第二章 电磁波谱与地物波谱特征

第二章电磁波谱与地物反射波谱特征主讲老师：刘玉杰云南大学资环学院区域与资源规划系主要内容电磁波与电磁辐射太阳辐射及大气对辐射的影响地球辐射及地物反射波谱一、电磁波与电磁辐射电磁波的概念和性质电磁波谱电磁波的度量电磁波的概念与性质振动的传播称为波。当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁场，这种变化的电场和磁场交替产生，以有限速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。电磁波与电磁辐射电磁波电磁波的性质1.电磁波是横波；其不需要传播介质，在真空中以光速传播；2.在传播过程中具有波动性和粒子性两重特性；电磁波在传播中遵循波的反射，折射，吸收，散射，衍射，干涉和偏振等传播规律。描述电磁波的物理量有波长、频率、振幅、位相等；3.满足方程：fλ=c，E=hf（其中，E是能量，f是频率，c是光速，h是普朗克常数，6.626×10-34J/S）；电磁波与电磁辐射波长与频率的反比关系电磁波谱1.各种电磁波在真空中按照波长递增（或频率递减）顺序排列，构成了电磁波谱。电磁波谱区段的界线是渐变的。一般按照产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划分。2.不同波长或频率电磁波差别很大：传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同，但也有共同性：在真空（或空气中）中传播速度相同，遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律。电磁波与电磁辐射电磁波与电磁辐射电磁波与电磁辐射遥感应用的电磁波波谱段遥感器是通过探测或感测不同波段电磁辐射的发射、反射的辐射能级而成像的。紫外线：可见光：红外线：微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。电磁波与电磁辐射遥感应用的电磁波波谱段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。遥感应用的电磁波波谱段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。遥感应用的电磁波波谱段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。遥感应用的电磁波波谱段微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响，可以采用主动或被动成像的方式。电磁波与电磁辐射SpectralBandwidthsofLandsatandSPOTSensorSystemsJensen2007辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J；辐射通量φ：单位时间内通过某一面积的辐射能量，φ=dW/dt，单位是W；辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或辐射通亮的积分值。辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，E=dφ/Ds，单位是W/M2，S为面积。电磁辐射的度量电磁波与电磁辐射辐射通亮密度又分为辐照度（I）与辐射出射度（M），两者都与波长λ有关。辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，I=dφ/Ds，单位是W/M2，S为面积。辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=dφ/Ds，单位是W/M2，S为面积。电磁辐射的度量电磁波与电磁辐射辐射亮度（L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则L定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即朗伯源：辐射亮度与观察角无关的辐射源，称为朗伯源。太阳通常近似地被看作朗伯源。严格地说，只有绝对黑体才是朗伯源。电磁辐射的度量电磁波与电磁辐射Thetotalemittedradiation(Ml)fromablackbodyisproportionaltothefourthpowerofitsabsolutetemperature.ThisisknownastheStefan-Boltzmannlawandisexpressedas:wheresistheStefan-Boltzmannconstant,5.6697x10-8Wm-2K-4.Thus,theamountofenergyemittedbyanobjectsuchastheSunortheEarthisafunctionofitstemperature.1.StephenBoltzmannLaw斯忒藩-玻耳兹曼公式4TMsl电磁辐射能量传播时遵循的物理定律2.Wein’sDisplacementLaw维恩位移定律InadditiontocomputingthetotalamountofenergyexitingatheoreticalblackbodysuchastheSun,wecandetermineitsdominantwavelength(辐射峰值波长lmax)basedonWein'sdisplacementlaw:wherekisaconstantequaling2898mmK,andTistheabsolutetemperatureinkelvin.Therefore,astheSunapproximatesa6000Kblackbody,itsdominantwavelength(lmax)is0.48mm:TkmaxlKKmm60002898483.0mmBlackbodyRadiationCurvesBlackbodyradiationcurvesforseveralobjectsincludingtheSunandtheEarthwhichapproximate6,000Kand300Kblackbodies,respectively.Theareaundereachcurvemaybesummedtocomputethetotalradiantenergy(Ml)exitingeachobject.Thus,theSunproducesmoreradiantexitancethantheEarthbecauseitstemperatureisgreater.Asthetemperatureofanobjectincreases,itsdominantwavelength(lmax)shiftstowardtheshorterwavelengthsofthespectrum.