遥感的物理基础 (2)幻灯片.ppt

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1、遥感的物理基础第1页，共36页，编辑于2022年，星期三第2页，共36页，编辑于2022年，星期三第3页，共36页，编辑于2022年，星期三二、电磁波谱（Electromagnetic Spectrum）（1）近红外（NIR）其中0.761.4um为摄影红外 （2）中红外（MIR）（3）远红外（FIR）（4）超远红外（UFIR）后3者合称为“热红外”，对地表热量（温度）差异敏感，红外夜视仪原理 城市热岛效应监测等但它在云、雾、雨中传播时衰减严重，因而不是全天候遥感4 微波（Microwave）主动遥感，全天候。1mm1m第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础第4页，共36页，编辑于2022年，

2、星期三三、大气窗口（Atmospheric Window）是指在大气中传播受到衰减作用较轻因而透射率较高的电磁波段遥感中常用的大气窗口如下：第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础Transmissivity第5页，共36页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础四、大气对太阳辐射的效应 1 太阳辐射 是地球上能量的主要来源 约5.11024 J是遥感的主要辐射源 光源和热源。太阳辐射主要集中在0.33um.2 大气组成 大气对电磁波传输过程的影响包括5个方面：散射（Scattering）、吸收 （Absorption）、扰动（Turbulence）、折射（Refract

3、ion）和偏振 （Polarizaion），而对于遥感数据而言，最主要的因素是散射和吸收。由于大气 分子和气溶胶粒子的影响，太阳辐射的电磁波在大气层传输时一部分被吸收，一部分被散射，剩下的部分穿过大气层到达地面；地物反射或本身辐射的电磁波 部分被吸收，部分被散射，部分到达传感器的接收系统；大气本身的反射或辐射 同时也进入传感器。所以，传感器接收的电磁波辐射既有地物的辐射又有大气的 辐射“综合辐射”，其中地物辐射是所需要的“信号-Signal”，大气辐射是遥感过程 应当尽量减弱其效应的“噪声-Noise”，由于综合辐射，就会降低遥感图像的“信噪比”（Signal to Noise Ratio，S

4、/N比），表现为图像模糊。气态成分：N2、O2、H2O、CO、CO2、CH4、O3等 固态成分：尘埃、冰晶、盐晶、气溶胶等 3 大气厚度对太阳辐射的影响 4大气对太阳辐射的吸收作用（选择性吸收，Selective Absorption）第6页，共36页，编辑于2022年，星期三Selective Absorption-选择性吸收v氧（O2）吸收带：主要吸收波长小于0.2um的太阳辐射，其中 0.155um吸收最强，0.6um和0.76um附近有一窄吸收带，吸收能力较弱。v臭氧（O3）吸收带：一个是波长0.20.36um的强吸收带，另一个是0.6um处对太阳的最强吸收。臭氧主要分布在30km高度

5、附近，因此对高度小于10km的航空遥感影响较小，主要对航天遥感有影响。v水汽（H2O)吸收带：主要吸收处于红外和可见光中的红光波段，其中红外部分是强烈吸收，所以大气中水汽对红外遥感影响最大。v二氧化碳（CO2）吸收带：吸收作用主要在红外区。如1.35-2.85um有3个宽弱吸收带，另外在2.7、4.3和14.5um为强吸收带。“监测城市大气中二氧化碳的分布与浓度”非常有效。v尘埃 它对太阳辐射有一定的吸收作用，但吸收量很少，当有沙暴、烟雾和火山爆发时，大气中尘挨急剧增加，这时其吸收作用才比较明显。第7页，共36页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础四、大气对太阳辐射

