2电磁辐射与地物光谱特征学习教案

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1、会计学12电磁辐射与地物电磁辐射与地物(dw)光谱特征光谱特征第一页，共72页。第1页/共72页第二页，共72页。第2页/共72页第三页，共72页。 目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同(b tn)，不同(b tn)电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同(b tn)电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。第3页/共72页第四页，共72页。第4页/共72页第五页，共72页。第5页/共72页第六页，共72页。第6页/共72页第七页，共72页。1、辐射测量（radiometry），以伽

2、玛射线到电磁波的整个(zhngg)波段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。 第7页/共72页第八页，共72页。2、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准(biozhn)光度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。第8页/共72页第九页，共72页。第9页/共72页第十页，共72页。实际物体的辐射 对于实际物体，都可以看作辐射源。如果物体的吸收本领大，它的发射本领也大，即越接近黑体(hit)辐射。实际物体的辐射比黑体(hit)辐射弱，而且随波长不同而不同。第10页/共72页第十一页，共72页。请大家讨论一下全球变化(binhu)，哪些大气成分是恶魔？第11页/

3、共72页第十二页，共72页。第12页/共72页第十三页，共72页。波长(bchng)(nm)大气(dq)上界太阳辐照度海平面太阳辐照度太阳光谱辐照度第13页/共72页第十四页，共72页。第14页/共72页第十五页，共72页。第15页/共72页第十六页，共72页。第16页/共72页第十七页，共72页。第17页/共72页第十八页，共72页。大气对辐射(fsh)的吸收v真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽(shu q)。v大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。第18页/共72页第十九页，共72页。第

4、19页/共72页第二十页，共72页。 大气(dq)散射v散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向的一种现象。v不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。v大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。v对遥感(yogn)图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。v散射主要发生在可见光区。v大气发生的散射主要有三种：v 瑞利散射：d 第20页/共72页第二十一页，共72页。v瑞利散射：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时发生的散射，属小颗粒散射。v小颗粒散射的特征：v （1）散射光强度(qingd)与波长4次方成反比，由此可以解释天空为什么呈蓝色。v （2）如果入射光

5、的为自然光，散射光的相函数为（1cos2Q)。v （3）当Q取0或180时，散射光的偏振度为0。v （4）当Q取90时，散射光的偏振度为1（线偏振），其它角度为部分偏振光。大气(dq)散射第21页/共72页第二十二页，共72页。v米氏散射：大气中的气溶胶颗粒(kl)，云滴，雨云滴等的直径与入射光的波长可以比拟或大于入射光的波长时发生的散射。v米氏散射的特征：v （1）电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒(kl)的内部。v （2）由于颗粒(kl)尺度与波长可以比拟，所以颗粒(kl)的不同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这高度电流会产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着

6、焦耳热损耗的出现电磁波的吸收。大气(dq)散射第22页/共72页第二十三页，共72页。v无选择散射：大气粒子的直径比波长(bchng)大得多时发生的散射，散射强度与波长(bchng)无关，在符合无选择散 射 的 条 件 的 波 段 中 ， 任 何 波 长(bchng)的散射强度相同。v 大气(dq)散射第23页/共72页第二十四页，共72页。大气(dq)散射的特点v群体散射(snsh)强度是个体散射(snsh)强度的线性和。v大气散射(snsh)系数与高度的关系：v 大气散射(snsh)系数由分子散射(snsh)和气溶胶散射(snsh)两部分组成。v 气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减。v 就平均

7、状况而言，4km以下的气溶胶米氏散射(snsh)占优 势，4km以上的分子散射(snsh)占相对优势。v分子散射(snsh)与气溶胶散射(snsh)光强之比随角度和能见度的变化规律。 第24页/共72页第二十五页，共72页。大气(dq)折射与反射v折射现象：电磁波传过大气层时出现传播(chunb)方向的改变，大气密度越大，折射率越大。v反射现象：电磁波在传播(chunb)过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪声）。第25页/共72页第二十六页，共72页。v太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。v由于大气层的

8、反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同(b tn)，因而各波段的透射率也各不相同。v电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。（对地遥感要用的部分）v v v 大气(dq)窗口第26页/共72页第二十七页，共72页。第27页/共72页第二十八页，共72页。v在可见光和近红外波段，太阳辐射30被云或其它粒子反射，22被散射，17被吸收(xshu)，到达地面能量31。v v 大气(dq)透射的定量分析第28页/共72页第二十九页，共72页。v光学(gungxu)厚度v 光学(gungxu)厚度：电磁波沿某一路径长度的总衰减系数，波长的函数（

