遙感概論：第二章 電磁輻射與地物光譜特征

1、 遙感數(shù)據(jù)獲取原理接收預處理用戶應用處理分析結(jié)果、圖表輸出 什么是傳感器？傳感器是收集、量測和記錄遙遠目標的信息的儀器，是遙感技術系統(tǒng)的核心。傳感器一般由信息收集、探測系統(tǒng)、信息處理和信息輸出4部分組成。 第二章 電磁輻射及地物光譜特性本章提要1 遙感的電磁波原理2 太陽輻射3 太陽輻射與大氣的作用4 太陽輻射與地物的作用主要內(nèi)容本章主要介紹遙感的物理基礎，包括地物的電磁波特性、輻射基本定律、太陽輻射、大氣和地面與太陽輻射的相互作用、大氣窗口的概念、地物反射太陽光譜的特性、三種遙感模型等。1.1 電磁波譜 電磁波定義在空間傳播的交變電磁場。物質(zhì)的一種，相互依存的電場和磁場的總和。電場和磁場一有

2、變化，就會以光速傳播，形成電磁波。具有質(zhì)量、動量、能量，靜止質(zhì)量為0. 同時達到最大/最小1860年麥克斯韋（C.Maxwell)提出光是電磁波的理論。光在傳播時表現(xiàn)出波動性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。 波動性粒子性1900年,普朗克（Max.Planck)提出了輻射的量子論，1905年，愛因斯坦（Albert.Einstein)將量子論用于光電效應之中，提出光子理論。光與物質(zhì)作用時表現(xiàn)出粒子性，如光的發(fā)射、吸收、散射。 麥克斯韋（1831-1879） 普朗克（1858-1947） 愛因斯坦（1879-1955） 波動性粒子性Amplitude (A)Wavelength (lamb

3、da, l)Period (T) Frequency (f=1/T), 單位：赫茲(HZ),表示1秒內(nèi)波傳播的次數(shù)電磁波具有波動性與粒子性 波動性形成了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象 (1)干涉（Interference）:由兩個（或兩個以上）頻率、振動方向相同、相位相同或相位差恒定的電磁波在空間疊加時，合成波振幅為各個波的振幅的矢量和。因此會出現(xiàn)交疊區(qū)某些地方振動加強，某些地方振動減弱或完全抵消的現(xiàn)象。 微波遙感中的雷達也是應用了干涉原理成像的,其影像上會出現(xiàn)顆粒狀或斑點狀的特征，這是一般非相干的可見光影像所沒有的，對微波遙感的判讀意義重大。(2)衍射（Diffraction）:光通過有限大小的

4、障礙物時偏離直線 路徑的現(xiàn)象 研究電磁波的衍射現(xiàn)象對設計遙感儀器和提高遙感圖像幾何分辨率具有重要意義。另外在數(shù)字影像的處理中也要考慮光的衍射現(xiàn)象。 (3)偏振（Polarization）:指電磁波傳播的方向性 電磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，許多散射光、反射光、透射光都是部分偏振光。 偏振在微波技術中稱為“極化”。遙感技術中的偏振攝影和雷達成像就利用了電磁波的偏振這一特性。 粒子性 一個光量子能量Q=hv=hc/其中: h為普朗克常數(shù)(6.6310-34JS), v是頻率電磁波的性質(zhì)橫波在真空以光速傳播滿足方程：波粒二象性1.1 電磁波譜 按電磁波在真空中傳播的波長或頻率遞增或遞減順序排列，

5、就能得到電磁波譜 射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波 高 能量 低 紅 0.62 0.76m可見光 綠 0.50 0.56m 藍 0.43 0.47m 遠紅外 6 15m紅外波段 中紅外 3 6m 近紅外/短波紅外 0.76 3m微波 1 mm 1m各電磁波段主要特性紫外線：波長范圍為0.010.38m，太陽光譜中，只有0.30.38m波長的光到達地面，對油污染敏感，但探測高度在2000 m以下?？梢姽猓翰ㄩL范圍：0.380.76m，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術應用中的重要波段。紅外線：波長范圍為0.761000m，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。微波：

6、波長范圍為1 mm1 m，穿透性好，不受云霧的影響。無線電波：波長范圍10-3 104m之間，主要用于廣播、通信等方面 紅外線的劃分近紅外：0.763.0 m，與可見光相似。中紅外：3.06.0 m，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。遠紅外：6.015.0 m，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。超遠紅外：15.01000 m，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測。波段名稱波長/cmKKKuXCSLP0.751.131.131.671.672.422.423.753.757.57.515153030100微波的波段劃分電磁波的來源 電磁輻射產(chǎn)生于各種形式的能量 機械能、化學能、熱

7、能、電能、磁能、核能凡是溫度高于絕對零度（-273.16oC）的物體都發(fā)射電磁波，波長由物質(zhì)內(nèi)部狀態(tài)的變化決定 內(nèi)部狀態(tài)能量（eV）相應電磁波原子核內(nèi)部的相互作用內(nèi)層電子的電離作用外層電子的電離外層電子激發(fā)分子振動，晶格振動分子旋轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，電子自旋和磁場相互作用107 105104 102102 44 11 10-510-4 10-5伽瑪線(放射性衰變)X射線紫外可見光紅外微波1個eV = 1.60219 * 10-19 Joules, 對應光的波長=1.23985mm輻射能量輻射通量輻射出射度輻射照度輻射強度輻射亮度1.2 電磁輻射度量輻射能量輻射通量輻射出射度輻射照度輻射強度輻射亮度1.3

