第二章 電磁輻射及地物光譜特征B=遙感概論=寧夏大學(xué)

1、l太陽光照射在物體上，物體對太陽光進(jìn)太陽光照射在物體上，物體對太陽光進(jìn)行反射，而且不同物體對光的反射能力行反射，而且不同物體對光的反射能力是不相同的。是不相同的。l遙感正是利用物體的這一性質(zhì)，用傳感遙感正是利用物體的這一性質(zhì)，用傳感器接收物體反射回來的電磁波，不同物器接收物體反射回來的電磁波，不同物體反射情況不相同，反映在圖象上即形體反射情況不相同，反映在圖象上即形成不同的形狀和色調(diào)，以此來進(jìn)行地物成不同的形狀和色調(diào)，以此來進(jìn)行地物的識別。的識別。l一、電磁波譜與電磁輻射一、電磁波譜與電磁輻射l（一）電磁波譜（一）電磁波譜l振動在空氣中的傳播形成波。振動在空氣中的傳播形成波。l1、電磁波、電磁

2、波當(dāng)電磁震蕩進(jìn)入空間，變當(dāng)電磁震蕩進(jìn)入空間，變化著的磁場能夠在它的周圍激起電場，化著的磁場能夠在它的周圍激起電場，變化的電場又會在它的周圍激發(fā)磁場，變化的電場又會在它的周圍激發(fā)磁場，變化的電場和磁場交替產(chǎn)生。由近及遠(yuǎn)變化的電場和磁場交替產(chǎn)生。由近及遠(yuǎn)地向周圍空間的傳播就叫電磁波。地向周圍空間的傳播就叫電磁波。l實驗證明，電磁波與光波性質(zhì)相同，因?qū)嶒炞C明，電磁波與光波性質(zhì)相同，因此光波和電磁波統(tǒng)一起來，光波也叫電此光波和電磁波統(tǒng)一起來，光波也叫電磁波。磁波。l電磁波的種類：無線電波、紅外線、可電磁波的種類：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、見光、紫外線、x射線、射線、r射線。射線。l這些不同的電

3、磁波又具有各自的特性，這些不同的電磁波又具有各自的特性，這是由于產(chǎn)生的波源不同，因此他們的這是由于產(chǎn)生的波源不同，因此他們的波長和頻率也不相同。波長和頻率也不相同。l2、電磁波譜、電磁波譜l按照電磁波在真空中的波長（或頻率）按照電磁波在真空中的波長（或頻率）加以排列形成一個譜表就叫電磁波譜。加以排列形成一個譜表就叫電磁波譜。l電磁波譜電磁波譜波段波段波長波長長波長波大于大于3000m中波和短波中波和短波103000m超短波超短波110m微波微波1mm1m紅紅外外波波段段超遠(yuǎn)紅外超遠(yuǎn)紅外151000m遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外615 m中紅外中紅外36 m近紅外近紅外0.763 m波段 波長可見光紅0.380

4、.760.620.76 m橙0.590.62 m黃0.560.59 m綠0.500.56 m青0.470.50 m蘭0.430.47 m紫0.380.43 m紫外線10-3 3.8*10-1 mX射線 10-610-3 m射線小于10-6 ml3、遙感上應(yīng)用的電磁波、遙感上應(yīng)用的電磁波l1）紫外線（）紫外線（0.01 m0.38 m）l高溫物體可發(fā)射紫外線，太陽光中也含高溫物體可發(fā)射紫外線，太陽光中也含有紫外線，但是太陽光在通過大氣層時有紫外線，但是太陽光在通過大氣層時波長小于波長小于0.3 m的幾乎全部吸收，所以的幾乎全部吸收，所以太陽光中到達(dá)地面的只有太陽光中到達(dá)地面的只有0.3 m0.4

