第二章_電磁輻射與地物光譜特性

1、 第二章 遙感物理基礎(chǔ) 電磁輻射和地物光譜特征 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(duì)遙感的影響 一、電磁輻射 電磁輻射 1.電磁波 波 :振動(dòng)在空間的傳播 電磁波（ElectroMagnetic Spectrum） :電磁振蕩 電磁波（ 在空間的傳播。 電磁波是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間相互聯(lián)系傳播 的：當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變化的磁場(chǎng)激發(fā) 了變化的電場(chǎng)，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 = f 電磁波具有波粒二象性： 電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播 波粒二象性 過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性； 過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與

2、物 質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性， 質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性， 這就是電磁波的波粒二象性。 這就是電磁波的波粒二象性。 波動(dòng)性： 波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳 播的， 播的，因此具有波動(dòng)性 粒子性：它是由密集的光子微粒組成的， 粒子性：它是由密集的光子微粒組成的， 電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn) 電磁波的粒子性， 動(dòng)。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能 量具有統(tǒng)計(jì)性 a.波動(dòng)性 干涉 衍射 偏振現(xiàn)象 時(shí)空周期性 波函數(shù) 波動(dòng)性 ?產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量 光矢量 產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E(光矢量 產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量 光矢量)

3、 ?如果光矢量在某個(gè)固定平面內(nèi)只沿一個(gè)固定方向作振 如果光矢量在某個(gè)固定平面內(nèi)只沿一個(gè)固定方向作振 則這種光被稱為偏振光. 動(dòng),則這種光被稱為偏振光 則這種光被稱為偏振光 ?微波技術(shù)中稱偏振為 ”極化” 微波技術(shù)中稱偏振為 極化” (波長(zhǎng)越 長(zhǎng)，偏振現(xiàn)象越顯著 波長(zhǎng)越 偏振現(xiàn)象越顯著) 電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí),能夠繞過(guò)障礙物而彎 電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí), 電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí) 曲地向障礙物的后面?zhèn)鞑? 曲地向障礙物的后面?zhèn)鞑? 把這種通過(guò)障礙物邊緣改變 傳播方向的現(xiàn)象, 傳播方向的現(xiàn)象,稱為電磁波的 衍射. 最小分辨角: 最小分辨角 = 1.22 0 d (對(duì)設(shè)計(jì)遙感器的空

4、間分辨 率具有重要意義) 率具有重要意義) b. 粒子性 光子微粒流的有規(guī)律運(yùn)動(dòng) 能量: E= h f 能量 h 普朗克常數(shù) 6.6260755×10-34J/s f 頻率 波長(zhǎng) 粒子導(dǎo)致散射作用，引起強(qiáng)度、方向變化 粒子導(dǎo)致散射作用，引起強(qiáng)度、 c.疊加原理 疊加原理 (干涉) 干涉 當(dāng)兩列波在同一空間傳播時(shí)， 當(dāng)兩列波在同一空間傳播時(shí)，空間上各點(diǎn)的振動(dòng)為 各列波單獨(dú)振動(dòng)的合成。 各列波單獨(dú)振動(dòng)的合成。 任何復(fù)雜的電磁波都可以分解成許多比較簡(jiǎn)單的電磁波； 任何復(fù)雜的電磁波都可以分解成許多比較簡(jiǎn)單的電磁波； 比較簡(jiǎn)單的電磁波也可以合成為復(fù)雜的電磁波. 比較簡(jiǎn)單的電磁波也可以合成為復(fù)雜

5、的電磁波. （白光的色散和合成，計(jì)算機(jī)顯示器的工作原理，混合像 白光的色散和合成，計(jì)算機(jī)顯示器的工作原理， 元的分解 ） d.電磁波的多普勒效應(yīng) 多普勒效應(yīng) 電磁波因輻射源（或者觀察者） 電磁波因輻射源（或者觀察者）相對(duì)于傳播介質(zhì) 的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化， 的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn) 類似聲波的多普勒效應(yīng)) 象稱為多普勒效應(yīng)。(類似聲波的多普勒效應(yīng) 波函數(shù) 由振幅和位相組成， 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， 幅信息，丟失位相信息。全息攝影中，同時(shí)記錄了振 記錄了振 幅信息和位相信息。 幅信息和位相信息。 電

