第二章-電磁輻射和地物光譜特征

第二章遙感物理基礎(chǔ)

本章提要(…)

§2.1電磁波及電磁波譜§2.2物體的發(fā)射輻射§2.3地物的反射光譜特性§2.4太陽(yáng)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(yáng)輻射、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響、大氣窗口的概念、地物反射太陽(yáng)光譜的特性。§2.1電磁波及電磁波譜1、波的概念：波是振動(dòng)在空間的傳播。2、電磁波（ElectroMagneticSpectrum)

通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間相互聯(lián)系傳播的過(guò)程3、電磁輻射:這種電磁能量的傳遞過(guò)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，傳播速度為3×108m/s,不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)會(huì)有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律。滿足：c=v*λ(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(zhǎng)、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(zhǎng)（或頻率）按其長(zhǎng)短，依次排列制成的表叫做電磁波譜。電磁波的波段從波長(zhǎng)短的一側(cè)開(kāi)始，依次叫做線、線、紫外（UV）、可見(jiàn)光（visiblelight）、紅外（infrared=IR）、微波。依次為：

γ射線—X射線—紫外線—可見(jiàn)光—紅外線—微波—無(wú)線電波。

電磁波譜示圖遙感所使用的電磁波的波長(zhǎng)是：紫外線(UV)：0.01-0.4μm，碳酸鹽巖分布、水面油污染?？梢?jiàn)光：0.4-0.76μm，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段。紅外線(IR)

：0.76-1000μm。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動(dòng)與被動(dòng)之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ?。可?jiàn)光是人眼可以看見(jiàn)的電磁波，它可以細(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(gè)光譜段：藍(lán)為0.38μm～0.50μm，綠為0.50μm～0.60μm，紅為0.60μm～0.76μm?？梢?jiàn)光是遙感中最早和最常使用的波段?！?.2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（Kirchhoυυ)輻射定律5.維恩(Wien)位移定律黑體是一個(gè)理想的輻射體，是衡量地物發(fā)射電磁波能力大小的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)黑體模型定義：如果一個(gè)物體對(duì)于任何波長(zhǎng)的電磁輻射都全部吸收，則這個(gè)物體是黑體。黑色的煙煤是最接近絕對(duì)黑體的自然物質(zhì)。1.黑體2.普朗克輻射(Planck)定律普朗克給出了黑體輻射的能量（E）與頻率（v）之間的關(guān)系：E=h*vH為普朗克常量，v為頻率v*λ=c(c為光速)

說(shuō)明：輻射能量與它的波長(zhǎng)成反比，即輻射的波長(zhǎng)越短，頻率越高，其輻射能量越高，因此遙感探測(cè)系統(tǒng)對(duì)能量高的信號(hào)容易感應(yīng)。3.波爾滋曼定律絕對(duì)黑體的總輻射出射度與溫度的四次方成正比

M=σT4

，

σ是波爾滋曼常數(shù)

說(shuō)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

給定溫度下，任何地物的輻射通量密度W與吸收率M0之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。

M/M0=ε=α

（M為任何地物輻射能量，M0為黑體輻射能量，ε為吸收系數(shù),α為發(fā)射系數(shù)）說(shuō)明：地物的吸收率越大，發(fā)射率也會(huì)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(zhǎng)的電磁波，也不發(fā)射該波長(zhǎng)的電磁波。說(shuō)明：黑體溫度越高，其曲線的峰頂越往波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。在實(shí)際生活中，火焰的燃燒就是隨著溫度的升高變化，波長(zhǎng)逐漸變短，顏色由紅外到紅色再逐漸變藍(lán)紫5.維恩位移定律：波普輻射能量密度的峰值波長(zhǎng)λMAX隨溫度的增加向短波方向移動(dòng)。即黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng)λMAX與絕對(duì)溫度T成反比：

λMAX*T=b，b為常數(shù)分光譜輻射通量密度wλ（瓦/厘米2●微米）00.20.40.60.824681012900k800k700k600k500k波長(zhǎng)（μm）

