教案電磁輻射與地物光譜特征

1、教案2 目前遙感技術(shù)中通常采用的電磁波位于可見光、目前遙感技術(shù)中通常采用的電磁波位于可見光、紅外和微波波譜區(qū)間。由于它們的波長或頻率不同，紅外和微波波譜區(qū)間。由于它們的波長或頻率不同，不同電磁波又表現(xiàn)出各自的特性和特點(diǎn)?？梢姽狻⒓t不同電磁波又表現(xiàn)出各自的特性和特點(diǎn)。可見光、紅外和微波遙感，就是利用不同電磁波的特性。電磁波外和微波遙感，就是利用不同電磁波的特性。電磁波與地物相互作用特點(diǎn)與過程，是遙感成像機(jī)理探討的與地物相互作用特點(diǎn)與過程，是遙感成像機(jī)理探討的主要內(nèi)容。主要內(nèi)容。1、輻射測量（radiometry），以伽瑪射線到電磁波的整個波段范圍為對象的物理輻射量的測定，其度量單位見下表。 2、

2、光度測量（photometry），由人眼的視覺特性（標(biāo)準(zhǔn)光度觀察）評價的物理輻射量的測定，其度量單位見下表。n 實(shí)際物體的輻射 對于實(shí)際物體，都可以看作輻射源。如果物體的吸收本領(lǐng)大，它的發(fā)射本領(lǐng)也大，即越接近黑體輻射。實(shí)際物體的輻射比黑體輻射弱，而且隨波長不同而不同。請大家討論一下全球變化，哪些大氣成分是惡魔？請大家討論一下全球變化，哪些大氣成分是惡魔？continued波長(nm)大氣上界太陽輻照度海平面太陽輻照度太陽光譜輻照度大氣對輻射的吸收v真正對電磁波傳播起重要吸收作用的是一些真正對電磁波傳播起重要吸收作用的是一些非常少量的氣體，其中作用最為顯著的有臭非常少量的氣體，其中作用最為顯著的

3、有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽。氧，二氧化碳，甲烷和水汽。6.25 6.25 大氣散射v散射的概念：電磁波與物質(zhì)相互作用后電磁波偏離原來的傳播方向的一種現(xiàn)象。v不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。v大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。v對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。v散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。v大氣發(fā)生的散射主要有三種： 瑞利散射：d v瑞利散射：由于氣體分子的尺度遠(yuǎn)小于光波的波長時發(fā)生的散射，屬小顆粒散射。v小顆粒散射的特征： （1）散射光強(qiáng)度與波長4次方成反比，由此可以解釋天空為什么呈藍(lán)色。 （2）如果入射光的為自然光，散射光的相函數(shù)為（1cos2Q

4、)。 （3）當(dāng)Q取0或180時，散射光的偏振度為0。 （4）當(dāng)Q取90時，散射光的偏振度為1（線偏振），其它角度為部分偏振光。大氣散射v米氏散射：大氣中的氣溶膠顆粒，云滴，雨云滴等的直徑與入射光的波長可以比擬或大于入射光的波長時發(fā)生的散射。v米氏散射的特征： （1）電磁波可以穿透介質(zhì)表面而深入到散射顆粒的內(nèi)部。 （2）由于顆粒尺度與波長可以比擬，所以顆粒的不同部位往往處在不同的電場強(qiáng)度下，導(dǎo)致誘發(fā)電流的產(chǎn)生，一方面這高度電流會產(chǎn)生高變的磁場，另一方面電流的存在意味著焦耳熱損耗的出現(xiàn)電磁波的吸收。大氣散射v無選擇散射：大氣粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射，散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，在符合無選擇散射的

5、條件的波段中，任何波長的散射強(qiáng)度相同。 大氣散射大氣散射大氣散射的特點(diǎn)大氣散射的特點(diǎn)v群體散射強(qiáng)度是個體散射強(qiáng)度的線性和。v大氣散射系數(shù)與高度的關(guān)系： 大氣散射系數(shù)由分子散射和氣溶膠散射兩部分組成。 氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減。 就平均狀況而言，4km以下的氣溶膠米氏散射占優(yōu) 勢，4km以上的分子散射占相對優(yōu)勢。v分子散射與氣溶膠散射光強(qiáng)之比隨角度和能見度的變化規(guī)律。 大氣折射與反射大氣折射與反射v折射現(xiàn)象：電磁波傳過大氣層時出現(xiàn)傳播方向的改變，大氣密度越大，折射率越大。v反射現(xiàn)象：電磁波在傳播過程中，通過兩種介質(zhì)的交界面時會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，反射現(xiàn)象出要出現(xiàn)在云頂（云造成的噪聲）。v太陽輻射