5、 m，能量很少，但是可使溴化銀底片感，能量很少，但是可使溴化銀底片感光，所以可用攝影或掃描方式獲得地物光，所以可用攝影或掃描方式獲得地物紫外波段的影象。紫外波段的影象。l2）可見光（）可見光（0.380.76 m）l在電磁波譜中，可見光只占很小一個空在電磁波譜中，可見光只占很小一個空間，但是其能量卻占到太陽輻射總量的間，但是其能量卻占到太陽輻射總量的一半。而且人眼對可見光敏感，不僅對一半。而且人眼對可見光敏感，不僅對全色光，而且對不同波段的單色光都有全色光，而且對不同波段的單色光都有敏銳的分辨能力。敏銳的分辨能力。所以可見光是遙感技所以可見光是遙感技術(shù)應(yīng)用最多的一個波段術(shù)應(yīng)用最多的一個波段，一

6、般用光學(xué)攝，一般用光學(xué)攝影和光電掃描來獲得遙感影象。影和光電掃描來獲得遙感影象。l3）紅外線（）紅外線（0.76 m1000 m）近紅外（近紅外（0.76 m3.0 m）光紅外，性質(zhì)光紅外，性質(zhì)與可見光相似，主要反映地物對太陽光的反射，與可見光相似，主要反映地物對太陽光的反射，不反映地物的熱輻射，采用攝影和掃描方式。不反映地物的熱輻射，采用攝影和掃描方式。中紅外（中紅外（3.0 m6.0 m）遠(yuǎn)紅外（遠(yuǎn)紅外（6.0 m15.0 m） 熱紅外熱紅外超遠(yuǎn)紅外（超遠(yuǎn)紅外（15 m1000 m）l熱紅外是產(chǎn)生熱感的原因。一般自然界的任何熱紅外是產(chǎn)生熱感的原因。一般自然界的任何物體，當(dāng)溫度大于絕對溫度物

7、體，當(dāng)溫度大于絕對溫度0 k（-273C ）時，）時，能發(fā)射紅外線，發(fā)射能力的大小由其溫度來決能發(fā)射紅外線，發(fā)射能力的大小由其溫度來決定，溫度越高，發(fā)射能力越強(qiáng)。定，溫度越高，發(fā)射能力越強(qiáng)。 l在常溫范圍內(nèi)物體發(fā)射的波長多在在常溫范圍內(nèi)物體發(fā)射的波長多在340 m之間，而之間，而15 m以上的超遠(yuǎn)紅外絕大以上的超遠(yuǎn)紅外絕大部分被吸收，部分被吸收，所以遙感技術(shù)在紅外線波所以遙感技術(shù)在紅外線波段主要是利用了段主要是利用了315 m波段，也就是波段，也就是中紅外和遠(yuǎn)紅外。中紅外和遠(yuǎn)紅外。l熱紅外采用的是熱感應(yīng)方式，其主要傳熱紅外采用的是熱感應(yīng)方式，其主要傳感器是輻射計。感器是輻射計。l4）微波）微波

8、l無線電波的一種，常用波段為無線電波的一種，常用波段為3cm、5cm、10cm，為主動式遙感。，為主動式遙感。l（二）電磁輻射（二）電磁輻射l任何物體都是輻射源任何物體都是輻射源，不僅能夠吸收其，不僅能夠吸收其它物體對它的輻射，也能夠向外輻射。它物體對它的輻射，也能夠向外輻射。因此對輻射源的認(rèn)識不僅限于太陽、爐因此對輻射源的認(rèn)識不僅限于太陽、爐子等發(fā)熱發(fā)光的物體，能發(fā)出紫外線、子等發(fā)熱發(fā)光的物體，能發(fā)出紫外線、x射線、射線、射線、微波等的物體也是輻射源，射線、微波等的物體也是輻射源，只是輻射強(qiáng)度和波長不同而已。只是輻射強(qiáng)度和波長不同而已。l電磁波傳遞就是電磁波傳遞就是電磁能量電磁能量的傳遞，遙

