遙感第三講-遙感的物理基礎(chǔ).

1、 華東師范大學(xué) 特色課程 回顧回顧第二講遙感技術(shù)系統(tǒng)第二講遙感技術(shù)系統(tǒng)主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、遙感平臺一、遙感平臺- -地面、航空、航天；地面、航空、航天；二、遙感傳感器二、遙感傳感器- -攝影、掃描、雷達(dá)；攝影、掃描、雷達(dá)；三、遙感信息傳輸處理三、遙感信息傳輸處理- -直接回收、視頻傳輸、輻射直接回收、視頻傳輸、輻射 糾正與幾何糾正的預(yù)處理；糾正與幾何糾正的預(yù)處理；四、遙感信息應(yīng)用四、遙感信息應(yīng)用- -目視判讀與室外驗證；目視判讀與室外驗證； 現(xiàn)代遙感技術(shù)系統(tǒng)是一個綜合性很強的龐大系統(tǒng)?，F(xiàn)代遙感技術(shù)系統(tǒng)是一個綜合性很強的龐大系統(tǒng)。它是一個從地面到空中、從室內(nèi)到室外的多層次、多角它是一個從地面到空

2、中、從室內(nèi)到室外的多層次、多角度的立體交叉作業(yè)系統(tǒng)。其中度的立體交叉作業(yè)系統(tǒng)。其中前兩部分前兩部分決定了對原始數(shù)決定了對原始數(shù)據(jù)的獲取數(shù)量和質(zhì)量，后據(jù)的獲取數(shù)量和質(zhì)量，后兩部分兩部分決定了對原始數(shù)據(jù)的質(zhì)決定了對原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量改善和應(yīng)用效果的好壞。量改善和應(yīng)用效果的好壞。 當(dāng)?shù)貢r間當(dāng)?shù)貢r間20142014年年2 2月月2727日，日，美國宇航局公布了美國宇航局公布了VIIRSVIIRS設(shè)設(shè)備拍攝亞洲上空的霧霾畫面。備拍攝亞洲上空的霧霾畫面。此前，北京連續(xù)此前，北京連續(xù)7 7天重度霧天重度霧霾天，京城各個霾天，京城各個PM2.5PM2.5監(jiān)測監(jiān)測站檢測數(shù)值已連續(xù)一周重度站檢測數(shù)值已連續(xù)一周重度污染

3、，并且各個監(jiān)測站已經(jīng)污染，并且各個監(jiān)測站已經(jīng)數(shù)次爆表。據(jù)悉，此次重污數(shù)次爆表。據(jù)悉，此次重污染過程持續(xù)時間創(chuàng)自染過程持續(xù)時間創(chuàng)自20132013年年1 1月月1 1日北京正式按照新標(biāo)準(zhǔn)日北京正式按照新標(biāo)準(zhǔn)開展監(jiān)測以來的最長記錄。開展監(jiān)測以來的最長記錄。美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機安全著陸 結(jié)束27年飛行生涯2011-03-10 09:45:53來源: 國際在線(北京) 美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機安全著陸 結(jié)束27年飛行生涯2011-03-10 09:45:53來源: 國際在線(北京) 美國“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機9日在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心安全著陸，在完成最后一次國際空間站之行的同時，也結(jié)束了近27年的飛行生涯。其

4、在太空累計停留時間長達(dá)365天，時速高達(dá)2.8萬千米，總飛行里程近2.3億千米。 華東師范大學(xué)課程信息遙感課程遙感課程 課程教學(xué)內(nèi)容課程教學(xué)內(nèi)容 遙感課程 課程教學(xué)內(nèi)容 第三講 遙感的物理基礎(chǔ)與理論依據(jù) 第三講 遙感的物理基礎(chǔ)與理論依據(jù) 在第一講中，已經(jīng)知道遙感是根據(jù)地物的電磁波特性來探測和識別物體的性質(zhì)的理論和方法。因此，現(xiàn)代遙感技術(shù)的主要內(nèi)容和基本特點就是探測、記錄、分析研究以及應(yīng)用物體的電磁波特性及其變化規(guī)律。 也就是說，要研究地物的電磁波是如何發(fā)射的，又是如何傳輸?shù)模约霸趥鞑ミ^程中與物體作用的種種現(xiàn)象。因而可以說電磁波理論是遙感的物理基礎(chǔ)，遙感技術(shù)得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)就是依據(jù)不同地物所具有

