第二章電磁輻射與地物光譜特征

第二章遙感原理

本章提要(…)

§1

電磁波與電磁輻射

§2

太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響§3

地物的熱輻射與地物波譜

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、地物的熱輻射、地物與微波的作用機(jī)理。

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交互變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播。描述電磁波特性的指標(biāo)

波長(zhǎng)、頻率、振幅、位相等。電磁波的特性

電磁波是橫波，傳播速度為3×108

m/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。

§1遙感的電磁波原理Tobecontinued…

電磁波譜

按電磁波波長(zhǎng)的長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。

依次為：

γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無(wú)線電波。

電磁波譜示圖

Tobecontinued…§1遙感的電磁波原理紫外線：波長(zhǎng)范圍為0.01～0.38μm，太陽(yáng)光譜中，只有0.3～0.38μm波長(zhǎng)的光到達(dá)地面，對(duì)油污染敏感，但探測(cè)高度在2000m以下?？梢姽猓翰ㄩL(zhǎng)范圍：0.38～0.76μm，人眼對(duì)可見光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。紅外線：波長(zhǎng)范圍為0.76～1000μm，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。微波：波長(zhǎng)范圍為1mm～1m，穿透性好，不受云霧的影響。遙感應(yīng)用的電磁波波譜段本節(jié)結(jié)束返回下一節(jié)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(…)：§2太陽(yáng)輻射及大氣影響太陽(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光，其中0.38～0.76μm的可見光能量占太陽(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、可見光、近紅外和中紅外；經(jīng)過大氣層的太陽(yáng)輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的。本節(jié)結(jié)束

返回下一節(jié)§2太陽(yáng)輻射及大氣影響

一、大氣結(jié)構(gòu)

二、大氣成分

三、大氣吸收作用

四、大氣散射作用

五、大氣窗口本節(jié)結(jié)束返回下一節(jié)太陽(yáng)輻射與地表的相互作用(…)地物的反射率(…)漫反射(…)鏡面反射(…)§2太陽(yáng)輻射及大氣影響太陽(yáng)輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：

到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地表反射的太陽(yáng)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(duì)可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)10～20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。地表吸收太陽(yáng)輻射后具有約300K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長(zhǎng)為9.66μm，主要集中在長(zhǎng)波，即6μm以上的熱紅外區(qū)段。

反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/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(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。

不論入射方向如何，其反射出來(lái)的能量在各個(gè)方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個(gè)方向反射的能量大小不同。

物體的反射滿足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測(cè)到電磁波，水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時(shí)很亮，有時(shí)很暗，就是這個(gè)原因造成的。溫度一定時(shí)，物體的熱輻射遵循基爾霍夫定律。地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的曲線叫發(fā)射光譜曲線。地物的發(fā)射率與地表的粗糙度、顏色和溫度有關(guān)。表面粗糙、顏色暗，發(fā)射率高，反之發(fā)射率低。地物的輻射能量與溫度的四次方成正比，比熱、熱慣性大的地物，發(fā)射率大。如水體夜晚發(fā)射率大，白天就小。探測(cè)地物的熱輻射特性的熱紅外遙感在夜間和白天進(jìn)行的結(jié)果是不同的。熱紅外遙感探測(cè)的地物熱輻射量用亮度溫度表示，它不同于地面溫度，是接收的熱輻射能量的轉(zhuǎn)換值，圖像上表示為亮度?！?地物的熱輻射與地物波譜本節(jié)結(jié)束返回下一節(jié)在電磁波譜中，波長(zhǎng)在1mm～1m范圍的波稱微波。（微波波段劃分）微波遙感特性：能全天候、全天時(shí)工作(…)；對(duì)某些地物具有特殊的波譜特征；對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力(…)；對(duì)海洋遙感具有特殊意義(…)；分辨率較低，但特征明顯(…)?！?地物的熱輻射與地物波譜由于微波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因而散射相對(duì)較小，在大氣中衰減少，對(duì)云層、雨區(qū)的穿透能力較強(qiáng)，基本不受煙、云、雨的限制。對(duì)于熱帶雨林地區(qū)更有意義。微波傳感器的波長(zhǎng)分辨率比較低，是由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象顯著的緣故。同時(shí)，觀察精度和取樣速度往往不能協(xié)調(diào)。

這一特性可以用來(lái)探測(cè)隱藏在林下的地形、地質(zhì)構(gòu)造、軍事目標(biāo)以及埋藏在地下的工程、礦藏、地下水等。電磁波通過介質(zhì)時(shí)，部分被吸收，強(qiáng)度要衰減。故將電磁波振幅減少1/e倍（37%）的穿透深度定義為趨膚深度H:

H=(5.3×10-3ε1/2)/δ式中：ε為地物的介電常數(shù)；δ為地物的導(dǎo)電率。微波對(duì)于海水特別敏感，其波長(zhǎng)很適合于海面動(dòng)態(tài)情況（海面風(fēng)、海浪等）的觀測(cè)。本節(jié)結(jié)束

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§3地物的熱輻射與地物波譜本節(jié)結(jié)束本章結(jié)束返回下一章近紅外：0.76～3.0μm，與可見光相似。中紅外：3.0～6.0μm，地面常溫下的輻射波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。遠(yuǎn)紅外：6.0～15.0μm，地面常溫下的輻射波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。超遠(yuǎn)紅外：15.0～1000μm，多被大氣吸收，遙感探測(cè)器一般無(wú)法探測(cè)。紅外線的劃分BACK太陽(yáng)輻射（1）P34,圖2.20地面太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)(nm)大氣上界太陽(yáng)輻照度海平面太陽(yáng)輻照度太陽(yáng)光譜輻照度太陽(yáng)輻射（2）BACK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(yáng)輻射為主。太陽(yáng)輻射到達(dá)地面之后，物體除了反射作用外，還有對(duì)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(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波透射能力較強(qiáng)，特別是對(duì)0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá)10~20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。對(duì)于一般不能透過可見光的地面物體，波長(zhǎng)5cm的電磁波卻有透射能力，如超長(zhǎng)波的透射能力就很強(qiáng)，可以透過地面巖石和土壤。地物波譜特征BACK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（航空遙感活動(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。大氣外層：800～35000km,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒有影響。BACK

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：塵埃大氣成分BACK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O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強(qiáng)O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm塵埃吸收量很小BACK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(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>>λBACK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(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。大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外可見光近紅外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.5～1.8μm80TM5近-中紅外2.0～3.5μm80TM7中紅外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR遠(yuǎn)紅外8～14μm60～70TM6