第2章電磁輻射與地物光譜特征22

1、第第2 2章章 電磁輻射電磁輻射與地物光譜特征與地物光譜特征南京師范大學(xué)泰州學(xué)院信科系2第二節(jié)第二節(jié) 太陽輻射及大氣對輻射的影響太陽輻射及大氣對輻射的影響太陽輻射太陽輻射大氣的成分和結(jié)構(gòu)大氣的成分和結(jié)構(gòu)大氣對太陽輻射的影響大氣對太陽輻射的影響31 太陽輻射 太陽輻射是地球上生物、地球大氣運動的能源，也是被動太陽輻射是地球上生物、地球大氣運動的能源，也是被動式遙感系統(tǒng)中遙感器接收信息的主要來源式遙感系統(tǒng)中遙感器接收信息的主要來源是可見光和近紅外遙感的主要輻射源是可見光和近紅外遙感的主要輻射源（1 1）太陽常數(shù)太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距離太陽一個天文單：指不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位內(nèi)

2、，垂直于太陽光輻射的方向上，單位面積單位時間位內(nèi)，垂直于太陽光輻射的方向上，單位面積單位時間黑體所接收的太陽輻射能量：黑體所接收的太陽輻射能量： I=1.360*103 W/m2 太陽常數(shù)可以認(rèn)為是大氣頂端接收的太陽能量太陽常數(shù)可以認(rèn)為是大氣頂端接收的太陽能量41 太陽輻射（2 2）太陽輻射的光譜）太陽輻射的光譜5太陽輻射各波段的百分比6從太陽輻照度分布曲線可以看出：從太陽輻照度分布曲線可以看出：太陽輻射的光譜是連續(xù)的它的輻射特性與絕對黑體的輻射特性基本一致 從近紫外到中紅外（0.3-6m）這一波段區(qū)間能量最集中而且相對來說較穩(wěn)定；被動遙感主要利用可見光、紅外等穩(wěn)定輻射 大氣對太陽輻射的吸收是

3、有選擇性的72 大氣的成分和結(jié)構(gòu)大氣成分大氣成分大氣的傳輸特性：大氣對電磁波的吸收、散射和透射的特性。這種特性與波長和大氣的成分有關(guān)大氣的成分：多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微?；旌辖M成，大氣成分主要有 氮、氧、氬、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氫（這些氣體在80km以下的相對比例保持不變，稱不變成分不變成分） 臭氧、水蒸氣、液態(tài)和固態(tài)水（雨、霧、雪、冰等）、鹽粒、塵煙（這些成分的含量隨高度、溫度、位置而變，稱為可變成可變成分分）等大氣物質(zhì)與太陽輻射相互作用，是太陽輻射衰減的重要原因大氣物質(zhì)與太陽輻射相互作用，是太陽輻射衰減的重要原因8大氣結(jié)構(gòu)大氣結(jié)構(gòu)地球大氣層包圍著地球，大氣層沒有一個確切的界限，

4、地球大氣層包圍著地球，大氣層沒有一個確切的界限，它的厚度一般取它的厚度一般取1000公里公里大氣在垂直方向上可分為：大氣在垂直方向上可分為： 對流層對流層 平流層平流層 電離層電離層 大氣外層大氣外層9大氣垂直分層103 大氣對太陽輻射的影響 太陽輻射的衰減過程太陽輻射的衰減過程：30%30%被云層反射回；被云層反射回；17%17%被大氣被大氣吸收；吸收；22%22%被大氣散射；被大氣散射；31%31%到達(dá)地面到達(dá)地面113 大氣對太陽輻射的影響大氣吸收大氣吸收大氣散射大氣散射大氣折射大氣折射大氣反射大氣反射大氣窗口大氣窗口12大氣組分的吸收光譜大氣吸收 13大氣吸收 O O3 3：主要集中于

5、：主要集中于2030km2030km高度的平流層高度的平流層 它是由高能的紫外輻射與大氣中的氧分子它是由高能的紫外輻射與大氣中的氧分子(0(02 2) )相互作用生成的相互作用生成的 O O3 3對太陽輻射的吸收帶：對太陽輻射的吸收帶：O3在紫外(0.220.32 m)有個很強(qiáng)的吸收帶在0.6m附近有一寬的弱吸收帶在遠(yuǎn)紅外9.6 m附近也有個強(qiáng)吸收帶14 C0C02 2：主要分布于低層大氣，其在大氣中的含量僅占：主要分布于低層大氣，其在大氣中的含量僅占0.030.03左右，左右，人類的活動使之含量有所增加人類的活動使之含量有所增加 C0C02 2在中在中遠(yuǎn)紅外區(qū)段遠(yuǎn)紅外區(qū)段(2.8(2.8、4

