遙感電磁輻射基礎課件

第二章遙感電磁輻射基礎第二章遙感電磁輻射基礎1學習目標：理解電磁波與電磁波譜的概念了解黑體輻射的特性及其與真實物體的關系了解地球大氣的基本情況，理解大氣對遙感的影響了解地物的電磁波反射、發(fā)射、散射特性自學指導：遙感技術是建立在物體電磁波輻射理論基礎上的。由于不同物體具有各自的電磁波反射或輻射特征，才可能應用遙感技術探測和研究遠距離的物體。理解并掌握地物的電磁波發(fā)射、反射、散射特性，電磁波的傳輸特性，大氣層對電磁波傳播的影響是正確解釋遙感數(shù)據(jù)的基礎。本章重點和難點：重點是掌握可見光、近紅外、熱紅外和微波遙感機理，以及地物波譜特征，難點是大氣輻射傳輸。學習目標：2☆波：振動的傳播稱為波?！?/p>

2.1電磁波與電磁波譜☆電磁波（電磁輻射）：當電磁振蕩進入空間，變化的磁場引起變化的電場，變化的電場又引起新的變化的磁場，這種變化的磁場和電場交替產生，以有限的速度由近及遠在空間內傳播的過程稱為電磁波。電磁波是隨著電磁振蕩向各個不同方向傳播的。一、電磁波的產生☆波：振動的傳播稱為波。§2.1電磁波與電磁波譜☆電磁3二、電磁波的性質：橫波；在真空中以光速傳播；波長與頻率成反比，c=?λ，兩者的乘積為光速；具有波粒二象性；不需要媒質也能傳播，與物質發(fā)生作用時，如氣體、固體、液體介質時，會發(fā)生反射、吸收、透射、折射等現(xiàn)象。根據(jù)能量守恒定律，全部反射、吸收、透射、折射的能量之和應該與入射的總能量相等。二、電磁波的性質：橫波；4按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排列，則構成電磁波譜。以頻率從高到低或波長從短到長排列可以劃分為：

γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。三、電磁波譜按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排列，則構成電磁5電磁波譜電磁波譜6紫外線：波長范圍為0.005～0.38μm，太陽光譜中，只有0.3～0.38μm波長的光到達地面。水面飄浮的油膜比周圍水面反射的紫外線要強烈，因此可用于油污染的監(jiān)測。但是紫外波段從空中可探測的高度大致在2000m以下，對高空遙感不宜采用。可見光：波長范圍：0.38～0.76μm，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術應用中的最常用波段。紅外線：波長范圍為0.76～1000μm，根據(jù)性質分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。可以探測熱輻射。微波：波長范圍為1mm～1m，能透過云霧而不受天氣影響，也能透過植被、冰雪、土壤等表層覆蓋物，在遙感技術中是很有發(fā)展?jié)摿Φ牟ǘ?。目前遙感技術中通常采用的電磁波位于可見光、紅外和微波波譜區(qū)間。

遙感應用的電磁波波譜段紫外線：波長范圍為0.005～0.38μm，太陽光譜中，只有7任何地物都有向周圍空間輻射紅外線和微波的能力。遙感探測實際上是對地物輻射能量的測定。與輻射有關的幾個概念：

☆輻射源：任何物體都是輻射源。不僅能夠吸收其他物體對它的輻射，也能夠向外（發(fā)出）輻射?！钶椛淠芰浚╓）：電磁輻射的能量，單位：J（焦耳）?！钶椛渫浚é担簡挝粫r間內通過某一面積的輻射能量，Ф=dW

/dt，單位:W（J/s）?！钶椪斩龋↖）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量，I=dΦ/ds，單位：W/m2。☆輻射出射度（M）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，M=dΦ/ds，單位：W/m2。

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2.2輻射電磁輻射指能量以電磁波形式由輻射源發(fā)射到空間的現(xiàn)象。

溫度大于熱力學溫度0K（-273.15℃）的任何物體都具有發(fā)射電磁波的能力。任何地物都有向周圍空間輻射紅外線和微波的能力。與輻射有關的幾8遙感需要研究的輻射類型：1、黑體輻射2、太陽輻射3、地球輻射4、大氣輻射

地物的電磁波發(fā)射能力主要與其溫度有關。為了衡量電磁波發(fā)射能力的大小，常以黑體輻射作為度量的標準。

1860年，基爾霍夫（Kirchhoff）得出了好的吸收體也是好的輻射體這一定律。它說明：凡是吸收熱輻射能力強的物體，它們的熱發(fā)射能力也強；凡是吸收熱輻射能力弱的物體，它們的熱發(fā)射能力也就弱。遙感需要研究的輻射類型：地物的電磁波發(fā)射能力主要9黑體也稱絕對黑體，是指全部吸收外來電磁輻射而毫無反射和透射能力的理想物體。恒星和太陽的輻射接近黑體輻射。一、黑體輻射黑體的特性：任何物體：α（λ，T）+ρ（λ，T）≡1絕對黑體：α（λ，T）≡1ρ（λ，T）≡0，其吸收率和反射率與物體的溫度和波長無關注：α（λ，T）：光譜吸收系數(shù)（吸收率）ρ（λ，T）：光譜反射系數(shù)（反射率）（一）黑體輻射的概念和特性實驗用黑體黑體也稱絕對黑體，是指全部吸收外來電磁輻射而101、斯忒藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzman）某個溫度時黑體的輻射（發(fā)射）能量——輻射出射度（M），隨物體溫度的升高以4次方的比例增大。M=ρT4ρ：斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，ρ=5.67×10-8W/（m2·K4）（二）黑體輻射規(guī)律（P31，圖2.5）應用：對于一般物體來講，傳感器檢測到它的輻射能后就可以用此公式概略推算出物體的總輻射能量或絕對溫度。熱紅外遙感就是利用這一原理探測和識別目標物的。1、斯忒藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzm112、維恩位移定律（Wein）黑體輻射光譜中最強的輻射波長λmax與黑體絕對溫度T成反比。λmax·T=bb為常數(shù),b

