電磁波譜與地物波譜特征

1、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 太陽(yáng)輻射 3 太陽(yáng)輻射與大氣的作用 4 太陽(yáng)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(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,返回,下一章,電磁波 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3108 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

2、 遙感的電磁波原理,To be continued,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： 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,To be continued,1 遙感的電磁波原理,紫外線：波長(zhǎng)范圍為0.010.38m，太陽(yáng)光譜中，只有0.30.38m波長(zhǎng)的光到達(dá)地面，對(duì)油污染敏感，但探測(cè)高度在2000 m以下。 可見(jiàn)光：波長(zhǎng)范圍：0.380.76m，人眼對(duì)可見(jiàn)光有敏銳的感覺(jué)，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。 紅外線：波長(zhǎng)范圍為0.761000m，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1 mm1 m，穿透性好，不受云霧

3、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,太陽(yáng)光譜相當(dāng)于6000 K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 0.76 m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)0.47 m左右； 到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射主要集中在0.3 3.0 m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,本節(jié)結(jié)束,返回,下一節(jié),3 太陽(yáng)輻射與大氣的作用,一、大氣結(jié)構(gòu) 二、大氣成分 三、大

4、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,三、大氣吸收作用,太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層時(shí)，大氣分子對(duì)電磁波的某些波段有吸收作用。吸收作用使輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膬?nèi)能，從而引起這些波段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的哀減，甚至某些波段的電磁波完全不能通過(guò)大氣,大氣吸收譜,四、大氣散射作用,輻射在傳播過(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)，稱散射。散射使原傳播方向的輻射強(qiáng)度減弱，而增

5、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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)發(fā)生 米氏散射：大氣粒子的直徑與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生 無(wú)選擇散射：當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射,五、大氣窗口,折射改變了太陽(yáng)輻射的方向，并不改變太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度。因此，就輻射強(qiáng)度而言，太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)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(guò)的部分。對(duì)遙感傳感器而言，只能選擇透過(guò)率高的波段，才對(duì)觀測(cè)有意義。 通常把電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少被

6、反射、吸收或散射的，透過(guò)率較高的波段稱為大氣窗口。 大氣窗口的光譜波段主要有： 0.31.15um，即紫外、可見(jiàn)光、近紅外波段 1.32.5um和3.55.0um，即近、中紅外波段,3.55.5um，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； 814um，即遠(yuǎn)紅外波段，主要通透來(lái)自地物輻射的能量，適于夜間成像； 0.82.5 cm，即微波波段，這一區(qū)間可以全天候觀測(cè)，而且是主動(dòng)遙感方式，如側(cè)視雷達(dá),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(,4 太陽(yáng)輻射與地物的作用,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

7、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(jiàn)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. 450. 56m的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)1020 m，清澈水體可達(dá)100 m的深度。 地表吸收太陽(yáng)輻射后具有約300 K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長(zhǎng)為9.66 m，主要集中在長(zhǎng)波，即6m以上的熱紅外區(qū)段,反射率（）：地物的反射能量與入射總能量的比，即=(P/ 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

8、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,本節(jié)結(jié)束,返回,下一節(jié),地球輻射的分段特性,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(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

9、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,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(zhǎng)在1mm1m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(zhǎng)較長(zhǎng)，因而散射相對(duì)較

10、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(guò)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=(5.310-31/2)/ 式中：為地物的介電常數(shù)；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,返回,下一節(jié),植被光譜曲線 土壤光

11、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,7 各典型地物的光譜曲線,返回,下一章,地物的電磁波響應(yīng)特征隨電磁波長(zhǎng)改變而改變的規(guī)律 不同類(lèi)型的地物，其電磁波響應(yīng)特性不同，因此地物波譜特征是遙感識(shí)別地物的基礎(chǔ),近紅外：0.763.0 m，與可見(jiàn)光相似。 中紅外：3.06.0 m，地面常溫下的輻射波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。 遠(yuǎn)紅外：6.015.0 m，地面常溫下的輻射波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。 超遠(yuǎn)紅外：15.01000 m，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,To be continued,地面太陽(yáng)輻射,波長(zhǎng)(nm,大

12、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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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. 450. 56m的藍(lán)綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá)1020 m，清澈水體可達(dá)100 m的深度。 對(duì)于一般不能透過(guò)可見(jiàn)光的地面物體，波長(zhǎng)5cm的電磁波卻有

13、透射能力，如超長(zhǎng)波的透射能力就很強(qiáng)，可以透過(guò)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712 km,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1250 km，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501 000 km，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：80035 000 km ,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒(méi)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，O

14、2，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,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(jiàn)光區(qū)。 大氣發(fā)生的散射主要有三種： 瑞利散射：d,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(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

15、較高的波段叫大氣窗口,BACK,微波的波段劃分,BACK,植物的光譜曲線,返回,由于植物均進(jìn)行光合作用，所以各類(lèi)綠色植物具有很相似的反射波譜特性，其特征是：在可見(jiàn)光波段0.55m（綠光）附近有反射率為10%20%的一個(gè)波峰，兩側(cè)0.45m（藍(lán)）和0.67m（紅）則有兩個(gè)吸收帶。這一特征是由于葉綠素的影響造成的，葉綠素對(duì)藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，而對(duì)綠色反射作用強(qiáng)。在近紅外波段0.8m1.0m間有一個(gè)反射的陡坡，至1.1m附近有一峰值，形成植被的獨(dú)有特征。這是由于植被葉的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中紅外波段（1.32.5m）受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率大大下降，特別是以1.45m、1.95m和2.7m為中心是水的吸收帶，形成低谷,土壤的光譜曲線,返回,土壤反射波譜曲線呈比較平滑的持征，所以在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區(qū)別不明顯,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(jiàn)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