定量遥感-第二章遥感物理基础精讲.ppt

1、1,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）典型地物分析模型红外定量遥感模型微波辐射模型（VRT）,冠层反射率模型叶片光学特性模型生化组分遥感反演土壤二向反射特性水色模型,1/27,第二章 遥感物理基础 武汉大学遥感信息工程学院龚 龑,定量遥感技术与应用,3,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,4,一、预备知识,立体角波段响应函数冲击函数,5,武汉大学,预备知识,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=

2、/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4，半球对球心所张立体角为2。定量遥感中也常用指代方向，如方向等，即与初始方向夹角为 的某三维计量的方向。微分立体角元：d=d/r2=dcosd=sindd,a 立体角,6,微分立体角d展开,沿经线边长：r d；沿纬线边长：r sin d,因此：d=r2 sindd d=d/r2=sindd,预备知识,d,7,b 波段响应函数,波段响应函数()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。,预备知识,8

3、,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11.77-12.27m的信号。,例：MODIS 32（11.77-12.27m）波段响应函数,b 波段响应函数,预备知识,9,理想的遥感器应该是“方波”，即对小于11.77m，大于12.27m的波谱信号响应度为0，而在两者之间的信号响应度为1。,理想的遥感器（以MODIS 32为例）,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。,b 波段响应函数,预备知识,10,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

4、数对待求参数进行加权平均。Exp1.求算波段的等效中心波长：公式1：正确公式：,b 波段响应函数,预备知识,11,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()，则拟合到具有响应函数()的某一宽波段上的反射率为：,b 波段响应函数,预备知识,12,Exp3 计算某一遥感器波段的太阳辐射 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

5、设已知太阳辐射分布F0()，则在具有响应函数()的某一波段上的太阳辐射为：,b 波段响应函数,以上三个例子中的积分式在数值运算时都可以用加法替代，上下限可以用给出的()的上下限替代，d用（即函数中的每一小段波长间隔）替代。,预备知识,13,b 冲击(激)函数（Impulse Function）,冲击函数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(,)表示。,变量？,常量？,预备知识,14,此时冲击函数单位为球面度Sr的倒数，具有性质：,积分结果得到了函数 A()在方向（

6、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。,冲击函数具有抽样特性。设某函数 A()与冲击函数相乘，并对 4空间积分，则有：,b 冲击(激)函数（Impulse Function）,预备知识,15,二、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,16,辐射能量 Q,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）,基本物理量,17,辐射通量(radiant flux),在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量：,辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/

7、S）,基本物理量,=Q/t,18,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=/A M辐出度=/A,辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）,法向,基本物理量,19,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.,辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）,=A/R2、4 各向同性源？,基本物理量,I=/,20,分谱辐射通量,辐射通量是波长的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射通量.,分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/m）,基本物

8、理量,=/,21,分谱？,分谱辐射通量,分谱辐照度、分谱辐出度,分谱辐射强度,一般情况下，“分谱”两字可以忽略,基本物理量,22,辐射亮度(radiance)L,单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度。,辐射亮度（L）的单位是瓦/米微米球面度（W/m m Sr）,基本物理量,L=/A,方向空间分布规律(LED),23,辐射度量小 结,辐 射 度 量 一 览 表,基本物理量,24,太阳辐射,太阳发射的电磁辐射（辐照度）在地球大气顶层随波长的分布称为太阳光谱。,极大值位于0.47m，维恩位移定律maxT=2.897810-3mK，色温Tsun?,Wiens displacement

9、 law,基本物理量,25,太阳常数,在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数。,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？,左图大气顶的通量密度为 F=F0(dm/d)2cos0,0.9674(dm/d)21.0344,通量密度很多时候简称通量,基本物理量,F0=1353(21)W/m2(1976,NASA),为什么是平方关系?,26,太阳常数与太阳辐射亮度,L=/A F=/A,太阳光是平行光入射，即只在0方向存在亮度，注意到公式：,因此，太阳的辐射亮度与0方向上的辐射通量（

10、即太阳常数）之间的关系为：,L0=(,0)F0,基本物理量,27,各向同性辐射时亮度与通量的关系,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：,通量密度针对垂直穿过某个平面的量，为半球积分。,由于d=d/r2=sindd因此：,基本物理量,28,基本辐射量总结：,表征辐射的物理量很多：能量、通量、密度、强度、亮度，以及谱（分谱）,需要注意的是：文献中的称谓不尽相同，关键看单位 最重要的是密度（通量）和亮度 凡是涉及面积的都要注意使用法向面积，即cos,基本物理量,29,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.

