ch2電磁波與遙感物理基礎(chǔ)

1、2.1、電磁波與電磁波譜,2.2、物體的電磁波特性 （一）物體的發(fā)射輻射特性 （二）物體的反射輻射特性2.3 地物波譜特性的測(cè)定,第二章　電磁波及遙感物理基礎(chǔ),2.1、電磁波與電磁波譜,2,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

2、,電磁波的來源-電磁振源,電磁波譜,把各種電磁波（包括無線電波、微波、紅外波、可見光、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。,3,遙感中所用的電磁波段：微波、紅外波、可見光,,為什么遙感系統(tǒng)很少用紫外波段呢？傳感器通過探測(cè)或感測(cè)不同波段電磁波譜的發(fā)射、反射輻射能級(jí)而成像的，電磁波的存在是獲取圖像的物理前提。根據(jù)不同的目的選擇不同的波譜段。,電磁輻射的度量：幾個(gè)概念,輻射能量：電磁波輻射的能量

3、焦輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一表面的輻射能量。焦/秒，瓦輻射出射度：面輻射源在單位時(shí)間內(nèi)，從單位面積上輻射出的輻射能量。即物體單位面積上發(fā)出的輻射通量。瓦/平方米,,輻射照度：面輻射源在單位時(shí)間內(nèi)，從單位面積上接收的輻射能量。即照射到物體單位面積上的輻射通量。瓦/平方米輻射強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源在單位立體角、單位時(shí)間內(nèi)，向某一方向發(fā)出的輻射能量。即點(diǎn)輻射源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量。瓦/球面度,,,7,,立體角,球面上一塊截得的面積同球

4、面半徑平方的比值,球面面積為,上半球面或者下半球面的球面度,,輻射亮度：面輻射源在單位立體角、單位時(shí)間內(nèi)，在某一垂直于輻射方向單位面積上輻射出的輻射能量。即輻射源在單位投影面積上、單位立體角內(nèi)的輻射通量。瓦/平方米*球面度,2.2 物體的電磁波特性,物體的發(fā)射輻射 地物的輻射波譜 ——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 ——可見光和近紅外遙感的理論基礎(chǔ)物體的微波后向散射輻射

5、 地物的后向散射波譜 ——微波遙感的理論基礎(chǔ),9,10,,（一）物體的發(fā)射輻射,宇宙中的各種物體，如太陽(yáng)、各種星體、一定厚度的大氣層、人造飛行器、地球及地球上各種生物、非生物都是熱輻射源。為了便于討論一般物體的熱輻射性質(zhì)，需要有一個(gè)理想的標(biāo)準(zhǔn)熱輻射體作為參照源，這個(gè)參照源就是絕對(duì)黑體。 一般物體的發(fā)射率小于絕對(duì)黑體的發(fā)射率，因而，物體的輻射溫度小于它的實(shí)際溫度。為了求出一般物體的輻射溫度，必須采用與絕對(duì)黑體進(jìn)行比較的方法

6、。,11,,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,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。 黑體是一種理想的輻射體，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。,12,,黑體輻射定律,普朗克定律：,13,,其中：h為普朗克恒量

7、 K為波耳茲曼常數(shù),普朗克定律表明：黑體的單色輻射出射度是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。,14,,不同溫度黑體的輻射度曲線,15,,得出黑體輻射的三個(gè)特性：,,?-斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)：,（1）斯忒藩-波耳茲曼定律： 對(duì)普朗克公式積分得,特性1：總輻射通量密度W隨溫度T的增加而迅速增加,16,,（2）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)2898?m.k 。,,特性2：分譜輻射通量密度

8、的峰值波長(zhǎng)隨溫度的增加向短波方向移動(dòng)。（思考）特性3：每根曲線彼此不相交,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,17,（1）發(fā)射率,18,,,為無量綱純數(shù),根據(jù)發(fā)射率可將實(shí)際地物分為三類：（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。,,,（2）太陽(yáng)輻射與大氣窗口,19,太陽(yáng)輻射大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用大氣窗口大氣透射的定量分析,20,,被動(dòng)遙感最主

9、要的輻射源太陽(yáng)輻射接近6000K的黑體輻射，能量集中在0.3~2.5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,21,22,,,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,23,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)?/p>

