3高光谱遥感理论基础.

1第三章高光谱遥感物理基础本章主要介绍地物的电磁波特性、太阳辐射、光谱测量、典型地物光谱特征等。2遥感是根据收集到的电磁波来判断目标地物和自然现象（物体种类、特征和环境不同，具完全不同的电磁波反射或发射特征），遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波原理上的。电磁波:根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场和磁场交替产生,以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波.3.1电磁波及电磁辐射3.1.1电磁波的特性3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1）不需要传播介质2）横波3）波动性4）粒子性5）叠加原理6）相干性和非相干性7）衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）8）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化4按电磁波波长（频率大小）长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。电磁波谱5电磁波谱图6共性：传播速度相同；遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律；一些电磁波的用途wavelengthuseWavelengthusegrayMineral1.55-1.75（近红外）WatercontentinplantorsoilXrayMedical2.04-2.34（近红外）Mineral,rocktypesultraviolet(uV)（紫外）Detectingoil；spill10.5-12.5（热红外）Surfacetemperature0.4-0.45um（蓝波段）Waterdepthturbidity3cm-15cm（短波）Surfacerelief（地势起伏）,soilmoisture0.7-1.1µm（近红外）Vegetation20cm-1m（短波）woodybiomass（木头水分）73.1.2电磁辐射能量定律辐射能量（W）：以电磁波形式传输的能量；测量的指标包括：辐射通量，辐射强度，辐射照度，辐射亮度等等。理想的辐射体：黑体，它既是完全的吸收体，又是完全辐射体。即朗伯源，自然界中的物体：烟煤，MgO等通过研究这种理想状态的辐射体，目前已经摸索出一定的定律。人工制造的接近黑体的吸收体8（1）普朗克公式：描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。)1(2),(5kThc2bechTMh:普朗克常数6.6260755*10-34W·s2k:玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23W·s·K-1c:光速;λ:波长（μm）;T:绝对温度（K）描述黑体的定律9变化特点：(1)辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2)温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3)随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。图示普朗克公式10（2）斯忒藩－玻尔兹曼定律：对普朗克定律在全波段内积分得到。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。红外装置测试温度的理论根据。TbW4σ:斯忒藩－玻尔兹曼常数，5.6697＋－0.00297）×10－12Wcm-2K-411（3）维恩位移定律：高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66μm）b:常数，2897.8＋－0.4μm·KbTmax针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。12一般辐射体和发射率对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。),(),(),(TMTMTb非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：1）黑体2）灰体3）选择性辐射体13一般辐射体和发射率14（4）基尔霍夫定律给定温度下，任何地物的辐射通量密度M与吸收率α之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。),(),(),(TMTMTb发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。153.1.3太阳辐射地球上的电磁波主要来自于太阳，因此，太阳是遥感主要的辐射源，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。16太阳辐照度分布曲线17从图中可以得出结论：太阳辐射的光谱是连续的，太阳光谱相当于6000K的黑体辐射；它的辐射特性与黑体的辐射特性基本一致。太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中而且相对稳定，其中0.38～0.76µm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0.47µm左右；在x射线、远紫外及微波波段，能量小但变化大。海平面处的太阳辐射照度曲线与大气层外的曲线有很大的不同。主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射造成的。经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；就遥感而言，被动遥感主要是利用可见光、红外等稳定辐射，因而太阳的活动对遥感没有太大的影响，可以忽略。