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(duì)目標(biāo)物進(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(jiàn)光和近紅外波段（0.3－2.5um）.地表發(fā)出的波譜主要以反射太陽(yáng)輻射為主，自身發(fā)射輻射幾乎為零。反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測(cè)定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物的反射光譜曲線：反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線?！?.3地物的反射光譜特性

地物的反射率隨入射波長(zhǎng)變化的規(guī)律，叫地物反射光譜。按地物反射率與波長(zhǎng)之間關(guān)系繪成的曲線（橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)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(huì)有不同的色彩,同一地物在不同的波段的影像也會(huì)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(jiàn)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(jiàn)光波段：0.45μm附近區(qū)間（藍(lán)色波段）有一個(gè)吸收谷，0.55μm附近區(qū)間（綠色波段）有一個(gè)反射峰，0.67μm附近區(qū)間（紅色波段）有一個(gè)吸收谷。這一特征是由于葉綠素對(duì)藍(lán)光和紅光的吸收作用強(qiáng)，而對(duì)綠光反射作用強(qiáng)。近紅外波段：從0.76μm處反射率迅速增大，形成一個(gè)爬生的“陡坡”，至1.1μm附近有一峰值，反射率最大可達(dá)50%，形成植被的獨(dú)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。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

植被葉片中葉綠素和水分含量的變化，導(dǎo)致了植被在各波長(zhǎng)上反射率的變化，在遙感影像上產(chǎn)生了差異。因此可以通過(guò)遙感影像上植被色調(diào)的差異來(lái)判斷植被的長(zhǎng)勢(shì)、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(shí)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(méi)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(jī)質(zhì)有關(guān)土壤的光譜曲線返回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)水體的光譜曲線返回水體判讀水體在衛(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(duì)近紅外的強(qiáng)烈吸收，水體為黑色，與周?chē)匚锏慕缦藓芮宄?。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(jiàn)光短波影像上有顯示。一般水淺或含沙量大的色調(diào)淺。水體明顯易判的特點(diǎn)，常作為其他地物定點(diǎn)定位的標(biāo)志。巖石的光譜曲線常見(jiàn)地物的光譜曲線比較常見(jiàn)地物的光譜曲線比較

太陽(yáng)是被動(dòng)遙感的主要輻射源，太陽(yáng)光通過(guò)地球大氣照射到地面，經(jīng)過(guò)地面物體反射又返回，再經(jīng)過(guò)大氣到達(dá)傳感器，傳感器獲取的能量經(jīng)歷入射和反射后二次受到大氣的影響?！?.4大氣對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊?.太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)是遙感主要的輻射源，又叫太陽(yáng)光，在大氣上界和海平面測(cè)得的太陽(yáng)輻射曲線如圖所示。從太陽(yáng)光譜曲線可以看出(…)：太陽(yáng)光譜相當(dāng)于6000K的黑體輻射；太陽(yáng)輻射的能量主要集中在可見(jiàn)光，其中0.38～0.76μm的可見(jiàn)光能量占太陽(yáng)輻射總能量的46%，最大輻射強(qiáng)度位于波長(zhǎng)0.47μm左右；到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射主要集中在0.3～3.0μm波段，包括近紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外；經(jīng)過(guò)大氣層的太陽(yáng)輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的。2.大氣太陽(yáng)輻射的影響

大氣結(jié)構(gòu)大氣成分大氣吸收作用大氣散射作用大氣窗口大氣結(jié)構(gòu)

從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對(duì)流層：高度在7～12km,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12～50km，底部為同溫層（航天遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。外大氣層：800～35000km,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒(méi)有影響。BACK

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：大氣中的各種成分對(duì)太陽(yáng)輻射有選擇性吸收，形成太陽(yáng)輻射的大氣吸收帶（如下表）。大氣的吸收作用對(duì)遙感圖像來(lái)說(shuō)，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(guò)程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個(gè)方向散開(kāi)，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。大氣的散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。對(duì)遙感圖像來(lái)說(shuō)，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(jiàn)光區(qū)。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

概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽(yáng)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。透射率%近紅外可見(jiàn)光大氣的透射作用1.什么是大氣窗口？2.什么是電磁波譜？列舉幾種遙感常用的波