遥感物理基本概念省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖PPT课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第二章 基本概念,遥 感 物 理,第一节 基本定义,2.1.1,表征电磁辐射物理量,2.1.2,电磁波与介质相互作用,2.1.3,物体表面反射特征,2.1.4,遥感数据定标,1,1/48,辐射能量 Q,电磁辐射是含有能量，它表现在：,使被辐照物体温度升高,改变物体内部状态,使带电物体受力而运动,辐射能量（Q）单位是焦耳（J）,2,2/48,辐射通量(radiant flux),在单位时间内经过辐射能量称为辐射通量：,=Q/t,辐射通量（,）,单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）,3,3/48,辐射通量密度(irradiance)E、(radiant exitance)M,单位面积上辐射通量称为辐射通量密度：,E,辐照度,=/A M,辐射出射度,=/A,辐射通量密度,单位是瓦/米,（W/m,）,辐射源,辐照度,辐射出射度,被辐照物,辐射体,法向,4,4/48,辐射强度(radiant intensity)I,辐射强度是描述点辐射源辐射特征，指在某一方向上单位立体角内辐射通量：,I=/,辐射强度（I,）,单位是瓦/球面度（W/Sr）,辐射强度,点辐射源,=A/R,2,、4,各向同性源？,5,5/48,分谱辐射通量,辐射通量是波长,函数，,单位波长间隔内辐射通量称为分谱辐射通量：,=/,分谱辐射通量,单位是瓦/微米（W/,m,）,辐射通量,波长,6,6/48,分谱？,分谱辐射通量,分谱辐照度、分谱辐射出射度,分谱辐射强度,“分谱”两字能够忽略,7,7/48,辐射亮度(radiance)L,单位面积、单位波长、单位立体角内辐射通量称为辐射亮度：,L=/A ,辐射亮度（L,）,单位是瓦/米,微米,球面度（W/m,m,Sr）,亮度,L,面辐射源,立体角,A,图中出射辐射亮度是多少？,8,8/48,小 结,辐 射 度 量 一 览 表,辐射量,符号,定义,单位,辐射能量,Q,焦耳(J),辐射通量,(2),Q/t(),瓦(W),辐照度,E,(2),/A(),瓦/米,(W/m,),辐射出射度,M,(2),/A(),瓦/米,(W/m,),辐射强度,I,(2),/(),瓦/球面度(W/Sr),辐射亮度,L,2(3),/A (),瓦/米,球面度(W/m,Sr),9,9/48,太阳辐射,太阳发射电磁辐射（辐照度）在地球大气顶层随波长分布称为,太阳光谱,。,极大值位于0.47,m,，维恩位移定律,max,T=2.8978,10,-3,mK,，色温,T,sun,?,Wiens displacement law,夫琅和费(Fraunhofer)吸收线,10,10/48,太阳常数,在日地平均距离处经过与太阳光束垂直单位面积上太阳辐射通量称为太阳常数。,F,0,=1353(21)W/m,2,(1976,NASA),太阳常数是对太阳光谱积分。太阳总辐射和表面辐出度分别是多少？,太阳对地球张角很小(9,)，所以太阳光能够认为是平行光束。,0,左图大气顶通量密度为,F=F,0,(d,m,/d),2,cos,0,0.9674(d,m,/d),2,界面粗糙度），则反射是镜面。,n,1,n,2,24,24/48,菲涅耳公式表征了反射辐射与透射辐射强度：,对于水平极化，振幅反射比：,补充知识：任一振动方向电磁波总能够分解为两个特定偏振（极化）方向。电矢量E振动面垂直入射面线偏振称为水平极化，平行入射面线偏振称为垂直极化。,对于垂直极化，振幅反射比：,25,25/48,透射比公式自习,电磁波强度正比于振幅平方，所以两种极化反射率分别为：R,h,=(r,h,),、,R,v,=(r,v,),当电磁波垂直入射时r,h,与r,v,绝对值相等：,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偏振波，所以用镜面反射方法能够得到线偏振波束。此时入射角称为起偏角，又称为布儒斯特（Brewster）角：,p,=tan,-1,(n,2,/n,1,),26,26/48,两种不一样相对折射系数（n=3及n=8）介质反射率与入射角关系,（实线为水平极化，虚线为垂直极化）,若入射辐射无偏振，反射辐射通常是偏振。