183.1.4电磁波与物质的相互作用大气组成：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1太阳辐射与大气的作用19大气垂直分布的结构：从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在7～12km,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12～50km，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50～1000km，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：800～35000km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。20大气对太阳辐射的影响主要分为：散射和吸收，在可见光波段，引起电磁波衰减的主要原因是分子散射。21大气散射不同于吸收作用，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：dλ米氏散射：d≈λ非选择性散射：dλ22大气吸收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）。O2吸收带0.2μm，0.155μm最强O3吸收带0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收带0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收带1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm尘埃吸收量很小23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。大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat24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(…)2太阳辐射与地物的作用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10～20m，清澈水体可达100m的深度。地表吸收太阳辐射后具有约300K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。荧光，物体被单一波长辐射照射而发射出另外一种波长辐射的现象。比如硫化物，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。25地面光谱测量（fieldspectrometry）在高光谱定量遥感中起到十分重要的作用。地面光谱测量的仪器就是地面光谱辐射计，它能够在电磁波紫外到近红外（300~2500nm）的太阳反射波普段里面获取连续的光谱曲线，是建立地物标准反演光谱数据库的重要手段，也是对高光谱图像处理，分析的有力支持。3.2地面光谱测量26地面光谱测量的作用27地面光谱辐射计工作原理：由光谱仪通过光导线探头摄取目标光线，然后转变为数字信号，实时显示结果数据，并采用光谱仪自带的软件进行分析处理。测定目标光谱：包含测定1）暗光谱2）参考光谱；3）样本光谱。目标光谱的值等于样本光谱除以参考光谱，因此必须保证目标与参考光谱之间的相同光照条件。28野外光谱测量的光源主要来自三个方面：太阳直射，太阳散射和周围物体的散射光源。29以美国ASD公司生产的野外光谱分析仪FieldSpecPro为例，它是一种测量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具。它能快速扫描地物，光纤探头能在毫秒内得到地物单一光谱。可以测量：相对反射率，辐射照度与辐射亮度。光谱地面测量30其它野外的测量仪器（1）LAI-2000植物树冠分析仪。（2）LI-6400便携式光合仪。（3）LI-6262分析仪（4）辐射传感器。31地物光谱特性的研究是指将观测到的各种地物以完整的光谱曲线记录下来，使得本来不能在宽波段中不能识别的地物，在高光谱遥感中能够有效识别。3.3典型地物的光谱特征32地物反射率：主要在可见光、近红外波段反射太阳的辐射，反射率等于物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比反射波谱特性曲线：是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。EE331.岩矿不同的矿物具有不同的化学组成分和物理结构，因此，矿物的光谱特征主要取决于光谱吸收的特征，而决定矿物的吸收特征的因素在于：1）物质内电子与晶体场的相互作用和2）物体内所存在的分子振动。高光谱遥感最早是人们研究岩石和矿物的光谱特性时提出来的，因此，地质是高光谱遥感应用中最广泛的领域之一。矿物341）电子与晶体场的相互作用矿物体内的电子发生跃迁的过程中会吸收或发射特定波长的电磁辐射，形成特定的光谱特征。产生的光谱范围主要在可见光，近红外附近。352）分子振动产生光谱特征晶体结构不同，受到外来能量的时候，发生振动而产生的光谱特性并不一致。3）除此之外，还受到温度和矿物粒度的影响，温度升高，向短波方向移动。36野外的岩石光谱是矿物光谱的混合而成，可见光和红外只有几厘米的穿透率，因此，分析岩石表面情况很重要：（1）风化，水化物的影响（2）岩石表面结构：颗粒减小，反射率增大（3）岩石表面颜色：铁，碳的影响（4）大气环境岩石372、植被传统宽波段的研究仅限于判断红光的吸收，近红外的反射，中红外的水体吸收带。由于受到波段宽度和波段数的限制，往往对土地覆盖类型或者是植被长势等的反应并不理想。高光谱可以通过对不同类型的植被进行生物化学含量的估算，可以获得较为详细的植被生态学信息；其次，可以通过监测“红边”位移去获得植被受环境胁迫的信息。383940不同植物光谱曲线比较41423.土壤标准土壤反射率光谱43矿物矿物主要包括：石英，云母，长石，氧化物，因此通过分析相应的矿物含量就可以区别土壤的特征。例如：氧化铁的含量会导致土壤