遥感应用原理与技术讲稿-2-遥感原理-y.

第二章遥感原理遥感的理论基础就是物体的电磁辐射，电磁辐射是能量传播的一种形式。被动遥感系统中的主要辐射源是太阳，太阳辐射出的电磁波能量穿过大气层达到地表，被地物吸收、透射，一部分被反射后又经大气吸收、散射到达传感器，被记录成遥感资料和图象。此外，所有温度高于绝对零度的物体也都向外发射电磁辐射。所以电磁辐射是传感器与远距离物体之间联系的环节。遥感技术得以实现的基础就是不同地物具有不同的吸收、反射和发射电磁辐射能力。本章提要1、电磁波与电磁波谱2、地物的光谱特性3、地球大气及其传输特性4、典型地物的光谱曲线2.1电磁波原理2.1.1电磁波的性质：交互变化的电磁场在空间的传播。2.1电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波的性质电磁波（electromagneticwave)：在真空或物质中通过电磁场的振动而传输电磁能量的波。光波、热辐射、微波、无线电波等都是由振源发出的电磁振荡在空间的传播。电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。根据麦克斯韦电磁场理论，空间任何一处只要存在着场，也就存在着能量，变化着的电场能够在它的周围激起磁场，而变化的磁场又会在它的周围感应出变化的电场。这样，交变的电场和磁场是相互激发并向外传播，闭合的电力线和磁力线就象链条一样，一个接一个地套连着，在空间传播开来，形成了电磁波。2.1电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波的性质电磁波的传输可以从麦克斯韦方程式中推导出。1864年，J.C.Maxwell提出电磁场的基础方程：rotE=-B/trotH=-D/t+IdivD=divB=0E—电场，H—磁场，D—电通密度，B—磁通密度，—电荷密度，i—电流密度，t—时间。2.1电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波的性质电磁波具有波动性和粒子性两种性质。（1）波动性电磁波是一种伴随电场和磁场的横波，电场和磁场的振动方向是相互垂直的，且垂直于波的传播方向。电磁波的波长（wavelength)和频率（frequency)及速度v有如下关系：＝v／电磁波在真空中以光速c(=2.998×108m／sec）传播，在大气中以接近于真空中光速的速度传播。频率是一秒钟内传播的波的次数，用赫兹（Hz）作单位。2.1电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波的性质光的波动性形成了光的干涉、衍射、偏振等现象。A干涉：干涉现象的基本原理是波的叠加原理。一列波在空间传播时，在空间的每一点都引起振动，当两列波在同一空间传播时，空间各点的振动就是各列波单独在该点产生振动的叠加合成。2.1电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波的性质B衍射：光线偏离直线路径的现象称为光的衍射。夫朗和费衍射装置的单缝衍射实验，可以观察到衍射现象。在入射光垂直于单缝平面时的单缝衍射图样中，可以看到中央有特别明亮的亮纹，两侧对称地排列着一些强度较小的亮纹。2.1电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波的性质C偏振：电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征。而E和H都与电磁波的传播方向相垂直，光是电磁波的特例。在光波中，产生感光作用和生理作用的是电场强度E，因此，将E称为光矢量，E的振动称为光振动。如果光矢量E在一个固定平面内只沿一个固定方向作振动，则这种光称为偏振光，和振动方向相垂直且包含传播方向的面称偏振面。偏振在微波技术中被称为“极化”2.1电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波的性质（2）粒子性粒子性是指电磁波是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射实际上是光子微粒流的有规则运动，波是光子微粒流的宏观统计平均状态，而粒子是波的微观量子化。