遥感第三讲-遥感的物理基础

遥感课程华东师范大学特色课程回顾第二讲遥感技术系统主要内容一、遥感平台-地面、航空、航天；二、遥感传感器-摄影、扫描、雷达；三、遥感信息传输处理-直接回收、视频传输、辐射纠正与几何纠正的预处理；四、遥感信息应用-目视判读与室外验证；现代遥感技术系统是一个综合性很强的庞大系统。它是一个从地面到空中、从室内到室外的多层次、多角度的立体交叉作业系统。其中前两部分决定了对原始数据的获取数量和质量，后两部分决定了对原始数据的质量改善和应用效果的好坏。当地时间2014年2月27日，美国宇航局公布了VIIRS设备拍摄亚洲上空的雾霾画面。此前，北京连续7天重度雾霾天，京城各个PM2.5监测站检测数值已连续一周重度污染，并且各个监测站已经数次爆表。据悉，此次重污染过程持续时间创自2013年1月1日北京正式按照新标准开展监测以来的最长记录。美国发现号航天飞机安全着陆结束27年飞行生涯2011-03-1009:45:53来源:国际在线(北京)美国发现号航天飞机安全着陆结束27年飞行生涯2011-03-1009:45:53来源:国际在线(北京)美国“发现”号航天飞机9日在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，在完成最后一次国际空间站之行的同时，也结束了近27年的飞行生涯。其在太空累计停留时间长达365天，时速高达2.8万千米，总飞行里程近2.3亿千米。遥感知识（25分钟）华东师范大学课程信息《遥感课程》课程教学内容第二部分遥感基本原理《遥感课程》课程教学内容第三讲遥感的物理基础与理论依据第三讲遥感的物理基础与理论依据在第一讲中，已经知道遥感是根据地物的电磁波特性来探测和识别物体的性质的理论和方法。因此，现代遥感技术的主要内容和基本特点就是探测、记录、分析研究以及应用物体的电磁波特性及其变化规律。也就是说，要研究地物的电磁波是如何发射的，又是如何传输的，以及在传播过程中与物体作用的种种现象。因而可以说电磁波理论是遥感的物理基础，遥感技术得以实现的基础就是依据不同地物所具有的不同电磁波辐射能力（大小）。由于遥感物理基础涉及的面很广，本讲只介绍遥感应用中主要的物理基础，如电磁波与电磁波谱、电磁辐射的特征以及太阳辐射与大气效应以及地物光谱特性等。学习的目的就是要：1、理解地物反射对遥感数据产生的影响和用遥感数据反演地物特征的原理；2、理解大气吸收、散射、透射特征，大气窗口形成原因及遥感数据校正的必要性。一、遥感的物理基础1、电磁波的定义—由振源发出的电磁振荡在空间的传播叫电磁波。它是能量的一种动态形式，只有当它与物质相互作用时才表现出来。这种电磁能量的传递过程称为电磁辐射，包括发射、反射、吸收和透射现象。2、电磁波的内容—自然界中，太阳光、各种自然光、灯光等可见光都是电磁波；那些看不见的但能感觉到的热辐射和只能用仪器测得的微波、无线电波也都是电磁波；还有紫外线、X射线和r射线等。3、电磁波的特性—它是一种横波（质点的振动方向与传播方向相垂直），具有明显的波动性和粒子性（双重性）。一般波长较长，能量较弱的微波、红外线波动性明显；波长短，能量强的x射线和r射线粒子性明显；总之，电磁波是连续的波动性和不连续的粒子性相互对立而又统一的综合体。4、表示方式—波长（λ）、周期（T）；频率（f）、振幅（A）；速度（C）=光速3X1010cm/s.5、记录方式—有乳胶记录和电带记录两种，光信号用胶片记录，光电转换用磁带记录，但记录的都是二维平面信息。6、电磁波谱的定义—按照电磁波的波长长短、频率大小、能量强弱依次顺序排列的图表称作为电磁波谱，如下示意图。7、电磁波谱的特点—（1）各类电磁波由于波长和频率不同，其性质有很大的差别，在遥感测量中，量测与记录的仪器和方法也不同。（2）虽然它包括了所有的电磁波，但并不是都能用于地球遥感。（3）波长不同，单位也不同。无线电波用米或千米；微波用cm或mm；红外、可见光用微米；紫外用nm毫微米；x射线、r射线用埃。