6、.34.3、14.514.5 m m附近附近) )均有強(qiáng)吸收帶均有強(qiáng)吸收帶 其中最強(qiáng)的吸收帶出現(xiàn)在其中最強(qiáng)的吸收帶出現(xiàn)在13-17.5 13-17.5 m m的遠(yuǎn)紅外段的遠(yuǎn)紅外段 15 H H2 20 0：這里不包括固態(tài)水中的水滴。水汽一般出現(xiàn)在低空。它的含：這里不包括固態(tài)水中的水滴。水汽一般出現(xiàn)在低空。它的含量隨時間、地點的變化很大量隨時間、地點的變化很大( (約從約從0.13%)0.13%)，而且水汽的吸收輻，而且水汽的吸收輻射是所有其它大氣組分的吸收輻射的幾倍射是所有其它大氣組分的吸收輻射的幾倍 水的吸收帶：水的吸收帶：兩個寬的強(qiáng)吸收帶:2.53.0um和57um兩個窄的強(qiáng)吸收帶：波長為

7、1.38um、1.86um一個弱的窄吸收帶：0.71.23um16大氣散射 大氣對輻射的影響示意圖大氣對輻射的影響示意圖 進(jìn)入傳感器的輻射：進(jìn)入傳感器的輻射：入射光經(jīng)地物反射漫入射光經(jīng)地物反射相當(dāng)部分的散射光通過大氣直接進(jìn)入傳感器（程輻射）17散射概念：散射概念：太陽輻射在長波過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開散射對輻射的影響：散射對輻射的影響：改變了電磁波的傳播方向干擾傳感器的接收，增加了信號中的噪聲降低了遙感圖像的清晰度和對比度，影響判讀散射的種類：散射的種類：瑞利散射米氏散射無選擇性散射大氣散射 18條件：大氣中粒子直徑比波長小很多大氣中粒子直徑比波長小很多原因：由大氣中

8、原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等由大氣中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起引起大氣散射瑞利散射19 特點：特點：散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比，即 I-4瑞利散射的強(qiáng)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(lán)光是4微米紅外線散射的1萬倍對可見光的影響很大，對紅外輻射影響很小，對微波影響可以不計多波段中不使用藍(lán)紫光的原因多波段中不使用藍(lán)紫光的原因圖 瑞利散射與波長的關(guān)系20解釋自然現(xiàn)象：晴朗的天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？晴朗的天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？21大氣散射米氏散射 條件：粒子直徑與輻射的波長相當(dāng)粒子直徑

9、與輻射的波長相當(dāng) 原因：大氣中的微粒如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起大氣中的微粒如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起 特點：散射強(qiáng)度與波長的二次方成反比，散射強(qiáng)度與波長的二次方成反比， 即即I-2且散射光的向前方向比向后方向的散射強(qiáng)度更強(qiáng)，方向性較明顯且散射光的向前方向比向后方向的散射強(qiáng)度更強(qiáng)，方向性較明顯 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的米氏散射不可忽視22大氣散射無選擇性散射條件：發(fā)生在大氣粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生在大氣粒子的直徑比波長大得多時原因：水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散射

10、特點：散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，任何波長的散射強(qiáng)度相同散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，任何波長的散射強(qiáng)度相同云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？23三種散射作用的總結(jié)三種散射作用的總結(jié)對于不同的波段，起主要作用的散射類型不同： 可見光波段可見光波段瑞利散射瑞利散射 紅外波段紅外波段米氏散射米氏散射 微波波段微波波段瑞利散射瑞利散射不同天氣情況，起主要作用的散射類型不同： 晴天晴天瑞利散射為主瑞利散射為主 陰雨陰雨米氏散射為主米氏散射為主 沙塵波、火山爆發(fā)沙塵波、火山爆發(fā)無選擇性散射為主無選擇性散射為主微波為什么具有極強(qiáng)的穿透云層的作用？微波為什么具有極強(qiáng)的穿透云層的作用？24 散射對遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憳O大散射對遙感數(shù)據(jù)傳輸

