電磁輻射與地物光譜特性

1、第二章 遙感原理 本章提要() 1 遙感的電磁波原理 2 太陽(yáng)輻射 3 太陽(yáng)輻射與大氣的作用 4 太陽(yáng)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(xiàn) 本章主要介紹遙感的物理基礎(chǔ)，包括地物的電磁波特性、太陽(yáng)輻射、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響、大氣窗口的概念、地物反射太陽(yáng)光譜的特性、地物的熱輻射、地物與微波的作用機(jī)理。電磁波電磁波 交互變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播。交互變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播。描述電磁波特性的指標(biāo)描述電磁波特性的指標(biāo) 波長(zhǎng)、頻率、振幅等。波長(zhǎng)、頻率、振幅等。電磁波的特性電磁波的特性 電磁波是橫波，傳播速度為電磁波是橫波，傳播速度為3 310108 8 m/

2、s m/s，不需要，不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)會(huì)有反射、折射、媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)會(huì)有反射、折射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律吸收、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律。 1 遙感的電磁波原理電磁波傳播示意圖 電磁波譜 按電磁波波長(zhǎng)的長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表按電磁波波長(zhǎng)的長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。叫電磁波譜。 依次為： 射線(xiàn)射線(xiàn)X X射線(xiàn)射線(xiàn)紫外線(xiàn)紫外線(xiàn)可見(jiàn)光可見(jiàn)光紅外紅外線(xiàn)線(xiàn)微波微波無(wú)線(xiàn)電波。無(wú)線(xiàn)電波。 電磁波譜示圖電磁波譜示圖 1 遙感的電磁波原理電磁波譜v紫外線(xiàn)：紫外線(xiàn)：波長(zhǎng)范圍為波長(zhǎng)范圍為0.010.010.38m0.38m，太陽(yáng)光譜中，只，太陽(yáng)光譜中，只有

3、有0.30.30.38m0.38m波長(zhǎng)的光到達(dá)地面，對(duì)油污染敏感，但波長(zhǎng)的光到達(dá)地面，對(duì)油污染敏感，但探測(cè)高度在探測(cè)高度在2000 m2000 m以下。以下。v可見(jiàn)光：可見(jiàn)光：波長(zhǎng)范圍為波長(zhǎng)范圍為0.380.380.76m0.76m，人眼對(duì)可見(jiàn)光有，人眼對(duì)可見(jiàn)光有敏銳的感覺(jué)，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。敏銳的感覺(jué)，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。v紅外線(xiàn)紅外線(xiàn)：波長(zhǎng)范圍為波長(zhǎng)范圍為0.760.761000m1000m，根據(jù)性質(zhì)分為近，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。v微波微波：波長(zhǎng)范圍為波長(zhǎng)范圍為1 mm1 mm1 m1 m，穿透性好，不受云霧的，穿透

4、性好，不受云霧的影響影響。v無(wú)線(xiàn)電波：無(wú)線(xiàn)電波：波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍1010-3-3m m 10105 5m m之間，主要用于廣播、之間，主要用于廣播、通信等方面。通信等方面。遙感應(yīng)用的電磁波波譜段太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)是遙感主要的輻射源，又叫太陽(yáng)光，太陽(yáng)是遙感主要的輻射源，又叫太陽(yáng)光，在大氣上界和海平面測(cè)得的太陽(yáng)輻射曲線(xiàn)在大氣上界和海平面測(cè)得的太陽(yáng)輻射曲線(xiàn)如圖所示如圖所示。 2 太陽(yáng)輻射太陽(yáng)常數(shù)：太陽(yáng)常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽(yáng)一個(gè)天文單不受大氣影響，在距離太陽(yáng)一個(gè)天文單位內(nèi)，垂直于太陽(yáng)光輻射方向上，單位面積單位時(shí)位內(nèi)，垂直于太陽(yáng)光輻射方向上，單位面積單位時(shí)間內(nèi)黑體接受的太陽(yáng)輻射能量。間內(nèi)黑

