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定量遥感-第二章遥感物理基础精讲

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遥感的物理基础 (2)

遥感的物理基础 (2)

遥感原理
教学ppt
12
烟台师范学院地理与资源管理学院
Solar Spectrum = Shortwave spectrum =visible spectrum:
Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mm
遥感原理
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13
烟台师范学院地理与资源管理学院
Terrestrial Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum =
❖ 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关： 波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈 长，辐射的波动特性愈明显。
教学ppt
6
遥感原理
二、电磁波谱
1. 电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长
短，依次排列制成的图表。
在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波 长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是γ
射线
电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。
2、遥感常用的电磁波波段的特性
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7
Th遥感e原理Electromagnetic Spectrum
More than meets the eye!
遥感原理
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8
烟台师范学院地理与资源管理学院
遥感原理
遥感原理
Examples from Space
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10
烟台师范学院地理与资源管理学院
遥感原理
Wavelength Units
• Meters (like on last slide and in book, p. 613)
• More commonly in nanometers (1 nm = 10-9 meters)

第2章 遥感的物理基础

第2章 遥感的物理基础

散射的类型
dp << l dp =l Rayleigh scattering Sr 瑞利散射 Mie scattering Sm 米氏散射
Non-selective scattering Sn dp >> l 非选择性散射
1 瑞利（Rayleigh） 散射
质点的直径 d << λ(电磁波波长)时，一般认为
电磁波的传输满足：
v c

1 ， 1
其中，ε为物质的介电常数，μ为物质的磁导率。
E=h*f
其中h为普朗克常数
2.1.1.2 电磁波的性质
1） 不需要传播介质 2） 横波：质点振动方向与波的传播方向垂直 3） 波动性：电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会 发生反射、折射、吸收、透射等现象 4） 粒子性：传播过程中，若碰到会发生散射现象， 从而引起电磁波的强度、方向等发生改变。 5） 叠加原理（干涉Interference和衍射Diffraction）： 两列以上的波在同一空间传播时，空间质点的振动表 现为各单列波质点振动的矢量合成。 6） 偏振(Polarization)（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）
透射率（τλ） ：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。
3 地物的反射光谱

反射率：物体反射的辐射能量占总入射能 量的百分比 地物反射光谱曲线：是指地物的反射率随 波长的变化而变化的曲线图。通常用平面 坐标曲线表示，横坐标表示波长λ，纵坐 标表示反射率ρ。
当质点直径大于电磁波波长时（d >λ）, 散射率

第二章：遥感物理基础

第二章：遥感物理基础
⑤ 辐射出射度M：辐射源物体表面单位面积上的辐射 通量。 M = dΦ / dS
Application and Theory of Remote Sensing
Chp2:Physical Basis of RS
Co ncept o f Radiant Flux Density
Rad ian t flux,
Application and Theory of Remote Sensing
Chp2:Physical Basis of RS
能量传播的三种方式：
传导（Conduction） 对流（Convection） 通过直接接触来传递分子或原子 的运动能量 物体的能量通过物体的物理运动 将能量从一个地方传递到另一个 地方。
Chp2:Physical Basis of RS
2.大气对辐射的吸收( Absorption )作用
• 特定的气体吸收特定的波长，如 Ozone 吸收 紫外线，carbon dioxide ：吸收远红外线，可产 生热量（greenhouse ) • 大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用， 从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至 某些波段的电磁波完全不能通过大气。
Chp2:Physical Basis of RS
Application and Theory of Remote Sensing
Chp2:Physical Basis of RS
电磁波的性质: ① 是横波 ② 电磁波具有波粒二向性 ③ 在真空以光速传播 ④ 电磁波满足:
f c E h f h c
本章讲授内容及要求
遥 感 的 物 理 基 础
电磁波及电磁波谱的概念 （掌握遥感所用的谱段） 大气对辐射的影响（了解） 大气窗口（理解并掌握） 太阳及地球的辐射特性（了解） 地物波谱曲线及典型地物波 谱曲线特征（理解并掌握）