6、的效应 5 大气散射（Scattering）前面的吸收作用是将电磁波能量转换为分子热运动的热能，而散射只是改变电磁波的传播方向，并没有能量转换。（1）瑞利（Rayleigh）散射分子散射 发生条件：当微粒直径D电磁波波长 散射效应（规律）：散射系数 与波长无关 应用：解释 为何雨天的天空灰蒙蒙的？第8页，共36页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础五、地物波谱五、地物波谱 定义定义：是指地物发射、反射和吸收电磁波的能力随波长的变化规律 内涵：内涵：a 发射、反射和吸收之间的比例不同地物之间差异很大，主要取决于地物的类型和性质。b 地物发射、反射和吸收电磁波的能力是波

7、长的函数，即同类地物其发射、反射和吸收在不同波长处差异很大。重要性：重要性：a 是选择传感器工作波段的基础 b 是分析、判读遥感图像的基础 c 是遥感图像计算机自动分类的基础 d 可以反映地物的时空差异性第9页，共36页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础五、地物波谱五、地物波谱 (一一)地物的反射波谱地物的反射波谱 1 同一地物在不同波段上反射率存在差异 因此在不同波段遥感图像上呈现不同的色调2 不同地物在同一波段的反射率存在差异，这为选择诊断波段提供了依据第10页，共36页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础五、地物波谱五、地物波谱

8、(一一)地物的反射波谱地物的反射波谱 “植被的陡坡效应植被的陡坡效应-红边效应红边效应”植被在绿光有一反射小峰在近红外有一反射高峰，是其3到5倍。第11页，共36页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础五、地物波谱五、地物波谱 (一一)地物的反射波谱地物的反射波谱 “要注意地物光谱特征的时空变化要注意地物光谱特征的时空变化”第12页，共36页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础五、地物波谱五、地物波谱 (二二)地物的发射波谱地物的发射波谱 1地物温度高于绝对地物温度高于绝对0度，就存在分子热运动，就会向外辐射电磁波。地物温度，就存在分子热运

9、动，就会向外辐射电磁波。地物温度的高低决定了发射电磁波能量大小及光谱成分。度的高低决定了发射电磁波能量大小及光谱成分。2地物发射率与地物的性质、表面状况（如粗糙度、颜色等）有关，且是温度与波长的地物发射率与地物的性质、表面状况（如粗糙度、颜色等）有关，且是温度与波长的函数。同一地物，粗糙或颜色深的其发射率较表面光滑或颜色浅要高；不同温度的同函数。同一地物，粗糙或颜色深的其发射率较表面光滑或颜色浅要高；不同温度的同一地物，有不同的发射率。一地物，有不同的发射率。3物体表面温度主要受地物本身物理性质的影响，如地物的比热、热导率、热扩散物体表面温度主要受地物本身物理性质的影响，如地物的比热、热导率、

10、热扩散率及热惯量等，其中比热和热惯量的影响较大。率及热惯量等，其中比热和热惯量的影响较大。4 比热是指物质存储热的能力（即比热是指物质存储热的能力（即1g物质，温度升高物质，温度升高1C所需的热量大小）；热惯所需的热量大小）；热惯量是度量物质热惰性大小的物理量，也是两种物质界面上热传导速率的一种度量。量是度量物质热惰性大小的物理量，也是两种物质界面上热传导速率的一种度量。5 比热大，热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率（比热大，热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率（Emissivity）大，）大，反之，发射率较小。水体，白天和夜间热特性反之，发射率较小。水体，白天和夜间热特性

11、第13页，共36页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础六、摄影材料及技术六、摄影材料及技术 （一）黑白感光材料的结构及功能（一）黑白感光材料的结构及功能 2 感光层 卤素银盐、明胶、光学增感染料 感光 使银盐颗粒均匀分散 开来 调节感光能力感光材料指胶片胶片(Films)和相纸和相纸(Printing Paper)，两者只在片基上有差异防光晕、防静电、防卷曲第14页，共36页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础六、摄影材料及技术六、摄影材料及技术 （二）黑白感光材料的特性曲线（二）黑白感光材料的特性曲线 定义：是表征感光材料感光后变黑的程