11、的影響極大 大氣散射降低了太陽光直射的強(qiáng)度，改變了太陽輻射的方向，削弱大氣散射降低了太陽光直射的強(qiáng)度，改變了太陽輻射的方向，削弱了到達(dá)地面或地面向外的輻射，產(chǎn)生了天空散射光，增強(qiáng)了地面的了到達(dá)地面或地面向外的輻射，產(chǎn)生了天空散射光，增強(qiáng)了地面的輻照和大氣層本身的輻照和大氣層本身的“亮度亮度” 它是它是造成遙感圖像輻射畸變、圖像模糊造成遙感圖像輻射畸變、圖像模糊的主要原因。散射使地面陰的主要原因。散射使地面陰影呈現(xiàn)暗色而不是黑色，使人們有可能在陰影處得到物體部分信息影呈現(xiàn)暗色而不是黑色，使人們有可能在陰影處得到物體部分信息 散射使暗色物體表現(xiàn)得比它自身的要亮，使亮物體表現(xiàn)得比它自身散射使暗色物體

12、表現(xiàn)得比它自身的要亮，使亮物體表現(xiàn)得比它自身的要暗。因此，它降低了遙感影像的反差的要暗。因此，它降低了遙感影像的反差( (對比度對比度) )，降低了圖像的，降低了圖像的質(zhì)量質(zhì)量( (清晰度清晰度) )以及圖像上空間信息的詳度以及圖像上空間信息的詳度散射對遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?5大氣折射 折射：電磁波穿過大氣層時，還出現(xiàn)傳播方向的改變，即發(fā)生折射折射：電磁波穿過大氣層時，還出現(xiàn)傳播方向的改變，即發(fā)生折射 大氣密度越小折射率越小，離地面越高空氣密度越小，折射率也越小大氣密度越小折射率越小，離地面越高空氣密度越小，折射率也越小 改變了太陽輻射的方向，并不改變太陽輻射強(qiáng)度改變了太陽輻射的方向，并不改變太

13、陽輻射強(qiáng)度26大氣反射 反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部 削弱了到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度，波段不同受影響的程度不同削弱了到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度，波段不同受影響的程度不同 應(yīng)盡量選擇無云的天氣接收遙感信號應(yīng)盡量選擇無云的天氣接收遙感信號27大氣窗口 大氣窗口大氣窗口：通過大氣而較少被反射、吸收或散射的透射率較通過大氣而較少被反射、吸收或散射的透射率較高的電磁輻射波段高的電磁輻射波段 大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)太陽輻射經(jīng)過大氣傳輸后，主要是太陽輻射經(jīng)過大氣傳輸后，主要是反射、吸收和散射反射、吸收和散射的共同的共同影響衰減了輻射強(qiáng)度，剩

14、余部分即為影響衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分即為透過透過部分部分遙感傳感器只能選擇遙感傳感器只能選擇透過率較高的波段透過率較高的波段才有意義才有意義 常見的大氣窗口常見的大氣窗口：28主要的大氣窗口光譜段：主要的大氣窗口光譜段：29 紫外、可見光、近紅外波段：屬于地物的屬于地物的反射光譜反射光譜這個窗口對電磁波的透射率達(dá)這個窗口對電磁波的透射率達(dá)90%以上以上日照條件好的情況下，可采用日照條件好的情況下，可采用攝影方式攝影方式成像，也可以用成像，也可以用掃描方式掃描方式成像成像目前膠卷感光條件最好的是在目前膠卷感光條件最好的是在0.32 1.3m范圍，超出這個范范圍，超出這個范圍則不能采用攝影方式的

15、傳感器圍則不能采用攝影方式的傳感器30 近、中紅外波段：屬于地物屬于地物反射光譜反射光譜，但不能用膠片攝影，僅能用，但不能用膠片攝影，僅能用光譜儀和掃描儀光譜儀和掃描儀來記錄地物的電磁波信息來記錄地物的電磁波信息透射率近透射率近80%目前近紅外窗口應(yīng)用不多，一般僅應(yīng)用于遙感地質(zhì)制圖方面目前近紅外窗口應(yīng)用不多，一般僅應(yīng)用于遙感地質(zhì)制圖方面例如，陸地衛(wèi)星例如，陸地衛(wèi)星4、5號的專題制圖儀就設(shè)置有號的專題制圖儀就設(shè)置有1.55 1.75m和和2.08 2.35m兩個波段兩個波段31 中紅外波段：通過這個窗口的可以是地物通過這個窗口的可以是地物反射光譜反射光譜，也可以是地物，也可以是地物發(fā)射光譜發(fā)射光