（4）所有电磁波都具有共同点：在真空中的传播速度相同，都等于光速；都遵守同一的反射、折射、透射、吸收和散射等规律。8、各光谱段的主要特性—（1）r射线和x射线，也称宇宙射线。其波长都小于0.01微米，都被大气所吸收，不能用于地球遥感。10分钟-宇宙射线思考题1、在宇宙空间可以探测到哪些光谱信息？《遥感课程》视频资料1、在宇宙空间可以探测到哪些光谱信息？可以探测X射线、r射线、紫外线、可见光、红外线、电波等光谱信息。8、各光谱段的主要特性—（2）紫外线，0.01—0.40微米；其中小于0.30微米的波长都被大气层的O3、O2吸收，只有0.30—0.40微米可以穿过大气层，称为紫外遥感工作波段。主要用于测定碳酸盐岩石的分布、水面的油膜污染、环境监测作用等，是以摄影为主。（3）可见光，0.40—0.76微米；全部通过大气层，称为可见光遥感工作波段。是以摄影和扫描方式记录地物的反射信息。（4）红外线，0.76—1000微米；其中又可分为：近红外（0.76—3.0微米），记录光红外反射信息，其中0.76—1.30微米可用摄影方式，称摄影红外，主要用于植物的分类；中红外（3.0—6.0微米），记录反射和发射的混合信息，只能扫描，多用于岩性的识别。热红外（6.0—15微米、15—1000微米），遥感常用8—14微米的波长，通过扫描方式接收地面的热辐射信息，白天黑夜都可以工作（全天时），主要用于监测热污染、城市热岛效应、火山喷发、火灾地热等信息。（5）微波，1毫米—1米；遥感常用0.8厘米—30厘米波长，通过扫描方式主动接收地表发射或回波（后向散射）信息。它可以全天时和全天候的工作，可以穿透植被、冰雪、土壤、地下埋藏等物体，也可显示微地貌类型以及洋面的粗糙度等。（6）无线电波，1米—3000米，它通不过大气层，只能用于远距离通讯或无线电广播。9、电磁辐射源—遥感的电磁辐射源主要有自然辐射源和人工辐射源。（1）自然辐射源—主要包括太阳辐射和地球的热辐射，前者是可见光、近红外遥感的辐射源；后者是热红外遥感的辐射源。A、太阳辐射—它是被动式遥感的主要辐射源，表面温度6000K左右。它涵盖了很宽的波长范围，但主要集中在0.3—3.0微米，最大辐射度在0.47微米左右，大部分集中在0.40—0.76微米的可见光，所以又称短波辐射。太阳辐射能量图B、地球热辐射—地球表面平均温度27度，绝对温度300K，最大峰值在9.66微米，9—10微米为地球的热辐射。主要以火山喷发、温泉、大地热流等形式向宇宙空间辐射能量。（2）人工辐射源—是属于主动式遥感源，主要是雷达探测。A.微波雷达：又叫侧视雷达，在技术上应用的是电学技术，而可见光、红外是光学技术。B.激光雷达：使用脉冲激光器，测定地形、记录海面波浪、监测污染、也可测定卫星位置、高度和速度等。10、大气结构—遥感所涉及到的空间包括地球的大气层和大气层外的宇宙空间（地球的大气层厚度为一千公里左右）。距地表80公里之间的大气中，除水、臭氧为可变气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变，称此层为大气均匀层，在此层大气与太阳辐射相互作用，是使太阳辐射能量衰减的主要原因。大致可以分为4层：（1）对流层（0—12km），是航空遥感的主要区域；（2）平流层（12—55km），气流稳定，有利于高空飞（3）中间层（55—80km），气温随增高而迅速下降；（4）热层（80—几百km）；是航天平台运行的高度；（5）大气外层，是人造卫星的活动地。11、大气对太阳辐射的影响—太阳辐射通过大气层时，约有30%被反射回宇宙空间；约有22%被大气散射；约有17%被大气吸收；只有31%到达地表。12、大气窗口—遥感探测地表，要避开吸收与散射的部分，选择透明度大的波长范围。（1）定义：电磁波通过大气层时未被吸收、反射和散射的透射率比较高的波段范围称为大气窗口。（2）内容：0.30—1.30um，紫外—近红外反射窗口，て=90%，白天的摄影和扫描；1.30—2.50um，近红外中段反射窗口，て=80%，白天的扫描；其中1.55—1.75um和2.11—2.40um用于区分岩性。