6、磁輻射 電磁波的能量傳播過(guò)程 電磁波的能量傳播過(guò)程 2.電磁波譜 電磁波譜 a.電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長(zhǎng)按其長(zhǎng) 電磁波譜 短，依次排列制成的圖表。 依次排列制成的圖表。 電磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波，其按波 磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波， 長(zhǎng)可分為長(zhǎng)波、中波、短波和微波。 長(zhǎng)可分為長(zhǎng)波、中波、短波和微波。波長(zhǎng)最短的 是射線 電磁波的波長(zhǎng)不同，是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同。 電磁波的波長(zhǎng)不同，是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同。 b、遙感常用的電磁波波段的特性 、 The Electromagnetic Spectrum More than meets the eye! 電磁波譜 波段 長(zhǎng)波 中

7、波和短波 超短波 微波 紅外 波段 超遠(yuǎn)紅外 遠(yuǎn)紅外 中紅外 近紅外 紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫 紫外線 X射線 射線 射線 射線 0.76 1000m 波長(zhǎng) 大于3000m 大于 10 3000m 1 10m 1mm 1m 15 1000m 6 15m 3 6m 0.76 3m 0.62 0.76m 0.59 0.62m 0.56 0.59m 0.50 0.56m 0.47 0.50m 0.43 0.47m 0.38 0.43m 可 見 光 0.38 0.76m 10-3 3.8×10-1m × 10-6 10-3m 小于10 小于 -6m The Electromagn

8、etic Spectrum Wavelength Energy 電磁波譜區(qū)別：傳播的方向性、穿透性、可見性、 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、 共性：傳播速度相同, 遵守相同的反射、折射、 透射、 透射、吸收和散射定律 遙感常用的電磁波波段的特性 紫外線(UV)：0.01-0.4m，碳酸鹽巖分布、水面油污 染。 可見光：0.4-0.76 m，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) ：0.76-1000m。 近紅外0.76-3.0m 中紅外3.0-6.0 m； 遠(yuǎn)紅外6.0-15.0m；超遠(yuǎn)紅外 15-10

9、00 m。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅 外和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外。 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蟆?3.電磁輻射的度量 3.電磁輻射的度量 a.輻射源： 任何物體在其溫度不等于 °K時(shí), 時(shí) 輻射源： 任何物體在其溫度不等于0 都有向周圍空間發(fā)射熱輻射的能力,同時(shí)也有 都有向周圍空間發(fā)射熱輻射的能力 同時(shí)也有 吸收外來(lái)輻射的能力.(任何物體都是輻射源 任何物體都是輻射源) 吸收外來(lái)輻射的能力 任何物體都是輻射源 人工輻射源：主動(dòng)式遙感的輻射源。 人工輻射源 雷達(dá)探測(cè):分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。 微波輻射源：0.8-30cm 激光輻射源：

10、激光雷達(dá)測(cè)定衛(wèi)星的位置、高 度、速度、測(cè)量地形等。 自然輻射源 太陽(yáng)輻射： 太陽(yáng)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(lái)模擬； 的黑體輻射來(lái)模擬； 射源；常用 其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中-短 其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中 短 波輻射。大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、 波輻射。大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反 射和散射。 射和散射。 地球的電磁輻射：小于3 地球的電磁輻射：小于 m的波長(zhǎng)主要 的波長(zhǎng)主要 是太陽(yáng)輻射的能量；大于6 的波長(zhǎng)， 是太陽(yáng)輻射的能量；大于 m的波長(zhǎng)， 的波長(zhǎng) 主要是地物本身的熱輻射； 之間， 主要是地物本身的熱輻射；3-6 m之間， 之間

11、太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。 太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。 b.輻射測(cè)量 輻射測(cè)量 輻射能量 (W): 電磁輻射的能量 (J) 輻射通量() :單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的 輻射通量 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的 輻射能量 (W) 輻射通量密度 (E): 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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 (W/sr.m2) 通量 朗伯源: L 與 無(wú)關(guān) 的輻射源 (絕對(duì)黑體) 絕對(duì) 4.黑體輻射 黑體輻射

