電磁波譜與地物波譜特征

1、第二章電磁輻射與地物光譜特征,本章提要() 1 遙感的電磁波原理 2 太陽輻射 3 太陽輻射與大氣的作用 4 太陽輻射與地物的作用 5 地物的熱輻射 6 微波與地物的作用 7 各典型地物的光譜曲線,本章主要介紹遙感的物理基礎，包括地物的電磁波特性、太陽輻射、大氣對太陽輻射的影響、大氣窗口的概念、地物反射太陽光譜的特性、地物的熱輻射、地物與微波的作用機理,返回,下一章,電磁波 交互變化的電磁場在空間的傳播。 描述電磁波特性的指標 波長、頻率、振幅、位相等。 電磁波的特性 電磁波是橫波，傳播速度為3108 m/s，不需要媒質也能傳播，與物質發(fā)生作用時會有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律,1

2、 遙感的電磁波原理,To be continued,電磁波譜 按電磁波波長的長短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。 依次為： 射線X射線紫外線可見光紅外線微波無線電波。 電磁波譜示圖,To be continued,1 遙感的電磁波原理,紫外線：波長范圍為0.010.38m，太陽光譜中，只有0.30.38m波長的光到達地面，對油污染敏感，但探測高度在2000 m以下。 可見光：波長范圍：0.380.76m，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術應用中的重要波段。 紅外線：波長范圍為0.761000m，根據性質分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。 微波：波長范圍為1 mm1 m，穿透性好，不受云霧

3、的影響,遙感應用的電磁波波譜段,本節(jié)結束,返回,下一節(jié),太陽輻射：太陽是遙感主要的輻射源，又叫太陽光，在大氣上界和海平面測得的太陽輻射曲線如圖所示。 從太陽光譜曲線可以看出(,2 太陽輻射,太陽光譜相當于6000 K的黑體輻射； 太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38 0.76 m的可見光能量占太陽輻射總能量的46%，最大輻射強度位于波長0.47 m左右； 到達地面的太陽輻射主要集中在0.3 3.0 m波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外； 經過大氣層的太陽輻射有很大的衰減； 各波段的衰減是不均衡的,本節(jié)結束,返回,下一節(jié),3 太陽輻射與大氣的作用,一、大氣結構 二、大氣成分 三、大

4、氣吸收作用 四、大氣散射作用 五、大氣窗口,本節(jié)結束,返回,下一節(jié),一、大氣結構,一般認為大氣厚度1000km，且在垂直方向自下而上可分為對流層、平流層、中流層、熱層（增溫層），熱層再往上就是接近大氣層外的頂部空間，也稱為散逸層。 二、大氣成分 大氣主要成分為分子和其他微粒,三、大氣吸收作用,太陽輻射穿過大氣層時，大氣分子對電磁波的某些波段有吸收作用。吸收作用使輻射能量轉變?yōu)榉肿拥膬饶?，從而引起這些波段太陽輻射強度的哀減，甚至某些波段的電磁波完全不能通過大氣,大氣吸收譜,四、大氣散射作用,輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變。并向各個方向散開，稱散射。散射使原傳播方向的輻射強度減弱，而增

5、加向其他各方向的輻射。 散射現(xiàn)象的實質是電磁波在傳輸中遇到大氣微粒而產生的一種衍射現(xiàn)象。因此，這種現(xiàn)象只有當大氣中的分子或其他微粒的直徑小于或相當于輻射波長時才發(fā)生。大氣散射有三種情況： 瑞利散射：大氣粒子的直徑遠小于波長時發(fā)生 米氏散射：大氣粒子的直徑與波長相當時發(fā)生 無選擇散射：當大氣中粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射,五、大氣窗口,折射改變了太陽輻射的方向，并不改變太陽輻射的強度。因此，就輻射強度而言，太陽輻射經過大氣傳輸后，主要是反射、吸收和散射的共同影響衰減了輻射強度，剩余部分即為透過的部分。對遙感傳感器而言，只能選擇透過率高的波段，才對觀測有意義。 通常把電磁波通過大氣層時較少被

6、反射、吸收或散射的，透過率較高的波段稱為大氣窗口。 大氣窗口的光譜波段主要有： 0.31.15um，即紫外、可見光、近紅外波段 1.32.5um和3.55.0um，即近、中紅外波段,3.55.5um，即中紅外波段，該波段除通透反射光外，也通透地面物體自身發(fā)射的熱輻射能量； 814um，即遠紅外波段，主要通透來自地物輻射的能量，適于夜間成像； 0.82.5 cm，即微波波段，這一區(qū)間可以全天候觀測，而且是主動遙感方式，如側視雷達,太陽輻射與地表的相互作用() 地物的反射率() 漫反射() 鏡面反射(,4 太陽輻射與地物的作用,太陽輻射到達地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即： 到達地面

7、的太陽輻射能量反射能量吸收能量透射能量 地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。 一般而言，絕大多數物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強，特別是0. 450. 56m的藍綠光波段。一般水體的透射深度可達1020 m，清澈水體可達100 m的深度。 地表吸收太陽輻射后具有約300 K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為9.66 m，主要集中在長波，即6m以上的熱紅外區(qū)段,反射率（）：地物的反射能量與入射總能量的比，即=(P/ P 0)100%。 地物在不同波段的反射率是不同的。 反射率是可以測定的。 反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有