10、垂直方向上的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向上的梯度，所以在研究大氣效應(yīng)問題時(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：（0~12KM）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：（12~80KM），空氣密度繼續(xù)隨高度增加而降低，幾乎沒有對(duì)流和天氣現(xiàn)象。其中25~30KM處，臭氧含量較大，為臭氧層。電離層：（80~1000KM），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

11、對(duì)無線電波可全反射。外大氣層（1000KM以外的大氣層）， 大氣厚度一般認(rèn)為約1000KM。,24,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,25,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

12、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。大氣吸收的影響：主要是造成遙感影像暗淡，由于大氣對(duì)紫外線有很強(qiáng)的吸收作用，因此，現(xiàn)階段遙感中很少用到紫外線波段。,大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的作用,26,大氣在0~15 波長(zhǎng)的吸收,27,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

13、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。影響：強(qiáng)度不大，從遙感數(shù)據(jù)角度分析，太陽(yáng)輻照到地面又反射到傳感器的過程中，二次通過大氣，傳感器所接收到的能量除了反射光還增加了散射光。這二次影響增加了信號(hào)中的噪聲部分，造成遙感影像質(zhì)量的下降。,28,,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

14、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。,29,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

15、電流的存在意味著焦耳熱損耗的出現(xiàn)——電磁波的吸收。,30,Nonselective 散射,大氣中云、霧的散射。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)無關(guān)。,31,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

16、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)各種類型的散射。如云層中的小雨滴，對(duì)可見光可發(fā)生無選擇性散射，而對(duì)微波則發(fā)生瑞利散射。,32,反射作用 電磁波傳播過程中，通過兩種介質(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。,33,大氣窗口,吸收作用,

17、散射作用,折射作用,,,,對(duì)太陽(yáng)輻射有衰減作用,,,,,透過率?。捍髿馄琳?透過率大：大氣窗口,,改變太陽(yáng)輻射傳輸方向,電磁波通過大氣層時(shí)較少被反射、吸收和散射的，透過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,34,可用做遙感的大氣窗口,0.3-1. 3微米：紫外、可見光和近紅外波段 主要是反映地物對(duì)太陽(yáng)光的反射。通常采用攝影或掃描的方式在白天感測(cè)、收集目標(biāo)信息成像1.3-2.5微米：近紅外波段

18、大氣窗口白天夜間都可應(yīng)用，是以掃描的成像方式感測(cè)、收集目標(biāo)信息，主要應(yīng)用于地質(zhì)遙感。,,3.5-5.0微米：中紅外波段 包含地物反射及發(fā)射光譜，用來探測(cè)高溫目標(biāo)。8-14微米：熱紅外波段 屬于地物的發(fā)射波譜，是常溫下地物熱輻射能量最集中的波段，所探測(cè)的信息主要反映地物的發(fā)射率及溫度。1mm-1m：微波波段 遙感中常采用被動(dòng)式遙感（微波輻射測(cè)量）和主動(dòng)式遙感，前者主要測(cè)量地物熱輻射，后者是用雷達(dá)發(fā)射一系列脈沖，然后

19、記錄分析地物的回波信號(hào)。,35,36,37,太陽(yáng)輻射進(jìn)入傳感器前的吸收、散射過程,A—太陽(yáng)輻射透過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（可見光和近紅外波段）,38,(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

20、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)上的傳感器接收來自地球輻射所攜帶的地物信息，經(jīng)過處理而形成的。地球輻射的分段特性,39,插圖：地球輻射圖,地球輻射的分段特性,地球輻射可分為：短波0.3-2.5μm，長(zhǎng)波輻射6 μm以上。􀂄地球的短波輻射以地球表面對(duì)太陽(yáng)的反射為主，地球自身的熱輻射可以忽略。􀂄地球的長(zhǎng)波輻射只考慮地表物體自身的熱輻射，這個(gè)區(qū)域太陽(yáng)

21、照度的影響很小。􀂄中紅外波段（2.5-6 μm ）：太陽(yáng)輻射和地球熱輻射均有。,40,（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),41,幾種硅酸鹽的紅外發(fā)射波譜,,42,,,1、地物的反射2、地物的反射類別3、地物的反射光譜特性,（二）物體的反射輻射,43,,,1、地物的反射 —可見光和近紅外波段地物的波譜特性。,太陽(yáng)光通過大氣層照

