽能量釋放通過核聚變反應,太陽不斷釋放巨大能量,源源不斷地照射地球。作為一顆恒星,太陽表面溫度約6000K,按照普朗克定律發(fā)射著廣泛范圍的電磁輻射。這些輻射包括可見光、紫外光和紅外光等不同波長的光線。通過持續(xù)的核聚變反應,太陽不斷釋放出巨大的能量,為地球提供持續(xù)不斷的能源。地球輻射1熱量輻射地球表面吸收太陽輻射后會發(fā)出紅外輻射。2長波輻射地球輻射主要集中在長波紅外波段。3溫度變化地球輻射受太陽高低角度和云層變化影響。地球表面吸收來自太陽的短波輻射后,會根據(jù)溫度通過熱量輻射的形式,向空間發(fā)射長波紅外輻射。這種地球輻射主要集中在長波紅外波段,并受到太陽高低角度和云層變化的影響而出現(xiàn)溫度變化。這種地球長波輻射過程是遙感技術監(jiān)測地表溫度和大氣狀況的基礎。大氣對電磁波的影響折射大氣中溫度和壓力的變化會造成折射率的梯度變化,從而影響電磁波的傳播路徑。散射大氣中的氣體分子、水汽和塵埃等會發(fā)生瑞利散射和米散射,減弱電磁波強度。吸收大氣中的氣體分子對特定頻段的電磁波有選擇性吸收,影響電磁波傳播。大氣的吸收選擇性吸收大氣中不同成分對電磁波有選擇性吸收,如氧和臭氧對紫外線的吸收。分子振動大氣氣體分子對特定頻率的電磁波會產生共振振動,從而吸收能量。遮蔽效應大氣中的粉塵和水汽會遮蔽部分電磁波,減弱光線強度。大氣的散射1瑞利散射氣體分子粒子對短波長光線的散射2米散射較大粒子對長波長光線的散射3大氣遮蔽氣溶膠對光線的吸收和散射大氣中存在各種氣體、水汽和粉塵等顆粒物,會對入射的電磁波產生散射效應。根據(jù)粒子大小,散射分為瑞利散射和米散射兩種類型。其中瑞利散射主要影響短波段光線,而米散射則主要作用于長波段。此外,大氣中的氣溶膠還會對光線產生吸收和散射,造成遮蔽效應。這些散射現(xiàn)象會加劇電磁波在大氣中的衰減。大氣的折射1溫度梯度大氣溫度隨高度變化形成梯度2壓力變化大氣壓力隨高度降低而減小3折射率改變溫度和壓力變化導致大氣折射率發(fā)生變化大氣中溫度和壓力隨高度的變化會導致折射率發(fā)生梯度變化。較高溫度和較低壓力會使光線發(fā)生彎曲,形成下凹的折射路徑。這種大氣折射現(xiàn)象會影響遙感系統(tǒng)的觀測精度,需要在數(shù)據(jù)處理中進行校正。遙感系統(tǒng)的組成1傳感器遙感系統(tǒng)的核心是能夠捕捉和記錄電磁輻射信號的傳感器。包括攝像頭、光譜儀、雷達等不同類型。2數(shù)據(jù)處理收集到的原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過復雜的數(shù)字處理,提取有效信息,轉換為可用的圖像和數(shù)據(jù)產品。3數(shù)據(jù)傳輸處理后的數(shù)據(jù)通過各種通信設備和網(wǎng)絡傳輸?shù)接脩舳?如衛(wèi)星傳輸、地面中繼等。傳感器的類型被動式傳感器這類傳感器僅記錄和采集目標自身發(fā)出或反射的電磁輻射,如攝像頭和光譜儀。主動式傳感器這類傳感器會主動向目標發(fā)出電磁波,并接收反射信號,如雷達和激光測距儀。光學傳感器廣泛應用于可見光和近紅外波段的成像和測量,如高光譜和超光譜成像。被動式遙感1接收輻射被動式遙感僅依靠目標物體的自身輻射或反射特性。2光學成像通過相機等光學傳感器捕捉目標的電磁輻射信息。3光譜分析利用光譜儀分析目標反射或發(fā)射的不同波段輻射。被動式遙感技術依賴于目標物體自身發(fā)射或反射的電磁輻射信號,而非主動向目標發(fā)射信號。典型的被動式遙感方式包括光學成像和光譜分析。光學遙感使用相機等傳感器記錄目標的反射光信息,而光譜遙感則利用光譜儀分析目標在不同波段的輻射特征。