02电磁辐射与地物光谱特征.

第二章遥感原理本章提要(…)§1遥感的电磁波原理§2太阳辐射§3太阳辐射与大气的作用§4太阳辐射与地物的作用§5地物的热辐射§6微波与地物的作用§7各典型地物的光谱曲线本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。电磁波交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为3×108m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。§1遥感的电磁波原理Tobecontinued…电磁波谱按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。电磁波谱示图Tobecontinued…§1遥感的电磁波原理紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。(容易被大气吸收和散射，RS中用的不多)可见光：波长范围：0.38～0.76μm，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。遥感应用的电磁波波谱段本节结束返回下一节辐射源：任何物体都是辐射源。辐射测量1.辐射能量：电磁辐射的能量。2.辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量。3.辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能量。4.辐照度(I):被辐射的物体表面单位时间单位面积上接收的辐射能量。5.辐射出射度(M):辐射源物体表面单位时间单位面积上辐射出的辐射能量。6.辐射亮度(L):单位时间，单位立体角内，在某一垂直于辐射方向单位面积辐射出的辐射能量。电磁辐射的度量绝对黑体：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收。（任何温度，任何波长）吸收率恒等于1，反射率恒等于0.黑体辐射定律1.斯忒藩-玻尔兹曼定律：P20.M=σT42.维恩位移定律：P20.λmaxT=b，指出当绝对黑体的温度升高时，单色曲线峰值向短波方向移动。3.实际物体的辐射(1)基尔霍夫定律：绝对黑体吸收多少能量，就发射多少能量。(2)实际物体的辐射出射度M=εM0黑体辐射太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。从太阳光谱曲线可以看出(…)：§2太阳辐射太阳光谱相当于6000K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47µm左右；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3～3.0µm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。本节结束返回下一节§3太阳辐射与大气的作用一、大气成分二、大气结构三、大气吸收作用四、大气散射作用五、大气反射作用五、大气窗口本节结束返回下一节太阳辐射与地表的相互作用(…)地物的反射率(…)漫反射(…)镜面反射(…)§4太阳辐射与地物的作用太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45~0.56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m的深度。地表吸收太阳辐射后具有约300K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。本节结束返回下一节温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱曲线。地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是不同的。热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。§5地物的热辐射本节结束返回下一节在电磁波谱中，波长在1mm～1m范围的波称微波。（微波波段划分）微波遥感特性：能全天候、全天时工作(…)；对某些地物具有特殊的波谱特征；对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力(…)；对海洋遥感具有特殊意义(…)；分辨率较低，但特征明显(…)。§6微波与地物的作用由于微波的波长较长，因而散射相对较小，在大气中衰减少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本不受烟、云、雨的限制。对于热带雨林地区更有意义。微波传感器的波长分辨率比较低，是由于其波长较长，衍射现象显著的缘故。同时，观察精度和取样速度往往不能协调。这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波振幅减少1/e倍（37%）的穿透深度定义为趋肤深度H:H=(5.3×10-3ε1/2)/δ式中：ε为地物的介电常数；δ为地物的导电率。微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。本节结束返回下一节植被光谱曲线土壤光谱曲线水体光谱曲线岩石光谱曲线常见地物比较光谱曲线§7各典型地物的光谱曲线本节结束本章结束返回下一章电磁波谱BACK近红外：0.76～3.0µm，与可见光相似。中红外：3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。红外线的划分BACK太阳辐射（1）P34,图2.20Tobecontinued…地面太阳辐射波长(nm)大气上界太阳辐照度海平面太阳辐照度太阳光谱辐照度太阳辐射（2）BACK在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对0.45~0.56μm的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达10~20m，清澈水体可达100m的深度。对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5cm的电磁波却有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土壤。地物波谱特征BACK大气结构从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在7～12km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在12～50km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在50～1000km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：800～35000km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。BACK大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3悬浮微粒：尘埃大气成分BACK大气的吸收作用：大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。大气的吸收作用O2吸收带0.2μm，0.155μm最强，高空RS中很少使用紫外线的原因。O3吸收带0.2～0.36μm，0.6μm，对航空RS影响不大。H2O吸收带0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μm，吸收太阳辐射能量最强的介质，主要的吸收带在红外和可见光的红光部分，因此水对红外RS有很大的影响。CO2吸收带1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm，量少，吸收作用主要在红外区内。尘埃吸收量很小BACK大气的散射作用散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三种：瑞利散射：dλ米氏散射：d≈λ非选择性散射：dλBACK大气的反射作用反射主要发生在云层顶部，取决于云量，各波段受到不同程度的影响，因此应尽量选择无云的天气接收RS信号。30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气反射；31%到达地面。BACK大气窗口概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100RadarsatBACK微波的波段划分波段名称波长/cmKαKKuXCSLP0.75~1.131.13~1.671.67~2.422.42~3.753.75~7.57.5~1515~3030~100BACK植物的光谱曲线返回土壤的光谱曲线返回水体的光谱曲线返回岩石的光谱曲线返回常见地物的光谱曲线比较Tobecontinued…常见地物的光谱曲线比较返回