电磁辐射在传播过程中，主要表现为波动性；当电磁辐射与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是波粒二象性。当把电磁波作为粒子对待时，又叫光子（photo)或光量子，其能量E由下式给出：E=h式中h为普朗克常量，为振动次数（＝频率）2.1电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波的性质电磁波的四要素，即频率（或波长）、传播方向（transmissiondirection)、振幅（amplitude)及偏振面(planeofpolarization）。振幅表示电场振动的强度，振幅的平方与电磁波具有的能量大小成正比。从目标物体中辐射的电磁波的能量叫辐射能。包含电场方向的平面叫偏振面，偏振面的方向一定的情况叫直线偏振。2.1电磁波与电磁波谱2.1电磁波与电磁波谱2.1.2电磁波的产生一切物质都会发射、吸收、透射和辐射电磁波，不同性质、结构的物质会产生不同波长的电磁波。电磁波波长尤其与物质的原子能级、分子能级和固体能带直接有关。1、原子光谱原子中核外电子的排布遵循最低能量原理，一般电子处于最低能级，称为基态，当外界供应能量，使电子跃迁到高能级位置，即处于激发态，但激发态极不稳定，大约只有10-8秒就要跳回基态，从激发态跃迁至基态就会发出光子而发光。2.1电磁波与电磁波谱2、分子光谱分子是由一个以上的原子结合成稳定的最小实体，在分子中原子与原子之间靠化学键结合，因此分子内部的电子运动比原子内部的电子运动复杂得多，除了电子跃迁外，还有分子内原子的振动与整个分子的转动。2.1电磁波与电磁波谱3、晶体光谱在晶体中原子按着一定的规则聚集在一起，在三维空间中形成各种晶格，晶格在三维空间中周期性地重复排列，形成晶体，晶体种类达14种。晶体中的吸收与发射光谱远比原子与分子复杂，产生的是连续光谱，其光谱范围大约在红外区3-30μm。2.1电磁波与电磁波谱2.1.3电磁波谱实验证明，射线、射线、紫外线（Ultaviolet=UV）、可见光（visiblelight）、红外线（infrared=IR）、微波、无线电波等都是电磁波，只是波源不同，波长（频率）也各不相同。将各种电磁波在真空中的波长（频率）按其长短，依次排列制成的图表叫做电磁波谱。波长越短，电磁波的粒子性越强，直线性、指向性也越强。红外线的各波段的名称及其波长范围以及微波（microwave）的波长范围根据使用者的需要而有所不同，不是固定的。这里只是表示在遥感中一般所使用的名称和波长范围。2.1电磁波与电磁波谱2.1.3电磁波谱2.1电磁波与电磁波谱遥感中常用的各光谱段的主要特征如下：紫外线：0.01—0.4m，太阳辐射含有紫外线，通过大气层时，波长小于0.3m的紫外线几乎都被吸收，只有0.3—0.4m波长的紫外线部分能够穿过大气层，且能量很小。主要用于探测碳酸盐岩的分布。碳酸盐岩在0.4m以下的短波区域对紫外线的反射比其它类型的岩石强。也用于油污染的监测。因为水面漂浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈。由于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收和散射作用，通常探测高度在2000米以下。2.1电磁波与电磁波谱可见光：是遥感中最常用的波段。尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用，它仍是遥感成像所使用的主要波段之一。在此波段大部分地物都具有良好的亮度反差特性，不同地物在此波段的图象易于区分。2.1电磁波与电磁波谱红外：0.76—1000m。划分为：近红外（0.76—3.0m）、中红外（3.0—6.0m）、远红外（6.0—15.0m）和超远红外（15—1000m）。近红外与可见光相似，又称光红外。中红外、远红外和超远红外是产生热感的原因，所以称为热红外。物体在常温范围内发射红外线的波长多在3—40m之间，而15m以上的超远红外易被大气和水分子吸收。在遥感中主要利用3—15m波段，更多的是利用3—5m和8—14m。红外遥感是采用热感应方式探测地物本身的辐射（如热污染、火山、森林火灾等），所以不仅白天可以进行，夜间也可进行，能进行全天时遥感。2.1电磁波与电磁波谱微波:1mm—1m。分为：毫米波、厘米波和分米波。微波辐射和红外辐射都具有热辐射性质。