《遥感电磁辐射基础》PPT课件.ppt

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1、中国农业大学 信息与电气工程学院 张超 地理信息工程系 2020年 10月 14日星期三 遥感电磁辐射基础 3 遥感电磁辐射基础 1 电磁波和电磁波谱 2 电磁波辐射源 3 大气对太阳辐射的作用 4 地物波谱特征 5地物波谱特性的测量 太阳辐射： 太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太 阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线 如图所 示 。 从太阳光谱曲线可以看出 ( )： 太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单 位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间 黑体所接受的太阳辐射能量。（ 1.360 103W/m2 ） 太阳辐射 太阳光谱相当于 6000 K的黑体辐射； 太阳辐射的能量主要集

2、中在可见光，其中 0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的 46%，最 大辐射强度位于波长 0.47 m左右； 到达地面的太阳辐射主要集中在 0.3 3.0 m波段， 包括近紫外、可见光、近红外和中红外； 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 各波段的衰减是不均衡的。 BACK 太阳辐射 大气对太阳辐射的衰减 大气成分组成 大气分层 大气对太阳辐射的衰减 大气窗口 大气是地球的保护伞 两小儿辩日 孔子东游，见两小儿辩斗，问其故。一儿曰： “ 我以日始出时去人近，而日中时远 也。 ” 一儿以日初出远，而日中时近也。一儿曰： “ 日初出大如车盖，及日中，则 如盘盂，此不为远者小而近者大乎

3、？ ” 一儿曰： “ 日初出沧沧凉凉，及其日中如探 汤，此不为近者热而远者凉乎？ ” 孔子不能决也。两小儿笑曰： “ 孰为汝多知乎！ ” 圣人不能解释的 地球 大气 早晨太阳温和 有效截面不同 A=A0cos() 早晨的太阳比中午大，因为大气散射和 折射 等造成，早晨大气路径长 1 大气成分组成 2 大气垂直分层 大气垂直结构 对流层 (Troposphere) 平流层 (Stratosphere) 中间层 (Mesosphere) 热层 (Thermosphere) （中间层和热层又称电离 层） 外大气层 各层的顶部分别为： Tropopause； Stratopause； Mesopaus

4、e； Thermopause 看一下课本 39页的图 2.12 其中 ， ：太阳辐射通过的大气路程 ， 与太阳高度角有关 ：大气衰减因子 ， ：大气对太阳辐射的吸收率和散射率，是电磁波波长的函数。 E0 大气顶部的辐照度， E为地球表面的辐照度 3 大气对太阳辐射的衰减 e xEE 0 0 0 x , 0 太阳辐射衰减的原因： 散射、吸收、反射 3.1 散射作用 太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子 和大气中固体微粒、液体的散射作用。 电磁波在传播过程中，遇到小微粒而使传播方 向改变，并向各个方向散开，电磁波的强度和 方向发生各种变化，称为 散射 。 大气散射分为： 瑞利散射；米氏散射；非

5、选择性散射 3.1.1 瑞利（ Rayleigh） 散射 微粒的直径 d (电磁波波长 )时 一般认为（ d ） , 散射率 与波长没有关系 1)( 人看到的云和雾是白色的，就是云雾粒子直径比可见光 波长大很多，所以云雾对可见光波段为非选择性散射。 3.2吸收作用 大气吸收电磁辐射的主要物质是： 水 、 二氧化碳和臭氧 1） 水：分为气态水和液态水 水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽 ， 从可见光 、 红外 直至微波 ， 都有水汽的吸收带 。 液态水的吸收更强 ， 主要在长波范围 。 2） 二氧化碳 主要在红外区 ， 1.35 2.85um 之间有 3个弱吸收带 ， 2.7， 4.3， 14.5

6、um 为强吸收带 。 3） 臭氧 对紫外线的吸收 4） 其它吸收电磁波的物质：氧气主要吸收波长小于 0.2um 的 ， 尘埃吸收作用很少 。 3.3反射作用 主要是大气中的 云层，大的尘埃。 云量越多、 云层越厚， 反 射越强。 北京地区 2004年 5月 19日 TM卫星遥感影像 （波段组合 543（ RGB） 太阳辐射经大气衰减图 大气对太阳辐射的衰减规律： 大气吸收 17， 散射 22，反 射 30，其余 31 太阳辐射 到达地面 3.4 大气窗口 大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小， 透射率很高的波段 要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。 常用大气窗口 1）

7、1） 0.3 1.4um： 包括全部可见光 （ 95 ） ， 部分紫外 光 （ 70 ） ， 部分近红外光 （ 80 ） 。 摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐 射信息 。 2） 1.4 2.5um： 近红外窗口 ， 60 95 ， 扫描成像 ， 白天记录 3） 3.5 5.5um： 中红外窗口 ， 60 70 ， 白天夜间 ， 扫描成像记录 4） 8 14 um： 远红外窗口 ， 超过 80 ， 白天夜间 ， 扫描记录 5） 1 300mm： 微波窗口， 白天夜间，扫描记录。 ETM+各波段设置 波 段 光谱范围 ( m ) 地面 分辨率 ( m ) 波长 描述 1 0. 45