5、體接受的太陽(yáng)輻射能量。太陽(yáng)光譜：太陽(yáng)光譜：太陽(yáng)光球產(chǎn)生的光譜。太陽(yáng)光球產(chǎn)生的光譜。2 太陽(yáng)輻射從太陽(yáng)光譜曲線(xiàn)可以看出從太陽(yáng)光譜曲線(xiàn)可以看出( () )： 3 太陽(yáng)輻射與大氣的作用 一、大氣結(jié)構(gòu)一、大氣結(jié)構(gòu) 二、大氣成分二、大氣成分 三、大氣吸收作用三、大氣吸收作用 四、大氣散射作用四、大氣散射作用 五、大氣窗口五、大氣窗口太陽(yáng)輻射與地表的相互作用太陽(yáng)輻射與地表的相互作用()地物的反射率地物的反射率()漫反射漫反射()鏡面反射鏡面反射() 4 太陽(yáng)輻射與地物的作用n太陽(yáng)輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部太陽(yáng)輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分散射，一部分透射，即分散射，一部分

6、透射，即：太陽(yáng)輻射能量反射能量吸收能量散射能量太陽(yáng)輻射能量反射能量吸收能量散射能量+透射能透射能量量n地表反射的太陽(yáng)輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。地表反射的太陽(yáng)輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。n一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見(jiàn)光都不具備透射能力，一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見(jiàn)光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波則透射能力較強(qiáng)，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是特別是0. 450. 56m的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)可達(dá)1020 m，清澈水體可達(dá)，清澈水體可達(dá)100 m的深度。的深度。n地表吸收太陽(yáng)輻射后具有約地表吸收太

7、陽(yáng)輻射后具有約300 K的溫度，從而形成自身的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長(zhǎng)為的熱輻射，其峰值波長(zhǎng)為9.66 m，主要集中在長(zhǎng)波，主要集中在長(zhǎng)波，即即6m6m以上的熱紅外區(qū)段。以上的熱紅外區(qū)段。地物在不同波段的反射率是不同的。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測(cè)定的。反射率是可以測(cè)定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物的反射光譜曲線(xiàn)：反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)。地物的反射光譜曲線(xiàn)：反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)。 不論入射方向如何，其反射出來(lái)的能量在各個(gè)方向是不論入射方向如何，其反射出來(lái)的能量在各個(gè)方向是一致的。一般地物的反

8、射近似漫反射，但各個(gè)方向反射的一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個(gè)方向反射的能量大小不同。能量大小不同。 5 地物的熱輻射v在可見(jiàn)光與近紅外波段，地表物體自身的輻射幾乎等于零。地物在可見(jiàn)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(yáng)輻射為主。太陽(yáng)輻射到達(dá)地面之后，發(fā)出的波譜主要以反射太陽(yáng)輻射為主。太陽(yáng)輻射到達(dá)地面之后，物體除了反射作用外，還有對(duì)電磁輻射的吸收作用。電磁輻射未物體除了反射作用外，還有對(duì)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(guò)的部分，即：被吸收和反射的其余部分則是透過(guò)的部分，即： 到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量反射能量吸收能量透射能量到達(dá)

9、地面的太陽(yáng)輻射能量反射能量吸收能量透射能量v一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見(jiàn)光都不具備透射能力，而有些物一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見(jiàn)光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波透射能力較強(qiáng)，特別是對(duì)體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波透射能力較強(qiáng)，特別是對(duì)0. 45 0. 56m的藍(lán)綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá)的藍(lán)綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá)1020 m，清澈，清澈水體可達(dá)水體可達(dá)100 m的深度。的深度。v對(duì)于一般不能透過(guò)可見(jiàn)光的地面物體，波長(zhǎng)對(duì)于一般不能透過(guò)可見(jiàn)光的地面物體，波長(zhǎng)5 cm的電磁波卻有的電磁波卻有透射能力，如超長(zhǎng)波的透射能力就很強(qiáng)，可以透過(guò)地面巖石和土透射能力，如超長(zhǎng)波的

