CH1電磁波與遙感物理基礎(chǔ).ppt

1、1,一、電磁波與電磁波譜,二、物體的電磁波特性 三、地物波譜特性的測(cè)定,第一章電磁波及遙感物理基礎(chǔ),2,一、電磁波與電磁波譜,電磁輻射產(chǎn)生于各種形式的能量 （機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電能、磁能、核能） 凡是溫度高于絕對(duì)零度（-273.16攝氏度)的物體都發(fā)射電磁波，波長(zhǎng)由物質(zhì)內(nèi)部狀態(tài)的變化決定 電磁波的特性,電磁波是橫波 電磁波具有波粒二象性,電磁波的來(lái)源,3,電磁波譜,把各種電磁波（包括無(wú)線電波、微波、紅外波、可見(jiàn)光、紫外線、x射線、伽瑪射線等）按照波長(zhǎng)或頻率的大小依次排列，就形成了電磁波譜。,遙感中所用的電磁波段：微波、紅外波、可見(jiàn)光,4,二.物體的電磁波特性,物體的發(fā)射輻射 地物的輻射波譜

2、 熱紅外遙感的理論基礎(chǔ) 物體的反射輻射 地物的反射波譜 可見(jiàn)光和近紅外遙感的理論基礎(chǔ) 物體的微波后向散射輻射 地物的后向散射波譜 微波遙感的理論基礎(chǔ),5,1、黑體輻射 2、實(shí)際地物的發(fā)射輻射,（一）物體的發(fā)射輻射,6,1.黑體輻射,黑體是一種理想的輻射體。 能夠完全吸收任何波長(zhǎng)入射能量的物體，稱為黑體。 黑體是一種理想的模型，在自然界里則很難找到。 自然界里有些物質(zhì)的性質(zhì)接近黑體，如黑色的煙煤、恒星和太陽(yáng)等。,7,黑體輻射定律,（1）普朗克定律：,其中：h為普朗克恒量 K為波耳茲曼常數(shù),普朗克定律表明：黑體的單色輻射度是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。,8,黑體的輻射度曲線,9,（3）基爾霍夫定律：好的吸收

3、體一定是好的輻射體。,（2）斯忒藩-波耳茲曼定律： 對(duì)普朗克公式積分得,-斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)：,10,（4）瑞利-琴斯定律：當(dāng)波長(zhǎng)大于1mm時(shí)，普朗克定律可以近似為：,（5）維恩位移定律：,為分譜輻射通量密度曲線的峰值所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)； b為常數(shù)2898m.k 。,黑體的微波輻射亮度 與溫度的一次方成正比。,11,2.實(shí)際地物的發(fā)射輻射,發(fā)射率 太陽(yáng)輻射與大氣窗口 地球輻射 地物的輻射波譜特性,12,（1）發(fā)射率,為無(wú)量綱純數(shù),根據(jù)發(fā)射率可將實(shí)際地物分為三類(lèi)： （1）黑體 （2）灰體 （3）選擇性輻射體 發(fā)射率隨波長(zhǎng) 變化而變化。,13,（2）太陽(yáng)輻射與大氣窗口,太陽(yáng)輻射 大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用

4、大氣窗口 大氣透射的定量分析,14,被動(dòng)遙感最主要的輻射源 太陽(yáng)輻射接近6000K的黑體輻射，能量集中在0.32.5微米的波段之間。 太陽(yáng)常數(shù)：不受大氣影響， 距太陽(yáng)一個(gè)天文單位，垂直太陽(yáng)光入射方向上，單位時(shí)間單位面積黑體所接受的太陽(yáng)輻射能量。I 太陽(yáng)光譜,太陽(yáng)輻射,15,16,大氣層次結(jié)構(gòu)與成分 大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用 吸收作用 散射作用 反射作用 折射作用,大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用,17,大氣層次結(jié)構(gòu)與成分 大氣物理狀況的物理量一般有氣壓、大氣溫度和大氣濕度。它們?cè)诖怪狈较蛏系淖兓h(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向上的梯度，所以在研究大氣效應(yīng)問(wèn)題時(shí)可以假定大氣具有水平均一、垂直的分層結(jié)構(gòu)。,對(duì)流層：（012K