由于微波的波长比可见光、红外线要长，能穿透云、雾而不受天气影响，所以能进行全天时全天候的遥感探测。微波遥感可以采用主动或被动方式成像，另外，微波对某些物质具有一定的穿透能力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物。2.2地物的光谱特性地物的光谱特性是遥感技术的重要理论依据，因为它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是遥感数据正确分析和判读的理论基础，同时也作为利用计算机进行数字图像处理和分类时的参考标准。时间特性主要是反映在不同时期被测地物光谱特性的变化。而地物间空间特性的明显差异，主要是由被测地物的光谱特性差异所造成。2.2地物的光谱特性自然界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，这些特性称为地物的辐射特性。电磁波辐射到任何一个物体上均会产生三个分量，即反射、吸收和透射。三分量之和等于入射电磁波的总能量，但三分量各占多少则取决于物体的性质。衡量物体的反射、吸收和透射能力通常采用反射率、吸收率及透射率。2.2地物的光谱特性反射率：即指物体反射电磁波的能量与入射电磁波的总能量之比，以表示：=反射能量/入射总能量透射率：它反映物体对外来电磁波的透射能力，定义为物体透射电磁波的能量与入射能量之比，以表示：=透射能量/入射总能量吸收率：=吸收能量/入射总能量++=1对于不透明的地物，=0，上式可写成：=1-2.2地物的光谱特性2.2.1地物的反射辐射（一）反射率和亮度系数物体反射电磁波的性能通常用“反射率”或者“亮度系数”表示。地物反射率的大小，与入射光的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。一般来说，反射入射光能力强的地物，反射率大，传感器记录的亮度值就大，在像片上呈现的色调就浅；反之则深。这些色调的差异是遥感图象目视解译的重要标志。亮度系数是指在相同光照条件下，物体的亮度值与标准反射面（常为硫酸钡板）的亮度值的比值，常用百分数表示。2.2地物的光谱特性2.2.1地物的反射辐射（二）镜面反射、漫反射与方向反射镜面反射漫反射方向反射2.2地物的光谱特性方向反射介于漫反射与镜面反射之间，它在各向都有反射但亮度L不是常数，而是在某个方向上的反射比其它方向强。从空间对地面观察时，对于平坦地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。2.2地物的光谱特性地物表面之所以产生这三种反射形式，主要与地物表面的光滑程度有关。通过实验，通常把地物表面分为光滑和粗糙两大类。瑞利准则指出：如果两条光线入射到某地物的表面上，其反射光线的相位差小于/2弧度，则该表面被认为是光滑的。2.2地物的光谱特性2.2.1地物的反射辐射（三）地物的反射光谱曲线地物的反射率随入射波长变化的规律，叫作反射光谱。按地物反射率与波长之间关系绘制曲线图（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物反射光谱曲线。2.2地物的光谱特性从所给的地物反射光谱曲线可以看出：1、不同地物对太阳的电磁辐射具有不同的波谱反射曲线，若测定了该地区内各种地物的波谱反射曲线，就有可能应用这些波谱曲线数据从遥感图像上识别该地区内的地物。2、同一类地物例如植被，它们的波谱曲线虽然形状相似，但在某些光谱段内它们的光谱反射率差别较大，利用这些差异，就有可能判别一些同类不同种的地物。3、同一种地物的波谱曲线，由于测试的时间、季节以及作物长势、湿度等各种因素的影响，也会产生较大的差异，因此在测量各种地物的波谱特性时，地面测量与空中遥感要在同一地区、同一时期内进行。2.2地物的光谱特性（四）影响地物反射率变化的因素地物的光谱反射率与入射电磁波在各波段处的辐射通量及相应的发射通量有关，也就是与入射通量和地物本身性质有关。而很多因素会引起入射通量及地物性质的变化，如太阳位置、传感器位置、地理位置、地形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气形状等。2.2地物的光谱特性（1）太阳位置：太阳高度角和方位角高度角不同，太阳辐射经大气层到达地物所经过的路径不同，传递过程中的变量损失与路径有关。方位角不同，太阳光线在地物表面的入射角不同，也会引起地物反射能量的变化。（2）含水量2.2地