=2.898×10-3m·K表明：黑體的絕對溫度增高時，它的輻射最大值向短波方向位移。若知道了某物體溫度，就可以推算出它所輻射的波段。在遙感技術上，常用這種方法選擇遙感器和確定對目標物進行熱紅外遙感的最佳波段。問：如果遙感器的目的是探測人體，請問設計的遙感器應該對那個波段最敏感為宜？（注：人體表溫度約為34°）2、維恩位移定律（Wein）表明：黑體的絕對溫度增高時12（三）實際物體的輻射自然界中黑體輻射是不存在，一般地物輻射能量總要比黑體輻射能量小。如果利用黑體輻射有關公式，則需要增加一個因子，那就是發(fā)射率（比輻射率）。發(fā)射率ε是指地物的輻射出射度（即地物單位面積發(fā)出的輻射總通量）M與同溫度的黑體輻射出射度（即黑體單位面積發(fā)出的輻射總通量）M黑的比值。（三）實際物體的輻射自然界中黑體輻射是不存在，一般地物輻射能13實際物體的發(fā)射率與其性質、表面狀況（如粗糙度、顏色）有關，且是溫度和波長的函數(shù)。P33,表2.2依據(jù)發(fā)射率與波長的關系，將實際物體分為三種類型：黑體、灰體、選擇性發(fā)射體。1.黑體或絕對黑體，其發(fā)射率ε=1，即黑體發(fā)射率對所有波長都是一個常數(shù)，并且等于1。2.灰體，其發(fā)射率ε=常數(shù)＜1（因吸收率α＜1）。即灰體的發(fā)射率始終小于1，ε不隨波長變化。3.選擇性輻射體，其發(fā)射率隨波長而變化，而且ε＜1（因吸收率α也隨波長而變化并且α＜1）。在紅外遙感傳感器設計中，可以把一些紅外輻射體看成灰體（例如人體、噴氣式飛機尾噴管、無動力空間飛行器、地球背景及空間背景等），也可以在某些波段內把選擇性輻射體看成灰體（如果其發(fā)射率ε在某些波段內近似不變），這樣就簡化了計算工作。實際物體的發(fā)射率與其性質、表面狀況（如粗糙度、顏色）有關，且14一、太陽輻射（太陽光）太陽是被動遙感最主要的輻射源☆太陽常數(shù)：在不受大氣影響的情況下，距太陽一個天文單位（通常指日地平均距離，約1.496×108km）內，垂直于太陽輻射方向上，單位面積單位時間內黑體接受到的太陽輻射能量。其數(shù)量為：1.360×103瓦/平方米（1.95cal/cm2·min）。1卡=4.184焦☆太陽輻射（太陽光譜）的主要特征(P35,圖2.8)（1）太陽輻射的能量大部分集中在可見光波段。（2）太陽輻射的光譜是連續(xù)光譜，且輻射特性與絕對黑體輻射特性基本一致。被動遙感主要利用可見光、近紅外、中紅外等穩(wěn)定的輻射?！?.2太陽輻射和地球輻射一、太陽輻射（太陽光）太陽是被動遙感最主要的輻射源☆太陽15太陽能量隨波長的分布紅外波段38%經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。太陽能量隨波長的分布紅外波段38%經過大氣層的太陽輻射有很大16二、地球的電磁波輻射地球表面的平均溫度約為300K，其電磁波輻射近似于該溫度下的黑體輻射。當輻射通過大氣射入大氣外遙感平臺時，由于大氣中水、二氧化碳、臭氧等對輻射的吸收，曲線顯示為不平滑的折線。地球表面輻射和大氣電磁輻射的總稱。地球輻射的分段特性見P37,圖2.10二、地球的電磁波輻射地球表面的平均溫度約為300K，其電磁波17進行遙感探測時：接收到波長小于3微米的電磁波，主要是地物反射的太陽輻射能量接收到波長大于6微米的電磁波，主要是地物本身發(fā)射的熱輻射能量接收到波長3-6μm之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮進行遙感探測時：18

§2.3太陽輻射與大氣的作用

一、大氣結構二、大氣成分三、大氣對太陽輻射的影響（折射、反射、吸收和散射）四、大氣窗口§2.3太陽輻射與大氣的作用19

一、大氣結構外大氣層：1000-35000km,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。電離層：高度在80-1000km，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。平流層：高度在12-80km，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。對流層：高度在7-12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，影響遙感數(shù)據(jù)，航空遙感區(qū)域。一、大氣結構外大氣層：1000-35000km,空氣20