5、的不同電磁波輻射能力（大?。?。 由于遙感物理基礎(chǔ)涉及的面很廣，本講只介紹遙感應(yīng)用中主要的物理基礎(chǔ)，如電磁波與電磁波譜、電磁輻射的特征以及太陽輻射與大氣效應(yīng)以及地物光譜特性等。 學(xué)習(xí)的目的就是要： 1、理解地物反射對遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響和用遙感數(shù)據(jù)反演地物特征的原理； 2、理解大氣吸收、散射、透射特征，大氣窗口形成原因及遙感數(shù)據(jù)校正的必要性。一、遙感的物理基礎(chǔ) 1、電磁波的定義由振源發(fā)出的電磁振蕩在 空間的傳播叫電磁波。它是能量的一種動態(tài)形式，只有當(dāng)它與物質(zhì)相互作用時才表現(xiàn)出來。 這種電磁能量的傳遞過程稱為電磁輻射，包括發(fā)射、反射、吸收和透射現(xiàn)象。 2、電磁波的內(nèi)容自然界中，太陽光、各種自然光、燈

6、光等可見光都是電磁波；那些看不見的但能感覺到的熱輻射和只能用儀器測得的微波、無線電波也都是電磁波；還有紫外線、X射線和r射線等。 3、電磁波的特性它是一種橫波（質(zhì)點的振動方向與傳播方向相垂直），具有明顯的波動性和粒子性（雙重性）。 一般波長較長，能量較弱的微波、紅外線波動性明顯；波長短，能量強的x射線和r射線粒子性明顯； 總之，電磁波是連續(xù)的波動性和不連續(xù)的粒子性相互對立而又統(tǒng)一的綜合體。 4、表示方式波長（）、周期（T）；頻率（f）、振幅（A）；速度（C）=光速3 X 1010cm/s . 5、記錄方式有乳膠記錄和電帶記錄兩種，光信號用膠片記錄，光電轉(zhuǎn)換用磁帶記錄，但記錄的都是二維平面信息。

7、 6、電磁波譜的定義按照電磁波的波長長短、頻率大小、能量強弱依次順序排列的圖表稱作為電磁波譜，如下示意圖。 7、電磁波譜的特點（1）各類電磁波由于波長和頻率不同，其性質(zhì)有很大的差別，在遙感測量中，量測與記錄的儀器和方法也不同。 （2）雖然它包括了所有的電磁波，但并不是都能用于地球遙感。 （3）波長不同，單位也不同。無線電波用米或千米；微波用cm或mm；紅外、可見光用微米；紫外用nm毫微米；x射線、r射線用埃。 （4）所有電磁波都具有共同點：在真空中的傳播速度相同，都等于光速；都遵守同一的反射、折射、透射、吸收和散射等規(guī)律。 8、各光譜段的主要特性 （1）r射線和x射線，也稱宇宙射線。其波長都小

8、于0.01微米，都被大氣所吸收，不能用于地球遙感。 10分鐘分鐘-宇宙射線宇宙射線思考題 1、在宇宙空間可以探測到哪些光譜信息？遙感課程視頻資料1、在宇宙空間可以探測到哪些光譜信息？ 可以探測X射線、r射線、紫外線、 可見光、紅外線、電波等光譜信息。 8、各光譜段的主要特性 （2）紫外線，0.010.40微米；其中小于0.30微米的波長都被大氣層的O3、O2吸收，只有0.300.40微米可以穿過大氣層，稱為紫外遙感工作波段。 主要用于測定碳酸鹽巖石的分布、水面的油膜污染、環(huán)境監(jiān)測作用等，是以攝影為主。 （3）可見光，0.400.76微米；全部通過大氣層，稱為可見光遙感工作波段。是以攝影和掃描方

9、式記錄地物的反射信息。 （4）紅外線，0.761000微米；其中又可分為： 近紅外（0.763.0微米），記錄光紅外反射信息，其中0.761.30微米可用攝影方式，稱攝影紅外，主要用于植物的分類； 中紅外（3.06.0微米），記錄反射和發(fā)射的混合信息，只能掃描，多用于巖性的識別。 熱紅外（6.015微米、151000微米），遙感常用814微米的波長，通過掃描方式接收地面的熱輻射信息，白天黑夜都可以工作（全天時），主要用于監(jiān)測熱污染、城市熱島效應(yīng)、火山噴發(fā)、火災(zāi)地?zé)岬刃畔ⅰ＃?）微波，1毫米1米；遙感常用0.8厘米30厘米波長，通過掃描方式主動接收地表發(fā)射或回波（后向散射）信息。 它可以全天時和