9、感的傳遞，遙感對電磁波的探測實際上是對物體對電磁波的探測實際上是對物體輻射能輻射能量量的測定。的測定。l二、太陽輻射與大氣窗口二、太陽輻射與大氣窗口l（一）太陽輻射（一）太陽輻射l太陽輻射的電磁波到達(dá)地球表面大概需要太陽輻射的電磁波到達(dá)地球表面大概需要8分分鐘，地球周圍存在著很厚的大氣層，太陽光照鐘，地球周圍存在著很厚的大氣層，太陽光照射到地球表面之前，必須穿過大氣層。這樣太射到地球表面之前，必須穿過大氣層。這樣太陽光在大氣層中遇到各種氣體分子、水滴和塵陽光在大氣層中遇到各種氣體分子、水滴和塵埃時會受到干擾，埃時會受到干擾，一部分光被反射回宇宙空間，一部分光被反射回宇宙空間，一部分光被吸收，一

10、部分光被散射一部分光被吸收，一部分光被散射，因此到達(dá)，因此到達(dá)地球表面的太陽輻射僅占地球表面的太陽輻射僅占31%，再除掉被植物，再除掉被植物光合作用消耗的能量，遙感接受和記錄的就是光合作用消耗的能量，遙感接受和記錄的就是剩下的這部分能量。剩下的這部分能量。l（二）大氣對太陽輻射的影響（二）大氣對太陽輻射的影響l1、大氣層的反射作用、大氣層的反射作用l太陽光進(jìn)入到大氣層以前，它的波長范太陽光進(jìn)入到大氣層以前，它的波長范圍很廣，從零到無窮大，但主要波長范圍很廣，從零到無窮大，但主要波長范圍集中在圍集中在0.154 m之間，約占之間，約占99%，其中可見光其中可見光50%，紅外，紅外43%，紫外，紫

11、外7%。l地球被大氣圈所包圍，一般認(rèn)為大氣厚地球被大氣圈所包圍，一般認(rèn)為大氣厚度約為度約為1000km，且在垂直方向自下而上，且在垂直方向自下而上分為對流層、平流層、中氣層、熱層等。分為對流層、平流層、中氣層、熱層等。對太陽輻射影響最大的是對流層和平流對太陽輻射影響最大的是對流層和平流層。層。l大氣中主要成分有氣體分子（氮氣大氣中主要成分有氣體分子（氮氣 和和 氧氧氣約占?xì)饧s占99%，其余，其余1%是臭氧是臭氧 、二氧化碳、二氧化碳 和水分子）和微粒（煙、塵埃、小水滴和水分子）和微粒（煙、塵埃、小水滴等），水滴、塵埃單個來說其反射能力等），水滴、塵埃單個來說其反射能力不強(qiáng)，但由塵埃和水滴組成的

12、云的反射不強(qiáng)，但由塵埃和水滴組成的云的反射能力很大，如果云層很厚，其反射回的能力很大，如果云層很厚，其反射回的能量越多，因此遙感攝影要選擇晴朗無能量越多，因此遙感攝影要選擇晴朗無云的好天。云的好天。 l2、大氣層的吸收作用、大氣層的吸收作用l大氣層中的氣體分子、水滴和塵埃等粒大氣層中的氣體分子、水滴和塵埃等粒子，除了對太陽光產(chǎn)生反射作用外，還子，除了對太陽光產(chǎn)生反射作用外，還有選擇性的吸收作用。各種氣體分子和有選擇性的吸收作用。各種氣體分子和粒子對太陽輻射波長的吸收特性不同，粒子對太陽輻射波長的吸收特性不同，因此有些波段范圍能透過大氣層到達(dá)地因此有些波段范圍能透過大氣層到達(dá)地球表面，有些則全部

