第二章_電磁輻射與地物光譜特征

1、第二章第二章 電磁輻射與地物光譜特征電磁輻射與地物光譜特征 2.1 電磁波與電磁波譜 2.2 大氣層對電磁輻射的影響 2.3 地物光譜特征2.1 電磁波譜與電磁輻射電磁波譜與電磁輻射一、電磁波二、電磁波譜三、遙感應(yīng)用電磁波段一、電磁波一、電磁波1 1 概念：概念：電磁波是交變電場和磁場電磁波是交變電場和磁場在空中的轉(zhuǎn)化和傳在空中的轉(zhuǎn)化和傳播播2 2 特點：特點：電磁波是橫波，傳播速度為光速電磁波是橫波，傳播速度為光速有反射、吸收、透射、散射等有反射、吸收、透射、散射等。二、電磁波譜二、電磁波譜按電磁波波長的長短（或頻率的大?。?，按電磁波波長的長短（或頻率的大?。?，依次排列制成的圖表稱電磁波譜。

2、依次排列制成的圖表稱電磁波譜。三、遙感應(yīng)用電磁波段、遙感應(yīng)用電磁波段 紫外線、可見光、紅外線、微波紫外線、可見光、紅外線、微波遙感應(yīng)用各電磁波波長遙感應(yīng)用各電磁波波長紫外線紫外線波長范圍為0.01-0.4m。太陽輻射含有紫外線，通過大氣層時，波長短于 0.3m的能量幾乎都被吸收，只有0.3- 0.4m波長到達(dá)地面。主要用于測定碳酸鹽巖分布，碳酸鹽巖對紫外線的反射比其它類型的巖石要強。另外，紫外線對水面飄浮的油膜比周圍的水面反射強烈，因此可以用于油污染的監(jiān)測?？梢姽饪梢姽獠ㄩL范圍從0.38-0.76m。它由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫色光組成。人眼對可見光有敏銳的感覺，不僅對可見光的全色光，而且對

3、不同波段的單色光，也都具有敏銳的分辨能力，所以可見光是作為鑒別物質(zhì)特征的主要波段。在遙感技術(shù)中是以光學(xué)攝影方式和掃描方式接收和記錄地物對可見光的反射特征。紅外線紅外線波長范圍為0.761000m 。分為：近紅外（ 0.76-3.0 m ）、中紅外（3.0-6.0m ）、遠(yuǎn)紅外（6.0-15.0m ）和超遠(yuǎn)紅外（15 -1000 m ）。近紅外在性質(zhì)上與可見光相似，所以又稱為光紅外。在遙感技術(shù)中采用攝影方式和掃描方式，接收和記錄地物對太陽輻射的光紅外反射。中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外是產(chǎn)生熱感的原因，所以又稱為熱紅外。 微波微波微波的波長范圍1mm-lm。微波遙感是借助微波散射現(xiàn)象來探測地物的性質(zhì)。

4、它的優(yōu)點主要有：（1 ）微波易于聚成較窄的發(fā)射波束（2 ）微波近似直線傳播，不受電離層影響。（3 ）地面目標(biāo)對微波散射性能好。（4 ）受自然界中的電磁波干擾小。（5 ）具有一定的穿透性。2.2 2.2 大氣層對電磁輻射的影響大氣層對電磁輻射的影響一、 太陽輻射二、 大氣層對電磁輻射的影響三、 大氣窗口一、太陽輻射一、太陽輻射太陽輻射是地球及大氣電磁輻射的能源，也是被動式遙感系統(tǒng)中主要的輻射源。太陽表面溫度約有6000 K。與5800K的理想黑體所產(chǎn)生的光譜曲線很相似。太陽輻射能主要集中在0.3-3.0m。最大輻射強度位于波長0.47m左右。太陽輻射總能量的46集中在0.4一0.76m間的可見光

5、波段。二、大氣層對電磁輻射的影響二、大氣層對電磁輻射的影響1 1 大氣層結(jié)構(gòu)大氣層結(jié)構(gòu)在垂直方向上分： 對流層 平流層 電離層 大氣外層對流層對流層為大氣的底層，頂部平均位于12km 。高度每增加1km ，溫度下降6.5 K ，氣象變化強，是現(xiàn)代航空遙感主要活動的區(qū)域。在對流層內(nèi)，由于大氣層的吸收作用，使電磁波傳播受到衰減。平流層平流層平流層頂部平均高度80km，層內(nèi)氣流比較穩(wěn)定，沒有垂直對流。在25km以下氣溫一般保持恒溫約為-55C。在25-315km以上氣溫隨高度遞增（臭氧吸收了太陽紫外光），在該層內(nèi)電磁波的傳播特性與對流層內(nèi)的傳播特性相似。電離層電離層頂部高度1000km，大氣十分稀薄