12、 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)； 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物 的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。 的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。 黑體：在任何溫度下， 黑體：在任何溫度下，對(duì)各種波長(zhǎng)的 輻射的吸收系數(shù)等于1（ 電磁 輻射的吸收系數(shù)等于 （100%）的物 ） 體。 人工黑體 人工黑體 黑體輻射(Black Body Radiation )： 黑體輻射 ： 黑體的熱輻射稱為黑體輻射。 黑體的熱輻射稱為黑體輻射。 (自然界沒有真正的黑體 自然界沒有真正的黑體) 自然界沒有真正的黑體 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(guān)系以及按

13、波長(zhǎng)分布的規(guī)律。 -波長(zhǎng) c真空中光速 T絕對(duì)溫度 h普朗克常數(shù) 波長(zhǎng) 真空中光速 絕對(duì)溫度 普朗克常數(shù) k波爾茲曼常數(shù) 1.38×10-23J/k 波爾茲曼常數(shù) × Power Source: Blackbody Radiation Plancks Law: The amount and spectrum of radiation emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperature Max Planck (1858 1947) Nobel Prize 1918 620 K 380 K Emiss

14、ion from warm bodies peak at short wavelengths wavelength 圖示普朗克公式 變化特點(diǎn)： 變化特點(diǎn)： (1) 輻射通量密度 隨波長(zhǎng)連續(xù)變化， 隨波長(zhǎng)連續(xù)變化， 只有一個(gè)最大值； 只有一個(gè)最大值； (2) 溫度越高，輻 溫度越高， 射通量密度越大， 射通量密度越大， 不同溫度的曲線 不相交； 不相交； (3) 隨溫度升高， 隨溫度升高， 輻射最大值向短 波方向移動(dòng)。 波方向移動(dòng)。 (2)玻耳茲曼定律 Stefan-Boltzmann's law 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，

15、就會(huì)引起輻射通量密度 很大的變化。是紅外裝置測(cè)定溫度的理論 基礎(chǔ)。 2hc2 1 W0 = ? d = T 4 5 ech / kT ?1 0 =5.67×10-8W/m2k4 (斯忒藩 波爾茲曼常數(shù) × 斯忒藩-波爾茲曼常數(shù) 斯忒藩 波爾茲曼常數(shù)) (3)維恩位移定律：Wien's displacement law (3)維恩位移定律 隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的 峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。 max ?T = b 溫度 波長(zhǎng) 300 9.66 500 5.80 1000 2.90 2000 1.45 3000 0.97 b=2.8978×10-3mk

16、× 4000 0.72 5000 0.58 6000 0.48 7000 0.41 高溫物體發(fā)射較短的電磁波,低溫物體發(fā)射較長(zhǎng)的電磁波 常 高溫物體發(fā)射較短的電磁波 低溫物體發(fā)射較長(zhǎng)的電磁波.常 低溫物體發(fā)射較長(zhǎng)的電磁波 如人體300K左右 發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng) 9.66m ) 左右,發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng) 溫（如人體 左右 5.實(shí)際物體的輻射 實(shí)際物體的輻射 對(duì)于一般物體而言， 熱輻射率、 熱輻射率 比輻射率)， 對(duì)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(lǐng)。 表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。 M ( , T ) ( , T ) = Mb ( , T ) 非黑體

17、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、 發(fā)射率與地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、 熱慣量）、波長(zhǎng)等有關(guān)：比熱大、熱慣量大， ）、波長(zhǎng)等有關(guān) 熱慣量）、波長(zhǎng)等有關(guān)：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 以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大， 之發(fā)射率就小。 之發(fā)射率就小。 按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為： 黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。 灰體(grey body)：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(zhǎng)而 變化。 基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面 ： 積上的輻射通量W和吸收率之比，對(duì)于

18、任 何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下 同面積黑體輻射通量W 黑。 W =W 黑 W = W 黑 = 4 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(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物 微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量的明顯變化。這 種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。 W = T 6、黑體的微波輻射 1) 2) 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(shù)上 可以經(jīng)過(guò)處理來(lái)接收。 二、太陽(yáng)輻射及大氣影響 太陽(yáng)

