第二章_電磁輻射和地物光譜特征

1、第二章第二章 遙感物理基礎(chǔ)遙感物理基礎(chǔ) 本章提要本章提要() 2.1 電磁波及電磁波譜電磁波及電磁波譜2.2 物體的發(fā)射輻射物體的發(fā)射輻射2.3 地物的反射光譜特性地物的反射光譜特性2.4 太陽輻射太陽輻射 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。2.1 電磁波及電磁波譜電磁波及電磁波譜2、電磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的過程3、電磁輻射:這種電磁能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射）稱為電磁輻射。電磁波傳播示意圖4.電磁波性質(zhì)： 電磁波是橫波，

2、傳播速度為 3108 m/s,不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)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。 滿足： c=v * (c為光速) E=h * v (h為普朗克常數(shù))描述電磁波特性的指標(biāo) 波長、頻率、振幅、位相等5.電磁波譜： 將各種電磁波在真空中的波長（或頻率）按其長短，依次排列制成的表叫做電磁波譜。 電磁波的波段從波長短的一側(cè)開始，依次叫做線、線、紫外（UV）、可見光（visible light）、紅外（infrared=IR）、微波。遙感所使用的電磁波的波長是：紫外線(UV)：0.01-0.4m，碳酸鹽巖分布、水面油污染?？梢姽猓?.4-0.76 m，鑒別物質(zhì)特征的主要

3、波段；是遙感最常用的波段。紅外線(IR) ：0.76-1000 m。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動與被動之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ??？梢姽馐侨搜劭梢钥匆姷碾姶挪?，它可以?xì)分為7色紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅，也可以粗分為藍(lán)、綠、紅3色，即3個光譜段：藍(lán)為0.38m0. 50m，綠為0. 50m0.60m，紅為0.60m0.76m?？梢姽馐沁b感中最早和最常使用的波段。2 .2 物體的發(fā)射輻射物體的發(fā)射輻射1.黑體輻射2.普朗克輻射(Planck)定律3.玻耳茲曼(Stefan-Boltzmann)定律 4.基爾霍夫（Kirchho)輻射定律5.維恩(Wien)位移定律黑體是一個理想的輻

4、射體，是衡量地物發(fā)射電磁波能黑體是一個理想的輻射體，是衡量地物發(fā)射電磁波能力大小的一個標(biāo)準(zhǔn)力大小的一個標(biāo)準(zhǔn)黑體模型定義：如果一個物體對于任何波長的電磁輻射都全部吸定義：如果一個物體對于任何波長的電磁輻射都全部吸收，則這個物體是黑體。收，則這個物體是黑體。黑色的煙煤是最接近絕對黑體黑色的煙煤是最接近絕對黑體的自然物質(zhì)。的自然物質(zhì)。1.黑體黑體2. 普朗克輻射普朗克輻射(Planck)定律定律普朗克給出了黑體輻射的能量（普朗克給出了黑體輻射的能量（E）與頻率（）與頻率（v）之間）之間的關(guān)系：的關(guān)系：E= h* vH為普朗克常量，為普朗克常量，v為頻率為頻率v *=c (c為光速為光速) 說明：輻射

5、能量與它的波長成反比，即輻射的波長越短，頻率越高，其輻射能量越高，因此遙感探測系統(tǒng)對能量高的信號容易感應(yīng)。3.波爾滋曼定律波爾滋曼定律絕對黑體的總輻射出射度與溫度的四次方成正比絕對黑體的總輻射出射度與溫度的四次方成正比 M=T4 ， 是波爾滋曼常數(shù)是波爾滋曼常數(shù) 說明：隨著溫度的增加，輻射能的增加更加迅速說明：隨著溫度的增加，輻射能的增加更加迅速4.基爾霍夫定律基爾霍夫定律 給定溫度下，任何地物的輻射通量密度給定溫度下，任何地物的輻射通量密度W與吸收率與吸收率M0之比之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。 M /M0 = （M為任何地物輻射能量