5、M）溫度、密度、氣壓隨高度的增加而降低，空氣明顯垂直對(duì)流，上界隨季節(jié)和溫度而變化。 平流層：（1280KM），空氣密度繼續(xù)隨高度增加而降低，幾乎沒(méi)有對(duì)流和天氣現(xiàn)象。其中2530KM處，臭氧含量較大，為臭氧層。 電離層：（801000KM），空氣稀薄，分子被太陽(yáng)輻射作用而電離成離子和自由電子狀態(tài)。該層對(duì)無(wú)線電波可全反射。 外大氣層（1000KM以外的大氣層）， 大氣厚度一般認(rèn)為約1000KM。,18,大氣成分,大氣是由多種氣體及氣溶膠所組成的混合物,大氣的氣體成份可分為常定成份和可變成份兩部分,19,吸收作用 主要是氣態(tài)分子的吸收?？墒闺姶泡椛涞哪芰克p。,大氣中含量最高的氮?dú)鈱?duì)電磁波的作用都在

6、紫外光以外的范圍。 大氣上層臭氧的存在，對(duì)小于 的電磁波具有極強(qiáng)的吸收能力，所以到達(dá)地面的太陽(yáng)短波輻射中，很少存在波長(zhǎng)小于 的短波輻射。 對(duì)電磁波傳播起重要吸收作用的是一些非常少量的氣體，其中作用最為顯著的有臭氧、二氧化碳、甲烷和水汽。,大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用,20,大氣在015 波長(zhǎng)的吸收,21,散射作用 主要是氣體分子和氣溶膠的散射,散射是由于電磁輻射與物質(zhì)相互作用導(dǎo)致部 分能量再輻射到其他方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰減。 與吸收作用不同的是，散射并未引起能量的損失，而只是導(dǎo)致能量在其他方向上重新分配。 三種散射： Rayleigh 散射 Mie 散射 Nonselective

7、 散射,22,Rayleigh散射,是氣態(tài)分子的散射 當(dāng)氣體分子的尺度遠(yuǎn)小于光波的波長(zhǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生Rayleigh散射。 Rayleigh散射屬于小顆粒散射。 散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比，由此可以解釋天空為什么呈藍(lán)色。,23,Mie 散射,云滴、氣溶膠的散射。 當(dāng)顆粒的直徑與入射光的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，往往發(fā)生Mie散射。 Mie散射是強(qiáng)烈的前向散射。 屬于大顆粒散射。大顆粒散射的特征： 電磁波可以穿透介質(zhì)表面而深入到散射顆粒內(nèi)部。 由于顆粒的尺寸與波長(zhǎng)相當(dāng)，所以顆粒的不同部位往往處在不同的電場(chǎng)強(qiáng)度下，導(dǎo)致誘發(fā)電流的產(chǎn)生，一方面這種高度電流會(huì)產(chǎn)生高變的磁場(chǎng)，另一方面電流的存在意味著焦耳熱損耗的出現(xiàn)電磁

8、波的吸收。,24,Nonselective 散射,大氣中云、粒子的散射。 當(dāng)顆粒的直徑遠(yuǎn)大于入射波的波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)生無(wú)選擇性 散射。由此可解釋霧為什么呈現(xiàn)白色。 散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。,25,大氣散射的特點(diǎn)；,群體散射強(qiáng)度是個(gè)體散射強(qiáng)度之線性和。 大氣散射系數(shù)與高度的關(guān)系： 大氣散射系數(shù)由分子散射和氣溶膠散射兩部分組成； 氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減； 就平均狀況而言，4KM以下氣溶膠的Mie散射占優(yōu)勢(shì)，4KM以上的分子散射相對(duì)占優(yōu)勢(shì)。 分子散射與氣溶膠散射光強(qiáng)之比隨角度的變化而變。 實(shí)際上，當(dāng)大氣狀況相同時(shí)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種類(lèi)型的散射。如云層中的小雨滴，對(duì)可見(jiàn)光可發(fā)生無(wú)選擇性散射，而對(duì)微波則發(fā)生

9、瑞利散射。,26,反射作用 電磁波傳播過(guò)程中，通過(guò)兩種介質(zhì)的交界面時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象。反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云頂。,折射作用 電磁波穿過(guò)大氣層時(shí)出現(xiàn)傳播方向改變的現(xiàn)象 。大氣密度越大，折射率越大。,27,大氣窗口,吸收作用,散射作用,折射作用,對(duì)太陽(yáng)輻射有衰減作用,透過(guò)率小：大氣屏障,透過(guò)率大：大氣窗口,改變太陽(yáng)輻射傳輸方向,電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少被反射、吸收和散射的，透過(guò)率較高的波段稱為大氣窗口。,反射作用,對(duì)太陽(yáng)輻射有衰減作用,28,可用做遙感的大氣窗口,0.3-1. 3微米：紫外、可見(jiàn)光和近紅外波段 1.5-1.8微米，2.0-3.5微米：近中紅外波段 3.5-5.5微米：中紅外波段 8-14