10、全天候的工作，可以穿透植被、冰雪、土壤、地下埋藏等物體，也可顯示微地貌類型以及洋面的粗糙度等。（6）無線電波，1米3000米，它通不過大氣層，只能用于遠(yuǎn)距離通訊或無線電廣播。 9、電磁輻射源 遙感的電磁輻射源主要有自然輻射源和人工輻射源。 （1）自然輻射源主要包括太陽輻射和地球的熱輻射，前者是可見光、近紅外遙感的輻射源；后者是熱紅外遙感的輻射源。 A、太陽輻射它是被動式遙感的主要輻射源，表面溫度6000K左右。它涵蓋了很寬的波長范圍，但主要集中在0.33.0微米，最大輻射度在0.47微米左右，大部分集中在0.400.76微米的可見光，所以又稱短波輻射。 太陽輻射能量圖太陽輻射能量圖B、地球熱輻

11、射地球表面平均溫度27度，絕對溫度300K，最大峰值在9.66微米，910微米為地球的熱輻射。主要以火山噴發(fā)、溫泉、大地?zé)崃鞯刃问较蛴钪婵臻g輻射能量。（2）人工輻射源是屬于主動式遙感源，主要是雷達(dá)探測。 A.微波雷達(dá)：又叫側(cè)視雷達(dá)，在技術(shù)上應(yīng)用的是電學(xué)技術(shù)，而可見光、紅外是光學(xué)技術(shù)。 B.激光雷達(dá)：使用脈沖激光器，測定地形、記錄海面波浪、監(jiān)測污染、也可測定衛(wèi)星位置、高度和速度等。10、大氣結(jié)構(gòu)遙感所涉及到的空間包括地球的大氣層和大氣層外的宇宙空間（地球的大氣層厚度為一千公里左右）。 距地表80公里之間的大氣中，除水、臭氧為可變氣體外，各種氣體均勻混合，所占比例幾乎不變，稱此層為大氣均勻?qū)?，在?/p>

12、層大氣與太陽輻射相互作用，是使太陽輻射能量衰減的主要原因。大致可以分為4層： （1）對流層（012km），是航空遙感的主要區(qū)域；（2）平流層（1255km），氣流穩(wěn)定，有利于高空飛（3）中間層（5580km），氣溫隨增高而迅速下降； （4）熱層（80幾百km）；是航天平臺運行的高度； （5）大氣外層，是人造衛(wèi)星的活動地。 11、大氣對太陽輻射的影響 太陽輻射通過大氣層時， 約有30%被反射回宇宙空間； 約有22%被大氣散射； 約有17%被大氣吸收； 只有31%到達(dá)地表。 12、大氣窗口遙感探測地表，要避開吸收與散射的部分，選擇透明度大的波長范圍。 （1）定義：電磁波通過大氣層時未被吸收、反射和

13、散射的透射率比較高的波段范圍稱為大氣窗口。（2）內(nèi)容： 0.301.30um，紫外近紅外反射窗口， =90%，白天的攝影和掃描； 1.302.50um，近紅外中段反射窗口， =80%，白天的掃描；其中1.551.75um和2.11 2.40um用于區(qū)分巖性。 3.505.50um，中紅外混合窗口， =70%，全天時的掃描； 814um，熱紅外發(fā)射窗口， =60%， 全天時的掃描； 0.830cm，微波發(fā)射窗口， =100%， 全天時和全天候的掃描。二、遙感應(yīng)用的理論依據(jù) 遙感的物理基礎(chǔ)是電磁波理論，遙感應(yīng)用的理論依據(jù)是目標(biāo)物體的光譜特性。 所謂地物光譜特性，是指自然界中任何地物都具有其自身的電

14、磁輻射規(guī)律，如具有反射、吸收外來的紫外線、可見光、紅外線和微波的某些波段的特性；它們又都具有發(fā)射某些紅外線、微波的特性；少數(shù)地物還具有透射電磁波的特性，這種特性稱為地物光譜特性，其中最常用的是反射信息。 因為入射總能量反射量+吸收量+透射量； 當(dāng) 0時，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種：（1）鏡面反射：也叫規(guī)則反射，入射角與反射角相等，發(fā)生在平靜的水面、金屬面等，常出現(xiàn)在航空遙感中。（2）漫反射：也叫朗伯反射，向四周均勻地反射，在各個方向上亮度和強度一樣，航天遙感中多為這種現(xiàn)象。（3）方向性反射：介于兩者之間，在某一方向上