太阳辐射大气成分大气吸收和散射作用大气窗口二、太阳辐射及大气对辐射的影响太阳光谱曲线的特点太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致。太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定。在X射线、射线、远紫外及微波波段，能量小但变化大。被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射。太阳辐射及大气对辐射的影响地球表面的太阳辐射光谱曲线太阳辐射及大气对辐射的影响大气对遥感的影响海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很大不同，主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射的结果。大气对通过的电磁波产生吸收、散射、反射、透射的特性。这种特性与电磁波波长和大气的成分有关。大气对经过其中的电磁辐射的吸收、反射、散射对电磁波具有衰减作用大气对电磁辐射具有吸收与散射作用，可见光段：分子散射紫外、红外与微波区：大气吸收大气成分大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。–气体分子称为不变成分（N2，O2，CO2，CO，CH4，O3）–其它微粒称为可变成分(水汽\气溶胶\尘埃其他粒子等)太阳辐射及大气对辐射的影响大气的吸收作用太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。太阳辐射及大气对辐射的影响O2吸收带主要吸收0.76、0.69，1.27，2.53，5.0等几个窄波段，强度不大O3吸收带强烈吸收紫外线等短波H2O吸收带主要吸收处在红外和可见光中的红光部分，强烈吸收中红外光、微波CO2吸收带主要吸收红外区，特别在热红外区尘埃吸收量很小大气的吸收作用太阳辐射及大气对辐射的影响大气的散射作用1.散射是指电磁波与物质相互作用后，偏离了原来的传播方向。2.大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感来说，降低了传感器接收数据的质量，造成遥感图像模糊不清，影响判读。散射主要发生在在太阳辐射能量最强可见光区。散射的类型与强弱和波长密切相关。大气发生的散射主要有三种：瑞利散射、米氏散射和非选择性散射。太阳辐射及大气对辐射的影响不是所有波长的电磁波都可以顺利通过大气。传感器只能接受利用那些可以比较顺利通过大气的电磁波。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对于传感器而言，只能选择透过率较高的波段，才具有观测意义。否则，地物反射、发射的电磁波在穿越大气时就被衰弱了，传感器根本捕捉不到。因此，传感器选择的探测波段应包含在大气窗口之内。大气窗口太阳辐射及大气对辐射的影响大气对辐射的吸收地球辐射地物波谱不同电磁波段中地物波谱特性常见的几种地物类型波谱特征三、地球的辐射及地物波谱地球辐射地球辐射是地球表面和大气电磁辐射的总称，是被动辐射的辐射源。地球的辐射及地物波谱地球辐射的分段特性地球辐射的分段特性0.3-2.5微米波段（主要在可见光与近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。2.5-6.0微米波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源，可用于森林火灾监测。6.0微米以上的热红外波段，地球自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略不计。地球的辐射及地物波谱太阳辐射及大气对辐射的影响TM6波段Jensen,2007PanchromaticBlackandWhiteInfraredTivoliNorthBayontheHudsonRiver,NY地物反射波谱特征太阳辐射到达地面后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的吸收能力较强。最后，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+透射能量在物体反射、吸收、透射等物理性质中，使用最普遍最常用的仍是反射这一性质，也是本节的主要内容。实际物体反射设φi、θi分别为入射方向的方位角和天顶角，φr、θr分别为某一反射方向的方位角和天顶角。那么方向反射因子ρ’可以表示为：)()(),('iiirrrrriiILIi为某一方向入射辐射的照度；Lr为观察方向的反射亮度。这些物理量均与方位角和天顶角有关，只有当朗伯体时才都成为与角度无关的量。实际物体反射入射辐照度Ii应该由两部分组成:太阳的直接辐射，是由太阳辐射来的平行光束穿过大气直接照射地面，其辐照度大小与太阳天顶角和日地距离有关；太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地面的部分，因为是从四面八方射入，其辐照度大小与入射角度无关。)()(),('iiirrrrriiIL地物反射波谱特征反射率的概念：物体反射的辐射能量占总入射能量的百分比。地物波谱指地物的电磁波响应特性（反射率）随电磁波波长改变而变化的规律。地物波谱曲线通常用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长λ，纵坐标表示反射率ρ。不同类型的地物，其电磁波响应特性不同，这是遥感识别地物的基础地球的辐射及地物波谱植被水体土壤岩石地球的辐射及地物波谱常见的几种地物类型波谱特征土壤、植被和水的典型反射光谱曲线(LillesandandKiefer,1994)常见地物类型的波谱特征植被反射波谱曲线叶绿素的吸收波段水的吸收绿叶的反射率可见光波段：在0.45微米附近区间（蓝色波段）有一个吸收谷，在0.55微米附近区间（绿色波段）有一个反射峰，在0.67微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷；近红外波段：从0.76微米处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”，至1.1微米附近有一峰值，反射率最大可达50%，形成植被的独有特征；中红外波段：1.5-1.9微米光谱区反射率增大，在1.45、1.95和2.7微米为中心的附近区间受到绿色