《遥感物理学》本科全册配套完整教学课件3.pptx

1、遥感物理学遥感物理学本科全册配本科全册配套完整教学课件套完整教学课件1第一章 电磁波及遥感物理基础2内容提纲概述概述物体的发射辐射物体的发射辐射地物的反射辐射地物的反射辐射地物波谱特性的测定地物波谱特性的测定31.1 概述 电磁波、机械波（声波）、重力场、地磁场等都可以用作遥感，但一般而言，RS指的是电磁波遥感。 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征。41.1.1 电磁波 麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论 电磁波是一种横波电磁波是一种横波5几个重要性质 单色波可以用波函数来描述，

2、是一个时空周期性函数，振幅、相位、波长一般成像：记录振幅全息成像：记录振幅和相位 干涉。一般地，凡是单色波都是相干波，利用相干波进行距离测量。INSAR利用干涉原理成像。6托马斯杨（Thomas Young）的干涉的实验研究, 1803年.几个重要性质 衍射 研究电磁波的衍射现象对设计遥感传感器和提高遥感图像的几何分辨率具有重要意义。 偏振 电磁波有偏振波、部分偏振波和非偏振波。散射光、反射光、透射光是部分偏振波，偏振在微波技术中称为“极化”，一般有四种极化方式。7树木因衍射而产生的日晕1.1.2 电磁波波谱遥感信息获取，一般指收集、探测、记录地物的电磁波特征，即地物的发射辐射或反射电磁波特性

3、。由于电磁波传播的是能量，实际上也是记录辐射能量的过程。电磁波具有不同的频率和波长，因而具有不同的特性。8Gamma? 射线X 射线紫外线可见光可见光红外线微 波无线波紫蓝绿黄红频率波长遥感应用的光谱范围名称名称波长范围波长范围可见光的范围可见光的范围紫外线紫外线0.30.38m紫紫 0.380.43m可见光可见光0.380.76m蓝蓝 0.430.47m红红外外线线近红外近红外0.763.0m青青 0.470.50m中红外中红外36m绿绿 0.500.56m远红外远红外615m黄黄 0.560.59m超远红外超远红外151000m橙橙 0.590.62m微微波波毫米波毫米波110mm红红 0

4、.620.76m厘米波厘米波110cm分米波分米波10cm1m9电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的射线到最长的无线电波，波长之比高达1022倍以上遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到微波波段遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性，选择相应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱的发射或反射辐射能量而成像的。101.2 物体的发射辐射黑体辐射黑体辐射太阳辐射太阳辐射大气对辐射的影响大气对辐射的影响一般物体的发射辐射一般物体的发射辐射11 1.2.1 黑体辐射 1860年基尔霍夫：好的吸收体也是好的辐射体 绝对黑体任何波长的电磁辐射全部吸收 一个不透明的物体，对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射。光谱

5、吸收率(,T)和光谱反射率(,T)，二者之和恒等于1。 绝对黑体： (,T)=1， (,T)=0 绝对白体： (,T)=0， (,T)=112普朗克定律 1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律 黑体辐射通量密度与温度、波长的关系满足普朗克定律：13W() 分谱辐射通量密度，单位W/(cm2m）； 波长，单位是m； h 普朗克常数(6.625610-34Js)； c 光速(31010cm/s)； k 玻耳兹曼常数(1.3810-23JK)； T 绝对温度，单位是K。黑体辐射特性（一） 与曲线下的面积成正比的总辐射通量密与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度度W W是随温度是随温度T T的增加而

6、迅速增加。的增加而迅速增加。 对普朗克公式进行积分，可得到从1cm2面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密度的表达式为： 为斯忒藩-玻耳兹曼常数，T为绝对黑体的绝对温度（K）。14443245152TThckW从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩玻耳兹曼公式，Stefan-Boltzmann law 。图图1-5 几种温度下的黑体波谱辐几种温度下的黑体波谱辐射曲线射曲线黑体辐射特性（二）分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。可可微分普朗克公式，并求极值。微分普朗克公式，

