遥感数据产品的处理与分析(2遥感数据获取的信息原理)_2014

几乎没有 太阳光
传感器
几乎没有 太阳光
传感器
大气层
大气层
地球表面 被动微波
32
地球表面 主动微波
2. 地气宏观系统的辐射传输

讨论：为什么不同波长范围的遥感辐射传输原理不同
提示：太阳、地球和宇宙背景的辐射能量都集中在哪个波段
M B , T 其中：ຫໍສະໝຸດ C15 eC
1
2
kT
1
Wm-2mm-1
18
被动微波遥感信号的能量来自地表自身辐射
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.1 可见光近红外遥感的辐射传输原理
19
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.1 可见光近红外遥感的辐射传输原理
20
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.1 可见光近红外遥感的辐射传输原理
21
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.1 可见光近红外遥感的辐射传输原理
混合光谱的非线性成因
当电磁波在介质中传播时，会发生散射和吸收，其中 散射又分为反射(reflection)和透射(transmission)。 多次散射造成光谱的非线性混合。 非线性光谱混合需要用辐射传输物理模型来表述。
入射
反射
透射
53
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。
37
2. 地气宏观系统的辐射传输

地表能量平衡
38
2. 地气宏观系统的辐射传输

温室效应
39
2. 地气宏观系统的辐射传输

温室效应
过去140年CO2的增加
过去140年全球平均气温
40
第二讲：遥感数据获取的信息原理

1. 遥感概述
2. 地气系统的辐射传输

3. 地表微观系统的辐射传输
大气散射造成相邻像元的信号互相混淆 → 大气自身发射的电磁波也进入传感器 →
35
→ （大气遥感）信号
2. 地气宏观系统的辐射传输

讨论：大气对遥感信号的影响
大气窗口
0.4~1.0 mm 可见光、 近红外 3.5~4.0 mm 中红外 8~14 热红外 1mm~1m 微波
36
2. 地气宏观系统的辐射传输
48
岩石光谱
火成岩在可见光、近红外波段的 光谱特征主要是铁离子、羟基和 水所引起的。 变质岩的光谱特征主要是铁、锰、 铜等金属离子和羟基、碳酸根离 子及水所引起的。
49
红外(发射率)光谱
1.00 0.98 0.96 0.94
emissivity
不同粒径SiO2沙子的发射率光谱
0.92 0.90 0.88 0.86 0.84 0.82 0.80 8.00 8.89 10.01 wavelength 11.45 13.36
0.63-0.42mm 0.42-0.32mm 0.32-0.21mm <0.21mm
50
红外(大气透过率)光谱
51
4. 地表微观系统的辐射传输

4.1 光谱特征及混合像元光谱
像元光谱的线性混合模型
端元光谱的面积比加权 得到混合像元光谱
52
4. 地表微观系统的辐射传输

4.1 光谱特征及混合像元光谱

4.2 地表二向反射的产生原理
描述二向反射的物理模型
辐射传输模型(基于辐射传输方程的模型)
几何光学模型
混合模型 计算机仿真模拟模型
57
4. 地表微观系统的辐射传输

4.3 电磁波极化特性及其包含的信息
电磁波为什么会有极化
可见光近红外称为“偏振”
58
微波中称为“极化”
4. 地表微观系统的辐射传输

4.1 光谱特征及混合像元光谱
地物光谱特性与遥感
植被光谱
绿色植被光谱有着 典型的叶绿素吸收 特征。决定植物光 谱特性的因素是叶 子的色素成分、叶 子的细胞结构及叶 子的含水量。
47
4. 地表微观系统的辐射传输

4.1 光谱特征及混合像元光谱
地物光谱特性与遥感
土壤光谱
土壤的可见光近红外光 谱比较平直。土壤光谱 特性与土壤的质地、有 机质含量、氧化铁含量 和含水量等因素有关。
这节课授课目标：