8、 電磁輻射基本規(guī)律普朗克（Planck）輻射定律斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律維恩（Wien）位移定律基爾霍夫（Kirchhoff）定律 黑體是絕對黑體的簡稱，指在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)恒等于1（100%）的物體。黑體的熱輻射稱為黑體輻射 絕對黑體的吸收率 (,T)1 反射率（,T）0 絕對白體則能反射所有的入射光 反射率（,T）1，吸收率(,T)0 與溫度和波長無關黑體概念與黑體輻射 黑體模型 Planck 定律 M(,T)輻射出射度 h 普朗克常數(shù) C 光速 K 玻耳茲曼常數(shù) T 絕對溫度黑體輻射波譜曲線 Stefan-Boltzmann定律總

9、輻射通量密度W是隨溫度T的增加而迅速增加 斯忒藩玻耳茲曼公式:單位面積發(fā)出的總輻射能與絕對溫度的四次方成正比 是Boltzmann 常數(shù): 5.6697 x 10 -8 W m-2 K -4.熱紅外遙感就是利用這一原理探測和識別目標物的 Wien位移定律 物體輻射最大能量的峰值波長與溫度的定量關系，表示為： 維恩位移定律 :若知道了某物體溫度，就可以推算出它所輻射的峰值波長， 選擇和確定對目標物進行熱紅外遙感的最佳波段。 假定太陽為 6000 K 黑體, 它的主要波長(lmax) 是0.48 um:不同溫度T所對應的maxT/K300500100020003000400050006000700

10、0max/m9.665.762.881.440.960.720.580.480.41發(fā)射率：實際物體與同溫度的黑體在相同條件下輻射功率之比。絕對黑體：發(fā)射率等于1； 灰體：各波長處的光譜輻射率相等；選擇性灰體：各波長處的發(fā)射率不同；白體：發(fā)射率等于0； Kirchhoff 定律基爾霍夫定律：在任一給定溫度下，輻射出射度與吸收率之比對任何材料都是一個常數(shù)，并等于該溫度下黑體的輻射出射度。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)射該波長的電磁波影響發(fā)射率的因素：物體本身材質(zhì)、表面磨光程度、波長和溫度。任何材料的發(fā)射率等于其吸收率。太陽輻射：太陽是遙感主要的輻射

11、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。從太陽光譜曲線可以看出： 2 太陽輻射太陽光譜相當于6000 K的黑體輻射；太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38 0.76 m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長0.47 m左右；到達地面的太陽輻射主要集中在0.3 3.0 m波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；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。 2 太陽輻射在大氣上界測得的太陽輻射光譜曲線為平滑的連續(xù)的光譜曲線，它近似于6000K的黑體輻射曲線。太陽輻射P34, 圖 2.20To be continued地面太陽輻射波長(

12、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太陽輻射能量分布太陽光譜曲線太陽光譜相當于6000 K的黑體輻射；太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38 0.76 m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長0.47m左右；到達地面的太陽輻射主要集中在0.33.0m波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；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。3 太陽輻射與大氣的相互作用大氣概況大氣的散射作用大氣的吸收作用大氣窗口大氣校正3.1 大氣結(jié)構(gòu)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

13、在該層內(nèi)。平流層：高度在1250 km，底部為同溫層（航空遙感活動層），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、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。大氣外層：80035 000 km ,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。 大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。 氮、氧、氬、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氫（這些氣體在80km以下的相對比例保持不變，稱不變成分） 臭氧、水蒸氣、液態(tài)和固態(tài)水（雨、霧、雪、冰等）、鹽粒、塵煙（這些氣體的含量隨高度、溫度、位置而變、稱為可變成分）等。 大氣成分氣體：

14、N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3懸浮微粒：塵埃3.2 大氣散射電磁波在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向發(fā)生改變，并向各個方向散開，稱散射 3.2 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。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，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。瑞利散射：d 大氣發(fā)生的散射主要有三種：瑞利（Rayleigh）散射 瑞利散射的條件是介質(zhì)的不均勻程度a小于入射電磁波波長的十分之一。散射強度與波長的四次方成反比 RayleighScattering 瑞利散射的強度I與波長的四次方成反比(-4).米氏(M

15、ie)散射 如果介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a與入射波長同數(shù)量級，發(fā)生米氏散射；無選擇性散射 當不均勻顆粒的直徑a時，發(fā)生均均勻散射；大氣對太陽輻射的吸收、散射及反射作用 (分子散射) 紫外線、 可見光、 紅外線、 微波 (大氣吸收)3.3 大氣吸收大氣的吸收作用： 大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）。大氣的吸收作用O2吸收帶0.2m，0.155 m最強O3吸收帶0.20.36 m，0.6 mH2O吸收帶0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO2吸收帶1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m塵埃吸收量很小 大氣吸收的主要