16、譜，屬于屬于混合光譜范圍混合光譜范圍中紅外窗口應(yīng)用很少，目前只能用中紅外窗口應(yīng)用很少，目前只能用掃描方式掃描方式 遠(yuǎn)紅外波段：是是熱輻射光譜熱輻射光譜在這個波段范圍內(nèi)由于臭氧、水汽及二氧化碳的影響，使窗口的在這個波段范圍內(nèi)由于臭氧、水汽及二氧化碳的影響，使窗口的透射率約為透射率約為6070%由于這個窗口是地物在常溫下熱輻射能量最集中的波段，所以對由于這個窗口是地物在常溫下熱輻射能量最集中的波段，所以對遙感地質(zhì)有用遙感地質(zhì)有用目前主要是利用目前主要是利用掃描儀和熱輻射計掃描儀和熱輻射計來獲得地物發(fā)射的電磁波信息來獲得地物發(fā)射的電磁波信息32 微波波段：屬于屬于發(fā)射光譜范圍發(fā)射光譜范圍這個窗口不受

17、大氣干擾，完全透明，這個窗口不受大氣干擾，完全透明，透射率可達(dá)透射率可達(dá)100%全天候全天候的遙感波段，而且是的遙感波段，而且是主動主動遙感方式，如側(cè)視雷達(dá)遙感方式，如側(cè)視雷達(dá)33第三節(jié)第三節(jié) 地球的輻射與地物波譜地球的輻射與地物波譜 地球輻射地球輻射 地物反射率地物反射率 地物反射波譜特征地物反射波譜特征 幾種典型地物的反射波譜特征幾種典型地物的反射波譜特征植被 水體土壤巖石 地物波譜特性的測量地物波譜特性的測量 341 地球輻射 太陽輻射近似于溫度為6000K的黑體輻射，最大輻射對應(yīng)波長為為0.48m 地球輻射近似于溫度為300K的黑體輻射，最大輻射對應(yīng)波長為9.66 m波段名稱波段名稱可

18、見光與近紅外可見光與近紅外中紅外中紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外波長波長0.32.5 m2.56 m6 m輻射特性輻射特性地表反射太陽輻地表反射太陽輻射為主射為主地表反射太陽輻射地表反射太陽輻射和自身的熱輻射和自身的熱輻射地表物體自身熱地表物體自身熱輻射為主輻射為主地球輻射的分段特性352 地物反射率 反射率：地物對地物對某一波長某一波長電磁波的電磁波的反射能量與入射能量反射能量與入射能量之之 比。反射率隨比。反射率隨入射波長而變化入射波長而變化反射率取決于物體本身的性質(zhì)（表面狀況）、電磁波的波長、入射角度等%1000PP362 地物反射率反射類型 鏡面全反射鏡面全反射朗伯體（均勻）的漫反射：朗伯體（均勻）

19、的漫反射： 物體向各個方向都有反射，且各個方向反射率相等物體向各個方向都有反射，且各個方向反射率相等粗糙表面的方向反射粗糙表面的方向反射 373 地物反射波譜地物反射波譜曲線反射波譜曲線： 針對某一地物，以波長為橫坐標(biāo)，反射率（百分?jǐn)?shù)）為縱坐針對某一地物，以波長為橫坐標(biāo)，反射率（百分?jǐn)?shù)）為縱坐標(biāo)，將所有波長上的反射率繪制成曲線，就產(chǎn)生了地物反射標(biāo)，將所有波長上的反射率繪制成曲線，就產(chǎn)生了地物反射波譜曲線波譜曲線測量方法：測量方法： 室內(nèi)分光光度計室內(nèi)分光光度計 室外光譜輻射計室外光譜輻射計 38地物地物反射波譜特征反射波譜特征不同地物不同地物在在相同波段相同波段反射率存在差別反射率存在差別 同

20、一地物同一地物對對不同入射波長不同入射波長的電磁波反射能力不同的電磁波反射能力不同同類地物反射率同類地物反射率隨入射波長變化的隨入射波長變化的規(guī)律是相似的規(guī)律是相似的，即反射，即反射光譜相似，但是隨著該地物的內(nèi)在差異而有所變化光譜相似，但是隨著該地物的內(nèi)在差異而有所變化 因而可以根據(jù)傳感器收到的電磁波光譜特征的差異來識別因而可以根據(jù)傳感器收到的電磁波光譜特征的差異來識別不同的地物不同的地物 39同類地物同類地物反射光譜相似，但是隨著反射光譜相似，但是隨著該地物的內(nèi)在差異而有所變化該地物的內(nèi)在差異而有所變化404 幾種典型地物的反射波譜特征綠色植被的反射波譜曲線綠色植被的反射波譜曲線41綠色植被