3.50—5.50um，中红外混合窗口，て=70%，全天时的扫描；8—14um，热红外发射窗口，て=60%，全天时的扫描；0.8—30cm，微波发射窗口，て=100%，全天时和全天候的扫描。二、遥感应用的理论依据遥感的物理基础是电磁波理论，遥感应用的理论依据是目标物体的光谱特性。所谓地物光谱特性，是指自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称为地物光谱特性，其中最常用的是反射信息。因为入射总能量〓反射量+吸收量+透射量；当て〓0时，1〓反射率+吸收率；反射率〓1-吸收率，表明反射率大，吸收少；反射率小，吸收大。1、反射形式—共有3种：（1）镜面反射：也叫规则反射，入射角与反射角相等，发生在平静的水面、金属面等，常出现在航空遥感中。（2）漫反射：也叫朗伯反射，向四周均匀地反射，在各个方向上亮度和强度一样，航天遥感中多为这种现象。（3）方向性反射：介于两者之间，在某一方向上较强。2、反射率（P）—（1）定义：地物的反射能量与入射总能量的百分比，称为反射率。即：P=P物/P总ｘ100%。（2）特点：同一地物在不同的波长具有不同的反射率；同一波长，不同的地物，其反射率不同。但是也会存在同物异谱和异物同谱现象。3、地物反射光谱曲线—地物的反射率随入射波长变化而变化的规律，称作地物的反射光谱；按照地物反射率与波长之间的关系所绘制的曲线图称为地物反射光谱曲线，其中横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。4、典型地物反射光谱曲线的分析（1）植被：0.55um，P=25%，0.70—0.80um，P=80%；1.10um，P=85—90%；1.30—2.50um，吸收=75%。（2）雪：与太阳光谱相似，0.40—0.60，P=100%；随波长增加，反射率降低，到红外全吸收。（3）沙漠：0.60um，P=65%，呈橙色；0.80um，P=50%。（4）湿地：反射率都在10%以下，到红外为深色。典型地物反射光谱曲线图不同植物光谱曲线比较图不同长势松树的反射光谱曲线不同时间松树的反射光谱曲线5、地物反射光谱的测量—主要采用多通道的地物光谱仪进行测量。根据所测数据绘制地物反射光谱曲线图。7分钟-地物反射光谱-0002.flv《遥感课程》视频资料3分钟-地物反射光谱-0001.flv7分钟-地物反射光谱-0003.flv7分钟-地物反射光谱-0004.flv6、地物的发射特性—自然界中的一切物体，无论是固体的、液体的，当其温度高于绝对0度（-273.16c）时都会不断地向四周空间发射电磁波（以红外、微波为主），物体的温度越高，辐射出的能量就越多，这种现象称为热辐射。地物发射电磁波的能力是以发射率作为衡量标准的，而发射率又是以黑体辐射作为基准的。7、总结：地物光谱特性是遥感技术应用的重要的理论依据，因为：（1）可为传感器的工作波段的选择提供依据；（2）是遥感数据正确分析和判读的理论基础，其中包括：时间特性—反映在不同时间被测地物的光谱特性变化；空间特性—反映在由被测地物的不同特性光谱而造成的空间差异来区分。8、环境对地物光谱特性的影响（以反射为主）—（1）地物的物理性状：表面状况如色泽、粗糙度等；还有位置、形状、倾向、阴阳坡等空间分布。（2）光源辐照度的强弱：纬度（照射度）和海拔高度（大气层厚度）不同，同一种地物其反射率不同。（3）季节：不同的季节，同一地物的反射率值有差异，但曲线形态相似。（4）地表的覆盖：稀疏时，可以反映裸露地物的特征，如土壤、岩性等；覆盖时，反映综合信息，造成假象。（5）测试时间和天气条件：反射率阴天的小于晴天的，中午的最大，一般选择10点—14点之间为佳。遥感的基本术语1、大气作用——对于可见光和近红外的卫星遥感而言，传感器所接收的能量必须经过相当厚的地球大气层。太阳辐射的强度和波长在经过地球大气层时会与大气中的粒子和气体发生