16、成分是氧氣、臭氧、水、二氧化碳等 氧氣(微波中0.253cm，0.5cm ) 臭氧(0.3m以下的紫外區(qū)) 水 0.701.95m 2.5 3.0m 4.98.7m 15m1mm間的超遠紅外區(qū) 二氧化碳(紅外區(qū))氧氣、臭氧、水、二氧化碳等對電磁輻射的主要吸收波段（從 0.1 to 30 m ）window3.4 大氣窗口 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，少數(shù)還有透射電磁波的特性，這稱為地物光譜特性。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

17、氣窗口”.（1）0.30 1.15m大氣窗口：是遙感技術應用最主要的窗口之一。其中 0.30.4m近紫外窗口,透射率為70 0.40.7m可見光窗口, 透射率約為95 0.71.10m近紅外窗口,透射率約為80（2）1.32.5m大氣窗口：屬于近紅外波段 1.31.9m窗口,透射率為60-95 1.551.75m透射率高 2.02.5m窗口,透射率為80（3）3.55.0m大氣窗口：屬于中紅外波段透射率約為6070（4）814m熱紅外窗口, 透射率為80%左右（5）1.0mm1m微波窗口 ,透射率為35100%大氣窗口概念：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

18、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。大氣窗口波段透射率/%應用舉例紫外可見光近紅外0.31.3 m90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.51.8 m80TM5近-中紅外2.03.5 m80TM7中紅外3.55.5 mNOAA的AVHRR遠紅外814 m6070TM6微波0.82.5cm100Radarsat3.5 大氣校正概念：為消除由大氣的吸收、散射等引起失真的輻射校正，稱作大氣校正。 大氣對遙感圖像的影響與波長、時間、地點、大氣條件、大氣厚度、太陽高度角等因素有關。按照校正的過程，可以分為間接大氣校正方法和直接大氣校正方法。直

19、接大氣校正是指根據(jù)大氣狀況對遙感圖像測量值進行調(diào)整，以消除大氣影響。間接大氣校正指對一些遙感常用函數(shù)，如NDVI 進行重新定義，形成新的函數(shù)形式，以減少對大氣的依賴。 4 太陽輻射與地物的相互作用 反射作用 反射率的概念 反射光譜曲線 常見地物的光譜曲線 吸收作用 透射作用太陽輻射與地表的相互作用()地物的反射率()漫反射()鏡面反射() 4 太陽輻射與地物的作用太陽輻射到達地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即： 到達地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量透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。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

20、波則透射能力較強，特別是0. 450. 56m的藍綠光波段。一般水體的透射深度可達1020 m，清澈水體可達100 m的深度。地表吸收太陽輻射后具有約300 K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為9.66 m，主要集中在長波，即6m以上的熱紅外區(qū)段。 反射率（）：地物的反射能量與入射總能量的比，即=(P/ P 0)100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關。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。 物體的反射滿

21、足反射定律，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，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。 地球的輻射與地物波譜地物的反射類別(三種形式) 1:鏡面反射 2:漫反射 3:方向反射 從空間對地面觀察時，對于平面地區(qū)，并且地面物體均勻分布，可以看成漫反射； 對于地形起伏和地面結(jié)構(gòu)復雜的地區(qū)，為方向反射。 粗糙度 是相對概念，由入射波的波長和地表微地貌的垂直高度決定。如，對于波長較長的無線電波，粗糙巖石構(gòu)成的地表是光滑的（鏡面）; 對于可見光，細砂構(gòu)成的地面也顯得粗糙（漫反射）。粗糙度4.3 地物反射波譜定義：（可見光到近紅外）地物反射率隨波

22、長的變化規(guī)律。表示方法：采用二維幾何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標為波長，縱坐標為反射率。四種地物的反射波譜特性曲線 四種地物的反射波譜特性曲線 地物反射波譜特性 （1） 植被可見光波段：在0.45微米附近區(qū)間（藍色波段）有一個吸收谷，在0.55微米附近區(qū)間（綠色波段）有一個反射峰，在0.67微米附近區(qū)間（紅色波段）有一個吸收谷近紅外波段：從0.76m處反射率迅速增大，形成一個爬升的的“陡坡”，至1.1m附近有一峰值，反射率最大可達50%，形成植被的獨有特征中紅外波段：1.5-1.9微米光譜區(qū)反射率增大，在1.45m，1.95m和2.7m為中心的附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響，反射率下降，形成低谷

23、植物影響植被波譜特征的主要因素植物類型植被生長季節(jié)植被生長狀態(tài)（病蟲害影響）含水量多少同一春小麥在不同生長期的反射波譜特性曲線 不同含水量的玉米葉子反射特性曲線 三種低含水量土壤的反射特性曲線 （2）土壤土壤土壤含水量增加，土壤的反射率就會下降，在水的各個吸收帶（1.4，1.9和2.7微米處附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯自然狀態(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（3） 水體純凈水體的反射主要在可見光中的藍綠光波段，可見光其它波段反射很低，在近紅外和中紅外波段純凈的自然水體的反射率很低，幾