第二章-遥感的物理基础简

第二章-遥感的物理基础简
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
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。
❖ 热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐 射特性。
BACK
地物波谱的特性
地物波谱
❖ 地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改 变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物 波谱。
❖ 地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种 表现。
❖ 地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响 应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地 物的基础。
臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节 变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地 区60 °～70°区域内达到极大值。
70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但 随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前 在南极上空已形成臭氧空洞。
大气成分
大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合 物。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4， O3 气溶胶 大气的成分可分为常定成分（ N2，O2 ， CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶 胶）。
（1）电 磁波与电磁波谱
红电外磁目和波前微遥波谱感波技谱术区中间通。常由采于用它的们电的磁波波长位或于频可率见不光同、，
不按同电电磁磁波波又波表长现的出长各短自，的依特性次和排特列点制。成可的见图光表、红叫 电外磁和微波波谱遥。感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波 与主依要地次内物为容相。：互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的

第二章.遥感物理基础

第二章.遥感物理基础
第二章 遥感物理基础
地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反
射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的 形式——电磁波。不同的物体具有不同的物质 组成和结构；由此导致其电磁波谱特征（特征 光谱）不同。 遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁 波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物 体的信息，完成远距离识别物体。
2 非选择性散射
质点直径和电磁波波长差不多时（d ≈ λ ）
( )
1

2
主要是大其中的气溶胶引起的散射。 云、雾等的悬 浮粒子的直径和0.76－15 um之间的红外线波长差不多， 需要注意。
（二）大气吸收
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。
∴ ρ＝ 1 － ε
则 ε＝1－ρ 即各种地物发射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射电 磁波的特性得到。
正因为各种地物反射、发射电磁波能力各不相同，才构 成遥感据以探测和识别各种目标物的依据。
二、地物反射波谱特征
（一）地物反射波谱特性
对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸 收率高的地物，其反射率就低。 当电磁波从较稀疏的空气介质入射到较密介质时，将产生反射。依 照界面的平滑程度不同，有镜面反射、漫反射和混合反射三种情况。 一般用反射率来表示地物反射能力。 通常反射率定义为物体的反射能量与入射能量之比。 即：ρ＝Eρ／E 显然，反射率高，在遥感图像上就越亮，反之则越暗。 因为波长不同，同一地物其反射率也不同。 反射率。 遥感中更常用的是光谱
光谱反射率：地物在某波段的反射能量与该波段的入射能量之比 即 ρλ＝Eρλ／Eλ

遥感第2章-遥感物理基础

遥感第2章-遥感物理基础

02
(设计遥感器空间分辨率具有重要意义。)
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。 偏振光，非偏振光，部分偏振
最小分辨角:
物镜的有效孔径
电磁波的衍电磁波谱与电磁辐射
电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的图表称为电磁波谱。（P17，F2.3）依次为： γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。 电磁波谱示图
§2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
大气对太阳辐射的衰减 2、大气的散射作用 大气对太阳辐射吸收的明显特点是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了（P25 T2.11中两条连续曲线的差值，表示大气对太阳辐射散射时所造成的损失）。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其它各方向的辐射。 （1）大气散射改变了部分辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。 （2）大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。 （3）大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。
光谱辐射通量
以上各辐射量都是波长的函数。 右图表示单位波长间隔内的辐射通量，称为光谱辐射通量。 Φ(λ)=dΦ/dλ 单位： 瓦/微米（W• μm-1）
2.1 电磁波谱与电磁辐射
2.1.3 黑体辐射 绝对黑体（简称黑体）：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。 光谱吸收系数（吸收率）： α（λ，T） 光谱反射系数（反射率）： ρ（λ，T） 绝对黑体特性： α（λ，T）= 1 ， ρ（λ，T）= 0， 与温度和波长无关
2.1 电磁波谱与电磁辐射

