第二章遥感电磁辐射基础3.ppt

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1、中国农业大学中国农业大学信息与电气工程学院信息与电气工程学院 张超张超地理信息工程系地理信息工程系21 十二月十二月 2022遥感电磁辐射遥感电磁辐射基础基础3遥感电磁辐射基础遥感电磁辐射基础1 电磁波和电磁波谱电磁波和电磁波谱2 电磁波辐射源电磁波辐射源3 大气对太阳辐射的作用大气对太阳辐射的作用4 地物波谱特征地物波谱特征5地物波谱特性的测量地物波谱特性的测量太阳辐射：太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太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阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐

2、射曲线阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所如图所如图所如图所示示示示。从太阳光谱曲线可以看出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。（黑体所接受的太阳辐射能量。（1.360103W/m2）太阳辐射太阳辐射太阳光谱相当于太阳光谱相当于6000 K6000 K的黑体辐射；的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0

3、.38 0.76 m0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的的可见光能量占太阳辐射总能量的46%46%，最，最大辐射强度位于波长大辐射强度位于波长0.47 m0.47 m左右；左右；到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 0.3 3.0 m3.0 m波段，波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；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；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。各波段的衰减是不均衡的。BACK太阳辐射太阳辐射大气对太阳辐射的衰减大气对太阳辐射的衰减l大气成分组成大气成分组成l大气分层大气分层l大气对太阳辐射

4、的衰减大气对太阳辐射的衰减l大气窗口大气窗口大气是地球的保护伞大气是地球的保护伞 两小儿辩日两小儿辩日孔子东游，见两小儿辩斗，问其故。一儿曰：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，而日中时远我以日始出时去人近，而日中时远也。也。”一儿以日初出远，而日中时近也。一儿曰：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？如盘盂，此不为远者小而近者大乎？”一儿曰：一儿曰：“日初出沧沧凉凉，及其日中如探日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎？汤，此不为近者热而远者凉乎？”孔子不能决也。两小

5、儿笑曰：孔子不能决也。两小儿笑曰：“孰为汝多知乎！孰为汝多知乎！”圣人不能解释的圣人不能解释的地球地球大气大气早晨太阳温和早晨太阳温和 有效截面不同有效截面不同A=A0cos()早晨的太阳比中午大，因为大气散射和早晨的太阳比中午大，因为大气散射和折射折射等造成，早晨大气路径长等造成，早晨大气路径长 1 大气成分组成大气成分组成2 大气垂直分层大气垂直分层大气垂直结构大气垂直结构l对流层对流层(Troposphere)l平流层平流层(Stratosphere)l中间层中间层(Mesosphere)l热层热层(Thermosphere)（中间层和热层又称电离（中间层和热层又称电离层）层）l外大气层

6、外大气层各层的顶部分别为：各层的顶部分别为：Tropopause；Stratopause；Mesopause；Thermopause看一下课本看一下课本39页的图页的图2.12其中，其中，：太阳辐射通过的大气路程，与太阳高度角有关：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。：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，大气顶部的辐照度，E为为地球表面的地球表面的辐辐照度照度3 大气对太阳辐射的衰减大气对太阳辐射的衰减太阳辐射衰减的原因：太阳辐射衰减的原因：散射、吸收、反射散射、吸

7、收、反射3.1 散射作用散射作用太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子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。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，称为方向发生各种变化，称为散射散射。大气散射分为：大气散射分为：瑞利散射；米氏散射；非选择性散射瑞利散射；米氏散射；非选择性散射3.1.1 瑞利（瑞利（Rayleigh）散射散射微粒的直径微粒的直径 d (电磁波波长电磁波波长)时时一般认为（

8、一般认为（d /10d）,散射率散射率与波长没有关系与波长没有关系 人看到的云和雾是白色的，就是云雾粒子直径比可见光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。波长大很多，所以云雾对可见光波段为非选择性散射。3.2吸收作用吸收作用大气吸收电磁辐射的主要物质是：大气吸收电磁辐射的主要物质是：大气吸收电磁辐射的主要物质是：大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧水、二氧化碳和臭氧水、二氧化碳和臭氧水、二氧化碳和臭氧1）水：分为气态水和液态水）水：分为气态水和液态水 水水汽汽吸吸收收电电磁磁辐辐射射的的波波段段范范围围较较宽宽，从从可可见见