7、并求极值。温度温度3005001000200030004000500060007000波长波长9.665.802.901.450.970.720.580.480.4115维恩位移定律：黑体辐射特性（三） 每根曲线彼此不相交，故温度每根曲线彼此不相交，故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。密度也越大。16 在波长大于1mm的微波波段，hv99）来源于太阳 太阳辐射:太阳辐射的波长范围，大约在0.15-4微米之间 5% 紫外线 45% 可见光 50% 红外线171.2.2 太阳辐射18辐射源 自然辐射源：自然辐射源： 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常

8、用5900K的黑体辐射来模拟。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。 地球的电磁辐射：近似300K的黑体辐射。 小于3m的波长主要是太阳辐射的能量；大于6m的波长主要是地物本身的热辐射；3-6m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。 人工辐射源：人工辐射源： 微波辐射源：0.8-30cm 激光辐射源：激光雷达(测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等)。19太阳辐射照度分布曲线 太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：I=1.353103 W/m2 太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致。 201

9、.2.2 1.2.2 太阳辐射太阳辐射21太阳与地球的辐射照度太阳辐射的特点 太阳光谱是连续的。 辐射特性与黑体基本一致。 近紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。 被动遥感主要利用可见光、红外波段等稳定辐射。 海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外的曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。221.2.3 大气对辐射的影响23(1)大气的垂直分布241.2.3 (2)大气对太阳辐射的吸收 在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收 引起大气吸收的主要成分：氧气、臭氧、水、二氧化碳 大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。 大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶

10、段中很少使用紫外线波段。251.2.3 (2)大气对太阳辐射的散射 在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起的衰减。 太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光。这二次影响增加了信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。 散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变, 主要有米氏(Mie)散射、均匀散射、瑞利（Rayleigh）散射等。 26 介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级时，发生米氏散射 介质中不均匀颗粒的直径a入射波长时，发生均匀散射 介质中不均匀颗粒的直径a小于入射波长的十分之一

11、时，发生瑞利散射27气溶胶 大气中的三大可变成分：水、云、气溶胶 气溶胶粒子是指气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径千分之一微米到直径千分之一微米到十微米的固态、液态粒子十微米的固态、液态粒子。 气溶胶大多集中在底层大气0-4km范围内。由于地球重力作用，气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对光的散射作用属于米氏散射米氏散射。由于来源的不同，构成成分有差别，其变介电常数不尽相同，对电磁波的吸收散射作用差别较大，故大气气溶胶可分为不同类型。28气溶胶的来源 自然：火山沙尘暴森林和草原火灾活的陆地与海洋植物海水的飞沫 人为：工业、交通、取暖燃烧的石油和煤炭土地覆盖和土地

12、利用变化、森林砍伐和沙漠化29气溶胶图30瑞利散射中，散射强度与波长的关系3142sin2sEI蓝光散射较强红光散射较弱 为什么微波具有穿透云雾的能力？1.2.3 (2)大气对太阳辐射的反射 由于大气中有云层，当电磁波到达云层时，就象到达其他物体界面一样，不可避免的要产生反射现象，这种反射同样满足反射定律。而且各波段受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的程度。因此应尽量选择无云的天气接收遥感信号。32四川省江油市四川省江油市1.2.3 (3)大气窗口太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度。但

13、是大气反射、吸收和散辐射的方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分。射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分。不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因而遥感所不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因而遥感所能够使用的电磁波是有限的。有些大气中电磁波透过率很小，能够使用的电磁波是有限的。有些大气中电磁波透过率很小，甚至完全无法透过电磁波。这些区域就难于或不能被遥感所使甚至完全无法透过电磁波。这些区域就难于或不能被遥感所使用，称为用，称为“大气屏障大气屏障”；反之，反之，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率较高

14、，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为对遥感十分有利，这些波段通常称为“大气窗口大气窗口”。研究和选择有利的大气窗口、最大限度地接收有用信息是遥感研究和选择有利的大气窗口、最大限度地接收有用信息是遥感技术的重要课题之一。技术的重要课题之一。 33可以用作遥感的大气窗口 1.32.5m大气窗口：属于近红外波段。3.55.0m大气窗口：属于中红外波段，透射率为60-70%左右，用于探测高温物体。814m热红外窗口：热红外窗口，透射率为80%左右，属于地物的发射波谱。 1.0mm1m微波窗口。 34 0.30 1.15m大气窗口：这个窗口包括全部可见光波