,水与空气间相对折射率n,2,/n,1,=1.3，对应布儒斯特角约为？,27,27/48,再来看一下从真空中垂直入射物体表面情况，反射率：,R=R,h,=R,v,=(n-1)/(n+1),以N,r,和N,i,分别代表折射系数n实部和虚部（n=N,r,+iN,i,），则：,在远离强吸收带谱区，N,i,N,r,，于是：,R,1,R=(N,r,-1)/(N,r,+1),28,28/48,所以，假如频带较宽电磁波发生镜面反射时，反射波中含有表面物质吸收带附近相当大部分谱区能量，这便是余射效应。,对于镜面反射，,吸收谱线附近反射能增加,对于实际地物反射，,吸收谱线附近反射能降低,0,R,0,R,29,29/48,漫反射,实际上多数自然表面对辐射波长而言都是粗糙表面。当目标物表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射反射辐射亮度在以目标物中心2空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观察角度而变，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。,严格讲自然界中只存在近似意义下朗伯体。只有黑体才是真正朗伯体。,30,30/48,回想辐射亮度：,L=/A ,关于天顶角,在表述辐射中作用：,若辐射亮度为L,0,辐射，以入射角,0,，辐射到物体表面，,则入射辐射亮度L,i,为：L,i,=L,0,cos,0,设朗伯体反射率为,，则出射辐射亮度L,r,与L,0,关系为？,辐射出射度Mr与L,0,？,0,31,31/48,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。产生方向反射物体在自然界中占绝大多数，即它们对太阳短波辐射散射含有各向异性性质。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”假设。,当前大部分应用还都采取朗伯近似。,描述方向反射不能简单用反射率表述，因为各方向反射率都不一样。,32,32/48,地物波谱特征与方向谱特征,对非朗伯体而言，它对太阳短波辐射反射、散射能力不但随波长而变，同时亦随空间方向而变。,所谓地物波谱特征是指该地物对太阳辐射反射、散射能力随波长而变规律。地物波谱特征与地物组成成份，物体内部结构关系亲密，通俗讲地物波谱特征也就是地物颜色特征。,而地物方向特征是用来描述地物对太阳辐射反射、散射能力在方向空间改变，这种空间改变特征主要决定于两种原因，其一是物体表面粗糙度，它不但取决于表面平均粗糙高度值与电磁波波长之间百分比关系，而且还与视角关系亲密。,33,33/48,双向反射率分布函数(Bi-directional Reflectance,Distribution Function,BRDF),设波长为，空间含有,分布函数入射辐射，从(,0,，,0,),方向，以辐射亮度L,0,(,0,，,0,，,),投射向点目标，造成该点目标辐照度增量为dE(,0,，,0,，,),=L,0,(,0,，,0,，,)cos,0,d,。传感器从方向(,，,),观察目标物，接收到来自目标物对外来辐射dE反射辐射，其亮度值为dL(,，,，,),。,则定义双向反射率分布函数：,34,34/48,双向反射率分布函数（BRDF）物理意义是：来自方向地表辐照度微增量与其所引发方向上反射辐射亮度增量之间比值。,对于理想漫反射体（指反射率为100%朗伯体）：,对于反射率为,朗伯体，f=?,35,35/48,这么定义BRDF为何能够恰当地表示地物非朗伯体特征呢？,众所周知，在现实世界中投射到地物表面上辐射能量往往有两部份组成，即来自太阳直射辐射与天空散射辐射，而传感器在方向上测得辐射亮度是空间入射辐射场综合效应，它不但与该点地物反射特征相关，而且与辐射环境（即入射辐射亮度空间分布函数）相关。,（为了摆脱辐射环境影响，我们采取两个办法：其一，设定入射辐射场为分布函数，其二，采取比值形式。）,36,36/48,这么定义 f 有以下三个特点：,与辐射环境无关，它仅与该地物反射辐射特征相关，而且含有(Sr),-1,因次。,它是,0,，,0,，,，,，,五个自变量函数，在2,空间中不论是入射还是反射都有没有穷多个方向。