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：塵埃二、大氣成分這些氣體分子和微粒對電磁輻射具有吸收和散射作用。二、大氣成分這些氣體分子和微粒對電磁輻射具有吸21

太陽輻射進入地球之前必然通過大氣層，太陽輻射與大氣相互作用的結果，是使能量不斷減弱。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；而僅有31%的太陽輻射輻射到地面。其中反射作用影響最大，由于云層的反射對電磁波各波段均有強烈影響，造成對遙感信息接受的嚴重障礙。因此，被動遙感應盡量選擇無云的天氣接收遙感信號。目前在大多數(shù)遙感方式中，都只考慮無云天氣情況下的大氣吸收、散射的衰減作用。P46三、大氣對太陽輻射的影響太陽輻射進入地球之前必然通過大氣層，太陽輻射與22（一）大氣的吸收作用大氣的吸收作用：P41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（圖2.14）。主要在紫外、紅外與微波區(qū)，引起電磁波衰減。引起大氣吸收的主要成分是氧氣、臭氧、水、二氧化碳等。大氣吸收的影響主要是造成遙感影像暗淡，由于大氣對紫外線有很強的吸收作用，因此，現(xiàn)階段遙感中很少用到紫外線波段。遙感器一般都設在大氣透過率較高的區(qū)間，即盡量避開大氣吸收作用能力強的區(qū)間。（一）大氣的吸收作用大氣的吸收作用：P4123（二）大氣的散射作用大氣中各種成分對太陽輻射吸收的明顯特點，是吸收帶主要位于太陽輻射的紫外和紅外區(qū)，而對可見光區(qū)基本上是透明的。但當大氣中含有大量云、霧、小水滴時，由于大氣散射使得可見光區(qū)也變成不透明了。對遙感圖像來說，增加了信號中的噪聲成分，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質量，造成圖像模糊不清。大氣發(fā)生的散射主要有三種：瑞利散射：d<<λ（…）米氏散射：d≈λ（…）非選擇性散射：d>>λ（…）瑞利散射：當大氣中粒子的直徑比波長小得多時發(fā)生的散射；主要由大氣分子和原子引起；散射強度與波長的四次方成反比。(P43)--天為什么是藍的？日出日落的太陽為何紅？米氏散射：當大氣中粒子的直徑與波長相當時發(fā)生的散射；主要由大氣中的煙塵、小水滴和氣溶膠引起。散射強度與波長的二次方成反比。米氏散射在光線前進方向比向后方的散射更強。(P43)非選擇性散射：大氣中粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射；散射強度與波長無關。--云為什么是白色的？(P44)（二）大氣的散射作用大氣中各種成分對太陽輻射吸收的明顯特點，24第二章遙感電磁輻射基礎課件25

☆大氣散射作用與波長的關系P44：在可見光和近紅外波段，瑞利散射是主要的。當波長超過1μm時，可忽略瑞利散射的影響。米氏散射對近紫外直到紅外波段的影響都存在。但在當波長大于0.5μm時，米氏散射超過了瑞利散射的影響。在微波波段，由于波長比云中小雨滴的直徑還要大，所以小雨滴對微波波段散射是屬于瑞利散射，散射強度與波長的四次方成反比，因此，微波有極強的穿透云層的能力。而紅外輻射穿透云層的能力雖然不如微波，但比可見光的穿透能力大10倍以上?！畲髿馍⑸渥饔门c波長的關系P44：26（三）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。大氣窗口的光譜段主要有P45-46：0.3-1.3μm，即紫外、可見光、近紅外波段。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。比如，Landsat衛(wèi)星的TM的1-4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段等。1.5-1.8μm，2.0-3.5μm，即近、中紅外波段，在白天日照條件好的時候掃描成像常用這些波段，比如TM的5、7波段等用以探測植物含水量以及云、雪或用于地質制圖等。3.5-5.5μm，即中紅外波段，物體的熱輻射較強。這一區(qū)間除了地面物體反射光譜反射太陽輻射外，地面物體也有自身的發(fā)射能量。如NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.55-3.93μm探測海面溫度，獲得晝夜云圖。8-14μm，即遠紅外波段。主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標的地物溫度。0.8-2.5cm至更長,即微波波段，由于微波穿云透霧的能力，這一區(qū)間可以全天候工作。而且工作方式為主動遙感。其常用的波段為0.8cm，3cm，5cm，10cm等等,有時也可將該窗口擴展為0.05cm至300cm波段。（三）大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太272.4地物反射波譜特征自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射規(guī)律，如具有反射，吸收外來的紫外線、可見光、紅外線和微波的某些波段的特性；它們又都具有發(fā)射某些紅外線、微波的特性；少數(shù)地物還具有透射電磁波的特性，這種特性稱為地物的光譜特性。2.4地物反射波譜特征自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射28太陽輻射到達地面之后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸收作用。電磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過的部分，即：

到達地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量在可見光與近紅外波段，地表物體自身的輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。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透射能力較強，特別是對0.45~0.56μm的藍綠光波段，一般水體的透射深度可達10~20m，清澈水體可達100m的深度。對于一般不能透過可見光的地面物體，波長5cm的電磁波卻有透射能力，如超長波的透射能力就很強，可以透過地面巖石和土壤。2.4地物反射波譜特征太陽輻射到達地面之后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸29一、地物的反射率與反射波譜（一）反射率物體反射的輻射能量占總入射能量的百分比。（二）反射類型鏡面反射漫反射方向反射