15、段、部分紫外波段和部分近红外波段，是遥感技术应用最主要的窗口之一。 1.2.3 (4)辐射传输方程 传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括 ： 太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量 地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器 大气散射和辐射的能量等 351.2.4 一般物体的发射辐射 自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。 不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。 我们用发射率来表示它们之间的关系：= W/ W。发射率就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。 36 按照发射率与波长的

16、关系，把地物分为： 黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。 灰体：发射率小于1，常数。 选择性辐射体：发射率小于1，且随波长而变化。 理想反射体：发射率等于0。 影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物一般发射率大，反之发射率就小。37主要地物发射率38等效黑体温度等效黑体温度TT等效39 实际测定物体的光谱辐射通量密度曲线并不像描绘的黑体光谱辐射通量密度曲线那么光滑 常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度） 4TWW4TT等效实际物体的温度基尔霍夫定律基尔霍夫定

17、律 在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度。 40WW4TW4TW任何材料的发射率等于其吸收率 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 根据能量守恒定理，入射在地表面的辐射功率等于吸收功率、透射功率和反射功率三个分量之和。 对于不透射电磁波的物体 41EEEE101吸收率1.3 地物的反射辐射421.3 地物的反射辐射地物的反射类别地物的反射类别光谱反射率以及地物的反射光谱特性光谱反射率以及地物的反射光谱特性影响地物光谱反射率变化的因素影响地物光谱反射率变化的因素43 1.3.1 地物的反射类型 镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。当发生镜面反射

18、时，对于不透明物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。 漫反射：如果入射电磁波波长不变，表面粗糙度h逐渐增加，直到h与同数量级，这时整个表面均匀反射入射电磁波，入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射。 方向反射：实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。是镜面反射和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续增大的情况下，这种反射没有规律可寻。 441.3.1 地物的反射类型 粗糙度：相对概念，由入射波的波长和地表微地貌的垂直高度决定。例如：对于波长较长的无线电波，粗糙的岩石构成的地表是光滑的（镜面）；

19、对于可见光，细沙构成的地面也显得粗糙（漫反射）。451.3.2光谱反射率以及地物反射光谱特性 反射率 反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比 这个反射率是在理想漫反射体的情况下，整个电磁波长的反射率。 光谱反射率 46EE 实际上由于物体固有的结构特点，对于不同波长的电磁波有选择的反射，例如绿色植物的叶子由于表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成，入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮，蓝、红光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，但仍反射一部分，所以叶子呈现绿色；而近红外线可以穿透叶绿素，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。 47EE光谱反

20、射率：反射波谱 反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。 物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。48反射波谱特性曲线 正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特性，物体的反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。49图图1-14 1-14 四种地物的反射波谱特性曲线图四种地物的反射波谱特性曲线图1-15 1-15 四种植物的反射波谱特性曲线四种植物的反射波谱特性曲线 反射波谱特性曲线 同一地物的反射波谱特性 时间

21、效应 空间效应 不同地物的反射波谱特性 城市道路、建筑物的反射波谱特性 水体的反射波谱特性 土壤的反射波谱特性 植物的反射波谱特性 岩石的反射波谱特性 50同一地物的反射波谱特性 花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期。 黄叶期，由于不具备绿色植物特征，其反射光谱近似于一条斜线。这是因为黄叶的水含量降低，导致在1.45m，1.95m，2.7m附近3个水吸收带的减弱。 当叶片有病虫害时，也有与黄叶期类似的反射率。 51图图1-15 同一春小麦在花期、灌浆期、同一春小麦在花期、灌浆期、乳熟期、黄叶期的光谱测试所得的结果。乳熟期、黄叶期的光谱测试所得的结果。不同地物的反射波谱特性52不同地物的反射

