電磁波譜與地物波譜特征課件

第二章電磁輻射與地物光譜特征

本章提要(…)

§1遙感的電磁波原理

§2

§3太陽輻射與大氣的作用

§4太陽輻射與地物的作用

§5地物的熱輻射

§6微波與地物的作用

§7各典型地物的光譜曲線

本章主要介紹遙感的物理基礎(chǔ)，包括地物的電磁波特性、太陽輻射、大氣對(duì)太陽輻射的影響、大氣窗口的概念、地物反射太陽光譜的特性、地物的熱輻射、地物與微波的作用機(jī)理。

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交互變化的電磁場在空間的傳播。描述電磁波特性的指標(biāo)

波長、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

按電磁波波長的長短，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—無線電波。

電磁波譜示圖

Tobecontinued…§1遙感的電磁波原理太陽輻射：太陽是遙感主要的輻射源，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(dāng)于6000K的黑體輻射；太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38～

0.76μm的可見光能量占太陽輻射總能量的46%，最大輻射強(qiáng)度位于波長0.47μm左右；到達(dá)地面的太陽輻射主要集中在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)§3太陽輻射與大氣的作用

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)一、大氣結(jié)構(gòu)

一般認(rèn)為大氣厚度1000km，且在垂直方向自下而上可分為對(duì)流層、平流層、中流層、熱層（增溫層），熱層再往上就是接近大氣層外的頂部空間，也稱為散逸層。二、大氣成分大氣主要成分為分子和其他微粒。四、大氣散射作用

輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變。并向各個(gè)方向散開，稱散射。散射使原傳播方向的輻射強(qiáng)度減弱，而增加向其他各方向的輻射。散射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是電磁波在傳輸中遇到大氣微粒而產(chǎn)生的一種衍射現(xiàn)象。因此，這種現(xiàn)象只有當(dāng)大氣中的分子或其他微粒的直徑小于或相當(dāng)于輻射波長時(shí)才發(fā)生。大氣散射有三種情況：瑞利散射：大氣粒子的直徑遠(yuǎn)小于波長時(shí)發(fā)生米氏散射：大氣粒子的直徑與波長相當(dāng)時(shí)發(fā)生無選擇散射：當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長大得多時(shí)發(fā)生的散射。五、大氣窗口折射改變了太陽輻射的方向，并不改變太陽輻射的強(qiáng)度。因此，就輻射強(qiáng)度而言，太陽輻射經(jīng)過大氣傳輸后，主要是反射、吸收和散射的共同影響衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分即為透過的部分。對(duì)遙感傳感器而言，只能選擇透過率高的波段，才對(duì)觀測有意義。通常把電磁波通過大氣層時(shí)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。

大氣窗口的光譜波段主要有：0.3～1.15um，即紫外、可見光、近紅外波段1.3～2.5um和3.5～5.0um，即近、中紅外波段3.5～5.5um，即中紅外波段，該波段除通透反射光外，也通透地面物體自身發(fā)射的熱輻射能量；8～14um，即遠(yuǎn)紅外波段，主要通透來自地物輻射的能量，適于夜間成像；0.8～2.5cm，即微波波段，這一區(qū)間可以全天候觀測，而且是主動(dòng)遙感方式，如側(cè)視雷達(dá)。地球輻射的分段特性波段名稱可見光與近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外波長0.3～2.5μm2.5～6μm>6μm輻射特性地表反射太陽輻射為主地表反射太陽輻射和自身的熱輻射地表物體自身熱輻射為主地球表面與大氣電磁輻射的總和稱為地球輻射。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。

§5地物的熱輻射本節(jié)結(jié)束返回下一節(jié)在電磁波譜中，波長在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(…)。

§6微波與地物的作用

由于微波的波長較長，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。微波傳感器的波長分辨率比較低，是由于其波長較長，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)。

這一特性可以用來探測隱藏在林下的地形、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，其波長很適合于海面動(dòng)態(tài)情況（海面風(fēng)、海浪等）的觀測。本節(jié)結(jié)束返回下一節(jié)

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，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，有熱感，又叫熱紅外。

超遠(yuǎn)紅外：15.0～1000μm，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測。紅外線的劃分BACK太陽輻射（1）P34,圖2.20Tobecontinued…地面太陽輻射波長(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（2）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<0.2μm，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微波0.8～2.5cm100RadarsatBACK微波的波段劃分波段名稱波長/cmKαKKuXCSLP0.75~1.131.13~1.671.67~2.422.42~3.753.75~7.57.5~1515~3030~100BACK水體的光譜曲線返回水體的反射主要在藍(lán)綠光波段，其他波段吸收都很強(qiáng)，特別到了近紅外波段，吸收就更強(qiáng)(如右圖)。因此，在遙感影像上，特別處近紅外影像上，水體一般呈黑色。水中含泥沙時(shí)，由于泥沙散射，可見光波段反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含葉綠素時(shí)，近紅外波段明顯抬升，這些都成為影像分析的重要依據(jù)。巖石的光譜曲線返回常見