實際物體反射不同地物對入射電磁波的反射能力是不一樣的，地物反射率的大小，與入射電磁波的波長、入射角的大小以及地物表面顏色和粗糙度等有關。一般地說，當入射電磁波波長一定時，反射能力強的地物，反射率大，在黑白遙感圖像上呈現(xiàn)的色調就淺。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遙感圖像上呈現(xiàn)的色調就深。在遙感圖像上色調的差異是判讀遙感圖像的重要標志。一、地物的反射率與反射波譜（二）反射類型不同地物30鏡面反射光射到任何物體的表面上都會反射。平滑的表面，如鏡面、刨光的金屬表面、平靜的水面等，能使平行的入射光線反射后仍是平行光線。這種反射叫做鏡面反射。鏡面反射光射到任何物體的表面上都會反射。平滑的表面，如鏡面、31漫反射整個表面都均勻地反射入射光稱為漫反射。反射波方向與入射波方向無關，且從任何角度觀察反射面，其反射輻射亮度為一常數(shù)時。漫反射的反射面稱為朗伯面。當入射照度一定時，從任何角度觀察反射面，其反射亮度是一個常數(shù)，這種反射面稱朗伯面。漫反射整個表面都均勻地反射入射光稱為漫反射。反射波方向與入射32方向反射介于漫反射和鏡面反射之間。在各個方向都有反射，但其反射亮度不是常數(shù)，而在某一個方向上的反射比其它方向強。方向反射介于漫反射和鏡面反射之間。33實際物體反射從空間對地面觀察時，對于平坦地區(qū)，并且物體均勻分布，可以看成漫反射；對于地形起伏和地面結構復雜的地區(qū)，為方向反射。實際物體反射從空間對地面觀察時，對于平坦地區(qū)，并且物體均勻分34地物反射光譜曲線通常用二維幾何空間內的曲線表示，橫坐標表示波長λ，縱坐標表示反射率ρ。二、地物反射波譜

地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律，叫做地物反射光譜。不同地物由于物質組成和結構不同具有不同的反射光譜特性。因而可以根據(jù)遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異來識別不同的地物，這就是遙感的基本出發(fā)點。不同波段地物反射率不同，這就便人們很容易想到用多波段進行地物探測。例如在地物的光譜分析以及識別上用多光譜掃描儀、成像光譜儀等傳感器。地物反射光譜曲線通常用二維幾何空間內的曲線表示，橫坐標表示波35（一）植被的反射波譜曲線共性：物體的反射波譜限于紫外、可見光和近紅外，尤其是后兩個波段。a可見光波段形成綠反射峰（0.55μm）及其兩側的藍（0.45μm）、紅（0.67μm）兩個吸收帶b近紅外0.74-1.3μm處形成高反射區(qū)c近紅外1.35-2.5μm處形成分別以1.45μm、1.95μm和2.7μm為中心的三個水吸收帶差異性:種類季節(jié)病蟲害含水量（一）植被的反射波譜曲線共性：物體的反射波譜限于紫外、可見光36不同植被反射波譜曲線的比較不同植被反射波譜曲線的比較37第二章遙感電磁輻射基礎課件38植被病蟲害對其反射波譜曲線的影響植被病蟲害對其反射波譜曲線的影響39水分含量對玉米葉子反射率的影響水分含量對玉米葉子反射率的影響40（二）土壤的反射波譜曲線

自然狀態(tài)下土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值，一般來說：土質越細反射率越高有機質含量越高反射率越低含水量越高反射率越低因土類和肥力狀況的不同而不同不同波譜段的遙感影像上區(qū)別不明顯影響土壤光譜反射率的因子主要是腐殖質、氧化鐵含量、機械組成、礦物和鹽分含量、表土結構（砂質土、壤土、粘土）、濕度等。

（二）土壤的反射波譜曲線自然狀態(tài)下土壤表面的41不同土壤的反射波譜曲線土壤反射曲線呈比較平滑的特征，因此在不同光譜段的影象上，土壤亮度區(qū)別不明顯。

不同土壤的反射波譜曲線土壤反射曲線呈比較平滑的特42土壤濕度對反射率的影響土壤濕度對反射率的影響43（三）水體的反射波譜曲線水體的反射主要在藍綠波段，其他波段吸收很強，特別是在近紅外波段更強。正因為如此在影象上特別是近紅外影象水體呈黑色。水中含泥沙時，由于泥沙的散射，可見光波段的反射率增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含葉綠素時，近紅外波段明顯被抬升，成為分析影象的重要依據(jù)。水體反射：水面的反射+水底的反射+水中物質反射影響水體反射光譜的因素有水的雜質含量、水的懸浮物、水生植物的葉綠素含量等。（三）水體的反射波譜曲線水體的反射主要在藍綠波段，其他波段吸44水的混濁度對其反射波譜曲線的影響水的混濁度對其反射波譜曲線的影響45不同葉綠素濃度的海水反射波譜曲線不同葉綠素濃度的海水反射波譜曲線46巖石的反射波譜曲線礦物成分礦物含量風化程度含水量顆粒大小表面光滑度色澤不像植被那樣有明顯的相似特征。巖石的反射波譜曲線礦物成分不像植被那樣有明顯的相似特征。47地物波譜的特征：