22、波谱特性53不同地物的反射波谱特性 城市道路、建筑物的反射波谱特性 水体的反射波谱特性 土壤的反射波谱特性 植物的反射波谱特性 岩石的反射波谱特性 54城市道路、建筑物的反射波谱特性 在城市遥感影像中，通常只能看到建筑物的顶部或部分建筑物的侧面，所以掌握建筑材料所构成的屋顶的波谱特性是我们研究的主要内容之一。 55城市道路、建筑物的反射波谱特性56 城市道路、建筑物的光谱反射特性 红外波段较可见光波段反射强 石棉瓦较其他材料反射强 沥青较其他材料反射弱水体的反射波谱特性 水体的反射主要在蓝绿光波段； 近红外、中红外波段有很强的 吸收带，反射率几乎为零； 但是当水中含有其他物质时， 反射光谱曲线

23、会发生变化57图7-13 不同叶绿素含量的海水的反射特性曲线(p177)58Green ReflectanceNIR Reflectance土壤的反射波谱特性 自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值 。 土壤的光谱特性曲线与土壤质地组成有关 土壤反射波谱特性曲线较平滑，因此在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。59植物的反射波谱特性60叶绿素叶绿素吸收带吸收带水吸收带水吸收带0.450.45m(m(蓝蓝) )、 0.670.67m(m(红红) )：吸收带：吸收带 0.550.55m(m(绿绿) )：强反射：强反射0.80.81.01.0（近红外）：（近红外）：1.11.1植被

24、特有的峰值植被特有的峰值1.3 1.3 2.52.5（近红外）：（近红外）：1.451.45、1.951.95、2.72.7水的吸收带水的吸收带61植物的反射波谱特性几种不同反射波谱特性对比 岩石成分、矿物质含量、含水状况、风化程度、颗粒大小、色泽、表面光滑程度等都影响反射波谱特性曲线的形态。 在遥感探测中可以根据所测岩石的具体情况选择不同的波段。 6263武汉大学武测校区武汉大学武测校区彩红外影像彩红外影像1.3.3 影响地物光谱反射率变化的因素 64太阳高度（日期、时间）太阳高度（日期、时间）大气条件大气条件地形（阴影）地形（阴影）地形（坡度）地形（坡度）气候、植物的病变气候、植物的病变环

25、境状况环境状况1.4地物波谱特性的测定地物波谱特性的概念地物波谱特性的概念地物波谱特性的测定原理地物波谱特性的测定原理地物波谱特性的测定步骤地物波谱特性的测定步骤651.4.1 地物波谱特性的概念 地物波谱也称地物光谱。 地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）。 测量地物的反射波谱特性曲线主要作用： 它是选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据 在外业测量中，它是选择合适的飞行时间的基础资料 它是有效地进行遥感图像数字处理的前提之一，是用户判读、识别、分析遥感影像的基础。 661.4.2 地物波谱特性的测定原理 对于不透明的物体，其发射率与反射率有下列关系：()=1-(

26、) 各种地物发射辐射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射辐射电磁波的特性得到。 地物波谱特征（反射波谱）测定的原理是：用光谱测定仪器（置于不同波长或波谱段）分别探测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段的反射率，其反射率的变化规律即为该地物的波谱特性。 67测定地物反射波谱特性的仪器 分光光度计，光谱仪，摄谱仪 仪器由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成。 收集器的作用是收集来自物体或标准板的反射辐射能量。它一般由物镜、反射镜、光栏（或狭缝）组成； 分光器的作用是将收集器传递过来的复色光进行分光（色散），它可选用棱镜、光栅或滤光片； 探测器的类型有光电管、硅光电二极管、摄影负

27、片（现多为感光器件）等； 显示或记录器是将探测器上输出信号显示或记录下来。 68测量的原理 分别测量地物和标准板的反射辐射通量密度 经光电管转变为电流强度在电表上指示读数 电流强度相比，求得地物的光谱反射率 绘制地物的反射特性曲线69GE1GE001kI 00II00kI 1.4.3 地物波谱特性的测定步骤 架设好光谱仪，接通电源并进行预热；架设好光谱仪，接通电源并进行预热； 安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝宽度；安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝宽度； 将照准器分别照准地物和标准板，并测量和记录地物、标将照准器分别照准地物和标准板，并测量和记录地物、标准板在波长准板在波长1 1 ，2