10、微米：熱紅外波段 0.8-2.5厘米：微波波段,29,30,太陽(yáng)輻射進(jìn)入傳感器前的吸收、散射過(guò)程,A太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣并被地表反射進(jìn)入傳感器； B太陽(yáng)輻射被大氣散射后被地表反射進(jìn)入傳感器； C太陽(yáng)輻射被大氣散射后直接進(jìn)入傳感器； G太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣，被地物反射后又被地表反射進(jìn)入傳感器； I被視場(chǎng)以外地物反射后進(jìn)入視場(chǎng)的交叉輻射項(xiàng)。,多光譜遙感（可見(jiàn)光和近紅外波段）,31,(3)地球輻射,地球輻射是地球表面和大氣電磁輻射的總稱。 被動(dòng)遙感主要的輻射源。 地球輻射是被動(dòng)遙感中傳遞地物信息的載體。 遙感圖像就是由裝載在遙感平臺(tái)上的傳感器接收來(lái)自地球輻射所攜帶的地物信息，經(jīng)過(guò)處理而形成的。 地球輻射的分

11、段特性,32,插圖：地球輻射圖,地球輻射的分段特性,33,（4）地物的輻射波譜特性,反映地物自身輻射電磁能量的特性，主要針對(duì)紅外波段； 地物的輻射波譜是紅外遙感的理論基礎(chǔ),34,幾種硅酸鹽的紅外發(fā)射波譜,35,1、地物的反射 2、地物的反射類(lèi)別 3、地物的反射光譜特性,（二）物體的反射輻射,36,1、地物的反射 可見(jiàn)光和近紅外波段地物的波譜特性。,太陽(yáng)光通過(guò)大氣層照射到地球表面，地物會(huì)發(fā)生吸收、透射和反射作用，反射后的短波輻射一部分被遙感器所接收。 入射到物體的總能量=吸收+透射+反射 除水體、植被等物體，多數(shù)地物透過(guò)率幾乎為零，可以忽略不計(jì)。 反射率與光譜反射率,37,2、地物的反射類(lèi)別 根

12、據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同， 物體反射可分為三種類(lèi)型。,鏡面反射 漫反射 方向反射,了解物體反射類(lèi)型的意義,38,鏡面反射 發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。 光滑表面的定義 光滑是一個(gè)相對(duì)的概念，它由入射波長(zhǎng)和表面起伏共同決定： 當(dāng)時(shí)，表面光滑； 當(dāng)時(shí)，表面粗糙。 特點(diǎn)是：反射滿足反射定律。即入射波和反射波在同一平面內(nèi)，入射角等于反射角。,39,漫反射 發(fā)生在非常粗糙表面上的一種反射現(xiàn)象。 特點(diǎn)是：當(dāng)入射輻照度I一定時(shí)，從任何角度觀察反射面，其反射輻射亮度是一個(gè)常數(shù)；這種反射面叫朗伯面。,40,方向反射 也叫實(shí)際地物的反射、非朗伯面反射。是介于鏡面和朗伯面之間的一種反射。 特點(diǎn)是：實(shí)際地物表面

13、由于地形起伏，對(duì)太陽(yáng)短波輻射的反射具有各向異性。即在有入射波時(shí)，各個(gè)方向上都有反射能量，但大小不同，在某個(gè)方向上反射最強(qiáng)烈。,41,3、地物的反射光譜特性,地物的反射波譜 同一地物的反射波譜 不同地物的反射波譜 應(yīng)用地物波譜曲線時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 影響地物光譜反射率變化的因素,42,地物的反射波譜,定義：可見(jiàn)光至近紅外波段上地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律。,表示方法： 反射波譜曲線,43,同一地物的反射波譜,同一地物的反射波譜特性隨時(shí)間和空間的改變而變化： 時(shí)間效應(yīng) 空間效應(yīng),44,不同地物的反射波譜 常見(jiàn)的幾種地物類(lèi)型波譜特征 植被 水體 土壤 巖石,45,植被,可見(jiàn)光波段：在0.45微米附近區(qū)間(