15、較強。 2、 反射率（P） （1）定義：地物的反射能量與入射總能量的 百分比，稱為反射率。即： P=P物/P總 100%。 （2）特點：同一地物在不同的波長具有不同 的反射率；同一波長，不同的地物，其反射率不同。但是也會存在同物異譜和異物同譜現(xiàn)象。 3、地物反射光譜曲線 地物的反射率隨入射波長變化而變化的規(guī)律，稱作地物的反射光譜； 按照地物反射率與波長之間的關(guān)系所繪制的曲線圖稱為地物反射光譜曲線，其中橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示反射率。4 4、典型地物、典型地物 反射光譜曲線的分析反射光譜曲線的分析（1 1）植被）植被：0.55um0.55um，P=25%P=25%， 0.700.700.80u

16、m0.80um，P=80%P=80%； 1.10um1.10um，P=85P=8590%90%； 1.301.302.50um2.50um，吸收，吸收=75%=75%。（2 2）雪）雪：與太陽光譜相似，：與太陽光譜相似， 0.400.400.600.60，P=100%P=100%； 隨波長增加，反射率降低，隨波長增加，反射率降低， 到紅外全吸收。到紅外全吸收。（3 3）沙漠）沙漠：0.60um0.60um，P=65%P=65%， 呈橙色；呈橙色；0.80um0.80um，P=50%P=50%。（4 4）濕地）濕地：反射率都在：反射率都在10%10%以下，以下， 到紅外為深色。到紅外為深色。典型

17、地物反射光譜曲線圖不同植物光譜曲線比較圖不同長勢松樹的反射光譜曲線不同時間松樹的反射光譜曲線5、地物反射光譜的測量 主要采用多通道的地物光譜儀進(jìn)行測量。根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制地物反射光譜曲線圖。7分鐘分鐘-地物反射光譜地物反射光譜-0002.flv遙感課程視頻資料3分鐘分鐘-地物反射光譜地物反射光譜-0001.flv7分鐘分鐘-地物反射光譜地物反射光譜-0003.flv7分鐘分鐘-地物反射光譜地物反射光譜-0004.flv 6、地物的發(fā)射特性自然界中的一切物體，無論是固體的、液體的，當(dāng)其溫度高于絕對0度（-273.16c）時都會不斷地向四周空間發(fā)射電磁波（以紅外、微波為主），物體的溫度越高，輻射出的

18、能量就越多，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。 地物發(fā)射電磁波的能力是以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)的，而發(fā)射率又是以黑體輻射作為基準(zhǔn)的。7、總結(jié)： 地物光譜特性是遙感技術(shù)應(yīng)用的重要的理論依據(jù)，因為：（1）可為傳感器的工作波段的選擇提供依據(jù)；（2）是遙感數(shù)據(jù)正確分析和判讀的理論基礎(chǔ)， 其中包括： 時間特性反映在不同時間被測地物的光譜特性變化； 空間特性反映在由被測地物的不同特性光譜而造成的空間差異來區(qū)分。8、環(huán)境對地物光譜特性的影響（以反射為主）（1）地物的物理性狀：表面狀況如色澤、粗糙度等；還有位置、形狀、傾向、陰陽坡等空間分布。（2）光源輻照度的強弱：緯度（照射度）和海拔高度（大氣層厚度）不同，同一種地物其反射率

19、不同。（3）季節(jié)：不同的季節(jié)，同一地物的反射率值有差異，但曲線形態(tài)相似。（4）地表的覆蓋：稀疏時，可以反映裸露地物的特征，如土壤、巖性等；覆蓋時，反映綜合信息，造成假象。（5）測試時間和天氣條件：反射率陰天的小于晴天的，中午的最大，一般選擇10點14點之間為佳。遙感的基本術(shù)語1、大氣作用對于可見光和近紅外的衛(wèi)星遙感而言，傳感器所接收的能量必須經(jīng)過相當(dāng)厚的地球大氣層。太陽輻射的強度和波長在經(jīng)過地球大氣層時會與大氣中的粒子和氣體發(fā)生吸收和散射作用，這會影響遙感影像的質(zhì)量，降低判讀精度。所有能量到達(dá)遙感儀器前都經(jīng)過了這種大氣的衰減作用，這就是大氣作用。 遙感的基本術(shù)語2、三種遙感模式依據(jù)遙感傳感器所