8、關。 地物的反射光譜曲線：反射率隨波長變化的曲線,不論入射方向如何，其反射出來的能量在各個方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個方向反射的能量大小不同,物體的反射滿足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測到電磁波，水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時很亮，有時很暗，就是這個原因造成的,本節(jié)結束,返回,下一節(jié),地球輻射的分段特性,地球表面與大氣電磁輻射的總和稱為地球輻射,溫度一定時，物體的熱輻射遵循基爾霍夫定律。 地物的發(fā)射率隨波長變化的曲線叫發(fā)射光譜曲線。 地物的發(fā)射率與地表的粗糙度、顏色和溫度有關。 表面粗糙、顏色暗，發(fā)射率高，反之發(fā)射率低。 地物的輻射能量

9、與溫度的四次方成正比，比熱、熱慣性大的地物，發(fā)射率大。如水體夜晚發(fā)射率大，白天就小。 探測地物的熱輻射特性的熱紅外遙感在夜間和白天進行的結果是不同的。 熱紅外遙感探測的地物熱輻射量用亮度溫度表示，它不同于地面溫度，是接收的熱輻射能量的轉換值，圖像上表示為亮度,5 地物的熱輻射,本節(jié)結束,返回,下一節(jié),在電磁波譜中，波長在1mm1m范圍的波稱微波。（微波波段劃分） 微波遙感特性： 能全天候、全天時工作()； 對某些地物具有特殊的波譜特征； 對冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力()； 對海洋遙感具有特殊意義()； 分辨率較低，但特征明顯(,6 微波與地物的作用,由于微波的波長較長，因而散射相對較

10、小，在大氣中衰減少，對云層、雨區(qū)的穿透能力較強，基本不受煙、云、雨的限制。對于熱帶雨林地區(qū)更有意義,微波傳感器的波長分辨率比較低，是由于其波長較長，衍射現(xiàn)象顯著的緣故。同時，觀察精度和取樣速度往往不能協(xié)調,這一特性可以用來探測隱藏在林下的地形、地質構造、軍事目標以及埋藏在地下的工程、礦藏、地下水等。 電磁波通過介質時，部分被吸收，強度要衰減。故將電磁波振幅減少1/e倍（37%）的穿透深度定義為趨膚深度H: H=(5.310-31/2)/ 式中：為地物的介電常數；為地物的導電率,微波對于海水特別敏感，其波長很適合于海面動態(tài)情況（海面風、海浪等）的觀測,本節(jié)結束,返回,下一節(jié),植被光譜曲線 土壤光

11、譜曲線 水體光譜曲線 巖石光譜曲線 常見地物比較光譜曲線,7 各典型地物的光譜曲線,返回,下一章,地物的電磁波響應特征隨電磁波長改變而改變的規(guī)律 不同類型的地物，其電磁波響應特性不同，因此地物波譜特征是遙感識別地物的基礎,近紅外：0.763.0 m，與可見光相似。 中紅外：3.06.0 m，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。 遠紅外：6.015.0 m，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。 超遠紅外：15.01000 m，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測,紅外線的劃分,BACK,太陽輻射（1,P34, 圖 2.20,To be continued,地面太陽輻射,波長(nm,大

12、氣上界太陽輻照度,海平面太陽輻照度,太陽光譜輻照度,太陽輻射（2,BACK,在可見光與近紅外波段，地表物體自身的輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。太陽輻射到達地面之后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸收作用。電磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過的部分，即： 到達地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量透射能量 一般而言，絕大多數物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波透射能力較強，特別是對0. 450. 56m的藍綠光波段，一般水體的透射深度可達1020 m，清澈水體可達100 m的深度。 對于一般不能透過可見光的地面物體，波長5cm的電磁波卻有

13、透射能力，如超長波的透射能力就很強，可以透過地面巖石和土壤,地物波譜特征,BACK,大氣結構,從地面到大氣上界，大氣的結構分層為： 對流層：高度在712 km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內。 平流層：高度在1250 km，底部為同溫層（航空遙感活動層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的強吸收而逐漸升高。 電離層：高度在501 000 km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動空間。 大氣外層：80035 000 km ,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響,BACK,大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。 氣體：N2，O

14、2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 懸浮微粒：塵埃,大氣成分,BACK,大氣的吸收作用： 大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表,大氣的吸收作用,BACK,大氣的散射作用,不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉變?yōu)閮饶堋?大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。 對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數據的質量，造成圖像模糊不清。 散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。 大氣發(fā)生的散射主要有三種： 瑞利散射：d,BACK,大氣窗口,概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率

15、較高的波段叫大氣窗口,BACK,微波的波段劃分,BACK,植物的光譜曲線,返回,由于植物均進行光合作用，所以各類綠色植物具有很相似的反射波譜特性，其特征是：在可見光波段0.55m（綠光）附近有反射率為10%20%的一個波峰，兩側0.45m（藍）和0.67m（紅）則有兩個吸收帶。這一特征是由于葉綠素的影響造成的，葉綠素對藍光和紅光吸收作用強，而對綠色反射作用強。在近紅外波段0.8m1.0m間有一個反射的陡坡，至1.1m附近有一峰值，形成植被的獨有特征。這是由于植被葉的細胞結構的影響，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中紅外波段（1.32.5m）受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率大大下降，特別是以1.45m、1.95m和2.7m為中心是水的吸收帶，形成低谷,土壤的光譜曲線,返回,土壤反射波譜曲線呈比較平滑的持征，所以在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區(qū)別不明顯,水體的光譜曲線,返回,水體的反射主要在藍綠光波段，其他波段吸收都很強，特別到了近紅外波段，吸收就更強(如右圖)。因此，在遙感影像上，特別處近紅外影像上，水體一般呈黑色。水中含泥沙時，由于泥沙散射，可見光波段反射率會增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含葉綠素時，近紅外波段明顯抬升，這