,（从概念上说要完整地表示一个物体非朗伯体特征需要有没有穷多个测量数据，而且这组无穷多个测量数据仅与一个详细对象相联络，比如对某一棵树BRDF测量结果普通不一样于对另一棵树测量结果。实际上它使得对物体非朗伯体描述几乎成为不可能。所以主要问题是能否对一类地物建立一个模型，从无穷多个测量数据集中找到一组个数有限子集，它足以表征这类地物共同对入射辐射反射、散射特征，而且它与这类地物空间结构特征有着稳定函数关系，我们把这么特殊子集称之为这类地物方向谱。）,这么定义BRDF，即使从理论上能很好地表征地物非朗伯体特征，但在实际测量上困难较大，准确测量dE(,0,，,0,，,),很困难。,37,37/48,双向反射率因子(Bi-directional Reflectance Factor,BRF、BDRF),定义：在,相同辐照度条件,下，地物向(,，,),方向反射辐射亮度与一个,理想漫反射体,在该方向上反射辐射亮度之比值，称为双向反射率因子R：,待测目标,参考板,dL,T,dL,P,38,38/48,对于双向反射率因子（R）性质，我们应注意到：,我们在给出BRF定义时，并没有对辐射环境作任何限定，严格讲R值不但取决于目标物非朗伯体特征，而且还与辐射环境相关。所以它并不是一个理想描述地物非朗伯体特征物理量。,R与 f 有标准上不一样，二者量纲亦不相同，这充分地表明了它们区分。,假如入射（）光源对目标物所张立体角,0,，以及传感器对目标物所张立体角,都趋于无穷小，则：,当,0,与,趋近无穷小时，在数值上R为f倍，这为测定目标物f值提供了一条现实可行通道。,39,39/48,半球反射率（albedo）,定义：目标物出射度与入射度之比值称为半球反射率，通惯用符号,表示,在一些问题中我们并不需要知道辐射亮度值及其空间分布，而只需要知道辐射通量密度值，比如在求解辐射热平衡问题中，或者在讨论作物光合作用强度问题时都是如此。,半球透射？,40,40/48,严格讲要求解出射度（M），必须对2空间L值进行积分，这几乎是不可能。因为从个别方向BRDF测值中，我们无法判断目标物在2空间中反射辐射行为，所以也无法由积分求得半球反射率。,当前流行目标物半球反射率测量方法，实际上只是视角取天底角条件下BRF。假如用此值代替严格意义下半球反射率，其误差有时能够高达45%。,方向-半球反射率,41,41/48,反射特征总结：,反射分类,镜面反射,漫反射：朗伯体、F=,L,方向反射,双向反射率分布函数（BRDF）,双向反射率因子（BRF、BRDF）,半球反射率（albedo）,折射定律,布儒斯特角,42,42/48,第二章 基本概念,遥 感 物 理,第一节 基本定义,2.1.1,表征电磁辐射物理量,2.1.2,电磁波与介质相互作用,2.1.3,物体表面反射特征,2.1.4,遥感数据定标,43,43/48,辐射定标（calibration）定义,辐射定标指将接收遥感数据，通常是灰度（DN）值，转换成实际物理量（如辐射亮度、反射率等）。,通常，遥感器接收到来自目标物辐射信息后，将其转为灰度值进行存放，是为了节约空间。,Landsat TM:0-255,NOAA AVHRR:0-1023,不过，当我们开展定量分析时候，就必须重新将其转换回实际物理量。,44,44/48,L=a*DN+b,定标过程普通采取线形公式进行转换：,a(gain)、b(offset)通常能够从遥感数据头文件读出,线形区域,DN,L,线形定标公式,45,45/48,F=F,0,(d,m,/d),2,cos,0,回想大气顶通量密度为：,以及太阳常数与太阳辐射亮度关系为：,F,0,=L,0,辐射亮度定标与反射率定标转换,传感器数据（图象灰度值）经过定标后能够直接得到地表辐射亮度，设为,Ls,，怎样得到反射率,？,所以能够计算得到（大气顶部）反射率：,=Ls/L,或,=Ls/F,同理得到大气顶辐射亮度为：,L=L,0,(d,m,/d),2,cos,0,上述公式结果一样，被广泛用于预处理中反射率计算。,46,46/48,定标分类,依据定标参数获取路径和时间，能够分为：,发射前定标（prelaunch）,机（星）上定标（on-board）,地面目标物定标,47,47/48,定标时要注意,定标公式针对何种真实物理量,密度？亮度？反射率？,a是负数时，定标前后图象视觉相反,云？,定标参数确实定都是对波段波长积分,响应函数,48,48/48,