19、是最大的天然輻射源 1.73×1017J/s × 送到地球的能量約為 1.太陽(yáng)常數(shù) 地球大氣層頂端 日地平均距離 一個(gè)天文 太陽(yáng)常數(shù) 日地平均距離(一個(gè)天文 單位 單位 1.495985×1011m)處垂直于太陽(yáng)射線的單位面 × 處垂直于太陽(yáng)射線的單位面 積上在單位時(shí)間內(nèi)接收到的太陽(yáng)輻射能量 I=1.360×103 W/m2 2.太陽(yáng)光譜 連續(xù)光譜 夫朗和費(fèi)吸收線 (暗線 太陽(yáng)光譜 暗線) 暗線 69種元素 種元素輻射特性基本類似于黑體 等效黑體溫度 5762°K ° Solar Spectrum = Shortwave s

20、pectrum =visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.48 m 太陽(yáng)能量99%集中在波長(zhǎng) 0.24m, 可見光部分占 集中在波長(zhǎng) 太陽(yáng)能量 43% 最大能量在 0.48m. 3.由于大氣影響 大氣頂層與地面處輻照度曲線有很大 由于大氣影響,大氣頂層與地面處輻照度曲線有很大 由于大氣影響 不同.(衰減 吸收 不同 衰減 吸收 散射 反射 ) 另外真實(shí)輻照度與太陽(yáng)高度角也有關(guān)系 天頂角 太陽(yáng)高度角 太陽(yáng)高度角 I = I cos*D-2 4.大氣效應(yīng) 大氣效應(yīng) a.地球大氣 分層: 分層 對(duì)流 平流 電離 外大 氣層 成份: 成份

21、不變成份 N2 O2 Ar CO2 CH4 NO H2 He (80km以 以 下相對(duì)比例不變 可變成份 O3 H2O 塵 埃 鹽粒 氣溶膠等 霧霾較大 霧霾較小 部分霧霾 嚴(yán)重霧霾 b.大氣傳輸特性 大氣傳輸特性 衰減電磁波 (吸收 散射為主 ) 吸收 就可見光和近紅外而言，約占 ， 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 其次為散射的作用，約占 ，占第三位 是吸收，約占17，這樣， ，這樣 是吸收，約占 ，這樣，透過(guò)大氣到達(dá) 地面的能量?jī)H占入射總能量的31 地面的能量?jī)H占入射總能量的 大氣的透射率：透射率與路程、 大氣的透射率：透射率與路程、大氣 的吸收

22、、散射有關(guān)。 的吸收、散射有關(guān)。 c.大氣的吸收作用 大氣的吸收作用 某些大氣成份對(duì)電磁波有吸收作用(轉(zhuǎn)變?yōu)?某些大氣成份對(duì)電磁波有吸收作用 轉(zhuǎn)變?yōu)?自身分子內(nèi)能 ) 氧氣：小于0.2 m；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(qiáng)。兩個(gè)吸收帶；對(duì)航空 遙感影響不大。 水：吸收太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)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(duì)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?略不計(jì)。 d.大氣散射 大氣散射 其實(shí)質(zhì)是電磁波在傳輸中遇到各種微粒產(chǎn) 與波長(zhǎng)有關(guān)) 生的衍射現(xiàn)象 (與波長(zhǎng)有關(guān)) 影

23、響: 降低原入射方向的強(qiáng)度, 影響: 降低原入射方向的強(qiáng)度, 增加了漫 入射成份(增加了信號(hào)中的噪聲) 入射成份(增加了信號(hào)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。 據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。 大氣散射集中在太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的 可見光區(qū)。因此， 可見光區(qū)。因此，散射是太陽(yáng)輻射衰減 的主要原因。 的主要原因。 Scattering of EM energy by the atmosphere Relationship between path length of EM radiation and the level of atmospheric scatter 三種散射作用 實(shí)

24、際上分為 ?瑞利 (分子 散射 瑞利 分子 分子)散射 -4 小 散射強(qiáng) (a <<) 小 1 ?米氏散射 氣溶膠引起 -2 對(duì)紅外影響大 (a=) 米氏散射(氣溶膠引起 米氏散射 氣溶膠引起) ?非選擇性散射 非選擇性散射 (a>) 1. 瑞利散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)小得多時(shí)， 此時(shí)的散射稱為瑞利散射。 散射率與波長(zhǎng)的四次方成反比，因此，瑞利散 射的強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變短而迅速增大。紫外線是 紅光散射的30倍，0.4微米的藍(lán)光是4微米紅外 線散射的1萬(wàn)倍。 瑞利散射對(duì)可見光的影響較大，對(duì)紅外輻射的 影響很小，對(duì)微波的影響可以不計(jì)。 多波段中不使用藍(lán)紫光的原因： 顏色 紅 橙黃