28、2，n n处的观测值处的观测值I I和和I I00； 按照（按照（1-381-38）式计算）式计算1 1 ，2 2，n n处的处的； 根据所测结果，以根据所测结果，以为纵坐标轴，为纵坐标轴，为横坐标轴画出地为横坐标轴画出地物反射波谱特性曲线。物反射波谱特性曲线。 7071本章结束721.1 1.1 概述概述电磁波的几个重要性质：干涉、衍射、偏振电磁波的几个重要性质：干涉、衍射、偏振电磁波波谱及遥感应用的光谱范围电磁波波谱及遥感应用的光谱范围遥感采用的电磁波段可以从遥感采用的电磁波段可以从紫外线紫外线一直到一直到微波波段微波波段73黑体辐射：绝对黑体、吸收率、反射率黑体辐射：绝对黑体、吸收率、反

29、射率普朗克定律普朗克定律黑体辐射的三个特性黑体辐射的三个特性1.2.1 1.2.1 物体的发射辐射物体的发射辐射- -黑体辐射黑体辐射小结小结第一章第一章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础辐射源辐射源自然辐射源：自然辐射源：太阳辐射、地球的电磁辐射人工辐射源：人工辐射源：微波辐射源、激光辐射源741.2.2 1.2.2 物体的发射辐射物体的发射辐射- -太阳辐射太阳辐射太阳辐射的特点太阳辐射的特点太阳光谱是连续的，其辐射特性与黑体基本一致。近紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。近紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。被动主要利用可见光、红外波段等稳定辐射。被动主要利用可见光、红外波段等稳

30、定辐射。海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外的曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。1.2.3 1.2.3 大气对辐射的影响大气对辐射的影响 (1)(1)大气的垂直分布大气的垂直分布 (2)(2)大气对太阳辐射的大气对太阳辐射的吸收、散射及反射吸收、散射及反射 在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收；在可见光在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收；在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起的衰减。波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起的衰减。 引起大气吸收的主要成分：氧气、臭氧、水、二氧化碳；引起大气吸收的主

31、要成分：氧气、臭氧、水、二氧化碳； 散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶气溶胶微粒大小之间的相对微粒大小之间的相对关系而变关系而变, , 主要有主要有米氏散射、均匀散射、瑞利散射米氏散射、均匀散射、瑞利散射等。等。 751.2.3 1.2.3 大气对辐射的影响大气对辐射的影响 (3)(3)大气窗口大气窗口 0.30 1.15m大气窗口大气窗口 1.32.5m大气窗口：属大气窗口：属于近红外波段。于近红外波段。 3.55.0m大气窗口：属大气窗口：属于中红外波段。于中红外波段。 814m热红外窗口：热热红外窗口：热红外窗口，透射率为红外窗口，透射率为

32、80%左右，属于地物的发射波左右，属于地物的发射波谱。谱。 1.0mm1m微波窗口。微波窗口。76 发射率发射率= = W/ W。 主要地物的发射率主要地物的发射率 等效黑体温度等效黑体温度4TT等效771.2.4 1.2.4 物体的发射辐射物体的发射辐射- -一般物体的发射辐射一般物体的发射辐射 基尔霍夫定律：在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收基尔霍夫定律：在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐率之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度。射通量密度。 WW任何材料的发射率等于其吸收率任何材料的发射率等于其吸收率 吸收功率

33、、透射功率和反射功率之间的关系：吸收功率、透射功率和反射功率之间的关系： 对于不透射电磁波的物体对于不透射电磁波的物体111.3 1.3 地物的反射辐射地物的反射辐射地物的反射类别地物的反射类别光谱反射率、光谱反射率、反射光谱特性曲线（植被、土壤、水体）反射光谱特性曲线（植被、土壤、水体）影响光谱反射率变化的因素影响光谱反射率变化的因素78地物波谱特性的概念及其测定原理地物波谱特性的概念及其测定原理1.4 1.4 波谱特性的测定波谱特性的测定 第二章 遥感平台及运行特点79内容提纲遥感平台的种类遥感平台的种类卫星轨道及运行特点卫星轨道及运行特点陆地卫星及轨道特征陆地卫星及轨道特征802.1遥感