8、 - 0 . 52 30 蓝 （青） 2 0. 52 - 0 . 60 30 绿 （黄、橙） 3 0. 63 - 0 . 69 30 红 4 0. 76 - 0 . 90 30 近红外 5 1. 55 - 1 . 75 30 短波红外 6 10. 4 - 12 . 5 60 热红外 7 2. 08 - 2 . 35 30 短波红外 8 0. 52 - 0 . 90 15 全色 各波段设在大气窗口 4 地物波谱特征 概念： 地物波谱（地物光谱） :各种地物具有的电磁波特性，指地 物 反射率 、发射率、透射率随波长的变化规律。 意义： 设计遥感器； 图象判读和分析的基础。 4 地物波谱特征 4.1

9、 地物的发射波谱 4.2 地物的透射波谱 4.3 地物的反射波谱 4.4 遥感器接收到的电磁辐射 4.1 地物发射光谱 地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射 光谱。地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据。 4.2 地物的透射光谱 透明物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。 透射率（ ） ： 入射光透过物体的能量与入射总能量之比。 举例： 1）水体在蓝绿波段，混水 1-2米，一般水体 10- 20米。 2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长决定。 4.3 地物的反射光谱 电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况： 反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。 )()()()( E

10、EEEs 1)()()( 4.3.1 物体反射分类 判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则： c os8h 根据物体表面的粗糙程度，反射分为： 1）镜面反射 2）漫反射（朗伯反射） 3）有向反射 4）混合反射 反射分类图示 (a) 镜面反射 (b) 漫反射（朗伯反射） (c) 有向反射 (d) 混合反射 1) 镜面反射 2) 朗伯反射 朗伯定律：漫反射的反射辐射亮度（单位面积单位立体角内 的辐射通量）和观察方向与表面法线夹角的余弦成正比。 航天遥感中，地球表面近似 视为朗伯面。 3) 有向反射 4) 混合反射 一部分镜面反射，一部分朗伯反射。 有向反射 比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射 方位角

11、、反射方位角的函数。 )( )(),( sZsEs iZiMisZiZs 有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向 有关，在航空遥感中具有重要意义。 4.3.2 常见地物的反射波谱曲线 A）植被光谱特征 1) 白橡树不同生长期的反射光谱曲线 2) 不同健康状态松树的反射光谱曲线 3) 不同植被的反射光谱曲线 B) 土壤的光谱曲线 三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线 土壤的波谱特征 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 。 在干燥条件下 ， 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 。 土壤含水量增加 ， 土壤的

12、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 。 C) 水体的光谱曲线 水体的波谱特征 纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段 ， 在可见光其它波段的反射率很低 。 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。 水中其它物质对波谱特征的影响 水中含有泥沙 ， 在可见光波段的反射率会增加 ， 峰值出现在黄红区 。 水中含有水生植物叶绿素时 ， 近红外波段反射率 明显抬高 。 遥感器接受到的太阳辐射 Bs： 太阳辐射经地面目标反射后到达遥感器的辐射能。 BA： 太阳辐射经大气散射到遥感器的辐射能。

13、4.4 遥感器接收到的电磁辐射 到达地面的太阳辐射 直接辐射： 太阳辐射经大气衰减后到达地面的部分。 天空辐射：太阳辐射经过大气散射后辐射到地面的部分。 ABBsB 还有大气散射到地物又被反射到遥感器的部分，一般忽 略 4.4 遥感器接收到的电磁辐射 地物的电磁波响应 5 地物波谱特性的测量 可见光和近红外波段是研究地表的主要波段 。 可见光和近红外地物光谱测量的作用： （ 1） 传感器波段的选择 、 验证 、 评价； （ 2） 建立地面 、 航空和航天遥感数据的定量关系； （ 3） 地物光谱数据与地物特征的相关分析 。 野外光谱测量理论基础 BRDF (Bidirectional Refle

14、ctance Distribution Function) 二向 性反射率分布模型 /函数 方向反射率 反射依赖于入射、出射方向 意义：引起反射的增量 /入射有一微增量 ;, ;,;,;, ii rr i r rrii dE dL dE dLB R D F 野外光谱测量 BRF (Bidirectional Reflectance Factor) 二向性反射率因子 BRDF不易测量，一般采用 二向性反射率因子 1. 理想的漫反射板 (E = M = pL) 2. 辐射环境不变 ,;,;, rc rt rrii dL dLBRF 被测地物 参考板 野外光谱测量 Sensor and Instrument/device Reference pan 20% Sensor and camera 光纤 /optical fiber 地面光谱测量（垂直）所采 用的观测架 地物反射光谱的测量 本次课程结束，请提问！