Galleria mappe mentale Principi del telerilevamento Capitolo 2 Basi fisiche del telerilevamento
Questa è una mappa mentale sul Capitolo 2 dei Principi del telerilevamento, le basi fisiche del telerilevamento, compreso lo spettro elettromagnetico e la radiazione elettromagnetica, la visione della luce e dei colori, le caratteristiche di emissione di radiazioni degli oggetti, l'influenza dell'atmosfera sulla radiazione solare, ecc.
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Principi del telerilevamento Capitolo 2 Basi fisiche del telerilevamento
1. Spettro elettromagnetico e radiazione elettromagnetica
onde elettromagnetiche
Il concetto di onde: Le onde sono la propagazione delle vibrazioni nello spazio.
RS si riferisce al rilevamento remoto delle onde elettromagnetiche
L'onda elettromagnetica è un'onda trasversale
Può essere diffuso senza media
propagandosi alla velocità della luce
Dualità onda-particella: quanto più corta è la lunghezza d'onda, tanto più evidenti sono le caratteristiche delle particelle e viceversa.
Il motivo per cui il telerilevamento può giudicare gli oggetti terrestri e i fenomeni naturali sulla base delle onde elettromagnetiche raccolte è perché tutti gli oggetti hanno caratteristiche di riflessione delle onde elettromagnetiche o di emissione di radiazioni completamente diverse a causa dei loro diversi tipi, caratteristiche e condizioni ambientali.
spettro elettromagnetico
Il grafico ottenuto disponendo le lunghezze d'onda delle onde elettromagnetiche è chiamato spettro elettromagnetico.
L'ordine è: raggi γ - raggi X - raggi ultravioletti - luce visibile - raggi infrarossi - microonde - onde radio.
Misura della radiazione elettromagnetica
Energia di radiazione (W): L'energia della radiazione elettromagnetica, unità: J.
Flusso di radiazione (Φ): energia di radiazione che passa attraverso una determinata area per unità di tempo, unità: W.
Densità del flusso di radiazione (E): Energia di radiazione che passa attraverso l'unità di area per unità di tempo, unità: W/m2
Irraggiamento (I): flusso di radiazione per unità di area della superficie dell'oggetto irradiato, unità: W/m2
Uscita della radiazione (M): flusso di radiazione per unità di area della superficie dell'oggetto sorgente di radiazione, unità: W/m2.
Costante solare 1367±7 W/m2
Luminosità radiante (L): il flusso di radiazione della sorgente di radiazione in una determinata direzione, superficie di proiezione unitaria, angolo solido unitario, unità W/(sr·m2)
visione della luce e dei colori
Oggetto acromatico: un oggetto che non presenta alcuna differenza nell'assorbimento o nella riflessione di ciascuna banda.
Oggetti colorati Gli oggetti colorati hanno la capacità di scomporre la luce bianca incidente e di assorbirla e rifletterla selettivamente. Rispetto alla luce incidente, la luce riflessa in questo momento non solo si indebolisce in intensità, ma cambia anche la sua composizione spettrale, cioè la luce riflessa diventa una luce colorata con un diverso rapporto di intensità di radiazione in ciascuna banda della luce incidente, con il risultato che l'oggetto mostra il colore.
Caratteristiche del colore
colore
Chiamata anche tonalità, si riferisce alla categoria del colore. È la caratteristica che distingue i colori tra loro.
La tonalità di un oggetto dipende dalla composizione spettrale e dall'intensità della sorgente luminosa, dalla proporzione della radiazione di ciascuna lunghezza d'onda riflessa o trasmessa dalla superficie dell'oggetto e dalla percezione della lunghezza d'onda dominante sull'occhio umano.
saturazione
La saturazione si riferisce alla purezza del colore. Indica il grado di concentrazione di un colore.
In generale, più luminoso è il colore, maggiore è la saturazione, altrimenti la saturazione è bassa; I vari colori spettrali nello spettro visibile sono i colori più saturi. La variazione di saturazione dipende dalla proporzione di luce bianca mescolata al colore spettrale. Maggiore è la quantità di luce bianca mescolata al colore spettrale, meno saturo risulterà.
luminosità
La luminosità si riferisce alla luminosità o all'oscurità di un colore, che è determinata dall'intensità della radiazione del corpo luminoso o dalla riflettività della luce della superficie dell'oggetto. Maggiore è la riflettività, maggiore è la luminosità.
I colori acromatici differiscono solo per la luminosità, senza le due caratteristiche di tonalità e saturazione.