12、度与暴光量关系的曲线定义：是表征感光材料感光后变黑的程度与暴光量关系的曲线 1 光学密度（光学密度（Optical Density)阻光率阻光率Q 透光率透光率 2 暴光量（暴光量（Exposure Amount）光照度（）光照度（illumination)与与 暴光时间（暴光时间（Exposure Period）的乘积，常取对数。）的乘积，常取对数。光照度由相机（光照度由相机（Camera、Lens、Focus）的光圈（）的光圈（Aperture）控制）控制 暴光时间由快门（暴光时间由快门（Shutter）调节）调节 3 特性曲线特性曲线（Feature Curve）第15页，共36页，编辑

13、于2022年，星期三黑白感光材料的特性曲线Sensitometric Characteristic Curve第16页，共36页，编辑于2022年，星期三对特性曲线的理解1A0至A “灰雾密度“生产或存贮过程有轻微暴光所致2A至B “趾部”暴光不足部分，再现目标物中较暗的部分之间的差异 要求其（长 or 短?）3B至C “直线部分”感光材料唯一能正确记录景物明暗差异部分 越长，表明该感光材料对景物明暗差异的记录能力越强4C至D “肩部”暴光过度部分，表达地物较亮部分间的差异能力强5超过D “反转部分”,暴光量继续增加而光学密度反而降低第17页，共36页，编辑于2022年，星期三（三）黑白感光材

14、料的主要性能1感光度（片速）：感光材料对光的灵敏程度的定量表达，呈反相关关系。2反差性：感光片上记录的景物影像的明暗差异与被摄景物实际明暗差异之比，即：表达的是特性曲线的直线部分的斜率，称为反差系数（Contrast Coefficient）：若 1,此感光材料成像后会扩大原始景物间的亮度差异（硬性）若 =1,此感光材料成像后会保持原始景物间的亮度差异 若 1,此感光材料成像后会抑制原始景物间的亮度差异（软性）3 宽容度（Exposure Latitude）：是指感光材料按比例记录被摄景物明暗 范围的大小。范围越大，能正确记录景物明暗层次越丰富。就是特性曲线中lgH的宽度。4颗粒度（Grain

15、 Size）：是指感光乳剂层中AgBr微粒直径的大小，越小 生成影像越细腻。第18页，共36页，编辑于2022年，星期三5分辨率（Resolution）与清晰度（Definition）分辨率反映感光材料对景物细微结构清晰记录的能力 影响航空像片分辨率的因素有：A 相机镜头分辨率 B 感光材料中银盐颗粒D的大小 C 冲洗水平三者综合作用后的分辨率即为航片分辨率。6感色性 感光材料对色光的敏感范围和敏感程度7保存性（Quality of Preservation）是指感光材料的主要性能不发生明显变化所经历的一定时间和所需要的一定条件。时间越短，条件越苛刻，则这种 感光材料的保存性越差。第19页，共

16、36页，编辑于2022年，星期三（四）成像过程v感光 AgBr见光分解，在胶片上形成潜影v显影 将潜影成比例的放大，要控制显影液的温度、浓度 显影时间v定影 将剩余的未感光的AgBr洗去v清水冲洗 避免药水（Na2S2O3）分解将胶片氧化而发黄v印相 将胶片上的影像重复上述过程转移到相纸上第20页，共36页，编辑于2022年，星期三Negative-to-positive sequence of photography Negative film exposurePaper print enlargementContact printing第21页，共36页，编辑于2022年，星期三（五）彩色

17、原理v色彩分为消色和彩色两种，消色指黑、白以及界于两者间灰色；彩色根据人眼视觉特征区分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，时粗分为红、绿、蓝三色v色彩的生理基础 视网膜上的视细胞、神经末梢、中枢神经共同构成色彩的生理基础。基于未通过生理学、解剖学证明的假设，将视细胞分为锥状细胞、杆状细胞。锥状细胞分布于黄斑区，能检测亮度和颜色信息，每个细胞连一神经末梢因此其分辨率高，能检测目标细节，在强光条件下起作用第22页，共36页，编辑于2022年，星期三 杆状细胞只能检测亮度信息，多个细胞连一神经末梢因此其分辨率低，能检测目标总体轮廓，在弱光条件下起作用 利用上述假设能解释生活中的现象。（交通灯问题）色彩三要