（1）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

（2）某些不同屬性（類型）地物的波譜值的相同性與差異性并存，或可分性與不可分性并存現(xiàn)象的普遍性

地物波譜的特征：（1）大部分地物的波譜值具有一定的48第二章遙感電磁輻射基礎課件49第二章遙感電磁輻射基礎課件50三、地物光譜特性的測量1它是選擇遙感波譜段、設計遙感儀器的依據(jù)；2在外業(yè)測量中，它是選擇合適的飛行時間和飛行方向的基礎資料；3它是有效地進行遙感圖像數(shù)字處理的前提之一，是用戶判讀、識別、分析遙感影像的基礎。（一）測量地物的反射波譜特性曲線的作用（二）測量地物的反射波譜特性曲線的原理

用光譜測定儀器(置于不同波長或波譜段)分別探測地物和標準板，測量、記錄和計算地物對每個被譜段的反射率，其反射率的變化規(guī)律即為該地物的波譜特性。三、地物光譜特性的測量1它是選擇遙感波譜段、設計遙感儀器的依511、樣品的實驗室測量2、野外測量三、測量方法四、測量儀器測定地物反射波語特性的儀器分為分光光度計、光譜儀、攝譜儀等。分光光度計一般結構1、樣品的實驗室測量三、測量方法四、測量儀器測定地物反射波語52品

名:紫外可見光譜儀型

號:U-3010品

牌:Hitachi廠

商:日本波長范圍190～900nmUV-2100單光束紫外可見分光光度計

型號:UV-2100

廠家:

性能指標:波長范圍：200-1000nm波長準確度：±2nm7IGF10定光柵攝譜儀

廣泛應用于光源制造及研究（如LED等）、農業(yè)、化工、醫(yī)藥、生物、石油及印染等行業(yè)的光譜及色度特性的在線測量，還可以進行透射、吸收及熒光光譜等的測量品

名:紫外可見光譜儀型

號:U-3010品

牌:Hi53習題1名詞解釋：電磁波，電磁波譜，大氣窗口，地物反射波譜，地物反射光譜曲線2問答題目前遙感技術中通常采用的電磁波位于哪些波段？黑體的特性及黑體輻射規(guī)律。太陽輻射和地球輻射的特點。太陽輻射和地球輻射經過大氣時產生哪些物理過程。太陽輻射能量入射到地物表面，將會出現(xiàn)哪三種過程。簡述植被和水體的光譜特點。習題1名詞解釋：電磁波，電磁波譜，大氣窗口，地物反射波譜，地54第二章遙感電磁輻射基礎第二章遙感電磁輻射基礎55學習目標：理解電磁波與電磁波譜的概念了解黑體輻射的特性及其與真實物體的關系了解地球大氣的基本情況，理解大氣對遙感的影響了解地物的電磁波反射、發(fā)射、散射特性自學指導：遙感技術是建立在物體電磁波輻射理論基礎上的。由于不同物體具有各自的電磁波反射或輻射特征，才可能應用遙感技術探測和研究遠距離的物體。理解并掌握地物的電磁波發(fā)射、反射、散射特性，電磁波的傳輸特性，大氣層對電磁波傳播的影響是正確解釋遙感數(shù)據(jù)的基礎。本章重點和難點：重點是掌握可見光、近紅外、熱紅外和微波遙感機理，以及地物波譜特征，難點是大氣輻射傳輸。學習目標：56☆波：振動的傳播稱為波。§

2.1電磁波與電磁波譜☆電磁波（電磁輻射）：當電磁振蕩進入空間，變化的磁場引起變化的電場，變化的電場又引起新的變化的磁場，這種變化的磁場和電場交替產生，以有限的速度由近及遠在空間內傳播的過程稱為電磁波。電磁波是隨著電磁振蕩向各個不同方向傳播的。一、電磁波的產生☆波：振動的傳播稱為波。§2.1電磁波與電磁波譜☆電磁57二、電磁波的性質：橫波；在真空中以光速傳播；波長與頻率成反比，c=?λ，兩者的乘積為光速；具有波粒二象性；不需要媒質也能傳播，與物質發(fā)生作用時，如氣體、固體、液體介質時，會發(fā)生反射、吸收、透射、折射等現(xiàn)象。根據(jù)能量守恒定律，全部反射、吸收、透射、折射的能量之和應該與入射的總能量相等。二、電磁波的性質：橫波；58按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排列，則構成電磁波譜。以頻率從高到低或波長從短到長排列可以劃分為：

γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。三、電磁波譜按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排列，則構成電磁59電磁波譜電磁波譜60紫外線：波長范圍為0.005～0.38μm，太陽光譜中，只有0.3～0.38μm波長的光到達地面。水面飄浮的油膜比周圍水面反射的紫外線要強烈，因此可用于油污染的監(jiān)測。但是紫外波段從空中可探測的高度大致在2000m以下，對高空遙感不宜采用。可見光：波長范圍：0.38～0.76μm，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術應用中的最常用波段。紅外線：波長范圍為0.76～1000μm，根據(jù)性質分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外?？梢蕴綔y熱輻射。微波：波長范圍為1mm～1m，能透過云霧而不受天氣影響，也能透過植被、冰雪、土壤等表層覆蓋物，在遙感技術中是很有發(fā)展?jié)摿Φ牟ǘ巍Ｄ壳斑b感技術中通常采用的電磁波位于可見光、紅外和微波波譜區(qū)間。

