第二章 電磁輻射及地物光譜特性

本章主要內(nèi)容電磁波與電磁波譜地物的光譜特性大氣和環(huán)境對遙感的影響

第二章遙感物理基礎

—電磁輻射和地物光譜特征

一、電磁輻射1.電磁波

波

:振動在空間的傳播

電磁波（ElectroMagneticSpectrum）

:電磁振蕩在空間的傳播。電磁波是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的：當電磁振蕩進入空間時，變化的磁場激發(fā)了變化的電場，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波，也稱電磁輻射。電磁波是橫波

真空中以光速傳播：C=fλ電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；在與物質(zhì)相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。

波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳播的，因此具有波動性粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運動。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計性a.波動性

干涉

衍射

偏振現(xiàn)象

時空周期性

波函數(shù)產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場強度矢量E(光矢量)如果光矢量在某個固定平面內(nèi)只沿一個固定方向作振動,則這種光被稱為偏振光.微波技術中稱偏振為

”極化”

(波長越

長，偏振現(xiàn)象越顯著)最小分辨角:(對設計遙感器的空間分辨率具有重要意義)電磁波遇到有限大小的障礙物時,能夠繞過障礙物而彎曲地向障礙物的后面?zhèn)鞑?把這種通過障礙物邊緣改變傳播方向的現(xiàn)象,稱為電磁波的衍射.b.粒子性

光子微粒流的有規(guī)律運動

能量:

E=hf

h普朗克常數(shù)

6.6260755×10-34J/sf頻率

λ波長 粒子導致散射作用，引起強度、方向變化

任何復雜的電磁波都可以分解成許多比較簡單的電磁波；比較簡單的電磁波也可以合成為復雜的電磁波.

（白光的色散和合成，計算機顯示器的工作原理，混合像元的分解）c.疊加原理(干涉)

當兩列波在同一空間傳播時，空間上各點的振動為各列波單獨振動的合成。d.電磁波的多普勒效應

電磁波因輻射源（或者觀察者）相對于傳播介質(zhì)的運動，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。(類似聲波的多普勒效應)波函數(shù)由振幅和位相組成，一般遙感器僅僅記錄電磁波的振幅信息，丟失位相信息。全息攝影中，同時記錄了振幅信息和位相信息。電磁輻射——電磁波的能量傳播過程2.電磁波譜

a.電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長按其長短，依次排列制成的圖表。電磁波譜中，波長最長的是無線電波，其按波長可分為長波、中波、短波和微波。波長最短的是γ射線電磁波的波長不同，是因為產(chǎn)生它的波源不同。b、遙感常用的電磁波波段的特性

電磁波譜波段波長長波

中波和短波

超短波大于3000m

10~3000m

1~10m微波1mm~1m紅外波段超遠紅外

遠紅外

中紅外

近紅外0.76

~

1000μm15~1000μm

6~15μm

3~6μm

0.76~3μm可見光紅

橙

黃

綠

青

藍

紫

0.38

~

0.76μm0.62~0.76μm

0.59~0.62μm

0.56~0.59μm

0.50~0.56μm

0.47~0.50μm

0.43~0.47μm

0.38~0.43μm紫外線10-3~3.8×10-1μmX射線10-6~10-3μmγ射線小于10-6μm

電磁波譜區(qū)別：傳播的方向性、穿透性、可見性、顏色不同

共性：傳播速度相同,

遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律TheElectromagneticSpectrumEnergyWavelengthl紫外線(UV)：0.01-0.4μm，碳酸鹽巖分布、水面油污染?？梢姽猓?.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。近紅外0.76-3.0μm中紅外3.0-6.0μm；遠紅外6.0-15.0μm；超遠紅外15-1000μm。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外和遠紅外又稱熱紅外。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?。遙感常用的電磁波波段的特性3.電磁輻射的度量

a.輻射源：

任何物體在其溫度不等于0°K時,都有向周圍空間發(fā)射熱輻射的能力,同時也有吸收外來輻射的能力.(任何物體都是輻射源)人工輻射源：主動式遙感的輻射源。雷達探測:分為微波雷達和激光雷達。