21、的反射波譜特征：綠色植被的反射波譜特征：可見光（可見光（0.4-0.76m0.4-0.76m）綠光處有一小反射峰綠光處有一小反射峰，兩側(cè)，兩側(cè)0.45m 0.45m 藍(lán)藍(lán)和和0.67m0.67m紅是兩個吸收帶，所以葉片呈現(xiàn)綠色紅是兩個吸收帶，所以葉片呈現(xiàn)綠色 進(jìn)入近紅外波段（進(jìn)入近紅外波段（0.7-0.8m0.7-0.8m）紅外反射率急劇上升，在）紅外反射率急劇上升，在 0.80.8微微米達(dá)到頂峰，這區(qū)間反射率曲線很陡峻，幾乎為近垂直的直線米達(dá)到頂峰，這區(qū)間反射率曲線很陡峻，幾乎為近垂直的直線（植被（植被紅外陡坡效應(yīng)紅外陡坡效應(yīng)），是植被獨有的特征），是植被獨有的特征 到達(dá)頂峰后植被反射率變化

22、平緩，形成略有起伏的高平臺到達(dá)頂峰后植被反射率變化平緩，形成略有起伏的高平臺 （紅紅外平臺外平臺） 在中紅外波段（在中紅外波段（1.3-2.5m1.3-2.5m）受到含水量的影響，以）受到含水量的影響，以1.45m1.45m、1.95m1.95m、2.7m2.7m為中心是為中心是水的吸收帶水的吸收帶，形成低谷，形成低谷 42綠色植被在遙感影像上的特征：綠色植被在遙感影像上的特征：由于葉綠素的影響，綠色植被對藍(lán)光、紅光吸收強(qiáng)，對綠由于葉綠素的影響，綠色植被對藍(lán)光、紅光吸收強(qiáng)，對綠光反射作用強(qiáng)，所以可見光下，人眼看到了綠色的植被，光反射作用強(qiáng)，所以可見光下，人眼看到了綠色的植被，可見光影像上也通常

23、表示為綠色可見光影像上也通常表示為綠色 到了近紅外光部分，反射率非常強(qiáng)，所以在到了近紅外光部分，反射率非常強(qiáng)，所以在近紅外波段的近紅外波段的遙感影像上植被的色調(diào)較亮遙感影像上植被的色調(diào)較亮，通常表示為紅色，通常表示為紅色43 植被葉片中葉綠素和水分含量的變化，導(dǎo)致了植被在各波長上植被葉片中葉綠素和水分含量的變化，導(dǎo)致了植被在各波長上反射率的變化，在遙感影像上產(chǎn)生了差異反射率的變化，在遙感影像上產(chǎn)生了差異 植被在近紅外波段反射率的變化，受到葉綠素含量的影響很大，植被在近紅外波段反射率的變化，受到葉綠素含量的影響很大，葉綠素越多，植被對近紅外的反射越大；植被物候變化、或生葉綠素越多，植被對近紅外的

24、反射越大；植被物候變化、或生病時，葉綠素減少，對近紅外的反射降低病時，葉綠素減少，對近紅外的反射降低 因此可以通過遙感影像上植被色調(diào)的差異來判斷植被的長勢、因此可以通過遙感影像上植被色調(diào)的差異來判斷植被的長勢、健康、類型等健康、類型等 不同植被雖具有共同的光譜特征，在實際光譜曲線值上有差異不同植被雖具有共同的光譜特征，在實際光譜曲線值上有差異4445464748水體的反射波譜水體的反射波譜水體反射：水體反射： 水面的反射水面的反射+水底的反射水底的反射+水中物質(zhì)反射水中物質(zhì)反射清水反射：清水反射： 反射主要在反射主要在藍(lán)綠光波段藍(lán)綠光波段，其他波段吸收或透射都很強(qiáng)，在近，其他波段吸收或透射都很強(qiáng)，在近紅外波段吸收尤其強(qiáng)烈紅外波段吸收尤其強(qiáng)烈 總體變化趨勢：反射率從總體變化趨勢：反