Principi base della sintesi del colore
La condizione di selezione dei tre colori primari è che uno qualsiasi dei tre colori primari non possa essere mescolato con l'aggiunta degli altri due; il metodo per utilizzarli per sintetizzare i colori è semplice e stabile e si possono sintetizzare più colori. Rosso (R)——0,7um Verde (G)——0,5461um Blu (B)——0,4358um
Proprietà della radiazione emessa da un oggetto
radiazione del corpo nero
corpo nero assoluto
Gli oggetti assorbono tutta la radiazione elettromagnetica di qualsiasi lunghezza d'onda a qualsiasi temperatura (ovvero, il coefficiente di assorbimento è sempre uguale a 1).
Legge sulla radiazione del corpo nero: formula di Planck
La radiazione dell'oggetto è una funzione continua della lunghezza d'onda e della temperatura
Legge sulla radiazione del corpo nero - Legge di Stefan-Boltzmann
Maggiore è la temperatura di un oggetto, maggiore è la sua capacità di radiazione.
Legge sulla radiazione del corpo nero: legge dello spostamento di Wien
Maggiore è la temperatura del corpo nero, la lunghezza d'onda di picco corrispondente al massimo della radiazione si sposta verso la direzione delle onde corte. La lunghezza d'onda (max) della parte più forte della sua radiazione è più corta.
inferenza
Maggiore è la temperatura dell'oggetto, più corta è la lunghezza d'onda dell'energia di radiazione massima. Poiché la temperatura dell'oggetto continua ad aumentare, la lunghezza d'onda massima della radiazione si sposta da lunga a corta.
La radiazione solare è una radiazione a onde corte, mentre la radiazione proveniente dalle persone, dal suolo e dall'atmosfera è una radiazione a onda lunga.
La densità del flusso radiante varia continuamente con la lunghezza d'onda e ciascuna curva ha un solo valore massimo.
Maggiore è la temperatura, maggiore è la densità del flusso di radiazione e le curve a diverse temperature sono diverse.
All’aumentare della temperatura, la lunghezza d’onda corrispondente alla massima radiazione si sposta verso le onde corte.
Radiazione emessa da oggetti reali
Radiazione solare
Lo spettro solare è il più vicino alla radiazione del corpo nero di 5777K (6000K)
L'energia della radiazione solare è concentrata principalmente nella luce visibile, di cui l'energia della luce visibile tra 0,38 e 0,76 µm rappresenta il 46% dell'energia della radiazione solare totale, e la massima intensità della radiazione si trova ad una lunghezza d'onda di circa 0,47 µm;
La radiazione solare che raggiunge il suolo è concentrata principalmente nella banda 0,3-3,0 µm, comprendente il vicino ultravioletto, la luce visibile, il vicino infrarosso e il medio infrarosso;
L'attenuazione di ciascuna banda non è uniforme.
La radiazione solare che attraversa l'atmosfera è fortemente attenuata;
Radiazione terrestre
La radiazione terrestre è equivalente alla radiazione del corpo nero vicina a 300K
sorgente di radiazioni artificiali
Effetti atmosferici sulla radiazione solare
Effetti atmosferici
Livelli e composizione dell'atmosfera
Troposfera: da 7 a 12 km. La temperatura diminuisce con l'altitudine e il tempo cambia frequentemente. Il telerilevamento dell'aviazione avviene principalmente in questo strato.
Stratosfera: da 12 a 50 km Il fondo è la stratosfera (strato attivo di telerilevamento dell'aviazione). Sopra la stratosfera, la temperatura aumenta gradualmente a causa del forte assorbimento dei raggi ultravioletti da parte dello strato di ozono.
Ionosfera: da 50 a 1.000 km O2 e N2 nell'atmosfera sono ionizzati dall'irradiazione ultravioletta e sono trasparenti alla banda di telerilevamento. È lo spazio attivo dei satelliti terrestri.
Strato esterno dell'atmosfera: 800~35.000 km L'aria è estremamente sottile e praticamente non ha alcun impatto sui satelliti.
composizione atmosferica
Gas: N2, O2, H2O, CO2, CO, CH4, O3 componenti costanti (N2, O2, CO2), componenti variabili (vapore acqueo, aerosol)
Assorbimento atmosferico
L'effetto dell'ossigeno sulle onde elettromagnetiche è in un intervallo diverso da quello della luce ultravioletta (<0,2 um).