定量遥感-第二章遥感物理基础精讲

定量遥感-第二章遥感物理基础精讲
• 上式中太阳常数是对太阳光谱的积分。太阳对地球 的张角很小(<9)，因此太阳光可以认为是平行光束。 • 太阳总辐射量和表面辐出度分别是多少？
25
通量密度很多时候简称通量
•太阳常数与太阳辐射亮度
基本物理量
太阳光是平行光入射，即只在Ω0方向存在 亮度，注意到公式：
Lλ =³ Φ / A λ Ω
波长与穿透性的关系？
32
• 地物反射光谱特性
物体反射率随波长而改变的特性称为地物 反射光谱特性。
光谱曲线：
植物？ 水体？ 土壤？ 云？雪？
水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？
地物波谱（特性）
33
• 电磁波与介质的相互作用总结：
作用类型
散射
反射 透射
吸收（发射）
率：以比例形式表征的反射、透射和吸收强度 与入射辐射强度无关 ρ + τ + α = 1（无自身发射）
Ω0
Fλ =² Φ / A λ
因此，太阳的辐射亮度与Ω0方向上的辐射通量 （即太阳常数）之间的关系为：
L0=δ(Ω,Ω0)F0
26
• 各向同性辐射时亮度与通量的关系 基本物理量
假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度L 在各方向分布均一，则其垂直地表向上的辐射
通量为：
F L cosd 2 θ
由于dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ 因此：
这三种反射形式分别在什么情 况下发生？
根据表面光滑或粗糙？
37
二、瑞利判据分析
L.Rayleigh提出表面为光滑或粗糙的标准为：
θi θr
镜面反射
当 h cos 为光滑表面
8
当 h cos 为粗糙表面

2遥感的物理基础市公开课获奖课件省名师示范课获奖课件

2遥感的物理基础市公开课获奖课件省名师示范课获奖课件
位立体角内旳辐射通量，L=Φ/Ω(Acosθ)，单位为 W/(sr·m2)
朗伯源：辐射亮度L与观察角θ无关旳辐射源，如粗糙旳表 面，涂有氧化镁旳表面等。太阳常近似地被看成朗伯源。
第二节 地物旳光谱特征
任何地物都有本身旳电磁辐射规律， 如反射、发射、吸收电磁波旳特征。少 数还有透射电磁波旳特征。地物旳这种 特征称为：地物旳光谱特征。
1
ech / kT
1
黑体辐射旳三个特征
A. 辐射出射度随波长连续变化，每条曲线 只有一种最大值。
B. 温度越高，辐射出射度越大，不同温度 旳曲线不同。
C. 伴随温度旳升高，辐射出射度最大值所 相应旳波长向短波方向移动。
(2)玻耳兹曼定律
即黑体总辐射出射度随温度旳增长 而迅速增长，它与温度旳四次方成正 比。所以，温度旳微小变化，就会引 起辐射通量密度很大旳变化。是红外 装置测定温度旳理论基础。
• 大气旳透射率：透射率与旅程、大气旳吸收、散射
有关。
（一）大气旳吸收作用
大气中旳多种成份对太阳辐射有选择性吸 收，形成太阳辐射旳大气吸收带
φ=dw/dt，单位是W； • 辐射通量密度（E）：单位时间内经过单位面积旳辐射能
量，E=dφ/ds，单位为W/m2； • 辐照度（I）：被辐射旳物体表面单位面积上旳辐射通量
，I=dφ/ds,单位是W/m2； • 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上旳辐射
通量，M=dφ/ds,单位是W/m2; • 辐射亮度（L）：辐射源在某一方向上单位投影表面上单
电磁振动旳传播。电磁波是在真空或物质中经 过传播电磁场旳振动而传播电磁能量旳波。
电磁波经过电场和磁场之间相互联络进行传播
电磁辐射:电磁能量旳传递过程（涉及辐射、吸收、

[物理]第二章遥感物理基础

[物理]第二章遥感物理基础

物体自身发射电磁波的特征
以普朗克热辐射定律为基础：
三 斯忒藩—波尔兹曼定律 大 定 维恩位移定律 律
基尔霍夫定律
黑体辐射规律
普朗克热辐射定律
斯忒潘－玻尔兹曼定律 维恩位移定律
物体自身发射电磁波的特征
普朗克热辐射定律
式中 Wλ——波长λ处单位面积上每单位波长发射的辐射功率，以瓦／厘 米２，微米计；
2.1.3 黑体辐射
绝对黑体
吸收率α ∝（λ，T） 反射率ρ ∝（λ，T）
绝对黑体：
τ =0时， α≡1 ，ρ≡0
与物体温度和电磁波波长无关
若地物在任何温度下，对任何波长的辐射能完全 吸收，即α＝1，该地物称绝对黑体，简称黑体。
地物对各种波长的吸收率是界于０～１的，若吸 收率近似为一常数，说明吸收率与波长无关，为无 选择性吸收，该地物称为灰体。
动 性
Ｃ＝λf
式中 C——波速，在真空中，Ｃ≈３×
8Ｍ／Ｓ，即光速；
λ——波长，一般以μｍ计；
f——频率，以Ｈｚ表示。
不同波长的电磁波，其频率是不一样的， 波长愈短，频率愈高；波长愈长，频率愈低。
电磁波的基本性质
电磁波是特殊物质组成的微粒（光子）
（如光电效应）
粒 光子的能量E与其频率f成正比，
其关系为：
子
E＝hf
性
式中 h——为普朗克常数。
光在发射过程中，以粒子性为主； 光在空间传播的过程中，以波动性为主。
2.1.2 电磁辐射的度量
辐射源
任何物体都是辐射源
辐射强度与波长各异 太阳是最主要的辐射源
电磁辐射就是电磁能量的传递
遥感探测就是对地物辐射能量的测定
物体的电磁辐射特征
﹛ 两方面