22、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)地物透過率幾乎為零，可以忽略不計(jì)。反射率與光譜反射率,44,,,,2、地物的反射類別 —根據(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型。,鏡面反射漫反射方向反射,—了解物體反射類型的意義,45,,,,鏡面反射 —發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。光滑表面

23、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。,46,,,,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。,47,,,,方向反射 —也叫實(shí)際地物

24、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。,48,,,,,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)注意的問題影響地物光譜反射率變化的因素,49,,,,地物的反射波譜,定義：可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長(zhǎng)的變化

25、規(guī)律。表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示反射率。,50,,,,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),51,,,,不同地物的反射波譜　—常見的幾種地物類型波譜特征　植被　水體　土壤　巖石,52,,,,植被,可見光波段：在0.45微米附近區(qū)間(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(

26、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:1.5~1.9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。,53,,,,54,,,,影響植被波譜特征的主要因素：,植物類型植被生長(zhǎng)季節(jié)病蟲害影響植被波譜特征大同小異，

27、根據(jù)這些差異 可以區(qū)分植被種類，生長(zhǎng)狀態(tài)等。,55,,,,對(duì)植物健康狀況的檢測(cè)：,56,,,,水體,,純凈水體的反射主要在可見光中的藍(lán)綠光波段，可見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。,57,,,,清水和混水的反射率對(duì)照,58,,,,葉綠素不同含量時(shí)水體的波譜曲線,59,,,,

28、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。,60,,,,三種不同類型的土壤在干燥環(huán)境下的反射光譜曲線,61,,,,粉砂土壤不同含水良情況下的光譜反射率曲線,62,,,,巖石,巖石礦物的波譜曲線主要由礦物成份、

29、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。,63,,,,不同巖石礦物的反射波譜曲線,64,,,應(yīng)用地物的波譜特征時(shí)需要注意的問題,地物波譜曲線形態(tài)，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過測(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)別遙感影像中同類地物。 應(yīng)用地物的波譜特征時(shí)應(yīng)注意以下問題： 絕大部分地物的波譜值

30、具有一定的變幅，它們的波譜特征不是一條曲線，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。,65,,,,—“同物異譜”是指兩個(gè)相同類型的個(gè)體地物，在某個(gè)波段上波譜特征不同。,—“異物同譜”是指不同類型的地物具有相同的波譜特征。,66,,,,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

31、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。,（三）物體的微波后向散射,67,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。,,研究遙感成像機(jī)理，選擇遙感波譜段、設(shè)計(jì)遙感儀器的依據(jù)；􀂄在外業(yè)測(cè)量中，它是選擇合適的飛行時(shí)間和飛

32、行方向的基礎(chǔ)資料；􀂄有效地進(jìn)行遙感圖像數(shù)字處理的前提之一􀂄用戶判讀、識(shí)別、分析遙感影像的基礎(chǔ)；􀂄定量遙感的基礎(chǔ)。,68,三、地物波譜特性的測(cè)定,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?！　　?duì)不透明的物體有：　　　根據(jù)基爾霍夫定律有：　　　　　　即：地物的波譜特性通常都是用地物的反射輻射波譜曲線來描述。

33、測(cè)定原理：用光譜測(cè)定儀器（置于不同波長(zhǎng)或波譜段），分別探測(cè)地物和標(biāo)準(zhǔn)板，測(cè)量、記錄和計(jì)算地物對(duì)每個(gè)波譜段的反射率，其反射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律就是地物的波譜特性。,69,地物波譜特性測(cè)量?jī)x器,70,—分光光度計(jì)、光譜儀、攝譜儀等。 分光光度計(jì)一般結(jié)構(gòu)：,,71,地物波譜特性測(cè)定方法,測(cè)量地物的反射輻射通量密度；　　測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板的反射輻射通量密度；將地物、標(biāo)準(zhǔn)板各自所測(cè)得的相應(yīng)值作比值運(yùn)算，求得地物的光譜反射率。,72,注意：標(biāo)準(zhǔn)