微波輻射源：0.8-30cm激光輻射源：激光雷達—測定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測量地形等。自然輻射源太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900°K的黑體輻射來模擬；其輻射波長范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對太陽輻射的吸收、反射和散射。地球的電磁輻射：小于3μm的波長主要是太陽輻射的能量；大于6μm的波長，主要是地物本身的熱輻射；3-6μm之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。b.輻射測量輻射能量(W):電磁輻射的能量(J)

輻射通量(Φ):單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量(W)輻射通量密度(E):單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量(W/m2)輻照度

(I):

被輻射物體表面單位面積的輻射通量

(W/m2)輻射出射度

(M):

輻射源物體表面單位面積的輻射通量

(W/m2)輻射亮度

(L):

輻射源某方向上單位投影表面單位立體角內(nèi)的輻射通量

(W/sr.m2)

朗伯源:L與

θ無關

的輻射源

(絕對黑體)4.黑體輻射地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標準；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標準。(自然界沒有真正的黑體)

人工黑體

黑體：在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體。黑體輻射(BlackBodyRadiation)：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。黑體輻射定律(1)普朗克熱輻射定律表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關系以及按波長分布的規(guī)律。λ-波長c—真空中光速T—絕對溫度h—普朗克常數(shù)

k—波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/k圖示普朗克公式變化特點：(1)輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，只有一個最大值；(2)溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不相交；(3)隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動。

(2)玻耳茲曼定律

Stefan-Boltzmann'slaw

即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎。σ=5.67×10-8W/m2k4

(斯忒藩-波爾茲曼常數(shù))溫度3005001000200030004000500060007000波長9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(3)維恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw

隨著溫度的升高，輻射最大值對應的峰值波長向短波方向移動。高溫物體發(fā)射較短的電磁波,低溫物體發(fā)射較長的電磁波.常溫（如人體300K左右,發(fā)射電磁波的峰值波長9.66μm)b=2.8978×10-3mk5.實際物體的輻射

對于一般物體而言，需要引入發(fā)射率

(熱輻射率、比輻射率)，表明物體的發(fā)射本領。

非黑體的輻射通量密度與同一溫度下黑體輻射通量密度的比值發(fā)射率與地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）、波長等有關：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。按照發(fā)射率與波長的關系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)?；殷w(greybody)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長而變化?；鶢柣舴蚨桑涸谝欢囟认?，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W黑。在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構成了紅外遙感的理論基礎。6、黑體的微波輻射

任何物體在一定的溫度下，不僅向外發(fā)射紅外輻射，也發(fā)射微波輻射。二者基本相似。但微波是地物低溫狀態(tài)下的重要輻射特性，溫度越低，微波輻射越明顯。微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術上可以經(jīng)過處理來接收。二、太陽輻射及大氣影響

太陽是最大的天然輻射源

送到地球的能量約為1.73×1017J/s

1.太陽常數(shù)

地球大氣層頂端

日地平均距離(一個天文單位——1.495985×1011m)處垂直于太陽射線的單位面積上在單位時間內(nèi)接收到的太陽輻射能量

I⊙=1.360×103W/m2

2.太陽光譜

連續(xù)光譜

夫朗和費吸收線

(暗線)69種元素

輻射特性基本類似于黑體

等效黑體溫度

5762°KSolarSpectrum=Shortwavespectrum=visiblespectrum:

Sunat6000K;peakemissionat0.48mm

太陽能量99%集中在波長

0.2～4μm,可見光部分占43%最大能量在

0.48μm.3.由于大氣影響,大氣頂層與地面處輻照度曲線有很大不同.(衰減

——吸收

散射

反射

)

另外真實輻照度與太陽高度角也有關系

天頂角

θ

太陽高度角ααθI’=Icosθ*D-24.大氣效應

a.地球大氣

分層:對流

平流

電離

外大氣層

成份:不變成份

N2O2ArCO2CH4NOH2He(80km以下相對比例不變

可變成份

O3H2O塵埃

鹽粒

氣溶膠等b.大氣傳輸特性

衰減電磁波

(吸收

散射為主

)就可見光和近紅外而言，約占30％，其次為散射的作用，約占22％，占第三位是吸收，約占17％，這樣，透過大氣到達地面的能量僅占入射總能量的31％大氣的透射率：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關。c.大氣的吸收作用某些大氣成份對電磁波有吸收作用(轉變?yōu)樽陨矸肿觾?nèi)能)氧氣：小于0.2μm；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強。兩個吸收帶；對航空遙感影響不大。水：吸收太陽輻射能量最強的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此，水對紅外遙感有極大的影響。二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)?？梢院雎圆挥?。d.大氣散射