遙感應用的電磁波波譜段紫外線：波長范圍為0.005～0.38μm，太陽光譜中，只有61任何地物都有向周圍空間輻射紅外線和微波的能力。遙感探測實際上是對地物輻射能量的測定。與輻射有關的幾個概念：

☆輻射源：任何物體都是輻射源。不僅能夠吸收其他物體對它的輻射，也能夠向外（發(fā)出）輻射。☆輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位：J（焦耳）?！钶椛渫浚é担簡挝粫r間內通過某一面積的輻射能量，Ф=dW

/dt，單位:W（J/s）?！钶椪斩龋↖）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量，I=dΦ/ds，單位：W/m2?！钶椛涑錾涠龋∕）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，M=dΦ/ds，單位：W/m2。

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2.2輻射電磁輻射指能量以電磁波形式由輻射源發(fā)射到空間的現(xiàn)象。

溫度大于熱力學溫度0K（-273.15℃）的任何物體都具有發(fā)射電磁波的能力。任何地物都有向周圍空間輻射紅外線和微波的能力。與輻射有關的幾62遙感需要研究的輻射類型：1、黑體輻射2、太陽輻射3、地球輻射4、大氣輻射

地物的電磁波發(fā)射能力主要與其溫度有關。為了衡量電磁波發(fā)射能力的大小，常以黑體輻射作為度量的標準。

1860年，基爾霍夫（Kirchhoff）得出了好的吸收體也是好的輻射體這一定律。它說明：凡是吸收熱輻射能力強的物體，它們的熱發(fā)射能力也強；凡是吸收熱輻射能力弱的物體，它們的熱發(fā)射能力也就弱。遙感需要研究的輻射類型：地物的電磁波發(fā)射能力主要63黑體也稱絕對黑體，是指全部吸收外來電磁輻射而毫無反射和透射能力的理想物體。恒星和太陽的輻射接近黑體輻射。一、黑體輻射黑體的特性：任何物體：α（λ，T）+ρ（λ，T）≡1絕對黑體：α（λ，T）≡1ρ（λ，T）≡0，其吸收率和反射率與物體的溫度和波長無關注：α（λ，T）：光譜吸收系數(shù)（吸收率）ρ（λ，T）：光譜反射系數(shù)（反射率）（一）黑體輻射的概念和特性實驗用黑體黑體也稱絕對黑體，是指全部吸收外來電磁輻射而641、斯忒藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzman）某個溫度時黑體的輻射（發(fā)射）能量——輻射出射度（M），隨物體溫度的升高以4次方的比例增大。M=ρT4ρ：斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，ρ=5.67×10-8W/（m2·K4）（二）黑體輻射規(guī)律（P31，圖2.5）應用：對于一般物體來講，傳感器檢測到它的輻射能后就可以用此公式概略推算出物體的總輻射能量或絕對溫度。熱紅外遙感就是利用這一原理探測和識別目標物的。1、斯忒藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzm652、維恩位移定律（Wein）黑體輻射光譜中最強的輻射波長λmax與黑體絕對溫度T成反比。λmax·T=bb為常數(shù),b

=2.898×10-3m·K表明：黑體的絕對溫度增高時，它的輻射最大值向短波方向位移。若知道了某物體溫度，就可以推算出它所輻射的波段。在遙感技術上，常用這種方法選擇遙感器和確定對目標物進行熱紅外遙感的最佳波段。問：如果遙感器的目的是探測人體，請問設計的遙感器應該對那個波段最敏感為宜？（注：人體表溫度約為34°）2、維恩位移定律（Wein）表明：黑體的絕對溫度增高時66（三）實際物體的輻射自然界中黑體輻射是不存在，一般地物輻射能量總要比黑體輻射能量小。如果利用黑體輻射有關公式，則需要增加一個因子，那就是發(fā)射率（比輻射率）。發(fā)射率ε是指地物的輻射出射度（即地物單位面積發(fā)出的輻射總通量）M與同溫度的黑體輻射出射度（即黑體單位面積發(fā)出的輻射總通量）M黑的比值。（三）實際物體的輻射自然界中黑體輻射是不存在，一般地物輻射能67實際物體的發(fā)射率與其性質、表面狀況（如粗糙度、顏色）有關，且是溫度和波長的函數(shù)。P33,表2.2依據(jù)發(fā)射率與波長的關系，將實際物體分為三種類型：黑體、灰體、選擇性發(fā)射體。1.黑體或絕對黑體，其發(fā)射率ε=1，即黑體發(fā)射率對所有波長都是一個常數(shù)，并且等于1。2.灰體，其發(fā)射率ε=常數(shù)＜1（因吸收率α＜1）。即灰體的發(fā)射率始終小于1，ε不隨波長變化。3.選擇性輻射體，其發(fā)射率隨波長而變化，而且ε＜1（因吸收率α也隨波長而變化并且α＜1）。在紅外遙感傳感器設計中，可以把一些紅外輻射體看成灰體（例如人體、噴氣式飛機尾噴管、無動力空間飛行器、地球背景及空間背景等），也可以在某些波段內把選擇性輻射體看成灰體（如果其發(fā)射率ε在某些波段內近似不變），這樣就簡化了計算工作。實際物體的發(fā)射率與其性質、表面狀況（如粗糙度、顏色）有關，且68一、太陽輻射（太陽光）太陽是被動遙感最主要的輻射源☆太陽常數(shù)：在不受大氣影響的情況下，距太陽一個天文單位（通常指日地平均距離，約1.496×108km）內，垂直于太陽輻射方向上，單位面積單位時間內黑體接受到的太陽輻射能量。其數(shù)量為：1.360×103瓦/平方米（1.95cal/cm2·min）。1卡=4.184焦☆太陽輻射（太陽光譜）的主要特征(P35,圖2.8)（1）太陽輻射的能量大部分集中在可見光波段。（2）太陽輻射的光譜是連續(xù)光譜，且輻射特性與絕對黑體輻射特性基本一致。被動遙感主要利用可見光、近紅外、中紅外等穩(wěn)定的輻射?！?.2太陽輻射和地球輻射一、太陽輻射（太陽光）太陽是被動遙感最主要的輻射源☆太陽69太陽能量隨波長的分布紅外波段38%經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。太陽能量隨波長的分布紅外波段38%經過大氣層的太陽輻射有很大70二、地球的電磁波輻射地球表面的平均溫度約為300K，其電磁波輻射近似于該溫度下的黑體輻射。當輻射通過大氣射入大氣外遙感平臺時，由于大氣中水、二氧化碳、臭氧等對輻射的吸收，曲線顯示為不平滑的折線。地球表面輻射和大氣電磁輻射的總稱。地球輻射的分段特性見P37,圖2.10二、地球的電磁波輻射地球表面的平均溫度約為300K，其電磁波71進行遙感探測時：接收到波長小于3微米的電磁波，主要是地物反射的太陽輻射能量接收到波長大于6微米的電磁波，主要是地物本身發(fā)射的熱輻射能量接收到波長3-6μm之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮進行遙感探測時：72