13、被吸收，不能到達(dá)球表面，有些則全部被吸收，不能到達(dá)地球表面，地球表面，因此了解這些知識對我們研因此了解這些知識對我們研制傳感器有重要意義（為什么）。制傳感器有重要意義（為什么）。l具體吸收情況見具體吸收情況見P28頁。頁。l3、大氣層的散射作用、大氣層的散射作用l散射作用不像質(zhì)點的吸收作用那樣把太散射作用不像質(zhì)點的吸收作用那樣把太陽能轉(zhuǎn)換為自身內(nèi)能，而是只改變太陽陽能轉(zhuǎn)換為自身內(nèi)能，而是只改變太陽輻射的方向，使其圍繞質(zhì)點向四周傳射，輻射的方向，使其圍繞質(zhì)點向四周傳射，因此這部分散射光和地物的反射光一起因此這部分散射光和地物的反射光一起進(jìn)入傳感器，對影象造成影響。進(jìn)入傳感器，對影象造成影響。l一

14、般情況下，太陽輻射光的散射作用同一般情況下，太陽輻射光的散射作用同散射介質(zhì)的質(zhì)點大小有密切關(guān)系，并分散射介質(zhì)的質(zhì)點大小有密切關(guān)系，并分為三種情況：為三種情況：l1）瑞利散射）瑞利散射散射質(zhì)點的直徑小于輻散射質(zhì)點的直徑小于輻射波長時發(fā)生的散射，這種散射主要由射波長時發(fā)生的散射，這種散射主要由大氣層中的氣體分子如大氣層中的氣體分子如N2、CO2、O3等等引起。引起。l特點：特點：散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比。散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比。即波長越長，散射越弱即波長越長，散射越弱。l瑞利散射對可見光影響很大，無云的晴瑞利散射對可見光影響很大，無云的晴空呈現(xiàn)蘭色就是因為藍(lán)光波長短，散射空呈現(xiàn)蘭色就是因

15、為藍(lán)光波長短，散射強(qiáng)度較大，使天空呈現(xiàn)蔚藍(lán)色。強(qiáng)度較大，使天空呈現(xiàn)蔚藍(lán)色。l2）米氏散射）米氏散射散射質(zhì)點的直徑與輻射散射質(zhì)點的直徑與輻射波長相當(dāng)時發(fā)生的散射。主要由大氣中波長相當(dāng)時發(fā)生的散射。主要由大氣中的煙、塵埃和小水滴引起。的煙、塵埃和小水滴引起。l散射特點：散射特點：散射強(qiáng)度與波長的二次方成散射強(qiáng)度與波長的二次方成反比，且散射在光線向前方向比向后方反比，且散射在光線向前方向比向后方向更強(qiáng)，具有明顯的方向性。向更強(qiáng)，具有明顯的方向性。l如云霧的粒子大小與紅外線波長接近，如云霧的粒子大小與紅外線波長接近，所以云霧對紅外線的散射主要是米氏散所以云霧對紅外線的散射主要是米氏散射。射。l3）無選

16、擇性散射）無選擇性散射l散射質(zhì)點的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射質(zhì)點的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射。散射。l散射特點：散射特點：散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，即在散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，即在符合無選擇性散射條件的波段中，任何符合無選擇性散射條件的波段中，任何波長的散射強(qiáng)度都相同。波長的散射強(qiáng)度都相同。l如云霧粒子直徑比可見光波長大很多，如云霧粒子直徑比可見光波長大很多，因而對可見光各波長的光散射強(qiáng)度相同，因而對可見光各波長的光散射強(qiáng)度相同，所以人們看到云霧呈白色。所以人們看到云霧呈白色。l（三）大氣透射窗口（三）大氣透射窗口l太陽輻射光照射到地球表面的過程中，由于大太陽輻射光照射到地球表面的過程中，由于大氣層

17、的反射、吸收和散射作用，絕大部分能量氣層的反射、吸收和散射作用，絕大部分能量消失掉了，只有一部分大氣散射和透射能量透消失掉了，只有一部分大氣散射和透射能量透過大氣層到達(dá)地球表面。過大氣層到達(dá)地球表面。l大氣透射窗口：通常把太陽輻射光通過大氣層大氣透射窗口：通常把太陽輻射光通過大氣層時沒有或較少被反射、吸收和散射的那些透過時沒有或較少被反射、吸收和散射的那些透過率高的波段稱為大氣透射窗口。率高的波段稱為大氣透射窗口。l對遙感傳感器而言，只能選擇大氣透射窗口才對遙感傳感器而言，只能選擇大氣透射窗口才對觀測有意義。對觀測有意義。l1、0.31.3 m（紫外、可見光、近紅外）（紫外、可見光、近紅外）這