9、光光、红红外外直至微波，都有水汽的吸收带。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。液态水的吸收更强，主要在长波范围。2）二氧化碳）二氧化碳 主主要要在在红红外外区区，1.352.85um 之之间间有有3个个弱弱吸吸收收带带，2.7，4.3，14.5 um 为强吸收带。为强吸收带。3）臭氧）臭氧 对紫外线的吸收对紫外线的吸收4 4）其其它它吸吸收收电电磁磁波波的的物物质质：氧氧气气主主要要吸吸收收波波长长小小于于0.2um的，的，尘埃吸收作用很少。尘埃吸收作用很少。3.3反射作用反射作用主要是大气中的主要是大气中的云层，大的尘埃。云层，大的尘埃。云量越多、云量越多、云层越厚

10、，云层越厚，反反射越强。射越强。北京地区北京地区2004年年5月月19日日TM卫星遥感影像卫星遥感影像（波段组合（波段组合543（RGB）太阳辐射经大气衰减图太阳辐射经大气衰减图n n大气对太阳辐射的衰减规律：大气对太阳辐射的衰减规律：大气对太阳辐射的衰减规律：大气对太阳辐射的衰减规律：大气吸收大气吸收大气吸收大气吸收1717，散射散射散射散射22222222，反射，反射，反射，反射30303030，其余，其余，其余，其余3131 太阳辐射到太阳辐射到太阳辐射到太阳辐射到达地面达地面达地面达地面 3.4 大气窗口大气窗口大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，大气窗口：电磁波在大气中

11、传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段透射率很高的波段 要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。常用大气窗口常用大气窗口1）1）0.31.4um：包包括括全全部部可可见见光光（95），部部分分紫紫外外光（光（70），部分近红外光（），部分近红外光（80）。）。摄摄影影和和扫扫描描成成像像的的方方式式在在白白天天感感测测和和记记录录目目标标电电磁磁波波辐辐射信息。射信息。2）1.42.5um：近近红红外外窗窗口口，6095，扫扫描描成成像像，白天记录白天记录3）3.55.5um：中中红红外外窗窗口口，6070，白白天天夜夜间间，扫描成像

12、记录扫描成像记录4）814 um：远远红红外外窗窗口口，超超过过80，白白天天夜夜间间，扫扫描记录描记录5）1300mm：微波窗口，微波窗口，白天夜间，扫描记录。白天夜间，扫描记录。ETM+各波段设置各波段设置各波段设在大气窗口各波段设在大气窗口4 4 地物波谱特征地物波谱特征概念：概念：地物波谱（地物光谱）地物波谱（地物光谱）:各种地物具有的电磁波特性，指地各种地物具有的电磁波特性，指地物物反射率反射率、发射率、透射率随波长的变化规律。、发射率、透射率随波长的变化规律。意义：意义：设计遥感器；设计遥感器；图象判读和分析的基础。图象判读和分析的基础。4 4 地物波谱特征地物波谱特征4.1 地物

13、的发射波谱地物的发射波谱4.2 地物的透射波谱地物的透射波谱4.3 地物的反射波谱地物的反射波谱4.4 遥感器接收到的电磁辐射遥感器接收到的电磁辐射4.1 地物发射光谱地物发射光谱 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。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。透明物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。透射率（透射率（）：入射光透过物体的能量与入射总能量之比。入射光透过物体的能量与入射总能量之比。举例：举例：1

14、）水体在蓝绿波段，混水）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体米，一般水体10-20米。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。）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：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。反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。4.3.1 4.3.1 物体反射分类物体反射分类物体反射分类物体反射分类判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则：判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则：根据物体表面的粗糙程度，反射分为：根据物体表面的粗糙程度，反射分为

15、：1）镜面反射）镜面反射2）漫反射（朗伯反射）漫反射（朗伯反射）3）有向反射）有向反射4）混合反射）混合反射反射分类图示反射分类图示反射分类图示反射分类图示(a)镜面反射镜面反射(b)漫反射（朗伯反射）漫反射（朗伯反射）(c)有向反射有向反射(d)混合反射混合反射1)1)镜面反射镜面反射镜面反射镜面反射2)2)朗伯反射朗伯反射朗伯反射朗伯反射朗伯定律：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。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，地球表面近似航天遥感中，地球表面近似视为

16、朗伯面。视为朗伯面。3)3)有向反射有向反射有向反射有向反射4)混合反射混合反射一部分镜面反射，一部分朗伯反射。一部分镜面反射，一部分朗伯反射。有向反射有向反射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函数。方位角、反射方位角的函数。有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向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。有关，在航空遥感中具有重要意义。4.3.2 4.3.2 常见地物的反射波谱曲线常见地物的反射波谱曲线常见地物的反射波谱曲线常见地物的反射波谱曲线A A）植被光谱特征）植被光谱特征）植被光谱