10、透射能力就很強(qiáng)，可以透過(guò)地面巖石和土壤。壤。地物波譜特征在電磁波譜中，波長(zhǎng)在在電磁波譜中，波長(zhǎng)在1mm1mm1m1m范圍的波稱(chēng)微波。范圍的波稱(chēng)微波。微波遙感特性：微波遙感特性：v 能全天候、全天時(shí)工作能全天候、全天時(shí)工作()；v 對(duì)某些地物具有特殊的波譜特征；對(duì)某些地物具有特殊的波譜特征；v 對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力()；v 對(duì)海洋遙感具有特殊意義對(duì)海洋遙感具有特殊意義()；v 分辨率較低，但特征明顯分辨率較低，但特征明顯()。 6 微波與地物的作用 由于微波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因而散射相對(duì)較小，由于微波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因而散射相對(duì)較小，在大氣中衰減少，

11、對(duì)云層、雨區(qū)的穿透能力較強(qiáng)，在大氣中衰減少，對(duì)云層、雨區(qū)的穿透能力較強(qiáng)，基本不受煙、云、雨的限制。對(duì)于熱帶雨林地區(qū)基本不受煙、云、雨的限制。對(duì)于熱帶雨林地區(qū)更有意義。更有意義。 微波傳感器的波長(zhǎng)分辨率比較低，是由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象顯著的緣故。同時(shí)，觀察精度和取樣速度往往不能協(xié)調(diào)。 這一特性可以用來(lái)探測(cè)隱藏在林下的地形、地質(zhì)構(gòu)造、軍事這一特性可以用來(lái)探測(cè)隱藏在林下的地形、地質(zhì)構(gòu)造、軍事目標(biāo)以及埋藏在地下的工程、礦藏、地下水等。目標(biāo)以及埋藏在地下的工程、礦藏、地下水等。 電磁波通過(guò)介質(zhì)時(shí)，部分被吸收，強(qiáng)度要衰減。故將電磁波電磁波通過(guò)介質(zhì)時(shí)，部分被吸收，強(qiáng)度要衰減。故將電磁波振幅減少振幅減少1/

12、e1/e倍（倍（37%37%）的穿透深度定義為趨膚深度）的穿透深度定義為趨膚深度H H: : H H=(5.3=(5.31010-3-31/21/2)/)/式中：式中：為地物的介電常數(shù)；為地物的介電常數(shù)；為地物的導(dǎo)電率。為地物的導(dǎo)電率。 微波對(duì)于海水特別敏感，其波長(zhǎng)很適合于海微波對(duì)于海水特別敏感，其波長(zhǎng)很適合于海面動(dòng)態(tài)情況（海面風(fēng)、海浪等）的觀測(cè)。面動(dòng)態(tài)情況（海面風(fēng)、海浪等）的觀測(cè)。 植被光譜曲線(xiàn) 土壤光譜曲線(xiàn) 水體光譜曲線(xiàn) 巖石光譜曲線(xiàn) 常見(jiàn)地物比較光譜曲線(xiàn) 7 各典型地物的光譜曲線(xiàn) 近紅外：近紅外：0.760.763.0 3.0 m，與可見(jiàn)光相似。，與可見(jiàn)光相似。 中紅外：中紅外：3.03

13、.06.0 6.0 m，地面常溫下的輻射，地面常溫下的輻射波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。 遠(yuǎn)紅外：遠(yuǎn)紅外：6.06.015.0 15.0 m，地面常溫下的輻射，地面常溫下的輻射波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。 超遠(yuǎn)紅外超遠(yuǎn)紅外：15.015.01 000 1 000 m，多被大氣吸收，多被大氣吸收，遙感探測(cè)器一般無(wú)法探測(cè)。遙感探測(cè)器一般無(wú)法探測(cè)。紅外線(xiàn)的劃分太陽(yáng)輻射（1）continued波長(zhǎng)(nm)大氣上界太陽(yáng)輻照度海平面太陽(yáng)輻照度太陽(yáng)光譜輻照度太陽(yáng)輻射（2） 大氣結(jié)構(gòu)從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對(duì)流層：高