6、，處于電離狀態(tài)。氧原子和氨原子在分解和游離時吸收了多余的能量，使氣溫升高，300km的高度氣溫可達(dá)600-800C。對可見光、紅外直至微波的影響較小，基本上是透明的。它是人造地球衛(wèi)星繞地球運行的主要空間層。大氣外層大氣外層該位于離地面1000km高度以上直至幾萬公里，該層空氣極為稀薄。并不斷向星際空間散逸。該層對衛(wèi)星運行基本上沒有影響。2 2 大氣成分大氣成分由氣體、水蒸氣和懸浮的微?；旌辖M成。由氣體、水蒸氣和懸浮的微?；旌辖M成。氣體：氣體：N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4、O3。懸浮微粒：懸浮微粒：塵埃、冰晶、鹽晶、水滴等，統(tǒng)稱為 氣溶膠，形成霾、霧和云。在80km以下的大氣

7、中，除H2、O2、O3等少數(shù)可變氣體外，各種氣體均勻混合，所占比例幾乎不變，又為均勻?qū)印Ｔ谠搶又写髿馕镔|(zhì)與太陽輻射相互作用，是使太陽輻射能衰減的主要原因。3 3 大氣層對太陽輻射的影響大氣層對太陽輻射的影響太陽輻射在通過大氣層時，約有30被云層和其它大氣成分反射回宇宙空間，約有17 被大氣吸收，約有22被大氣散射，僅有31的太陽輻射直射到地面。太陽輻射通過大氣的透射率（太陽輻射通過大氣的透射率（）為：）為： =e-(+)=e-(+)：為大氣中氣體分子對太陽輻射的吸收系數(shù)：為大氣對太陽輻射的散射系數(shù)：為路程長度（即通過大氣的厚度）1） 大氣的吸收作用大氣的吸收作用 太陽輻射通過大氣層時，大氣層中

8、H2O、O2、CO2、O3對太陽輻射產(chǎn)生選擇性吸收，由于各種氣體對太陽輻射波長吸收的特性不同，使有些波段范圍通過大氣層到達(dá)地面，而另一些波段則全部被吸收不能到達(dá)地面。因此，造成了許多不同波段的大氣吸收帶。氧（氧（O2）：）：在波長0.155m處吸收最強。在低層大氣內(nèi)幾乎觀測不到小于0.2m的太陽輻射，在0.69m和.76m附近，各有一個窄吸收帶。臭氧（臭氧（O3）：）：對太陽輻射能量吸收很強。 在0.2-0.36m 和0.6m附近有兩個吸收帶，臭氧主要分布在30km高度附近，因而對高度小于10km的航空遙感影響不大，而對航天遙感則有影響。水（水（H H2 2O O）：）：它是吸收太陽輻射能量最

9、強的介質(zhì)。從可見光、紅外直至微波波段，都有水汽的吸收帶。主要吸收帶是處于紅外線和可見光中的紅光波段內(nèi)，其中紅外部分吸收最強。在0.5-0.9m有四個窄吸收帶，在0.95-2.85m有5個寬吸收此外，在6.25m附近有一個強吸收帶。二氧化碳（二氧化碳（COCO2 2）：）：它的吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)。在1.35-2.85m有3個寬弱吸收帶。另外在2.7m、4.3m與14.5m為強吸收帶。由于太陽輻射在紅外區(qū)能量很少，這一吸收帶可忽略不計。塵埃：它對太陽輻射也有一定的吸收作用，但吸收量很少。當(dāng)有沙暴、煙霧和火山爆發(fā)等現(xiàn)象發(fā)生時，大氣中塵埃急劇增加，這時它的吸收作用才比較顯著。2 2）大氣的散射作用