9、无因次量）。v 大气的总光学(gungxu)厚度：在某一垂直路径上，从大气顶层到地表的总衰减系数。 v 光学(gungxu)厚度第29页/共72页第三十页，共72页。v透过(tu u)率v 通过大气后的辐照度与通过大气前的辐照度之比。v v v v 大气透射(tu sh)的定量描述第30页/共72页第三十一页，共72页。v太阳辐射透过大气并被地表反射（有用的）；v太 阳 辐 射 被 大 气 散 射 后 被 地 表 反 射 （ 纠 正(jizhng)后有用）；v太阳辐射被大气散射后直接进入传感器；v太阳辐射透过大气被地物反射后又被地表发射进入传感器；v被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项。v

10、 v v 太阳光在地气系统的吸收(xshu)、散射过程中对遥感的作用第31页/共72页第三十二页，共72页。n太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：n 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量n地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。n一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0. 450. 56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达1020 m，清澈水体可达100 m的深度。n地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成(xngchng)自身的热辐射，其峰值波长为9.66 m，主要集中在长波

11、，即6m以上的热红外区段。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。 不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。太阳辐射与地物的相互作用第32页/共72页第三十三页，共72页。 地球的辐射与地物(dw)波谱 (1) 地球的辐射源(2) 地球辐射的特性（分段特性）(3) 地物波谱(bp)的特征（反射波谱(bp)特征）(4) 地物波谱(bp)特性的测量(5) 微波辐射与雷达遥感 第33页/共72页第三十四页，共72页。地球(dqi)

12、辐射v地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称。v地球辐射是被动遥感中传递地物(dw)信息的载体。v装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐射携带的地物(dw)信息，经过处理形成遥感影像。第34页/共72页第三十五页，共72页。被动(bidng)遥感的辐射源v太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中(jzhng)在0.32.5um波段之间。（可见光和近红外）v地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中(jzhng)在6.0um以上的波段。（热红外）v 第35页/共72页第三十六页，共72页。v在0.32.5um波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球(dqi)自身

13、的辐射可以忽略 。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射对地表进行探测和成像。v在2.56.0um波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球(dqi)自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。v在6.0um以上的热红外波段，以地球(dqi)自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像）v v v 地球辐射(fsh)的特性地球(dqi)辐射的分段特性第36页/共72页第三十七页，共72页。了解(lioji)地球辐射的分段特性的意义v可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。v中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射(ti yn f sh)的信息，也有地球自身的热

14、辐射的信息。v热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。v v v 地球辐射(fsh)的特性第37页/共72页第三十八页，共72页。v地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。v地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。v地物波谱的作用：不同类型(lixng)的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。v v v 地物(dw)波谱地球辐射(fsh)的特性第38页/共72页第三十九页，共72页。不同电磁波段中地物波谱(bp)特性v可 见 光 和 近 红 外 波 段 ： 主 要 表 现 地 物 反 射 作 用

15、(zuyng)和地物的吸收作用(zuyng)。（树叶苍翠欲滴、水下温度）v热红外波段：主要表现地物热辐射作用(zuyng)。（热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带，为什么？）v微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。 v 地球辐射(fsh)的特性第39页/共72页第四十页，共72页。地物反射波谱(bp)特征v太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：v 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量。v一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0. 450.

16、56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深度(shnd)可达1020 m，清澈水体可达100 m的深度(shnd)。v地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地物(dw)反射第40页/共72页第四十一页，共72页。v地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生发射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接收。v反射率（）：地物的反射能量与入射总能量的比，即=(P/ P 0)100%。表征物体对电磁波谱的反射能力。v反射率是可以测定的。v地物在不同波段(bdun)的反射率是不同的，利用地物反射率的差别，可以判断地物的属性。v反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物(dw)反射率

17、地物反射波谱(bp)特征第41页/共72页第四十二页，共72页。v地物的反射类型：根据地表目标物体表面性质的不同，物体反射大体上可以分为3种类型，即镜面反射、漫反射、实际物体的反射v（1）镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射。物体的反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，入射角等于反射角。v只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波。v 例子：水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个(zh ge)原因造成的。物体表面性质(xngzh)对反射的影响地物反射波谱(bp)特征第42页/共72页第四十三页，共72页。（2）漫反射：发生在非常粗糙的表面上的一种反射现象。不论

18、入射方向如何，其反射出来的能量(nngling)在各个方向是一致的。即当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。（3）实际物体反射：介于镜面和朗伯面（漫反射）之间的一种反射。自然界种绝大多数地物的反射都属于这种类型的反射，又叫非朗伯面反射。 对太阳短波辐射的反射具有各向异性，即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量(nngling)，但大小不同。地物反射波谱(bp)特征物体表面性质对反射(fnsh)的影响第43页/共72页第四十四页，共72页。v遥感图像上记录的辐射亮度，既与辐射入射方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角和天顶角有关。v由