L'ozono ha una forte capacità di assorbire le onde elettromagnetiche inferiori a 0,3um (<0,3um)
Anidride carbonica: bande di assorbimento forti da 2,8, 4,3, 14,5um
Vapore acqueo: concentrato principalmente nelle bande degli infrarossi e delle microonde
dispersione atmosferica
Il concetto di scattering: fenomeno in cui le onde elettromagnetiche deviano dalla loro direzione di propagazione originaria in seguito all'interazione tra onde elettromagnetiche e materia.
A differenza dell'assorbimento, cambia solo la direzione di propagazione e non può essere convertito in energia interna.
La diffusione atmosferica è la principale causa dell’attenuazione della radiazione solare.
Per le immagini di telerilevamento, riduce la qualità dei dati ricevuti dal sensore, rendendo l'immagine sfocata.
La diffusione avviene principalmente nella regione della luce visibile.
Diffusione di Rayleigh (diffusione molecolare): d <<λ
Scattering di Rayleigh: scattering che si verifica quando la dimensione delle molecole di gas è molto più piccola della lunghezza d'onda delle onde luminose, è uno scattering di piccole particelle.
Caratteristiche tipiche dello scattering di Rayleigh: l'intensità della luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda.
Diffusione Mie (diffusione di aerosol): d ≈ λ
Scattering Mie: diffusione che si verifica quando il diametro delle particelle di aerosol, delle goccioline delle nuvole, delle goccioline delle nuvole piovose, ecc. nell'atmosfera è paragonabile o maggiore della lunghezza d'onda della luce incidente.
Caratteristiche dello scattering Mie
Le onde elettromagnetiche possono penetrare nella superficie del mezzo e penetrare in profondità all'interno delle particelle di dispersione.
Causato principalmente da particelle presenti nell'aria, come fumo, polvere, piccole goccioline d'acqua e aerosol.
Lo scattering Mie ha un impatto maggiore sulle onde elettromagnetiche con lunghezze d'onda maggiori rispetto allo scattering Rayleigh.
Perchè il cielo è blu
La luce solare è composta da sette colori: rosso, arancione, giallo, verde, ciano, indaco e viola. Le lunghezze d'onda della luce di questi sette colori sono diverse. La polvere e altre particelle nell’atmosfera diffondono la luce blu più di altri fotoni con lunghezze d’onda maggiori.
La gamma di lunghezze d'onda della luce visibile va da 380 nm (luce blu-viola) a 760 nm (luce rossa). La lunghezza d'onda dell'estremità rossa è 1,75 volte la lunghezza d'onda della luce blu-viola. Pertanto, l'intensità di diffusione della luce blu-viola è vicina a 10 volte l'intensità di diffusione della luce rossa e poiché l'occhio umano non è sensibile alla luce viola, il cielo che vediamo è blu.
Perché la luce del mattino e quella del tramonto sono rosse?
Caratteristiche della diffusione atmosferica
L'intensità di dispersione della popolazione è la somma lineare delle intensità di dispersione individuali.
La relazione tra coefficiente di diffusione atmosferica e altitudine
Il coefficiente di diffusione atmosferica è costituito da due parti: diffusione molecolare e diffusione di aerosol.
La densità delle particelle dell'aerosol decade esponenzialmente con l'altezza.
In termini di condizioni medie, lo scattering Mie dell’aerosol al di sotto dei 4 km è dominante, e lo scattering molecolare al di sopra dei 4 km è relativamente dominante.
finestra atmosferica
Concetto: Quando la radiazione solare viene trasmessa attraverso l'atmosfera, la riflessione, l'assorbimento e la diffusione attenuano congiuntamente l'intensità della radiazione e la parte rimanente è la parte trasmessa.
Ciascuna banda di radiazione solare è affetta da attenuazione in gradi diversi, quindi anche la trasmittanza di ciascuna banda è diversa.
Quando le onde elettromagnetiche attraversano l'atmosfera, vengono meno riflesse, assorbite e disperse e la banda con maggiore trasmittanza è chiamata finestra atmosferica. (Parte utilizzata per il telerilevamento della terra)
Analisi quantitativa della trasmissione atmosferica
Nelle bande del visibile e del vicino infrarosso, il 30% della radiazione solare viene riflessa dalle nuvole o da altre particelle, il 22% viene diffusa, il 17% viene assorbita e il 31% dell'energia raggiunge il suolo.
Proprietà della radiazione riflessa degli oggetti
Riflettività
L’interazione tra la radiazione solare che raggiunge il suolo e la superficie P0 Riflessione Pρ Assorbimento Pa Trasmissione Pt P0= Pρ Pa Pt
Riflettività ρ= Pρ/ P0×100%
Spettro di riflessione
Proprietà di diffusione delle microonde