10、）大氣的散射作用大氣散射集中于可見光區(qū)，是太陽輻射能衰減的主要原因。散射的強弱可用散射系數(shù)表示：?為波長的指數(shù)，它由微粒直徑（d）的大小決定。根據(jù)波長與散射微粒的大小之間的關(guān)系，散射可分為三種：瑞利散射瑞利散射當(dāng)大氣微粒的直徑（d）比輻射波長（）小得多時，即：當(dāng)d d/10/10時，?4，發(fā)生的散射稱瑞利散射。 1/1/4 4可見光對瑞利散射的影響較大。常見雨過天睛后，晴朗天空呈碧藍(lán)色，大氣中的粗粒物質(zhì)被雨水帶走，大氣中的氣體分子粒徑較小，把波長較短的藍(lán)光散射到天空中的緣故。米氏散射米氏散射當(dāng)大氣中微粒的直徑與輻射波長相近時，即d，?=2 ，發(fā)生的散射稱為米氏散射。 =1/=1/2 2它是由大

11、氣中氣溶膠所引起的散射。云霧等懸浮粒子的大小與0.76-15m的紅外線的波長差不多，因此，云、霧對紅外線的米氏散射是不可忽視的。非選擇性散射非選擇性散射 當(dāng)微粒的直徑比波長大得多時，即d，?0， 1，所發(fā)生的散射稱為非選擇性散射。這種散射與波長無關(guān)，即任何波長散射強度相同。如大氣中的水滴、霧、煙、塵埃等氣溶膠對太陽輻射，常常會出現(xiàn)這種散射。云或霧之所以看起來是白色，是因為它對各種波長的電磁波的散射是一樣的。三、大氣窗口三、大氣窗口大氣層的反射、吸收和散射作用，削弱了太陽輻射的能量。把太陽輻射通過大氣層時，反射、吸收和散射比較低，即透射率高的波段范圍，稱為大氣窗口。主要的大氣窗口：0.3-1.3

12、m：包括部分紫外（0.3-0.38m）、可見光（0.4-0.76m）和部分近紅外波段（0.76-1.3m），屬于地物的反射光譜。對電磁波的透射率達(dá)90%以上?？梢圆捎脭z影方式、掃描方式成像，膠卷感光的波譜區(qū)間在0.32-1.32m范圍，超出這個波譜范圍則不能采用攝影方式成像。1.3-2.5m：近紅外波段的中段。仍屬于地物反射光譜，但不能用膠片攝影，僅能用光譜儀和掃描儀來記錄地物的電磁波信息。透射率都接近80。目前近紅外窗口應(yīng)用不多，但在某些波段對區(qū)分蝕變巖石有較好的效果，因此在遙感地質(zhì)應(yīng)用方面很有潛力。TM設(shè)有1.55-1.75m和2.08-2.35m兩個波段。3.5-4.2m：中紅外波段。包

13、括地物反射光譜、發(fā)射光譜，屬于混合光譜范圍。中紅外窗口應(yīng)用很少，目前多用于航空多光譜掃描方式成象。8-14m：遠(yuǎn)紅外波段，熱輻射光譜。透射率約為6070。是地物在常溫下熱輻射能量最集中的波段，在遙感地質(zhì)、環(huán)境遙感中應(yīng)用較多。利用掃描儀和熱輻射計來獲得地物發(fā)射的電磁波信息。0.8-25cm：微波窗口，屬于發(fā)射光譜范圍。不受大氣干擾，透射率可達(dá)100，是全天候的遙感波段。2.3 地物光譜特征地物光譜特征地物的光譜特性是遙感技術(shù)的重要理論依據(jù)，它既為傳感器工作波段的選擇提供依據(jù)，又是遙感數(shù)據(jù)正確分析和判讀的理論基礎(chǔ)，同時也可作為利用計算機進(jìn)行數(shù)字圖像處理和分類時的參考標(biāo)準(zhǔn)。一、一、 地物的反射光譜特

14、征地物的反射光譜特征二、二、 地物的發(fā)射光譜特征地物的發(fā)射光譜特征一、地物反射光譜特征一、地物反射光譜特征輻射能量入射到任何地物表面上，一部分被反射；一部分被吸收，還有一部分透射穿過地物。根據(jù)能量守恒定律可得： P=P+P+PP總能量；P反射能量；P吸收能量；P透射能量。除以P，則有： +=1 、分別為反射率、吸收率、透射率1 地物反射率地物反射率不同地物對入射光的反射能力是不一樣的，通常采用反射率（或反射系數(shù)）來表示。反射率等于地物的反射能量與入射的總能量的比值，通常用百分?jǐn)?shù)表示。 = P/P* 100%2 2 地物反射光譜特征地物反射光譜特征地物反射率與入射光波波長密切相關(guān)，地物反射率是入