34、平台的种类 遥感平台：遥感中搭载遥感器工具的统称 按平台距地面的高度大体上可分为三类:地面平台、航空平台、航天平台。 818283目前的各国对地观测卫星平台目前的各国对地观测卫星平台 美国海洋测高卫星欧洲气象卫星印度相干雷达卫星中国风云气象卫星美国地球观测系统法国地球观测系统美国陆地卫星加拿大雷达卫星欧洲遥感卫星美国国家海洋和气象卫星美日热带降雨测量卫星 日本静止气象卫星 印度遥感卫星美国静止气象卫星 2.2 卫星轨道及运行特点轨道参数轨道参数卫星坐标的测定和解算卫星坐标的测定和解算卫星姿态角卫星姿态角其他一些常用参数其他一些常用参数842.2.1 轨道参数 升交点赤经 近地点角距 轨道倾角i

35、 卫星过近地点时刻T 卫星轨道的长半轴a 卫星轨道的偏心率e以上六个参数可以根据地面观测来确定。e、a、H、i85轨道方向轨道形状 卫星在轨道上的位置 2.2.2 卫星坐标的测定和解算 星历表法解算卫星坐标 卫星在地心直角坐标系中的坐标 卫星在大地地心直角坐标系中的坐标 卫星的地理坐标 用GPS测定卫星坐标 862.2.3 卫星姿态角 针对遥感影像的几何变形进行几何校正 定义卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为x轴，垂直轨道面的方向为y轴，垂直xy平面的为z轴，则卫星的姿态有三种情况：绕x轴旋转的姿态角 ，称之为滚动；绕y轴旋转的姿态角 ，称俯仰；绕z轴旋转的姿态角 ，称航偏。 87(Y

36、)(X)(Z)卫星姿态角的测定 姿态测量仪 红外姿态测量仪恒星摄影机陀螺仪 GPS 88姿态测量仪 利用地球与太空温差达287K这一特点，以一定的角频率，周期地对太空和地球作圆锥扫描，根据热辐射能的相位变化来测定姿态角。相位差就是姿态角。 一台这样的仪器只能测定一个姿态角 89恒星摄影机 恒星摄影机至少摄取3-5颗五等以上的恒星(眼睛看到最暗弱的恒星做为六等星 )，并精确记录卫星运行时刻，再根据恒星星历表、摄影机标称光轴指向数据等解算姿态角。 90GPS测姿 同时接收四颗以上GPS卫星的信号，反算出每台接收机上的三维坐标，借助载体移动间接解算出摄影机的三个姿态角。 GPS不会随时间的长短而发生

37、测量精度上的变化 ，无姿态飘移912.2.4 其它一些常用参数 卫星速度 卫星运行周期 卫星高度 同一天相邻轨道间在赤道处的距离 每天卫星绕地圈数 重复周期922.3 陆地卫星及轨道特征陆地卫星陆地卫星高分辨率卫星高分辨率卫星高光谱卫星高光谱卫星雷达雷达类卫星类卫星小卫星小卫星93陆地卫星的轨道特征近圆形轨道近圆形轨道近极地轨道近极地轨道与太阳同步轨道与太阳同步轨道可重复轨道可重复轨道94近圆形轨道 使在不同地区获取的图像比例尺一致。 使得卫星的速度也近于匀速，便于扫描仪用固定扫描频率对地面扫描成像，避免造成扫描行之间不衔接的现象。9596地球静止轨道地球静止轨道近极地轨道近极地轨道遥感卫星一

38、般有两种绕地球飞行方式：静止轨道和遥感卫星一般有两种绕地球飞行方式：静止轨道和近极地轨道。静止轨道可以定点观测，而极地轨道近极地轨道。静止轨道可以定点观测，而极地轨道（圆形）则可定期观测。（圆形）则可定期观测。地球静止轨道 又称“地球同步轨道”。地球同步轨道中倾角为0时的一种特殊圆形轨道。人造卫星与地面相对静止，固定在赤道上空，距地面高度为35786千米（在距离地球约36000千米的空间中有一个引力平衡的地带），可覆盖约40%的地球面积。气象卫星、通信卫星和广播卫星常采用这种轨道。 由于地球摄动的存在，地球同步卫星会以赤道面为平衡位置做南北向的8字周期运动，星下点也呈8字，地球同步卫星加上轨道