简要介绍 “入门遥感”课程中的相关内容
遥感信息是怎么来的 遥感数据中包含了哪些影响因素


遥感数据有哪几大类，各有什么特点
遥感数据分析为什么要模型
遥感数据源
遥感参数产 品生产
在不同领域 中的应用
3
第二讲：遥感数据获取的信息原理

1. 遥感概述 2. 地气宏观系统的辐射传输
13
1. 遥感概述

遥感信息流
14
1. 遥感概述

遥感应用的信息流（包括非遥感信息）
15
1. 遥感概述

遥感产品生产线
16
第二讲：遥感数据获取的信息原理

1. 遥感概述

2. 地气宏观系统的辐射传输
2.1 可见光近红外遥感的辐射传输原理 2.2 热红外遥感的辐射传输原理


2.3 微波遥感的辐射传输原理
4. 地表微观系统的辐射传输

4.2 地表二向反射的产生原理
物体表面反射电磁波的特性有三种：
• 镜面反射(mirror reflection)
反射能量集中在一个方向，反射角=入射角
θi θr
镜面反射
• 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)
45
4. 地表微观系统的辐射传输

4.1 光谱特征及混合像元光谱
地物光谱特性与遥感
雪光谱
雪，作为冰冻状态的水，与 液态水在光谱特征上，有着 很大的差别。雪在可见光段 的平均反射率高达95％以上 ；在红外波段反射率下降得 很快，并在1.5μm和2.0μm处 降至零。
46
4. 地表微观系统的辐射传输
热红外波段的地面辐射能量，在地面辐射总能量中占50%
地表自身辐射的能量分布为：
中红外波段：3-5微米 也对地表温度敏感，但是对 高温目标相应更好，常用来 做火灾监测。
24
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.2 热红外遥感的辐射传输原理
大气上界
散射 大气吸收和发射 大气下行辐射的反射 反射 地表发射
25
27
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.3 微波遥感的辐射传输原理
被动微波遥感与主动微波遥感
28
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.3 微波遥感的辐射传输原理
微波的不同波段
• 地球资源应用中的常用波 段：X, C，L
• 波长增加，穿透能力增加。
• 在晴朗天气状况下，大气 对于波长小于30mm的微波 略有衰减。随波长减小， 衰减增大。 • 波长小于10mm时，暴雨呈 现强反射（用到了机载天 气探测雷达系统）
遥感数据产品的处理与分析
第二讲：遥感数据获取的信息原理
1
遥感在全球变化研究中的应用
授课方式调整
两个课时中留出20分钟进行讨论和答疑
说明： （1）讨论内容不限于老师将的内容，欢迎同学把自己的 研究工作中遇到的数据处理方面的问题带到课堂上来讨 论。 （2）鼓励发言。
2
第二讲：遥感数据获取的信息原理

到表现。
42
4. 地表微观系统的辐射传输

观测尺度的问题
43
4. 地表微观系统的辐射传输

4.1 光谱特征及混合像元光谱
44
4. 地表微观系统的辐射传输

4.1 光谱特征及混合像元光谱
地物光谱特性与遥感
水体光谱
洁净水体光谱很低，在红外 波段几乎接近零。自然水体 大多含有悬浮物质，如有机 物中的藻类植物及无机物中 的泥沙等。因而，水体的反 射光谱与悬浮物的性质和含 量密切相关。
一句话的原理：太阳光穿过大气到地表，被地表反射后再穿过大气到传感器。
太阳光
传感器
大气层
地球表面
22
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.2 热红外遥感的辐射传输原理
热红外波段范围：8-14微米 热红外遥感特点：对温度敏感，具有夜视能 力，因此有很多军事应用
23
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.2 热红外遥感的辐射传输原理
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.2 热红外遥感的辐射传输原理
一句话的原理：地表自身的热辐射穿过大气到传感器。
几乎没有 太阳光
大气层
传感器
地球表面
26
2. 地气宏观系统的辐射传输

2.3 微波遥感的辐射传输原理
微波遥感的特点：

全天候、全天时的强大观测能力 对植被有一定程度的穿透性 对地表具有一定的穿透性 独特的微波遥感机理

3. 地表微观系统的辐射传输

< 课间休息

4. 传感器的成像原理

< 下一周
4
1. 遥感概述
5
1. 遥感概述

电磁波谱
任何物体都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，物体 与电磁波的相互作用，形成了物体的电磁波特性，这是 遥感探测物体的依据。
6
1. 遥感概述