25、 黃 綠 青蘭 紫 紫外線 波長(zhǎng) 0.7 0.62 0.57 1.6 2.2 0.53 3.3 0.47 4.9 0.4 0.3 5.4 30.0 散射率 1 無(wú)云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？ 朝霞和夕陽(yáng)為什么都偏橘紅色？ 2. 米氏散射：當(dāng)微粒的直徑與輻射波長(zhǎng)差 不多時(shí)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(zhǎng)接 近，所以云霧對(duì)對(duì)紅外線的米氏散射 不可忽視。 3. 無(wú)選擇性散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng) 大得多時(shí)所發(fā)生的散射。符合無(wú)選擇性散 射條件的波段中，任何波段的散射強(qiáng)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

26、射特性 瑞利散射是造成圖像輻射畸變和模糊的 主要原因。 主要原因。 米氏散射可疊加在瑞利散射之上 大氣散射增強(qiáng)了地面的輻射和大氣層的 亮度” 降低了圖像的反差度。 “亮度”，降低了圖像的反差度。 結(jié)論 1. 太陽(yáng)輻射衰減的原因是什么？ 2. 在可見光和近紅外波段，大氣最主要的散 射作用是什么？ 3. 微波為什么具有極強(qiáng)的穿透云層的作用？ 4. 為什么在選擇遙感工作波段時(shí)，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 與大氣密度有關(guān)) 折射 傳播方向改變 直線成曲線 (與大氣密度有關(guān) 與大氣密度有關(guān) 反射:兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生反射 反射 兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生反射 云量多

27、少影 響反射情況 遙感中,通常把電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少 遙感中 通常把電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少 被反射、 吸收或散射的,透過(guò)率較高的波段稱為 透過(guò)率較高的波段稱為大氣窗 被反射 、 吸收或散射的 透過(guò)率較高的波段稱為 大氣窗 也即傳感器使用的觀測(cè)波段). 口(也即傳感器使用的觀測(cè)波段 也即傳感器使用的觀測(cè)波段 f.大氣窗口 要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。 大氣窗口解釋 1）0.31.3um： 包括全部可見光 可見光（95），部分紫外光 可見光 （70），部分近紅外光 近紅外光（80）。 近紅外光 攝影和掃描成像的方式在白天感測(cè)和記錄目標(biāo)電磁波輻 射信息。 2）1.52.5um：

28、 白天記錄 3）3.55.5um： 掃描成像記錄 4）814 um： 掃描記錄 近紅外窗口，6095，掃描成像， 中紅外窗口，6070，白天夜間， 遠(yuǎn)紅外窗口，超過(guò)80， 白天夜間， 5）1.4300mm： 微波窗口， 白天夜間，掃描記錄。 大氣窗口 Atmospheric windows. 不 同 波 段 所 成 的 影 像 三、地球輻射和地物波譜 相當(dāng)于300°K黑體輻射 ,峰值波長(zhǎng) 9.66m(屬遠(yuǎn)紅外輻 相當(dāng)于 ° 黑體輻射 峰值波長(zhǎng) 屬遠(yuǎn)紅外輻 射) 1.地球輻射 0.3-2.5m 反射太陽(yáng) 地球輻射 分段特性 2.5-6m > 6m 反射太陽(yáng)及自身熱輻射

29、自身熱輻射 太 陽(yáng) 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(lái)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(yáng)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(lái)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(zhǎng)決定： M=*M0, 基爾霍夫定律 紅外輻射計(jì)來(lái)探測(cè)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(zhǎng) 變化。曲線形態(tài)特殊時(shí)可以用發(fā)射率曲線來(lái)識(shí) 別地面物體。 幾

30、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(zhǎng)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(shù)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(zhǎng)電磁波能力的物體。 透射率（） ： 入射光透過(guò)物體的能量與入射總能量 之比。 舉例： 1）水體在藍(lán)綠波段，混水1-2米，一般水體10-20米。 2）微波對(duì)地物具有明顯的透射能力，由入射波的 波長(zhǎng)決定。 2.3 地物的反射光譜 電磁波與物體相互作用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)三種情 況：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。 Es() =