17、特征）植被光谱特征1)1)白橡树不同生长期的反射光谱曲线白橡树不同生长期的反射光谱曲线白橡树不同生长期的反射光谱曲线白橡树不同生长期的反射光谱曲线2)2)不同健康状态松树的反射光谱曲线不同健康状态松树的反射光谱曲线不同健康状态松树的反射光谱曲线不同健康状态松树的反射光谱曲线3)3)不同植被的反射光谱曲线不同植被的反射光谱曲线不同植被的反射光谱曲线不同植被的反射光谱曲线B)B)土壤的光谱曲线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v自自然然状状态态下下土土壤壤表表面面的的反反射射曲曲线线呈呈比比较较平平滑滑的的特特征，没有明显的反射

18、峰和吸收谷。征，没有明显的反射峰和吸收谷。v在在干干燥燥条条件件下下，土土壤壤的的波波谱谱特特征征主主要要与与成成土土矿矿物物（原生矿物和此生矿物）和土壤有机质有关。（原生矿物和此生矿物）和土壤有机质有关。v土土壤壤含含水水量量增增加加，土土壤壤的的反反射射率率就就会会下下降降，在在水水的的各各个个吸吸收收带带（1.4um1.4um、1.9um1.9um、2.7um2.7um处处附附近近区区间间），反射率的下降尤为明显。，反射率的下降尤为明显。C)C)水体的光谱曲线水体的光谱曲线水体的波谱特征v纯纯净净水水体体的的反反射射主主要要在在可可见见光光中中的的蓝蓝绿绿光光波波段段，在可见光其它波段的

19、反射率很低。在可见光其它波段的反射率很低。v近近红红外外和和中中红红外外纯纯净净的的自自然然水水体体的的反反射射率率很很低低，几乎趋近于几乎趋近于0 0。水中其它物质对波谱特征的影响v水水中中含含有有泥泥沙沙，在在可可见见光光波波段段的的反反射射率率会会增增加加，峰值出现在黄红区。峰值出现在黄红区。v水水中中含含有有水水生生植植物物叶叶绿绿素素时时，近近红红外外波波段段反反射射率率明显抬高。明显抬高。遥感器接受到的太阳辐射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。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。太阳辐射经大气

20、散射到遥感器的辐射能。4.4 4.4 遥感器接收到的电磁辐射遥感器接收到的电磁辐射遥感器接收到的电磁辐射遥感器接收到的电磁辐射到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射直接辐射：直接辐射：太阳辐射经大气衰减后到达地面的部分。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。天空辐射：太阳辐射经过大气散射后辐射到地面的部分。还有大气散射到地物又被反射到遥感器的部分，一般忽略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 4.4 遥感器接收到的电磁辐射遥感器接收到的电磁辐射遥感器接收到的电磁辐射遥感器接收到的电磁辐射地物的电磁波响应地物的电磁波响应地物的电磁

21、波响应地物的电磁波响应5 地物波谱特性的测量v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量的作用：可见光和近红外地物光谱测量的作用：（1 1）传感器波段的选择、验证、评价；）传感器波段的选择、验证、评价；（2 2）建立地面、航空和航天遥感数据的定量关系；）建立地面、航空和航天遥感数据的定量关系；（3 3）地物光谱数据与地物特征的相关分析。）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 Reflectance Distribution Function)二向二向性反射率分布模型性反射率

22、分布模型/函数函数 方向反射率方向反射率反射依赖于入射、出射方向反射依赖于入射、出射方向意义：引起反射的增量意义：引起反射的增量/入射有一微增量入射有一微增量野外光谱测量 BRF(Bidirectional Reflectance Factor)二向性反射率因子二向性反射率因子BRDF不易测量，一般采用不易测量，一般采用二向性反射率因子二向性反射率因子 1.理想的漫反射板理想的漫反射板(E=M=p pL)2.辐射环境不变辐射环境不变被测地物被测地物参考板参考板野外光谱测量 Sensor and Instrument/deviceReference pan 20%Sensor and camera光纤光纤/optical fiber地面光谱测量（垂直）所采地面光谱测量（垂直）所采用的观测架用的观测架地物反射光谱的测量地物反射光谱的测量地物反射光谱的测量地物反射光谱的测量本次课程结束，请提问！本次课程结束，请提问！