其實質(zhì)是電磁波在傳輸中遇到各種微粒產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象(與波長有關)影響:降低原入射方向的強度,增加了漫入射成份(增加了信號中的噪聲)降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。

大氣散射集中在太陽輻射能量最強的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減的主要原因。實際上分為瑞利

(分子)散射

γ∝λ-4

λ小

散射強

(a<<λ)米氏散射(氣溶膠引起)

γ∝λ-2

對紅外影響大

(a=λ)非選擇性散射

γ∝1(a>λ)三種散射作用瑞利散射：當微粒的直徑比輻射波長小得多時，此時的散射稱為瑞利散射。散射率與波長的四次方成反比，因此，瑞利散射的強度隨著波長變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍光是4微米紅外線散射的1萬倍。瑞利散射對可見光的影響較大，對紅外輻射的影響很小，對微波的影響可以不計。多波段中不使用藍紫光的原因：顏色紅橙黃黃綠青蘭紫紫外線波長0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0無云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍色？朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？米氏散射：當微粒的直徑與輻射波長差不多時的大氣散射。主要是大氣中的氣溶膠引起的云、霧的粒子大小與紅外線的波長接近，所以云霧對對紅外線的米氏散射不可忽視。3.無選擇性散射：當微粒的直徑比輻射波長大得多時所發(fā)生的散射。符合無選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強度相同。水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散射。云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？散射特性瑞利散射是造成圖像輻射畸變和模糊的主要原因。米氏散射可疊加在瑞利散射之上大氣散射增強了地面的輻射和大氣層的“亮度”，降低了圖像的反差度。結論

太陽輻射衰減的原因是什么？在可見光和近紅外波段，大氣最主要的散射作用是什么？微波為什么具有極強的穿透云層的作用？為什么在選擇遙感工作波段時，要考慮大氣層的散射和吸收作用？

e.

折射

反射

折射:傳播方向改變

直線成曲線

(與大氣密度有關)

反射:兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生反射

云量多少影響反射情況

f.大氣窗口

遙感中,通常把電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射的,透過率較高的波段稱為大氣窗口(也即傳感器使用的觀測波段).要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。

1）0.3－1.3um：包括全部可見光（95％），部分紫外光（70％），部分近紅外光（80％）。攝影和掃描成像的方式在白天感測和記錄目標電磁波輻射信息。2）1.5－2.5um：近紅外窗口，60％－95％，掃描成像，白天記錄3）3.5－5.5um：中紅外窗口，60％－70％，白天夜間，掃描成像記錄4）8－14um：遠紅外窗口，超過80％，白天夜間，掃描記錄5）1.4－300mm：

微波窗口，

白天夜間，掃描記錄。

大氣窗口解釋三、地球輻射和地物波譜

相當于300°K黑體輻射

,峰值波長

9.66μm(屬遠紅外輻射)

1.地球輻射

0.3-2.5μm反射太陽

分段特性

2.5-6μm反射太陽及自身熱輻射

>6μm自身熱輻射

太陽與地球輻射的電磁波譜了解地球輻射的分段特性的意義可見光和近紅外波段遙感圖像上的信息來自地物反射特性。中紅外波段遙感圖像上，既有地表反射太陽輻射的信息，也有地球自身的熱輻射的信息。熱紅外波段遙感圖像上的信息來自地球自身的熱輻射特性。

2.地物自身熱輻射地表各種物體都具有發(fā)射電磁波的能力。由地表物體發(fā)射的電磁波一般稱為地表熱輻射。地表物體的自身熱輻射由比輻射率、溫度、波長決定：M=ε*M0,基爾霍夫定律

紅外輻射計來探測地表物體的溫度在溫度一定的情況下，物體的比輻射率隨波長變化。曲線形態(tài)特殊時可以用發(fā)射率曲線來識別地面物體。幾種主要地物的發(fā)射率2地物波譜特征2.1地物的發(fā)射波譜2.2地物的透射波譜2.3地物的反射波譜2.1地物發(fā)射光譜地物的發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律，稱為地物的發(fā)射光譜。地物發(fā)射率的不同是紅外遙感技術的重要依據(jù)。2.2地物的透射光譜透明物體：具有透射一定波長電磁波能力的物體。透射率（τλ）：入射光透過物體的能量與入射總能量之比。舉例：1）水體在藍綠波段，混水1-2米，一般水體10-20米。2）微波對地物具有明顯的透射能力，由入射波的波長決定。2.3地物的反射光譜電磁波與物體相互作用過程中，會出現(xiàn)三種情況：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。2.3.1物體反射分類反射率定義:反射能量占總入射能量之比