6、經(jīng)過大氣傳輸時，反射，吸收和散射共同衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分即為透過的部分。v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。v電磁波通過大氣層時較少被反射，吸收和散射的，透射率較高的波段稱為大氣窗口。（對地遙感要用的部分） 大氣窗口大氣窗口v在可見光和近紅外波段，太陽輻射30被云或其它粒子反射，22被散射，17被吸收，到達(dá)地面能量31。 大氣透射的定量分析v光學(xué)厚度 光學(xué)厚度：電磁波沿某一路徑長度的總衰減系數(shù)，波長的函數(shù)（無因次量）。 大氣的總光學(xué)厚度：在某一垂直路徑上，從大氣頂層到地表的總衰減系數(shù)。 光學(xué)厚度v透過率 通過大氣后的

7、輻照度與通過大氣前的輻照度之比。 大氣透射的定量描述v太陽輻射透過大氣并被地表反射（有用的）；v太陽輻射被大氣散射后被地表反射（糾正后有用）；v太陽輻射被大氣散射后直接進(jìn)入傳感器；v太陽輻射透過大氣被地物反射后又被地表發(fā)射進(jìn)入傳感器；v被視場以外地物反射后進(jìn)入視場的交叉輻射項(xiàng)。 太陽光在地氣系統(tǒng)的吸收、散射過程中對遙感的作用n太陽輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部太陽輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：分透射，即： 到達(dá)地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量到達(dá)地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量透射能量透射能量n地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。地表反射的

8、太陽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)物體對可見光都不具備透射能力，一般而言，絕大多數(shù)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(qiáng)，而有些物體如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是特別是0. 450. 56m0. 450. 56m的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)度可達(dá)101020 m20 m，清澈水體可達(dá)，清澈水體可達(dá)100 m100 m的深度。的深度。n地表吸收太陽輻射后具有約地表吸收太陽輻射后具有約300 K300 K的溫度，從而形成自身的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為的熱輻射，其峰值波

9、長為9.66 m9.66 m，主要集中在長波，即，主要集中在長波，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。反射率是可以測定的。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：反射率隨波長變化的曲線。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。

10、射的能量大小不同。太陽輻射與地物的相互作用 地球的輻射與地物波譜 (1) 地球的輻射源(2) 地球輻射的特性（分段特性）(3) 地物波譜的特征（反射波譜特征）(4) 地物波譜特性的測量(5) 微波輻射與雷達(dá)遙感 地球輻射v地球輻射：地球表面和大氣電磁輻射的總稱。v地球輻射是被動遙感中傳遞地物信息的載體。v裝載在航天航空平臺上的遙感器，接受來自地球輻射攜帶的地物信息，經(jīng)過處理形成遙感影像。被動遙感的輻射源v太陽輻射近似6000K的黑體輻射，能量集中在0.32.5um波段之間。（可見光和近紅外）v地球自身熱輻射近似300K的黑體輻射，能量集中在6.0um以上的波段。（熱紅外） v在0.32.5um

11、波段（主要在可見光和近紅外波段），地表以反射太陽輻射為主，地球自身的輻射可以忽略 。即在該波段范圍內(nèi)，對地觀測遙感主要以太陽的短波輻射對地表進(jìn)行探測和成像。v在2.56.0um波段（主要在中紅外波段），地表反射太陽輻射和地球自身的熱輻射均為被動遙感的輻射源。v在6.0um以上的熱紅外波段，以地球自身的熱輻射為主，地表反射太陽輻射可以忽略。（熱紅外成像） 地球輻射的特性地球輻射的分段特性了解地球輻射的分段特性的意義v可見光和近紅外波段遙感圖像上的信息來自地物反射特性。v中紅外波段遙感圖像上，既有地表反射太陽輻射的信息，也有地球自身的熱輻射的信息。v熱紅外波段遙感圖像上的信息來自地球自身的熱輻射特

12、性。 地球輻射的特性v地物波譜：地物的電磁波響應(yīng)特性隨電磁波長改變而變化的規(guī)律，稱為地表物體波譜，簡稱地物波譜。v地物波譜特性是電磁輻射與地物相互作用的一種表現(xiàn)。v地物波譜的作用：不同類型的地物，其電磁波響應(yīng)的特性不同，因此地物波譜特征是遙感識別地物的基礎(chǔ)。 地物波譜地球輻射的特性不同電磁波段中地物波譜特性v可見光和近紅外波段：主要表現(xiàn)地物反射作用和地物的吸收作用。（樹葉蒼翠欲滴、水下溫度）v熱紅外波段：主要表現(xiàn)地物熱輻射作用。（熱紅外靈敏遙感器夜間成像河流為亮色條帶，但熱紅外白天成像河流為暗色條帶，為什么？）v微波波段：主動遙感利用地物后向散射；被動遙感利用地物微波輻射。 地球輻射的特性地物

13、反射波譜特征v太陽輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分太陽輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：透射，即： 到達(dá)地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量透到達(dá)地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量透射能量。射能量。v一般而言，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力，而一般而言，絕大多數(shù)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(qiáng)，特有些物體如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是別是0. 450. 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，清澈水體可達(dá)，清澈水體可達(dá)100 m的深度。的深度