19、于镜面反射会造成太阳光直接(zhji)进入遥感器，在成像时间选择上，应避免中午成像，防止形成镜面反射。否则水体会形成非常亮的耀斑，周围地物的反射信息有受到干扰和削弱。了解物体表面性质对反射(fnsh)影响的意义地物反射(fnsh)波谱特征第44页/共72页第四十五页，共72页。v地物反射波谱(bp)：是研究可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。v表示方法：一般采用二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。地物反射(fnsh)波谱第45页/共72页第四十六页，共72页。v植被v土壤v水体(shu t)v岩石常见(chn jin)的几种地物类型波谱特征第46页/共72页

20、第四十七页，共72页。第47页/共72页第四十八页，共72页。植被(zhbi)的波谱特征v在0.45um附近（蓝色波段）有一个吸收谷；v在0.55um附近（绿色(l s)波段）有一个反射峰；v在0.67um附近（红色波段）有一个吸收谷。在可见光波段(bdun)在近红外波段从0.76um处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一个峰值，反射率最大可达50，形成植被的独有特征。1.51.9um光谱区反射率增大；v以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水的吸收带，其附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。第48页/共72页第四十九页，共72页。影响(y

21、ngxing)植被波谱特征的主要因素v植物类型v植物生长季节v病虫害影响等v植被(zhbi)波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被(zhbi)类型、生长状态等。第49页/共72页第五十页，共72页。第50页/共72页第五十一页，共72页。土壤的波谱(bp)特征v自然状态下土壤表面的反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。v在干燥(gnzo)条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和此生矿物）和土壤有机质有关。v土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4um、1.9um、2.7um处附近区间），反射率的下降尤为明显。第51页/共72页第五十二页，共72页

22、。第52页/共72页第五十三页，共72页。水体的波谱(bp)特征v纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段(bdun)，在可见光其它波段(bdun)的反射率很低。v近红外和中红外纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于0。第53页/共72页第五十四页，共72页。水中其它物质对波谱(bp)特征的影响v水中含有泥沙(n sh)，在可见光波段的反射率会增加，峰值出现在黄红区。v水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率明显抬高。第54页/共72页第五十五页，共72页。第55页/共72页第五十六页，共72页。v岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构等决定。v影响岩石矿物波谱曲线的因素包括岩石风

23、化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面(biomin)光滑程度、岩石色泽等。岩石矿物的光谱(gungp)曲线第56页/共72页第五十七页，共72页。第57页/共72页第五十八页，共72页。地物(dw)波谱曲线的作用v物体波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物类型在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器所获得的数据相对照，可以(ky)识别遥感影像中的同类地物。第58页/共72页第五十九页，共72页。应用地物(dw)波谱特征需要注意的问题v绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度(kund)的曲带。v地物存在“同物异谱”和“异物

24、同谱”现象。 “同物异谱”是指两个类型的个体地物，在某个波段上波谱特征不同；“异物同谱”是指不同类型的地物具有相同的波谱特征。第59页/共72页第六十页，共72页。地物波谱特性(txng)的测量v可见光和近红外波段是研究地表的主要波段。v可见光和近红外地物光谱测试的作用：v（1）传感器波段的选择、验证、评价；v（2）建立地面、航空(hngkng)和航天遥感数据的定量关系；v（3）地物光谱数据与地物特征的相关分析。第60页/共72页第六十一页，共72页。v反射光谱特性的测量方法v（1）样品的实验室测量v（2）野外(ywi)测量两种方法BACK地物波谱特性(txng)的测量第61页/共72页第六十

25、二页，共72页。第62页/共72页第六十三页，共72页。 第63页/共72页第六十四页，共72页。 微波传感器的波长分辨率比较低，是由于其波长较长，衍射现象显著的缘故。同时，观察精度和取样速度往往不能协调。 这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。 电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波振幅减少1/e倍（37%）的穿透深度定义为趋肤深度H: H=(5.310-31/2)/式中：为地物的介电常数；为地物的导电率。 微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。第64页/共72页第六十五页，共72页。第

26、65页/共72页第六十六页，共72页。5彩色合成原理(yunl)“单色”“混合色”三原色（基色(js)）第66页/共72页第六十七页，共72页。.彩色合成原理(yunl)加色法品红(pnhng)黄绿红蓝青白“间色光(sgung)”“白色光(sgung)”“互补色光(sgung)”“复色光(sgung)”第67页/共72页第六十八页，共72页。.彩色合成原理(yunl)减色法品红(pnhng)黄绿红蓝青黑第68页/共72页第六十九页，共72页。.彩色合成原理(yunl)三维颜色(yns)空间红（）绿（）蓝（）黑品红黄白青0,0,00,0,10,1,10,1,01,1,11,0,01,0,1第69页/共72页第七十页，共72页。.彩色合成原理(yunl)彩色的分解(fnji)与还原滤光系统(xtng)真彩色合成假彩色合成标准假彩色像片：加色法（蓝、绿、红）减色法（黄、品红、青）假彩色像片：随意选择的方案第70页/共72页第七十一页，共72页。第71页/共72页第七十二页，共72页。