ρ=(Eρ/E)×100%(ρ≤1)(實際由于物體固有結構特點,對不同波長的電磁波有選擇性的反射)反射分類圖示(a)鏡面反射(b)漫反射（朗伯反射）(c)有向反射(d)混合反射根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：1)鏡面反射2)漫反射(朗伯反射)航天遙感中，地球表面相對于遙感器的高度，近似視為朗伯面。漫反射：發(fā)生在非常粗糙的表面上的一種反射現(xiàn)象。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。即當入射輻照度I一定時，從任何角度觀察反射面，其反射輻照亮度是一個常數(shù)，這種反射面又叫朗伯面.3)有向反射4)混合反射一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。有向反射比較復雜，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函數(shù)。有向反射和混合反射與電磁波的入射方向和觀察方向有關，在航空遙感中具有重要意義。地物的反射波譜與反射曲線：反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長變化的規(guī)律，以波長為橫坐標，反射率為縱坐標所得的曲線。地物反射率隨波長的變化規(guī)律,反映出不同波段的不同反射率.

2.3.2常見地物的反射波譜曲線?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。

地物波譜特性不同地物有不同的反射波譜

同類地物的反射光譜是相似的時間特性和空間特性

(不同季節(jié)

不同時間

不同地貌位置)白橡樹不同生長期的反射光譜曲線?反射光譜特性取決于該物體與入射輻射相互作用的波長選擇，即對入射輻射的反射、吸收和透射的選擇性，其中反射作用是主要的。?物體對入射輻射的選擇性作用受物體的組成成分、結構、表面狀態(tài)以及物體所處環(huán)境的控制和影響。在漫反射的情況下，組成成分和結構是控制因素。?任何物體的反射性質(zhì)是揭示目標本質(zhì)的最有用信息。不同植被的反射光譜曲線反射光譜特點?各種物體由于其結構和組成成分不同，反射光譜特性是不同的。?即：各種物體的反射特性曲線的形狀是不一樣的，即便是在某波段相似，甚至一樣，但在另外的波段還是有很大的區(qū)別的。?這個特點的重要性是什么？地物波譜曲線的作用物體波譜曲線特征，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過測量該地物在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器獲得的數(shù)據(jù)相對照，可以識別遙感影像中同類地物。不同地物在不同波段有不同的反射率，物體的反射特性曲線作為判讀和分類的物理基礎，廣泛地應用于遙感影像的分析和評價中。多光譜遙感、高光譜遙感植被土壤水體巖石常見的幾種地物類型波譜特征植物的光譜曲線由于植物均進行光合作用，所以各類綠色植物具有很相似的反射波譜特性。?在近紅外波段植物的光譜取決于葉片內(nèi)部的細胞結構。?在0.7μm-1.3μm葉子吸收能量少，反射率來自植物葉子內(nèi)部結構，形成高反射。?由于葉子內(nèi)部結構差別大，植被在近紅外的發(fā)射差異比可見光區(qū)域大，所以在近紅外波段內(nèi)測量植物的反射率來區(qū)別不同的植物在中紅外波段，由于植物葉子內(nèi)水的強烈吸收,在1.45μm，1.95μm，2.7μm處有吸收帶。不同健康狀態(tài)松樹的反射光譜曲線影響植被波譜特征的主要因素植被類型植被生長季節(jié)病蟲害影響植物波譜特征大同小異，根據(jù)這些特征可以區(qū)分植被種類、生長狀態(tài)等。土壤的波譜特征自然狀態(tài)下的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。土壤的光譜曲線重度鹽漬化輕度鹽漬土中度鹽漬化非鹽漬土輕微鹽漬化含水量對

土壤反射光譜曲線對影響土壤含水量增加，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。粉砂土壤不同含水量情況下的光譜反射率曲線圖水體的波譜特征純凈水體的反射主要在可見光的藍綠光波段