14、。v地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。地物反射v地物的反射：太陽光通過大氣層照射到地球表面，地地物的反射：太陽光通過大氣層照射到地球表面，地物會發(fā)生發(fā)射作用，反射后的短波輻射一部分為遙感器物會發(fā)生發(fā)射作用，反射后的短波輻射一部分為遙感器所接收。所接收。v反射率反射率地物的反射能量與入射總能量的比，地物的反射能量與入射總能量的比，即即表征物體對電磁波譜的反射能力。表征物體對電磁波譜的反射能力。v反射率是可以測定的。反射率是可以測定的。v地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率的差別，可以

15、判斷地物的屬性。的差別，可以判斷地物的屬性。v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)。地物反射率地物反射波譜特征v地物的反射類型：根據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同，物體反射大體上可以分為3種類型，即鏡面反射、漫反射、實(shí)際物體的反射（1）鏡面反射：發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。物體的反射滿足反射定律，反射波和入射波在同一平面內(nèi)，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。 例子：水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時很例子：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。亮，有時很暗，就是這個原因造

16、成的。物體表面性質(zhì)對反射的影響地物反射波譜特征（2）漫反射：發(fā)生在非常粗糙的表面上的一種反射現(xiàn)象。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。即當(dāng)入射輻照度I一定時，從任何角度觀察反射面，其反射輻照亮度是一個常數(shù)，這種反射面又叫朗伯面。（3）實(shí)際物體反射：介于鏡面和朗伯面（漫反射）之間的一種反射。自然界種絕大多數(shù)地物的反射都屬于這種類型的反射，又叫非朗伯面反射。 對太陽短波輻射的反射具有各向異性，即實(shí)際物體面在有入射波時各個方向都有反射能量，但大小不同。地物反射波譜特征物體表面性質(zhì)對反射的影響v遙感圖像上記錄的輻射亮度，既與輻射入射方位角和天頂角有關(guān)，也與反射方向的方位角和天頂角有關(guān)

17、。v由于鏡面反射會造成太陽光直接進(jìn)入遙感器，在成像時間選擇上，應(yīng)避免中午成像，防止形成鏡面反射。否則水體會形成非常亮的耀斑，周圍地物的反射信息有受到干擾和削弱。了解物體表面性質(zhì)對反射影響的意義地物反射波譜特征v地物反射波譜：是研究可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。v表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示反射率。地物反射波譜v植被v土壤v水體v巖石常見的幾種地物類型波譜特征植被的波譜特征v在0.45um附近（藍(lán)色波段）有一個吸收谷；v在0.55um附近（綠色波段）有一個反射峰；v在0.67um附近（紅色波段）有一個吸收谷。在可見光波段在近紅外波段從0

18、.76um處反射率迅速增大，形成一個爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一個峰值，反射率最大可達(dá)50，形成植被的獨(dú)有特征。1.51.9um光譜區(qū)反射率增大；v以1.45um，1.95um，2.70um為中心是水的吸收帶，其附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響，反射率下降，形成低谷。影響植被波譜特征的主要因素v植物類型v植物生長季節(jié)v病蟲害影響等植被波譜特征大同小異，根據(jù)這些差異可以區(qū)分植被類型、生長狀態(tài)等。土壤的波譜特征v自然狀態(tài)下土壤表面的反射曲線呈比較平滑的特征，沒有明顯的反射峰和吸收谷。v在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和此生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。v土壤含水量增加，土壤的

19、反射率就會下降，在水的各個吸收帶（1.4um、1.9um、2.7um處附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。水體的波譜特征v純凈水體的反射主要在可見光中的藍(lán)綠光波段，在可見光其它波段的反射率很低。v近紅外和中紅外純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于0。水中其它物質(zhì)對波譜特征的影響v水中含有泥沙，在可見光波段的反射率會增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。v水中含有水生植物葉綠素時，近紅外波段反射率明顯抬高。v巖石的反射波譜主要由礦物成分、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等決定。v影響巖石礦物波譜曲線的因素包括巖石風(fēng)化程度、巖石含水狀況、礦物顆粒大小、巖石表面光滑程度、巖石色澤等。巖石礦物的光譜曲線地物波譜曲線的作用v物體波

20、譜曲線形態(tài)，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過測量該地物類型在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器所獲得的數(shù)據(jù)相對照，可以識別遙感影像中的同類地物。應(yīng)用地物波譜特征需要注意的問題v絕大部分地物的波譜值具有一定的變幅，它們的波譜特征不是一條曲線，而是具有一定寬度的曲帶。v地物存在“同物異譜”和“異物同譜”現(xiàn)象。 “同物異譜”是指兩個類型的個體地物，在某個波段上波譜特征不同；“異物同譜”是指不同類型的地物具有相同的波譜特征。地物波譜特性的測量v可見光和近紅外波段是研究地表的主要波段。v可見光和近紅外地物光譜測試的作用：（1）傳感器波段的選擇、驗(yàn)證、評價；（2）建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的定量關(guān)系；（3）地物光譜數(shù)據(jù)與地物特征的相關(guān)分析。v反射光譜特性的測量方法