39、控制，保持星下点不变，就成了地球静止卫星。 97近极地轨道 轨道的倾角接近90 有利于增大卫星对地面总的观测范围 利用地球自转并结合轨道运行周期和图像刈幅（长而宽的地带）宽度的设计，可以观测到南北纬81之间的广大地区。 LandSat，SPOT，IKONOS，QUICKBIRD，风云系列，中巴资源98太阳同步轨道 卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向。 轨道的倾角接近90度，卫星要在两极附近通过，因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。 有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测。 有利于卫星在固定的时间飞临地面接收站上空，并使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度。 99可重复轨道 轨道重复周

40、期 轨道的重复性有利于对地面地物或自然现象的变化做监测100分辨率1.光谱分辨率光谱分辨率: : 光谱分辨率是指遥感器各波段光谱带宽，表示传感器对地物光谱光谱分辨率是指遥感器各波段光谱带宽，表示传感器对地物光谱的探测能力，它包括遥感器总探测波谱的宽度、波段数、各波段的探测能力，它包括遥感器总探测波谱的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。若遥感器所探测的波段愈多，每个波段的波的波长范围和间隔。若遥感器所探测的波段愈多，每个波段的波长范围愈小，波段间的间隔愈小，则它的光谱分辨率愈高。遥感长范围愈小，波段间的间隔愈小，则它的光谱分辨率愈高。遥感器的光谱分辨率高，它取得的图像就能很好地反映出地物的光

41、谱器的光谱分辨率高，它取得的图像就能很好地反映出地物的光谱特性，不同地物间差别在图像上就能很好地体现出来，遥感器探特性，不同地物间差别在图像上就能很好地体现出来，遥感器探测地物的能力就强。测地物的能力就强。2. 2. 空间分辨率空间分辨率 指遥感图像像元所对应的探测地面单元大小。象元所对应的地面指遥感图像像元所对应的探测地面单元大小。象元所对应的地面范围称之为瞬时视场。空间分辨率的大小由平台高度和瞬时视场范围称之为瞬时视场。空间分辨率的大小由平台高度和瞬时视场角决定。对光机扫描图像来讲，地面分辨率随象点的位置不同而角决定。对光机扫描图像来讲，地面分辨率随象点的位置不同而变化，在星下点最高，且纵

42、向分辨率和横向分辨率相等；其他位变化，在星下点最高，且纵向分辨率和横向分辨率相等；其他位置的地面分辨率从中间向两边逐渐降低，且纵向分辨率和横向分置的地面分辨率从中间向两边逐渐降低，且纵向分辨率和横向分辨率不等。辨率不等。101分辨率 3. 3. 辐射分辨力与数据量化等级辐射分辨力与数据量化等级 辐射分辨率是指传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射分辨率是指传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。辐射度差。在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。系统的最小可分辨辐射差值，即置信电平，受系统噪声限系统的最小可分辨辐射差值，即置信电平，受系统噪声限制。辐射

43、分辨力由最小可分辨的辐射差值决定，辐射分辨制。辐射分辨力由最小可分辨的辐射差值决定，辐射分辨力高，图像的对比度就高，可测量微小的辐射能变化，它力高，图像的对比度就高，可测量微小的辐射能变化，它与传感器电子系统的动态范围（采样数据的量化）和信噪与传感器电子系统的动态范围（采样数据的量化）和信噪比等有关。比等有关。 4. 4. 时间分辨率：时间分辨率： 指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样时间频指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样时间频率，也称重访周期。率，也称重访周期。1022.3.1 陆地卫星系列 LandsatLandsat系列（美国）系列（美国） SPOTSPOT系列（法国）系