15、射電磁波波長的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱之為地物反射光譜特征?？梢杂们€表示，稱之為地物反射光譜曲線。植被的光譜特征植被的光譜特征土壤光譜特征土壤光譜特征水體光譜特征水體光譜特征巖石光譜特征巖石光譜特征不同地物，反射率不同。同一物質(zhì)，不同存在形態(tài)，反射率不同。同一類地物，反射光譜曲線相似，但又存在差異。反射率與影像色調(diào)：反射率高，色調(diào)淺。3 3 影響反射率的因素影響反射率的因素表面的粗糙程度；表面的風(fēng)化程度；含水性；光照度；陰坡、陽坡；植被發(fā)育程度。二、二、 地物的發(fā)射光譜特征地物的發(fā)射光譜特征任何地物當(dāng)溫度高于絕對溫度0度時，就存在著分子熱運動，都向周圍空間輻射能量。地物發(fā)射電磁波的能力是以發(fā)射率

16、作為測量標(biāo)準(zhǔn)，而地物的發(fā)射率又是以黑體輻射作為基準(zhǔn)。輻射輻射： 電磁波在空間中的傳播叫做電磁輻射，簡稱輻射。 分為入射、發(fā)射、反射、透射、散射、吸收。輻射源輻射源：任何物體都是輻射源，不僅能夠吸收其它物體對它的輻 射，也能夠向外輻射。輻射通量（輻射通量（ ）：）：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量， =dW/dt，單位為W（瓦）。輻射通量密度（輻射通量密度（E E）：）：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量， E= d /ds，單位為W/m2。輻照度（輻照度（I I）：）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量， I= d /ds輻射出射度（輻射出射度（M M）：）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量

17、， M= d /ds。 輻照度與輻射出射度都是輻射通量密度的概念，但I(xiàn)為物體接收的輻射，M是物體發(fā)出的輻射，都與波長有關(guān)。黑體：黑體： 絕對黑體，指能夠?qū)⑼鈦磔椛淠芰咳课盏奈矬w。發(fā)射率：發(fā)射率：地物單位面積上發(fā)射（輻射）能量M與同一溫度下同 面積黑體發(fā)射能量M黑之比值。即：=M/M黑反射率：反射率：地物的反射能量與入射總能量之比。透射率：透射率：地物的透射度與其表面的輻照度之比。吸收率：吸收率：地物的吸收度與其表面的輻照度之比。一、熱輻射基本定律一、熱輻射基本定律 任何地物當(dāng)溫度高于絕對溫度0K時，就存在著分子運動，不斷地向外發(fā)射電磁波。實際上，世界上任何物體的溫度都高于0K（0K=273

18、.15）。所以，任何物體都有熱輻射。 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。物體根據(jù)吸收率的大小分為：黑體、灰體、選擇性輻射體。黑體：黑體：其=1，不隨波長變化?；殷w：灰體：其 =常數(shù)1(因而吸收率1，不隨波長變化。選擇性輻射體：選擇性輻射體：其隨波長而變化，而且 1（因而吸收率a也隨波長變化，并且a1。1 1 普朗克定律：普朗克定律：黑體輻射能量是溫度的函數(shù)：W：為單位面積單位時間單位波長區(qū)間輻射能量，h：為普朗克常數(shù)=（662560.0005）；K：為玻爾茲曼常數(shù)=（1.38054土0.00018）；e：為自然對數(shù)的底= 2.718；C為光速；為波

19、長；T為絕對溫度；為波長T為絕對溫度不同溫度下的黑體光譜曲線：不同溫度下，有不同的發(fā)射光譜；輻射能量隨波長連續(xù)變化，曲線只有一個最大值；溫度愈高，輻射通量密度也愈大；不同溫度的曲線是不相交的；隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長移向短波方向。2 斯蒂芬玻爾茲曼定律斯蒂芬玻爾茲曼定律單位面積單位時間全部波長范圍內(nèi)的輻射總能量：斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.6697土0.00297 T ：黑體絕對溫度3 維恩定律維恩定律黑體熱輻射的峰值波長與絕對溫度成反比：max：為某一溫度下輻射能量的峰值波長；B = 2879.8 （um.k)。二、地物的熱輻射特征二、地物的熱輻射特征1 1 地物發(fā)射率地物發(fā)射率自然界中黑體輻射是不存在的，一般地物的輻射要比黑體輻射小。地物的發(fā)