18、素 1 色调（Hue,色相或色别）决定于彩色光的光谱成分，反映 色光在“质”方面的差异 2 饱和度（Saturation）决定于色光中混入白光的数量，“类似与溶液的稀释效应”，混入白光越多则饱和度 越低，它是色光“纯度”的表达 3 亮度（Intensity）决定于色光的能量，反映色光在“量”方面 的特征v注意：光谱成分决定了光的颜色，但某种颜色的光与光谱成分不是一对一的关系。第23页，共36页，编辑于2022年，星期三v色彩合成 A 加色法 用于物理学、计算机中颜色合成 是指用两种或两种以上的原色按一定比例混合而得到新颜色的方法，就成为加色法。几个基本概念：（1）相加三原色：红、绿、蓝，它们不

19、能由其它颜色合成，它们按一定比例组合可以合成任何色彩。某种色彩=aR+bG+c B,只需改变3者的比例，即可 合成任何色彩。（2）互补色：若两种色光等量混合而得到白色，则这两种 色光互为补色。（3）加色法合成原理 第24页，共36页，编辑于2022年，星期三加加色色法法色色彩彩合合成成原原理理CyanYellowFuchsine第25页，共36页，编辑于2022年，星期三 B 减色法 常用于颜料色混合、印刷出版业 是指颜料吸收了白光中一种或一种以上的原色将剩余色光反射出来而获 得新颜色的方法 减色法三原色：黄、品红、青第26页，共36页，编辑于2022年，星期三(六)天然彩色片v胶片感光层中是

20、染料而非银盐颗粒，又称为真彩色（True Color or Natural Color）v天然彩色片的结构第27页，共36页，编辑于2022年，星期三Yellow dye-forming layerMegenta dye-forming layerCyan dye-forming layerStructure and sensitivity of color film(generalized cross section)第28页，共36页，编辑于2022年，星期三Spectral sensitivities of the three dye layers第29页，共36页，编辑于2022年，星

21、期三v天然彩色片的成色原理第30页，共36页，编辑于2022年，星期三v彩色红外片（False Color-假彩色，伪彩色-Pseudo Color）第31页，共36页，编辑于2022年，星期三Structure and sensitivity of color IR film(generalized cross section)第32页，共36页，编辑于2022年，星期三Spectral sensitivities of the three dye layers第33页，共36页，编辑于2022年，星期三v彩色红外片成色原理从上述成色原理看出：彩红外片上成像色彩与景物的颜色不一致，因此称为“

22、假彩色”分析：1 健康的绿色植被在彩红外片上呈什么色调？2 感病初期的绿色植被在此片种上呈什么色调？3 濒临死亡的植被在此片种上呈什么色调？第34页，共36页，编辑于2022年，星期三v1健康植被反射绿光在负片上形成黄色染料，到正片后为蓝色（黄色的补色）；同时健康植被强烈反射红外，在负片上形成青色染料，在正片上为红色（青的补色）。因此，正片上就是红+蓝=品红，但由于健康植被反射红外的能力是反射绿光能力的35倍，因此正片上应是红占优势，所以，健康的绿色植被在彩红外片上应是 红 品红v2 感病初期绿色植被从肉眼看还呈现绿色，但此时其光谱特性已经有了明显的变化，其反射绿光和红外的能力迅速下降，并且由于细胞结构的病变其反射红外的能力与绿光的能力基本一致，所以理论上正片应该是品红色调，但品红变淡，就是俗称“暗红”色调。v3 濒临死亡的植被，肉眼检测呈现黄色并不再反射红外，因此在负片上为红色，到正片后为“青”色。第35页，共36页，编辑于2022年，星期三第36页，共36页，编辑于2022年，星期三