44、列（法国） IRSIRS系列（印度）系列（印度） ALOSALOS（日本）（日本） CBERSCBERS系列（中国）系列（中国） FORMOSATFORMOSAT系列（中国台湾）系列（中国台湾）103Landsat系列 1972年7月23日美国发射了第一颗气象卫星TIROS-1，后来又发射了Nimbus（雨云号），在此基础上设计了第一颗地球资源技术卫星（ERTS-1），后改名为Landsat-1。 从1972年至2000年美国共发射了7颗Landsat系列卫星，已连续观测地球达30年。最后一颗卫星Landsat-7于1999年4月15日发射，预计寿命为5年。 遥感技术发展的里程碑，后续卫星La

45、ndsat-8在2013年11月发射。104Landsat系列卫星发射时间表105Landsat 13 轨道特点 近圆形轨道 近极地轨道 与太阳同步轨道 可重复轨道 传感器 反束光导管摄像机（RBV） 多光谱扫描仪（多光谱扫描仪（MSS 4bandsMSS 4bands） 宽带视频记录机（WBVTR） 数据收集系统（DCS） 空间分辨率空间分辨率8080米米106Landsat轨道的重复性陆地卫星运行周期为陆地卫星运行周期为103.267min103.267min，卫星每绕地面一圈，卫星，卫星每绕地面一圈，卫星进动修正后，地球赤道由西往东旋转了约进动修正后，地球赤道由西往东旋转了约2866km

46、2866km，即第二条，即第二条运行轨迹相对前一条运行轨迹在地面上西移运行轨迹相对前一条运行轨迹在地面上西移2866km2866km。 107轨道看上去这么稀疏，怎么实现地表全覆盖？一天绕了地球几圈呢？2460min/103.267min=13.9444353圈第15圈在赤道的哪里呢？2866km(14-13.9444353)2866km=159km1512每天少绕0.0555647圈，累计后会怎样？(14-13.9444353)18=143 2957159km239重复周期18天偏移系数-1邻轨距离159km718599113127141155169183197211225915km2866

47、km915km159kmLandsat 4/51982年美国在Landsat 1-3的基础上，改进设计了Landsat-4卫星，并发射成功。1984年又发射了Landsat-5卫星，与Landsat-4完全一样。轨道特点 近圆形轨道 近极地轨道 与太阳同步轨道 可重复轨道 轨道高度下降 传感器 多光谱扫描仪（多光谱扫描仪（MSS 4bandsMSS 4bands） 专题制图仪（专题制图仪（TM 7bandsTM 7bands） 空间分辨力空间分辨力3030米米109Landsat-3与Landsat-4/5轨道参数表 110Landsat 7 1999年4月15日发射LandSat 7 传感器

48、 多光谱扫描仪（MSS 4bands） 增强型专题制图仪（增强型专题制图仪（ETM+ 7bandsETM+ 7bands） 空间分辨力30米 全色波段分辨率为全色波段分辨率为1515米米 存储能力强 380Gbit 数据传输速度块 150Mbit/s111Landsat-4/5与Landsat-7卫星轨道参数表 112August 14, 1999 (left) and October 17, 1999 (right) images of the Salt Lake City area 113SPOT卫星 “SPOT”法文Systeme Probatoired Observation dela

49、 Tarre缩写，是法国空间研究中心（CNES）研制的一种地球观测卫星系统，主要用于地球资源遥感。 1986年2月法国发射第一颗陆地卫星（SPOT-1） 2002年5月4日法国发射陆地卫星（SPOT-5） 114SPOT卫星轨道参数115SPOT卫星发射时间 HRV 高分辨率成像仪 VI 植被测量仪 Poam3 极地臭氧和气溶胶测量仪 116SPOT卫星传感器 SPOT-1，2，3 2台探测器:HRV（high resolution visible） SPOT-4 HRVIR(high resolution visible and infrared ) 植被检测仪器（VI,Vegetation

50、 Instrument） SPOT-5 高分辨率几何成像仪（HRG, high resolution Geometry ）高分辨率立体成像仪（HRS, high resolution stereoscopy ）117HRV118SPOT卫星HRV和VI探测器技术指标探测器HRVHRVIRVI卫星SPOT1-3SPOT4SPOT4波段(m)0.430.470.500.59PAN 0.510.730.610.680.790.891.581.75分辨率 20m10m20m20m 扫幅 60km60km60km60km 分辨率 20m10m20m20m20m扫幅 60km60km60km60km60k