6、，為任何地物輻射能量，M0為黑體輻射能量，為黑體輻射能量，為吸收系數(shù)為吸收系數(shù), 為發(fā)射系數(shù)）為發(fā)射系數(shù)）說明：地物的吸收率越大，發(fā)射率也會越大，發(fā)射率等于吸收率。好的吸收體也是好的發(fā)射體，如果不吸收某些波長的電磁波，也不發(fā)射該波長的電磁波。),(),(),(TMTMTb說明：黑體溫度越高，其說明：黑體溫度越高，其曲線的峰頂越往波長短的曲線的峰頂越往波長短的方向移動。方向移動。在實際生活中，在實際生活中，火焰的燃燒就是隨著溫度火焰的燃燒就是隨著溫度的升高變化，波長逐漸變的升高變化，波長逐漸變短，顏色短，顏色由紅外到紅色再由紅外到紅色再逐漸變藍(lán)紫逐漸變藍(lán)紫5.維恩位移定律：維恩位移定律： 波普輻

7、射能量密度的峰值波長波普輻射能量密度的峰值波長MAX隨溫度的增加向短波方向隨溫度的增加向短波方向移動。即黑體輻射光譜中最強輻射的波長移動。即黑體輻射光譜中最強輻射的波長MAX與絕對溫度與絕對溫度T成反比：成反比： MAX *T=b， b為常數(shù)為常數(shù)分光譜輻射通量密度w（瓦/厘米2微米）00.20.40.60.824681012900k800k700k600k500k波長（m） 在遙感技術(shù)中，若知道了某物體的溫度，就可以推算出它在遙感技術(shù)中，若知道了某物體的溫度，就可以推算出它的輻射的峰值波段，常用這種方法選擇傳感器和確定對目標(biāo)物的輻射的峰值波段，常用這種方法選擇傳感器和確定對目標(biāo)物進(jìn)行熱紅外遙

8、感的最佳波段。進(jìn)行熱紅外遙感的最佳波段。任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。這種特性稱為地物的光譜特性。在可見光和近紅外波段（0.32.5um）.地表發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主，自身發(fā)射輻射幾乎為零。v地物在不同波段的反射率是不同的。v反射率是可以測定的。v反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。v地物的反射光譜曲線：反射率隨波長變化的曲線。2.3 地物的反射光譜特性地物的反射光譜特性 地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律，叫地物反射光譜。按地物反射率與波長之間關(guān)系繪成的曲線（橫坐標(biāo)為波長值，縱坐標(biāo)為反射率）稱為地物反射光譜曲線。地物反射光譜曲線不同地物有不

9、同的光譜反射率,同一地物在不同波段有不同的光譜反射率,因此在同一幅影像上不同的地物會有不同的色彩,同一地物在不同的波段的影像也會有不同的色彩. 植被光譜曲線 土壤光譜曲線 水體光譜曲線 巖石光譜曲線 常見地物比較光譜曲線 各典型地物的光譜曲線植物的光譜曲線可見光波段：可見光波段：0.45 m0.45 m附近區(qū)間（藍(lán)色波段）有一個吸收谷，附近區(qū)間（藍(lán)色波段）有一個吸收谷，0.55 m0.55 m附近區(qū)間（綠色波段）有一個反射峰，附近區(qū)間（綠色波段）有一個反射峰，0.67 m0.67 m附近區(qū)間附近區(qū)間（紅色波段）有一個吸收谷。這一特征是由于葉綠素對藍(lán)光和（紅色波段）有一個吸收谷。這一特征是由于葉

10、綠素對藍(lán)光和紅光的吸收作用強，而對綠光反射作用強。紅光的吸收作用強，而對綠光反射作用強。近紅外波段：近紅外波段：從從0.76 m0.76 m處反射率迅速增大，形成一個爬生的處反射率迅速增大，形成一個爬生的“陡坡陡坡”，至，至1.1 m1.1 m附近有一峰值，反射率最大可達(dá)附近有一峰值，反射率最大可達(dá)50%50%，形成，形成植被的獨有特征。這一特征是由于植被葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)形成的高反植被的獨有特征。這一特征是由于植被葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)形成的高反射。射。不同植物光譜曲線比較植被波譜在上述基本特征下仍有細(xì)部差異植被波譜在上述基本特征下仍有細(xì)部差異 植被葉片中葉綠素和水分含量的變化，導(dǎo)致了植被在各波長上反射率的變化