§2.3太陽輻射與大氣的作用

一、大氣結構二、大氣成分三、大氣對太陽輻射的影響（折射、反射、吸收和散射）四、大氣窗口§2.3太陽輻射與大氣的作用73

一、大氣結構外大氣層：1000-35000km,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。電離層：高度在80-1000km，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。平流層：高度在12-80km，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。對流層：高度在7-12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，影響遙感數(shù)據(jù)，航空遙感區(qū)域。一、大氣結構外大氣層：1000-35000km,空氣74

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：塵埃二、大氣成分這些氣體分子和微粒對電磁輻射具有吸收和散射作用。二、大氣成分這些氣體分子和微粒對電磁輻射具有吸75

太陽輻射進入地球之前必然通過大氣層，太陽輻射與大氣相互作用的結果，是使能量不斷減弱。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；而僅有31%的太陽輻射輻射到地面。其中反射作用影響最大，由于云層的反射對電磁波各波段均有強烈影響，造成對遙感信息接受的嚴重障礙。因此，被動遙感應盡量選擇無云的天氣接收遙感信號。目前在大多數(shù)遙感方式中，都只考慮無云天氣情況下的大氣吸收、散射的衰減作用。P46三、大氣對太陽輻射的影響太陽輻射進入地球之前必然通過大氣層，太陽輻射與76（一）大氣的吸收作用大氣的吸收作用：P41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（圖2.14）。主要在紫外、紅外與微波區(qū)，引起電磁波衰減。引起大氣吸收的主要成分是氧氣、臭氧、水、二氧化碳等。大氣吸收的影響主要是造成遙感影像暗淡，由于大氣對紫外線有很強的吸收作用，因此，現(xiàn)階段遙感中很少用到紫外線波段。遙感器一般都設在大氣透過率較高的區(qū)間，即盡量避開大氣吸收作用能力強的區(qū)間。（一）大氣的吸收作用大氣的吸收作用：P4177（二）大氣的散射作用大氣中各種成分對太陽輻射吸收的明顯特點，是吸收帶主要位于太陽輻射的紫外和紅外區(qū)，而對可見光區(qū)基本上是透明的。但當大氣中含有大量云、霧、小水滴時，由于大氣散射使得可見光區(qū)也變成不透明了。對遙感圖像來說，增加了信號中的噪聲成分，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質量，造成圖像模糊不清。大氣發(fā)生的散射主要有三種：瑞利散射：d<<λ（…）米氏散射：d≈λ（…）非選擇性散射：d>>λ（…）瑞利散射：當大氣中粒子的直徑比波長小得多時發(fā)生的散射；主要由大氣分子和原子引起；散射強度與波長的四次方成反比。(P43)--天為什么是藍的？日出日落的太陽為何紅？米氏散射：當大氣中粒子的直徑與波長相當時發(fā)生的散射；主要由大氣中的煙塵、小水滴和氣溶膠引起。散射強度與波長的二次方成反比。米氏散射在光線前進方向比向后方的散射更強。(P43)非選擇性散射：大氣中粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射；散射強度與波長無關。--云為什么是白色的？(P44)（二）大氣的散射作用大氣中各種成分對太陽輻射吸收的明顯特點，78第二章遙感電磁輻射基礎課件79