18、一波段是攝影成像的最佳波段，也是這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。如如Landsat1-4波段波段lTM1（0.450.52） 藍(lán)光波段藍(lán)光波段lTM2（0.520.60）綠光波段）綠光波段lTM3（0.630.69） 紅光波段紅光波段lTM4（0.760.90） 近紅外波段近紅外波段l這一光譜段屬于反射光譜，只能白天成這一光譜段屬于反射光譜，只能白天成像，且要求日照條件良好。像，且要求日照條件良好。l2、1.51.8 m和和2.03.5 m（近紅外）（近紅外）lTM5（1.551.75 m）lTM7（1.752.08 m）l

19、這一波段用以探測植物含水量以及云、這一波段用以探測植物含水量以及云、雪、地質(zhì)探礦等。雪、地質(zhì)探礦等。l也屬于反射光譜，只能白天成像。也屬于反射光譜，只能白天成像。l3、3.55.5 m（中紅外）（中紅外）l屬于混合光譜，既有太陽光反射，也有屬于混合光譜，既有太陽光反射，也有地表熱輻射，這一光譜段主要采用紅外地表熱輻射，這一光譜段主要采用紅外掃描儀得到紅外掃描相片，可晝夜成像。掃描儀得到紅外掃描相片，可晝夜成像。如氣象衛(wèi)星如氣象衛(wèi)星NOAA的的AVHRR（甚高分辨（甚高分辨率輻射計）用于探測海面溫度。率輻射計）用于探測海面溫度。l4、814 m（遠(yuǎn)紅外波段）可晝夜成像，（遠(yuǎn)紅外波段）可晝夜成像，

20、尤以夜間成像為好（夜間太陽輻射消失，尤以夜間成像為好（夜間太陽輻射消失，地面發(fā)出的能量以發(fā)射光譜為主）地面發(fā)出的能量以發(fā)射光譜為主）l5、0.825cm（微波）（微波）l0.5cm、3cm、5cm、10cml可全天侯工作。可全天侯工作。l三、地球的輻射與地物波譜三、地球的輻射與地物波譜l（一）太陽輻射與地表的相互作用（一）太陽輻射與地表的相互作用l地表接受太陽光照射后向外反射，同時地表接受太陽光照射后向外反射，同時地表自身又存在熱輻射。這兩種情況同地表自身又存在熱輻射。這兩種情況同時存在，只不過在不同的波段范圍情況時存在，只不過在不同的波段范圍情況不同。不同。l1、在短波區(qū)（、在短波區(qū)（0.3

21、2.5 m）即紫外、可）即紫外、可見光、近紅外波段，地表反射的太陽光見光、近紅外波段，地表反射的太陽光成為地表的主要輻射來源，而來自地球成為地表的主要輻射來源，而來自地球自身的輻射，幾乎可以忽略不計。自身的輻射，幾乎可以忽略不計。l2、在長波區(qū)（、在長波區(qū)（6 m）即遠(yuǎn)紅外，該區(qū)）即遠(yuǎn)紅外，該區(qū)段主要是地球自身的熱輻射，太陽輻射段主要是地球自身的熱輻射，太陽輻射可以忽略不計?？梢院雎圆挥嫛3、2.56 m，即中紅外，地球?qū)μ?，即中紅外，地球?qū)μ栞椛涞姆瓷浜偷乇砦矬w自身的熱輻射均輻射的反射和地表物體自身的熱輻射均不能忽略。不能忽略。l地球輻射的分段特性地球輻射的分段特性波段名稱波段名稱可見