11、，在遙感影像上產(chǎn)生了差異。 因此可以通過遙感影像上植被色調(diào)的差異來判斷植被的長勢、健康、類型等。植被雖具有共同的光譜特征，但是不同種屬的植被在實際光譜曲線值上有差異。土壤的光譜曲線 自然狀態(tài)下土壤表面反射曲線呈比較平滑的特征，沒有明顯的反射峰和吸收谷，在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和次生礦物）和土壤有機質(zhì)有關(guān)土壤的光譜曲線水體的光譜曲線因此遙感圖像上水體或濕地都呈現(xiàn)為深色調(diào)水體的光譜曲線水體判讀水體判讀水體在衛(wèi)星圖像上要較其他地物容易判讀。水體在衛(wèi)星圖像上要較其他地物容易判讀。尤其在近紅外波段的影像上，由于水體對近紅外的強烈尤其在近紅外波段的影像上，由于水體對近紅外的強烈

12、吸收，水體為黑色，與周圍地物的界限很清楚。吸收，水體為黑色，與周圍地物的界限很清楚。湖、河、海以其外部形態(tài)，很容易區(qū)別。湖、河、海以其外部形態(tài)，很容易區(qū)別。水中的泥沙含量等狀況，在可見光短波影像上有顯示。水中的泥沙含量等狀況，在可見光短波影像上有顯示。一般水淺或含沙量大的色調(diào)淺。一般水淺或含沙量大的色調(diào)淺。水體明顯易判的特點，常作為其他地物定點定位的標(biāo)志。水體明顯易判的特點，常作為其他地物定點定位的標(biāo)志。巖石的光譜曲線常見地物的光譜曲線比較常見地物的光譜曲線比較2.4大氣對電磁波大氣對電磁波傳輸?shù)挠绊憘鬏數(shù)挠绊?1.太陽輻射：太陽輻射： 太陽是遙感主要的輻射源，又叫太陽光，在大氣上太陽是遙感主

13、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從太陽光譜曲線可以看出( () )：太陽光譜相當(dāng)于太陽光譜相當(dāng)于6000 K的黑體輻射；的黑體輻射；太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38 0.76 m的的可見光能量占太陽輻射總能量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，最大輻射強度位于波長長0.47 m左右；左右；到達(dá)地面的太陽輻射主要集中在到達(dá)地面的太陽輻射主要集中在0.3 3.0 m波段，包括近波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；紫外、可見光、

14、近紅外和中紅外；經(jīng)過大氣層的太陽輻射有很大的衰減；經(jīng)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。各波段的衰減是不均衡的。2.大氣太陽輻射的影響大氣太陽輻射的影響大氣結(jié)構(gòu)大氣結(jié)構(gòu)大氣成分大氣成分大氣吸收作用大氣吸收作用大氣散射作用大氣散射作用大氣窗口大氣窗口大氣結(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(nèi)。 平流層：高度在1250 km，底部為同溫層（航天遙感活動層），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

15、、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。 外大氣層：80035 000 km ,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。 大氣成分 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，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 懸浮微粒：塵埃大氣的吸收作用O2吸收帶吸收帶0.2m，0.155 m最強最強O3吸收帶吸收帶0.20.36 m，0.6 mH2O吸收帶吸收帶0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO2吸收帶吸收帶1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m塵埃塵埃吸收量很小吸收量很小對遙感圖像來說，大氣的吸收作用導(dǎo)致光線

16、不足，造成圖像暗淡。對遙感圖像來說，大氣的吸收作用導(dǎo)致光線不足，造成圖像暗淡。大氣的散射作用輻射再傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向輻射再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，稱為散射。散開，稱為散射。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。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。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(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。不清。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。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

17、：大氣發(fā)生的散射主要有三種： 瑞利散射：瑞利散射：d d 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、透射率較高的波段叫大氣窗口。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)用舉例紫外可見紫外可見光光近紅外近紅外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 mNOAANOAA的的AVHRRAVHRR遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外8 814 m14 m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatRadarsatn透射率%近紅外可見光大氣的透射作用1.什么是大氣窗口？什么是大氣窗口？2.什么是電磁波譜？列舉幾種遙感常用的波段什么是電磁波譜？列舉幾種遙感常用的波段范圍。范圍。3.地物反射光譜曲線定義？以植被的