20、探測能量的波長和研究需要，一般可概括為三種基本的遙感模式，即可見光近紅外遙感、熱紅外遙感和雷達(dá)微波遙感。 可見光近紅外遙感是最簡單的一種模式，即傳感器記錄地表反射太陽輻射的能量，主要采用可見光和近紅外波段，這與我們?nèi)粘Ｉ钪杏孟鄼C或攝像機拍攝照片有相似之處，屬于被動式遙感，只能白天工作。 熱紅外遙感采用熱紅外波段，是傳感器記錄地表或物體自身所發(fā)射的輻射能量，如紅外輻射計或紅外掃描儀，也屬于被動式，因為不是傳感器自身發(fā)射能量的，可以全天時工作。 雷達(dá)微波遙感模式是傳感器自身發(fā)射出能量，屬于主動式遙感?？梢匀旌蚬ぷ鳌?不同遙感工作波段的主要作用1、紫外光遙感可以監(jiān)測水面的油膜污染；2、可見光遙感

21、可以監(jiān)測水體中的懸浮泥沙濃度；3、近紅外遙感可以區(qū)分水陸界線， 區(qū)分植被類型；4、熱紅外遙感可以監(jiān)測熱場信息， 譬如城市熱島效應(yīng)；5、雷達(dá)微波遙感可以探測地下埋藏， 還有鐵質(zhì)物體信息； 遙感信息判讀遙感課程 攝影師桑德羅攝影師桑德羅桑蒂奧里拍攝了一組航拍照，展示壯觀絢爛的冰島自然桑蒂奧里拍攝了一組航拍照，展示壯觀絢爛的冰島自然風(fēng)光。這些自然風(fēng)光圖，看起來就好像從外星球的角度拍攝的。風(fēng)光。這些自然風(fēng)光圖，看起來就好像從外星球的角度拍攝的。震撼的航空攝影-展現(xiàn)冰島自然之美2012-02-21冰島的冰島的一條河一條河流，好流，好似一棵似一棵壯觀的壯觀的巨樹。巨樹。 冰島的斯卡弗塔喬庫爾冰川（Skaf

22、tarjokull Glacier），黑色和白色成為這幅航拍照的主色調(diào)。冰島的蘭德雅桑杜爾（Landeyasandur）地區(qū)。由于拍攝時必須打開窗戶，攝影師桑蒂奧里不得不忍受寒風(fēng)侵襲。時代周刊精選2012年度太空照片 太空中太空中看到的密西看到的密西西比河奈斯西比河奈斯波利拍攝的波利拍攝的另一幅照片，另一幅照片，展現(xiàn)了密西展現(xiàn)了密西西比河的一西比河的一個三角洲。個三角洲。 衛(wèi)星遙感看地球精選圖像 2012-08-09 來源：衛(wèi)報 愛爾蘭、英國、愛爾蘭、英國、法國北部、比利時、法國北部、比利時、荷蘭、盧森堡以及荷蘭、盧森堡以及萊茵河沿岸的衛(wèi)星萊茵河沿岸的衛(wèi)星夜光圖。夜光圖。 一塊巨大的浮冰從格陵蘭島西北部的彼得曼冰川斷裂出來。這個新形成的冰山面積達(dá)12.5平方英里（32平方公里）。從圖片可以看出，這個冰山正在向峽灣漂去，慢慢遠(yuǎn)離因為崩裂而形成的冰舌。在太平洋上空，颶風(fēng)法比奧與伊米莉亞颶風(fēng)擦邊而過。兩個颶風(fēng)同時被一個衛(wèi)星捕捉到。 圖為太平洋東部的三個熱帶氣旋。圖中最西邊的一個熱帶氣旋為丹尼爾。努勒維特地區(qū)的景觀（Inuktitut語里“我們的土地”之意）仍然展示著這些冰川活動的疤痕。先是被冰層所沖刷，然后被北冰洋所淹沒的表面，現(xiàn)在被數(shù)百萬的湖泊、池塘、溪流所覆蓋。左圖顯示了努勒維特地區(qū)的濕地。水的顏色是深淺不一的藍(lán)色、綠色、褐色和黑色，主要由粉砂、粘土和浮游植物所決定。紅