遥感平台
7
1. 遥感概述
C1=3.7418*10-18W· m2 C2=1.4388*10-2m· K
33
2. 地气宏观系统的辐射传输

讨论：微波亮温与热红外亮温的信息区别
亮温 = 亮度温度 亮温是辐射能量值的一种表达方法，即根据普朗克公式把辐射亮度换 算成为黑体温度。 红外亮温：对地表温度 敏感，对大气温度和 光 水汽含量敏感，对发 谱 辐 射率和地表结构相对 射 不太敏感。 微波亮温：对地表温度 不敏感，对大气不敏 感，对地表介电系数 和地表结构非常敏感。
2.4 讨论

3. 地表微观系统的辐射传输 4. 传感器的成像原理
17
2. 地气宏观系统的辐射传输
不同波段遥感信号的特点
可见光近红外波段遥感信号的能量来自太阳光 中红外波段遥感信号的能量部分来自太阳光，部分来自地表自身的辐射 热红外波段遥感信号的能量来自地表（和大气）自身辐射 主动微波遥感信号的能量来自传感器
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。
漫反射
54
方向反射
4. 地表微观系统的辐射传输

4.2 地表二向反射的产生原理
二向反射产生的原因
镜面反射
光线在地表介质中的多次散射
由于地表的几何结构，不同角度下看到的 地表组分的面积比例个不同
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表面散射
体散射
4. 地表微观系统的辐射传输

4.3 电磁波极化特性及其包含的信息
3.1 光谱特征及混合像元光谱 3.2 地表的二向反射特性的产生原理 3.3 电磁波的极化特性及其包含的信息

4. 传感器的成像原理
41
4. 地表微观系统的辐射传输
前面介绍的地气宏观系统辐射传输是遥感信息的传播过程
地表微观系统的辐射传输则是遥感信息的形成机理 遥感信息在波谱特征、方向性特征和极化特征三个方面得

讨论：大气对遥感信号的影响
大气校正
ET Ltot Lp 1 S
Ltot= radiance measured by sensor = reflectance of target E = irradiance on the target T = transmission of atmosphere S = atmosphere albedo Lp= path radiance (radiance due to atmosphere)

遥感分类
8
1. 遥感概述

遥感分类
9
1. 遥感概述

遥感分类
10
1. 遥感概述

遥感分类
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1. 遥感概述

分辨率
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1. 遥感概述

获取遥感信息的六种基本手段
• • • • • •
多波段遥感 Multi-band RS 多极化遥感 Multi-polarization RS 相位差遥感 Phase RS 多角度遥感 Multi-angle RS 多时相遥感 Multi-temporal RS 多象元信息综合遥感 Multi-pixel RS
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热扫描波段 8-14mm
300K黑体辐射曲线
被动 微波
1mm
10mm
100mm 1000mm 波长（）
1000mm
2. 地气宏观系统的辐射传输

讨论：大气对遥感信号的影响
地-气耦合作用 带来定量遥感 反演的难题

大气吸收地表发射的电磁波能量 →
削弱信号 降低分辨率 （地表遥感）增加干扰


2.1 可见光近红外遥感的辐射传输原理 2.2 热红外遥感的辐射传输原理 2.3 微波遥感的辐射传输原理 2.4 讨论
3.1 光谱特征及混合像元光谱 3.2 地表的二向反射特性的产生原理 3.3 电磁波的极化特性及其包含的信息 4.1 可见光近红外遥感传感器 4.2 热红外遥感遥感传感器 4.3 主被动微波遥感传感器 4.4 其他新型传感器
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2. 地气宏观系统的辐射传输

2.3 微波遥感的辐射传输原理
被动微波遥感辐射传输原理
被动微波传感器
2
3
1 1 4 4
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2. 地气宏观系统的辐射传输

2.3 微波遥感的辐射传输原理
主动微波遥感辐射传输原理
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2. 地气宏观系统的辐射传输

2.3 微波遥感的辐射传输原理
一句话的原理：被动微波的信号能量来自地表热辐射， 主动微波的信号能量来自反射的人造辐射。