這種無需主動照射的方式相對簡單、經(jīng)濟,常用于監(jiān)測環(huán)境、農業(yè)、地質等領域。主動式遙感1主動發(fā)射主動式遙感系統(tǒng)會向目標發(fā)射電磁波信號。2探測反射接收并分析從目標反射回來的信號。3信息提取通過信號分析提取目標的位置、速度等信息。與被動式遙感不同的是,主動式遙感會主動向目標發(fā)射電磁波信號,然后接收和分析從目標反射回來的信號。通過對反射信號的分析,可以獲取目標的位置、速度、大小等信息。這種主動發(fā)射、探測反射的工作機理使主動式遙感在某些應用場景下具有獨特的優(yōu)勢,如雷達對飛行器的檢測和測量。光學遙感1可見光成像利用相機等傳感器捕捉可見光波段的反射信息,獲取目標物體的彩色影像。2近紅外成像通過近紅外波段的反射特性,可以獲取目標物體的特征和結構信息。3多光譜分析綜合分析目標在多個不同波段的反射特性,可以提取更豐富的信息。紅外遙感1非可見光譜紅外波段位于可見光之外2熱量輻射探測針對目標物體的熱量輻射特性3溫度信息提取可獲取目標的溫度分布和變化紅外遙感主要利用紅外波段的電磁輻射來探測和分析目標物體。這種波段位于可見光之外,主要探測目標物體自身發(fā)出的熱量輻射。通過分析這些熱量輻射特性,可以提取目標的溫度信息,包括溫度分布和溫度變化等。紅外遙感廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)檢測、軍事偵察等領域。微波遙感1波長范圍微波遙感采用1毫米到1米的電磁波長范圍進行探測和成像。2穿透性強微波可穿透云層、霧霾等大氣條件,對觀測目標的影響較小。3應用領域微波遙感廣泛應用于天氣監(jiān)測、海洋遙感、地質勘探等領域。雷達遙感電磁波發(fā)射雷達系統(tǒng)主動向目標發(fā)射高頻微波信號,通常工作在厘米波或毫米波波段。信號反射分析接收并分析從目標物體反射回來的信號,提取目標的位置、速度、高度等信息。全天候監(jiān)測雷達無需可見光反射,可在任何天氣條件下對目標進行全天候監(jiān)測。遙感數(shù)據(jù)的獲取1數(shù)據(jù)采集利用多種遙感傳感器獲取原始數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)接收通過衛(wèi)星、航空等載體接收數(shù)據(jù)信號3數(shù)據(jù)存儲將采集的數(shù)據(jù)保存于高容量存儲設備4數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡等渠道傳輸?shù)降孛嬲具b感數(shù)據(jù)的獲取是整個遙感系統(tǒng)的起點。首先需要利用各類傳感器設備,如相機、光譜儀、雷達等,在目標區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集。這些數(shù)據(jù)會通過衛(wèi)星、飛機等載體接收,并存儲在大容量設備中。最后,這些原始數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡等渠道傳輸?shù)降孛嬲?供后續(xù)分析和應用使用。這一過程需要精確的采集時間和位置控制,以確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。遙感數(shù)據(jù)的處理1預處理對原始遙感數(shù)據(jù)進行校正、增強、濾波等處理2影像處理包括幾何校正、輻射校正、大氣校正等3信息提取從校正后的數(shù)據(jù)中提取所需的地物信