11、3 物体表面的反射特性 2.4 遥感数据定标,30,电磁波的散射和吸收,当电磁波在介质中传播时，会发生散射(scattering)和吸收(absorption)，其中散射又分为反射(reflection)和透射(transmission)。,吸收使电磁波强度减弱,在热红外和微波区域，还存在介质自身发射的电磁波，增强电磁波强度。,反射与透射区别在于电磁波出射的方向：2？,31,反射率,以比例形式表征的反射辐射强度，反射率为反射辐射（亮度）与入射辐射（亮度）之比：=Lr/Li,透射率？吸收率？反射率、透射率、吸收率之间的关系：,+=？（介质有无发射是不同的）,32,光谱反射率,由于物体自身成分和结

12、构特点，对于不同波长的电磁波有选择性的反射。,例如绿色植物的叶子由上表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成。入射的太阳辐射透过上表皮，蓝、红辐射能被叶绿素吸收进行光合作用；绿光也吸收了一大部分，但仍能反射一部分，所以叶子成绿色；而近红外辐射可以穿透叶绿素，被多孔薄壁细胞组织所反射。因此，在近红外波段上形成强反射。,波长与穿透性的关系？,33,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）,34,电磁波与介质的相互作用总结：,率：以比例形式表征的反射、透射和吸收强度

13、与入射辐射强度无关+=1（无自身发射）,光谱反射率、地物光谱特性,35,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,36,一、物体表面的反射辐射,物体表面对电磁波的反射有三种形式：镜面反射(mirror reflection)反射能量集中在一个方向，反射角=入射角 漫反射(diffuse reflection)整个表面都均匀地向各向反射入射光称为漫反射 方向反射(directional reflection)介于漫反射和镜面反射之间，各向都有反射，但各向反射强度不均一。,37,一、物体表面的反射辐射,物体

14、表面对电磁波的反射三种形式：镜面反射(mirror reflection)漫反射(diffuse reflection)方向反射(directional reflection),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？,38,镜面反射,漫反射,方向反射,L.Rayleigh提出表面为光滑或粗糙的标准为：当 为光滑表面 当 为粗糙表面,二、瑞利判据分析,39,粗糙度推导示意图,其中：为粗糙度；为光的入射角；为光波长。,两波差 相位为完全抵消，差0 为完全相重合，介乎之间差,二、瑞利判据分析,40,如果 两波偏于相抵消，则呈散射为主、粗糙表面。,减小，减小，有利于形成粗糙表面。,

15、二、瑞利判据分析,41,镜面反射,折射定律（斯涅耳 Snell 定律）表征了入射角与折射角的关系：n1sini=n2sint 其中n为折射系数。,如果界面相对入射波长而言非常光滑（界面粗糙度），则反射是镜面的。,42,根据菲涅耳公式，当i+t=/2时，垂直极化波出现零反射点，即反射波中没有垂直极化的偏振波，因此用镜面反射的方法可以得到线偏振波束。此时的入射角称为起偏角，又称为布儒斯特（Brewster）角：p=tan-1(n2/n1),水与空气间的相对折射率n2/n1=1.3，对应的布儒斯特角约为？,镜面反射,43,漫反射,实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗糙表面,严格讲自然界中只存在近

16、似意义下的朗伯体。只有黑体才是真正的朗伯体。,当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的中心的2空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。,漫反射又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。,44,回忆辐射亮度：L=/A,关于天顶角在表述辐射中的作用：若辐射亮度为L0的辐射，以入射角0，辐射到物体表面，则入射辐射亮度Li为：L i=L0cos0,设朗伯体反射率为，则出射辐射亮度Lr与L0关系为？,漫反射,Lr=*Li=L0 cos0,45,方向反射,介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射，也称非朗伯反射。,目前大部分应用还都采用朗伯近似。描述方向反射不能简单用反射率表述，因为各方向的反射率都不一样。,当遥感应用进入定量分析阶段，我们必须抛弃“目标是朗伯体”的假设。,46,三、地物波谱特征与方向谱特征,对非朗伯体而言，它对太阳短波辐射的反射、散射能力不仅随波长而变，同时亦随空间方向而变。所谓地物的波谱特征是指该地物对太阳辐射的反射、散射能力随波长而变的规律。地物波谱特征与地物的组成成份，物体内部的结构关系密切，