遥感技术基础遥感物理基础ppt课件

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◇地物的反射类别 方向反射 (directional reflection)
• 由于地形起伏和地面结构的复杂性，往往在某
些方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。
对于地形起伏和地面 结构复杂地区，为方向反 射。
.
29
遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
§ 2-3 物体的反射辐射
◇地物的光谱反射特性
反射率（reflectivity）ρ：
• 物体反射的辐射能量Pρ占总射能量P0的百
分比，称为反射率ρ ：
P 100%
P0
• 不同物体的反射率不同，这主要取决于物体本
身的性质（表面状况），以及入射电磁波的波 长和入射角。利用反射率可以判断物体的性质。
.
30
遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
.
20
遥感物理基础>物体的发射辐射（ Emission ）
§ 2-2 物体的发射辐射
◇一般物体的发射辐射
发射率（emissivity）ε： – 物体的光谱发射能量与同一条件下黑体发射能
量之比，称为发射率ε。 – 发射率随物质的介电常数、表面的粗糙度、温
度、波长、观测方向等条件变化，取0到1之 间的值。
§ 2-3 物体的反射辐射
◇地物的光谱反射特性
• 不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、 沙
漠、湿地、小麦的光谱曲线
• 任何同类地物的反射光谱具有相似性，但也有
差异性。并且地物的光谱特性具有时间特性和 空间特性。。
.
32
遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
§ 2-3 物体的反射辐射
◇遥感应用的电磁波波谱段
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《定量遥感技术与应用》后续课程学习内容 • • • • • • 遥感物理基础（电磁波与介质） 辐射传输（微分形式） 辐射传输方程（方程求解） 典型地物分析模型 • 冠层反射率模型 红外定量遥感模型 • 叶片光学特性模型 • 生化组分遥感反演 微波辐射模型（VRT）
• 土壤二向反射特性 • 水色模型
1
立体角是球坐标系中重要的度量参数之一，其定 义为球面对球心的张角，即Ω = σ/r2，立体角单位为 球面度Sr (steradians)。 整个球面对球心所张立体角为4π ，半球对球心 所张立体角为2π。 定量遥感中也常用Ω指代方向，如方向Ω等，即 与初始方向夹角为Ω 的某三维计量的方向。 微分立体角元：
1/27
《定量遥感技术与应用》
第二章
遥感物理基础
武汉大学遥感信息工程学院 龚 龑
第二章 遥感物理基础
√§2.1 表征电磁辐射的物理量 §2.2 电磁波与介质的相互作用 §2.3 物体表面的反射特性 §2.4 遥感数据定标
3
一、预备知识
•立体角 •波段响应函数 •冲击函数
4
• a 立体角
预备知识
基本物理量
电磁辐射是具有能量的，它表现在： • 使被辐照的物体温度升高 • 改变物体的内部状态 • 使带电物体受力而运动 …… 辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）
16
•辐射通量 (radiant flux) Φ
基本物理量
在单位时间内通过的辐射能量 称为辐射通量：
Φ=Q/ t
辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）
δ
Ω’
Ω
Ω’
Ω13
• b 冲击(激)函数（Impulse Function）
预备知识
此时冲击函数单位为球面度Sr的倒数，具有性质：