☆大氣散射作用與波長的關系P44：在可見光和近紅外波段，瑞利散射是主要的。當波長超過1μm時，可忽略瑞利散射的影響。米氏散射對近紫外直到紅外波段的影響都存在。但在當波長大于0.5μm時，米氏散射超過了瑞利散射的影響。在微波波段，由于波長比云中小雨滴的直徑還要大，所以小雨滴對微波波段散射是屬于瑞利散射，散射強度與波長的四次方成反比，因此，微波有極強的穿透云層的能力。而紅外輻射穿透云層的能力雖然不如微波，但比可見光的穿透能力大10倍以上?！畲髿馍⑸渥饔门c波長的關系P44：80（三）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。大氣窗口的光譜段主要有P45-46：0.3-1.3μm，即紫外、可見光、近紅外波段。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。比如，Landsat衛(wèi)星的TM的1-4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段等。1.5-1.8μm，2.0-3.5μm，即近、中紅外波段，在白天日照條件好的時候掃描成像常用這些波段，比如TM的5、7波段等用以探測植物含水量以及云、雪或用于地質制圖等。3.5-5.5μm，即中紅外波段，物體的熱輻射較強。這一區(qū)間除了地面物體反射光譜反射太陽輻射外，地面物體也有自身的發(fā)射能量。如NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.55-3.93μm探測海面溫度，獲得晝夜云圖。8-14μm，即遠紅外波段。主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標的地物溫度。0.8-2.5cm至更長,即微波波段，由于微波穿云透霧的能力，這一區(qū)間可以全天候工作。而且工作方式為主動遙感。其常用的波段為0.8cm，3cm，5cm，10cm等等,有時也可將該窗口擴展為0.05cm至300cm波段。（三）大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太812.4地物反射波譜特征自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射規(guī)律，如具有反射，吸收外來的紫外線、可見光、紅外線和微波的某些波段的特性；它們又都具有發(fā)射某些紅外線、微波的特性；少數(shù)地物還具有透射電磁波的特性，這種特性稱為地物的光譜特性。2.4地物反射波譜特征自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射82太陽輻射到達地面之后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸收作用。電磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過的部分，即：

到達地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量在可見光與近紅外波段，地表物體自身的輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。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透射能力較強，特別是對0.45~0.56μm的藍綠光波段，一般水體的透射深度可達10~20m，清澈水體可達100m的深度。對于一般不能透過可見光的地面物體，波長5cm的電磁波卻有透射能力，如超長波的透射能力就很強，可以透過地面巖石和土壤。2.4地物反射波譜特征太陽輻射到達地面之后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸83一、地物的反射率與反射波譜（一）反射率物體反射的輻射能量占總入射能量的百分比。（二）反射類型鏡面反射漫反射方向反射

實際物體反射不同地物對入射電磁波的反射能力是不一樣的，地物反射率的大小，與入射電磁波的波長、入射角的大小以及地物表面顏色和粗糙度等有關。一般地說，當入射電磁波波長一定時，反射能力強的地物，反射率大，在黑白遙感圖像上呈現(xiàn)的色調就淺。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遙感圖像上呈現(xiàn)的色調就深。在遙感圖像上色調的差異是判讀遙感圖像的重要標志。一、地物的反射率與反射波譜（二）反射類型不同地物84鏡面反射光射到任何物體的表面上都會反射。平滑的表面，如鏡面、刨光的金屬表面、平靜的水面等，能使平行的入射光線反射后仍是平行光線。這種反射叫做鏡面反射。鏡面反射光射到任何物體的表面上都會反射。平滑的表面，如鏡面、85漫反射整個表面都均勻地反射入射光稱為漫反射。反射波方向與入射波方向無關，且從任何角度觀察反射面，其反射輻射亮度為一常數(shù)時。漫反射的反射面稱為朗伯面。當入射照度一定時，從任何角度觀察反射面，其反射亮度是一個常數(shù)，這種反射面稱朗伯面。漫反射整個表面都均勻地反射入射光稱為漫反射。反射波方向與入射86方向反射介于漫反射和鏡面反射之間。在各個方向都有反射，但其反射亮度不是常數(shù)，而在某一個方向上的反射比其它方向強。方向反射介于漫反射和鏡面反射之間。87實際物體反射從空間對地面觀察時，對于平坦地區(qū)，并且物體均勻分布，可以看成漫反射；對于地形起伏和地面結構復雜的地區(qū)，為方向反射。實際物體反射從空間對地面觀察時，對于平坦地區(qū)，并且物體均勻分88地物反射光譜曲線通常用二維幾何空間內的曲線表示，橫坐標表示波長λ，縱坐標表示反射率ρ。二、地物反射波譜

地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律，叫做地物反射光譜。不同地物由于物質組成和結構不同具有不同的反射光譜特性。因而可以根據(jù)遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異來識別不同的地物，這就是遙感的基本出發(fā)點。不同波段地物反射率不同，這就便人們很容易想到用多波段進行地物探測。例如在地物的光譜分析以及識別上用多光譜掃描儀、成像光譜儀等傳感器。地物反射光譜曲線通常用二維幾何空間內的曲線表示，橫坐標表示波89（一）植被的反射波譜曲線共性：物體的反射波譜限于紫外、可見光和近紅外，尤其是后兩個波段。a可見光波段形成綠反射峰（0.55μm）及其兩側的藍（0.45μm）、紅（0.67μm）兩個吸收帶b近紅外0.74-1.3μm處形成高反射區(qū)c近