14、蘭色波段)有一個(gè)吸收谷,在0.55微米附近區(qū)間(綠色波段)有一個(gè)反射峰,在0.67微米附近區(qū)間(紅色波段)有一個(gè)吸收谷。 近紅外波段:從0.67微米處反射率迅速增大,形成一個(gè)爬升的陡坡,至1.1微米附近有一個(gè)峰值,反射率最大可大50%,形成植被的獨(dú)有特征。 中紅外波段:1.51.9微米光譜區(qū)反射率增大,1.45微米、1.95微米和2.7微米為中心的附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響,是水的吸收帶,反射率下降,形成低谷。,46,47,影響植被波譜特征的主要因素：,植物類(lèi)型 植被生長(zhǎng)季節(jié) 病蟲(chóng)害影響 植被波譜特征大同小異，根據(jù)這些差異 可以區(qū)分植被種類(lèi)，生長(zhǎng)狀態(tài)等。,48,對(duì)植物健康狀況的檢測(cè)：,4

15、9,水體,純凈水體的反射主要在可見(jiàn)光中的藍(lán)綠光波段，可見(jiàn)光其他波段反射很低； 近紅外和中紅外波段純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于零； 水中含有泥沙，可見(jiàn)光波段反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)； 水中含有水生植物葉綠素時(shí)，近紅外波段反射明顯抬高。,50,清水和混水的反射率對(duì)照,51,葉綠素不同含量時(shí)水體的波譜曲線,52,土壤,自然狀態(tài)下，土壤表面反射曲線呈比較平滑的特征，沒(méi)有明顯的峰值和谷值。 干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和次生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。 土壤含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸收帶（1.4、1.9和2.7微米附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。,

16、53,三種不同類(lèi)型的土壤在干燥環(huán)境下的反射光譜曲線,54,粉砂土壤不同含水良情況下的光譜反射率曲線,55,巖石,巖石礦物的波譜曲線主要由礦物成份、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)，等決定。 影響巖石礦物波譜曲線的因素有巖石風(fēng)化程度、巖石含水狀況、礦物顆粒大小、巖石表面光滑程度、巖石色澤等。,56,不同巖石礦物的反射波譜曲線,57,應(yīng)用地物的波譜特征時(shí)需要注意的問(wèn)題,地物波譜曲線形態(tài)，反映出該地物類(lèi)型在不同波段的反射率，通過(guò)測(cè)量該地物在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器獲得的數(shù)據(jù)相對(duì)照，就可以識(shí)別遙感影像中同類(lèi)地物。 應(yīng)用地物的波譜特征時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題： 絕大部分地物的波譜值具有一定的變幅，它們的波譜特征不

17、是一條曲線，而是具有一定寬度的曲帶。 巖石存在不同程度的風(fēng)化，巖石表面附著物（土壤、濕度、低等植物等）的不同，它們的波譜值也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化。 地物存在著“同物異譜”和“異物同譜”的現(xiàn)象。,58,“同物異譜”是指兩個(gè)相同類(lèi)型的個(gè)體地物，在某個(gè)波段上波譜特征不同。,“異物同譜”是指不同類(lèi)型的地物具有相同的波譜特征。,59,影響地物光譜反射率變化的因素：,太陽(yáng)位置 傳感器位置 地理位置 地形 季節(jié)氣候變化 地面濕度變化 地物本身的變異 大氣狀況 等。,60,后向散射沿入射方向返回的散射。 地物的微波后向散射特性是主動(dòng)微波遙感的理論基礎(chǔ)。 雷達(dá)遙感中獲取的信息就是從入射電波與地物目標(biāo)相互作用后的后向散射回波中提取的。 雷達(dá)圖像是地物目標(biāo)對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)散射的回波強(qiáng)度分布圖。,（三）物體的微波后向散射,61,地物波譜特性,各種地物各自所具有的電磁波特性（發(fā)射輻射或反射輻射特性）。 地物波譜特性是遙感技術(shù)的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容。 地物波譜特性的作用,三、地物波譜特性的測(cè)定,62,地物波譜特性測(cè)定原理,地物的發(fā)射輻射特性和反射輻射特性間存在一定的關(guān)系，因此，只需測(cè)定反射輻射特性即可。 對(duì)不透明的物體有： 根據(jù)基爾霍夫