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第二章 遥感原理. 本章提要( … ) §1 遥感的电磁波原理 §2 太阳辐射 §3 太阳辐射与大气的作用 §4 太阳辐射与地物的作用 §5 地物 的吸收作用 - 热辐射 §6 地物的反射作用 - 光谱曲线 §7 三种遥感模式. 本章主要介绍遥感的物理基础,包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。. 返回. 下一章. §1 遥感的电磁波原理. 电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。 描述电磁波特性的指标
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第二章 遥感原理 本章提要(…) §1遥感的电磁波原理 §2太阳辐射 §3太阳辐射与大气的作用 §4太阳辐射与地物的作用 §5地物的吸收作用-热辐射 §6地物的反射作用-光谱曲线 §7三种遥感模式 本章主要介绍遥感的物理基础,包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。 返回 下一章
§1 遥感的电磁波原理 • 电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。 • 描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。 • 电磁波的特性 电磁波是横波,传播速度为3×108m/s,不需要媒质也能传播,与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等,并遵循同一规律。 To be continued…
§1 遥感的电磁波原理 • 电磁波谱 按电磁波波长的长短,依次排列制成的图表叫电磁波谱。 依次为: r射线—x射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。 电磁波谱示图 To be continued…
遥感应用的电磁波波谱段 • 紫外线:波长范围为0.01~0.38μm,太阳光谱中,只有0.3~0.38μm波长的光到达地面,对油污染敏感,但探测高度在2000 m以下。 • 可见光:波长范围:0.38~0.76μm,人眼对可见光有敏锐的感觉,是遥感技术应用中的重要波段。 • 红外线:波长范围为0.76~1000μm,根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。 • 微波:波长范围为1 mm~1 m,穿透性好,不受云雾的影响。 本节结束 返回 下一节
§2 太阳辐射 • 太阳辐射:太阳是遥感主要的辐射源,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(…): • 太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射; • 太阳辐射的能量主要集中在可见光,其中0.38 ~ 0.76 µm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 µm左右; • 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 ~3.0 µm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。 本节结束 返回 下一节
电磁波谱 BACK
§3 太阳辐射与大气的作用 一、大气结构 二、大气成分 三、大气吸收作用 四、大气散射作用 五、大气窗口 本节结束 返回 下一节
§4 太阳辐射与地物的作用 • 太阳辐射与地表的相互作用(…) • 地物的反射率(…) • 漫反射(…) • 镜面反射(…) • 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: 到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量 • 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。 • 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. 45~0. 56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10~20 m,清澈水体可达100 m的深度。 • 地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度,从而形成自身的热辐射,其峰值波长为9.66 μm,主要集中在长波,即6μm以上的热红外区段。 反射率(ρ):地物的反射能量与入射总能量的比,即ρ=(Pρ/ P0)×100%。 • 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。 物体的反射满足反射定律,入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波,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,就是这个原因造成的。 镜面反射 漫反射 实际地面反射 本节结束 返回 下一节
§5 地物的吸收作用-热辐射 • 太阳辐射到达地面,一部分能量被地物吸收并且转换成热能,使地表具有一定温度再发射,被称为“热辐射”。 • 发射率是地物的辐射能量与相同温度下黑体辐射能量之比,又叫比辐射率。 • 温度一定时,地物的发射率随波长变化的曲线,叫地物的发射光谱曲线。 • 地表的辐射温度,也叫亮度温度或表征温度,是指能辐射出与观测地物相等辐射能量的黑体温度。 本节结束 返回 下一节
§6 微波与地物的作用 • 在电磁波谱中,波长在1mm~1m范围的波称微波。(微波波段划分) • 微波遥感特性: • 能全天候、全天时工作(…); • 对某些地物具有特殊的波谱特征; • 对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力(…); • 对海洋遥感具有特殊意义(…); • 分辨率较低,但特征明显(…)。 由于微波的波长较长,因而散射相对较小,在大气中衰减少,对云层、雨区的穿透能力较强,基本不受烟、云、雨的限制。对于热带雨林地区更有意义。 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=(5.3×10-3ε1/2)/δ 式中:ε为地物的介电常数;δ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。 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。 本节结束 返回 下一节
§7 地物的反射作用-光谱曲线 • 植被光谱曲线 • 土壤光谱曲线 • 水体光谱曲线 • 岩石光谱曲线 • 常见地物光谱曲线比较 • 三种遥感模式 本节结束 本章结束 下一章 返回
红外线的划分 近红外:0.76~3.0µm,与可见光相似。 中红外:3.0~6.0µm,地面常温下的辐射波长,有热感,又叫热红外。 远红外:6.0~15.0µm,地面常温下的辐射波长,有热感,又叫热红外。 超远红外:15.0~1000µm,多被大气吸收,遥感探测器一般无法探测。 BACK
太阳辐射(1) 地面太阳辐射 大气上界太阳辐照度 P34, 图 2.20 海平面太阳辐照度 太阳光谱辐照度 To be continued… 波长(nm)
太阳辐射(2) BACK
地物波谱特征 • 在可见光与近红外波段,地表物体自身的辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后,物体除了反射作用外,还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分,即: 到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量 • 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透射能力较强,特别是对0. 45 ~ 0. 56μm的蓝绿光波段,一般水体的透射深度可达10~20 m,清澈水体可达100 m的深度。 • 对于一般不能透过可见光的地面物体,波长5 cm的电磁波却有透射能力,如超长波的透射能力就很强,可以透过地面岩石和土壤。 BACK
大气结构 从地面到大气上界,大气的结构分层为: • 对流层:高度在7~12 km,温度随高度而降低,天气变化频繁,航空遥感主要在该层内。 • 平流层:高度在12~50 km,底部为同温层(航空遥感活动层),同温层以上,温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。 • 电离层:高度在50~1 000 km,大气中的O2、N2受紫外线照射而电离,对遥感波段是透明的,是陆地卫星活动空间。 • 大气外层:800~35 000 km ,空气极稀薄,对卫星基本上没有影响。 BACK
大气成分 大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。 气体:N2,O2,H2O,CO2,CO,CH4,O3 悬浮微粒:尘埃 BACK
大气的吸收作用 大气的吸收作用: 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)。 BACK
大气的散射作用 • 不同于吸收作用,只改变传播方向,不能转变为内能。 • 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 • 对遥感图像来说,降低了传感器接收数据的质量,造成图像模糊不清。 • 散射主要发生在可见光区。 • 大气发生的散射主要有三种: 瑞利散射:d <<λ 米氏散射:d≈λ 非选择性散射:d >>λ BACK
大气窗口 概念:由于大气层的反射、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,因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。 BACK
微波的波段划分 BACK
back 常见地物的发射率(赵英时,2003)
back 各类岩浆岩的发射率(梅安新等,2001)
植物的光谱曲线 返回
土壤的光谱曲线 返回
水体的光谱曲线 返回
岩石的光谱曲线 返回
常见地物的光谱曲线比较 To be continued…
常见地物的光谱曲线比较 返回
三种遥感模式 依据传感器探测能量的波长和研究需要,一般有三种基本的遥感模式: • 可见光/近红外遥感 • 热红外遥感 • 主动遥感 传感器记录地球表面反射太阳辐射的能量, 此类遥感主要集中在可见光和近红外波段 传感器记录地表自身所发射的辐射能量, 此类遥感主要集中在热红外波段 传感器自身发射出能量,然后探测 并记录地表对该能量的反射 返回