14、度在對(duì)流層：高度在7 712 km,12 km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在平流層：高度在121250 km50 km，底部為等溫層（航空遙感活動(dòng)層），底部為等溫層（航空遙感活動(dòng)層），等溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線(xiàn)的強(qiáng)吸收而逐漸升高。等溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線(xiàn)的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在電離層：高度在50501 000 km1 000 km，大氣中的，大氣中的O O2 2、N N2 2受紫外線(xiàn)照射而受紫外線(xiàn)照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。電離，對(duì)遙感波段是透明的，

15、是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。大氣外層：大氣外層：80080035 000 km ,35 000 km ,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒(méi)有影空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒(méi)有影響。響。 大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。 氣體分子：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 懸浮微粒：煙，塵埃，小水滴，氣溶膠 大氣成分大氣的吸收作用O2吸收帶吸收帶0.2m，0.155 m最強(qiáng)最強(qiáng)O3吸收帶吸收帶0.20.32 m，0.6 mH2O吸收帶吸收帶2.53.0 m , 0.952.85 m，57m,24m以上以上CO2吸收帶吸收帶1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m塵埃塵埃

16、吸收量很小，不起主導(dǎo)作用吸收量很小，不起主導(dǎo)作用大氣散射：大氣散射：太陽(yáng)輻射在傳播過(guò)程中，遇到大氣中的小微粒而使其改變傳播方向，并向各個(gè)方向散開(kāi)，稱(chēng)為散射。 大氣散射減弱了原傳播方向上的輻射強(qiáng)度，而增加了其它方向上的輻射強(qiáng)度。實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：電磁波在傳播過(guò)程中遇到大氣微粒而產(chǎn)生的一種衍射現(xiàn)象。大氣的散射作用大氣的散射作用不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。大氣的散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。對(duì)遙感圖像來(lái)說(shuō)，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成對(duì)遙感圖像來(lái)說(shuō)，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。圖像

17、模糊不清。散射主要發(fā)生在可見(jiàn)光區(qū)。散射主要發(fā)生在可見(jiàn)光區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)對(duì)大氣中微粒的直徑與輻射波長(zhǎng)比較，研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)對(duì)大氣中微粒的直徑與輻射波長(zhǎng)比較，把大氣發(fā)生的散射分為三種：把大氣發(fā)生的散射分為三種： 瑞利散射：瑞利散射：d d 太陽(yáng)的電磁波輻射包括了各個(gè)波段，因此在大氣狀況相同的情況下，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種類(lèi)型的散射。 大氣分子，原子引起的瑞利散射發(fā)生在可見(jiàn)光和近紅外波段。 大氣微粒引起的米氏散射對(duì)近紫外和紅外波段均勻影響。 大氣云層中的小水滴對(duì)可見(jiàn)光有非選擇性散射發(fā)生。 對(duì)于微波波段而言，波長(zhǎng)比小水滴大得多，屬于瑞利散射類(lèi)型，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)四次方成反比，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射強(qiáng)度越小，所以微波具有

18、最小的散射，穿透力強(qiáng)。為什么微波的穿透能力強(qiáng)？ 大氣折射大氣折射 折射率與大氣密度相關(guān)，密度越大折射率越大。 折射只改變太陽(yáng)輻射的方向，不改變強(qiáng)度。 大氣反射大氣反射 大氣反射主要發(fā)生在兩種介質(zhì)的交界面（云層頂部），也取決于云量和各波段的影響。大氣窗口大氣窗口概念：概念：大氣窗口大氣窗口波段波段透射率透射率/%/%應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例紫外可見(jiàn)光紫外可見(jiàn)光近紅外近紅外0.30.31.3 m1.3 m9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近紅外近紅外1.51.51.8 m1.8 m8080TM5TM5近近- -中紅外中紅外2.02.03.5 m3.5 m8080TM7TM7中紅外中紅外3.53.55.5 m5.5 m8080NOAANOAA的的AVHRRAVHRR遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外8 814 m14 m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100