, ' ( , ') 0, '
4
( , ') d 1
冲击函数具有抽样特性。设某函数 A(Ω)与冲击函 数相乘，并对 4π空间积分，则有：
基本物理量
• 辐射强度 (radiant intensity) I
辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的， 指在某一方向上单位立体角内的辐射通量.
I= Φ / Ω
辐射强度
点辐射源
Ω=A/R² 2π、4 π
各向同性源？
辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）
0
11
• b 波段响应函数 Exp3 计算某一遥感器波段的太阳辐射
预备知识
由于遥感器接收的是地物的辐射亮度，因此该 工作主要用于推导某一遥感器波段上的地物反射率。
反射率定标过程中离不开这一方法。假设已知 太阳辐射分布F0(λ)，则在具有响应函数Γ(λ)的某一波 段上的太阳辐射为： 以上三个例子中的积分式
4
A( ) ( , ') d A( ')
积分结果得到了函数 A(Ω)在Ω’方向（冲击方向） 的函数值，即将该函数在该方向的值抽取出来，因此 称为抽样特性。
14
二、描述辐射的基本物理量
• 辐射能量 • 辐射通量 • 辐照度 • 辐出度 • 辐射强度 • 辐射亮度
15
• 辐射能量 Q
Exp1.求算波段的等效中心波长：
公式1： 2 1 其中 1、 2分别为波段的左右范围 2 ( )d 0 正确公式： 等效中心波长 ( )d
0
10Βιβλιοθήκη • b 波段响应函数预备知识
Exp2 将地面光谱仪测试的一系列窄波段数据拟合 到某一遥感器波段数据 该工作主要为了方便地面波谱测试数据与遥感数 据的对比，也可以应用于高光谱数据与TM、NOAA 等宽波段数据的对比。 窄波段数据可以假设为方波，假设光谱仪测试 的反射率数据为ρ(λ)，则拟合到具有响应函数Γ(λ)的 某一宽波段上的反射率为： ( )( )d 0 ( )d
Γ
1
λ 理想的遥感器（以MODIS 32为例）
11.77 12.27
0
但是限于工艺水平，制作时只能尽量接近“方波” ， 实际的遥感器波段响应均有一定误差。
9
• b 波段响应函数
预备知识
波段响应函数表征了遥感器的某一波段对各个精 细的电磁波谱的感应程度。因此在很多涉及到光谱转 换的工作中，应该利用波段响应函数对待求参数进行 加权平均。
dΩ = dσ/r2 =dcosθdφ=sinθdθdφ
武汉大学
5
预备知识
r
dφ
dθ
微分立体角dΩ展开 沿经线边长：r dθ ； 沿纬线边长：r sinθ dφ 因此：dσ= r2 sinθdθdφ dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ
6
预备知识
• b 波段响应函数
波段响应函数Γ(λ)是遥感器的固有参数。 仪器出厂时，厂家会给出遥感器各个波段的响 应函数曲线. 在遥感器运行过程中，随着仪器的磨损， 包括波段响应函数在内的许多光学参数都可能 发生变化。
F0


0
F 0( )( )d


0
( )d
在数值运算时都可以用加法替 代，上下限可以用给出的Γ(λ) 的上下限替代，dλ用△λ（即Γ 函数中的每一小段波长间隔） 替代。
12
• b 冲击(激)函数（Impulse Function）
预备知识
冲击函数δ是狄拉克最初提出并定义的，所以又 称狄拉克函数。在信号处理中被广泛应用，反映一 种持续时间极短、函数值极大的信号类型。 在定量遥感中通常用来描述物理量只在某一个方 向上存在，以δ(Ω,Ω’)表示。 常量？ 变量？
7
• b 波段响应函数
预备知识
遥感器的某一波段可以探测一段波谱范围的信号， 例如MODIS 32通道可以感应11.77-12.27μm的信号。
例：MODIS 32（11.77-12.27μm）波段响应函数
8
• b 波段响应函数
预备知识
理想的遥感器应该是“方波”，即对小于11.77μm ， 大于12.27μm的波谱信号响应度为0，而在两者之间的信 号响应度为1。
17
基本物理量
• 辐射通量密度 (irradiance) E、(radiant exitance) M
单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： E辐照度= Φ / A M辐出度= Φ / A
被辐照物 辐射照射度
辐射源
辐射体
辐 射 出 射 度
法向
18
辐射通量密度的单位是瓦/米² （W/m² ）