31、 E() + E() + E () () +() + () = 1 I 入射 A 吸收 R 反射 T 透射 反射率定義 反射能量占總?cè)肷淠芰恐?反射率定義:反射能量占總?cè)肷淠芰恐?定義 = (E/E)×100% (1) (實(shí)際由于物體固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 對(duì)不同波長(zhǎng) 實(shí)際由于物體固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)不同波長(zhǎng) 實(shí)際由于物體固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 的電磁波有選擇性的反射) 的電磁波有選擇性的反射 根據(jù)物體表面的粗糙 程度，反射分為： (a) 鏡面反射 (b) 漫反射（朗伯反射） (c) 有向反射 (d) 混合反射 反射分類圖示 1) 鏡面反射 2)漫反射(朗伯反射) 2)漫反射(朗伯反射) 漫反射： 漫反

32、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(lái)的能量在各個(gè)方向 是一致的。 即當(dāng)入射輻照度I一定時(shí)，從任何角度觀察反 射面，其反射輻照亮度是一個(gè)常數(shù)，這種反射面又 叫朗伯面. 航天遙感中，地球表面相對(duì)于遙感器的高度，近似視為 朗伯面。 3) 有向反射 有向反射比較復(fù)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)。 M ( Zi?i ) ( Zs, Zi, ?s, ?i ) = Es ( Zs?s ) 4) 混合反射 一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。 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(guān)，在航空遙感中具有重要意義。 地物的反射波譜與反射曲線

33、： 反射波譜是某物體的反射 率（或反射輻射能）隨波長(zhǎng)變 化的規(guī)律，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)， 反射率為縱坐標(biāo)所得的曲線。 地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律, 地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律 反映出不同波段的不同反射率. 反映出不同波段的不同反射率 ?物體的反射波譜限于紫外、可見 光和近紅外，尤其是后兩個(gè)波段。 地物波譜特性 ?不同地物有不同的反射波譜 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 同類地物的反射光譜是相似的 ?時(shí)間特性和空間特性 (不同季節(jié) 不同時(shí)間 不同地貌位 時(shí)間特性和空間特性 不同季節(jié) 置) 白橡樹不同生長(zhǎng)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(zhǎng)選擇，即

34、對(duì)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(duì)入射輻射的選擇性作用受物體的組成成 分、結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu) 是控制因素。 ?任何物體的反射性質(zhì)是揭示目標(biāo)本質(zhì)的 最有用信息。 最有用信息。 不同植被的反射光譜曲線 反射光譜特點(diǎn) 各種物體由于其結(jié)構(gòu)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(gè)特點(diǎn)的重要性是什么？ 這個(gè)特點(diǎn)的重要性是什么？ 這個(gè)特點(diǎn)的重要性是什么 地物波譜曲線的作用 不同地物在不同波段

35、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(chǔ)，廣泛地應(yīng)用于遙感影像的分析和評(píng)價(jià)中。 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(guò)測(cè)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(duì) 照，可以識(shí)別遙感影像中同類地物。 多光譜遙感、高光譜遙感 常見的幾種地物類型波譜特征 植被 土壤 水體 巖石 植物的光譜曲線 由于植物均進(jìn)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。 在可見光波段，健康的綠色植被的波譜 特性取決于葉子。 ?反射峰值在0.55 m，葉綠素對(duì)綠光反射 強(qiáng)烈，而對(duì)藍(lán)波段和紅波段強(qiáng)烈吸收。 0.45m，0. 67m葉綠素吸收藍(lán)區(qū)和紅

36、區(qū) 能量。 ?如果植物受到某種形式的抑制，葉綠素 含量下降，植物變黃色，植物衰老時(shí)變 黃色或者紅色。 在近紅外波段植物的光譜取決于葉片內(nèi)部的細(xì) 胞結(jié)構(gòu)。 ?在0.7m-1.3m葉子吸收能量少，反射率來(lái)自 植物葉子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成高反射。 ?由于葉子內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(cè)量植物的反射率來(lái)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(qiáng)烈吸收, 在1.45m，1.95m，2.7m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(zhǎng)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(zhǎng)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