22、光與可見光與近紅外近紅外中紅外中紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外波長波長0.32.5 m2.56 m6 m輻射特性輻射特性地表反射太地表反射太陽輻射為主陽輻射為主地表反射太地表反射太陽輻射和自陽輻射和自身的熱輻射身的熱輻射地表物體地表物體自身熱輻自身熱輻射為主射為主l（二）地物的反射光譜特性（二）地物的反射光譜特性l當(dāng)太陽輻射經(jīng)過大氣的吸收、反射和散當(dāng)太陽輻射經(jīng)過大氣的吸收、反射和散射最終到達(dá)地球表面時，在地球表面又射最終到達(dá)地球表面時，在地球表面又出現(xiàn)三種情況：出現(xiàn)三種情況：l一部分入射能被地物反射一部分入射能被地物反射P反反l一部分入射能被地物吸收一部分入射能被地物吸收P吸吸l一部分入射能被地物透射一部分

23、入射能被地物透射P透透lP入入=P反反+P吸吸+P透透 P入入入射總能量入射總能量l1= P反反/ P入入+ P吸吸/ P入入+ P透透 / P入入l令令 P反反/ P入入*100%= 反射率反射率l P吸吸/ P入入*100%= 吸收率吸收率l P透透 / P入入*100%= 透射率透射率l一般情況下，一般情況下，只有水和冰具有透射一定只有水和冰具有透射一定波長電磁波的能力波長電磁波的能力（0.450.56 m 的藍(lán)的藍(lán)綠光波段），絕大多數(shù)地物都沒有透射綠光波段），絕大多數(shù)地物都沒有透射電磁波的能力。電磁波的能力。微波對地物具有明顯的微波對地物具有明顯的透射能力透射能力，可以透過地面巖石、土

24、壤，可以透過地面巖石、土壤，在不破壞地面物體的情況下探測到地層在不破壞地面物體的情況下探測到地層下面的情況，在勘測石油時有重要作用。下面的情況，在勘測石油時有重要作用。l所以一般情況下所以一般情況下=0l上式可寫為上式可寫為=1- l這表明：地物的吸收率越高，反射率就這表明：地物的吸收率越高，反射率就越低。反之地物的吸收率越低，反射率越低。反之地物的吸收率越低，反射率就越高。就越高。l1、地物的反射率、地物的反射率l1）定義：地物的反射量與入射總能量之）定義：地物的反射量與入射總能量之比。又叫反射系數(shù)、亮度系數(shù)。比。又叫反射系數(shù)、亮度系數(shù)。l不同地物，即使同一地物對入射太陽光不同地物，即使同一

25、地物對入射太陽光的反射能力是不一樣的。的反射能力是不一樣的。l2）影響反射率的因素）影響反射率的因素太陽輻射光的波長太陽輻射光的波長入射角的大小入射角的大小地表顏色、粗糙度地表顏色、粗糙度一般來說，一般來說，地物反射率大，反射入射光地物反射率大，反射入射光能力強(qiáng)，傳感器記錄的亮度值大，色調(diào)能力強(qiáng)，傳感器記錄的亮度值大，色調(diào)淺；反之，地物反射率小，反射能力弱，淺；反之，地物反射率小，反射能力弱，傳感器記錄的亮度值小，色調(diào)深。這些傳感器記錄的亮度值小，色調(diào)深。這些色調(diào)的差異就成為我們進(jìn)行目視判讀的色調(diào)的差異就成為我們進(jìn)行目視判讀的主要依據(jù)。主要依據(jù)。l2、地物的反射光譜、地物的反射光譜l1）定義：地物的反射率隨入射光波長變）定義：地物的反射率隨入射光波長變化的規(guī)律?；囊?guī)律。l將地物的反射率與入射光波長用直角坐將地物的反射率與入射光波長用直角坐標(biāo)系表示，用橫軸表示波長，縱軸表示標(biāo)系表示，用橫軸表示波長，縱軸表示反射率，繪成的曲線就叫地物的反射光反射率，繪成的曲線就叫地物的反射光譜曲線。譜曲線。l2）不同地物的反射光譜曲線）不同地物的反射光譜曲線l雪：在雪：在0.4-0.6 m （可見光）附近有一