第二章 電磁輻射及地物光譜特征

1、第 二章電磁輻射與地物光譜特征（遙感的物理基礎(chǔ)） 遙感之所以能夠根據(jù)收集到的電磁波來判斷地物目標(biāo)和自然現(xiàn)象，是因為一切物體，由于其種類、特征和環(huán)境條件的不同，而具有完全不同的電磁波的反射或發(fā)射輻射特征。因此遙感技術(shù)主要是建立在物體反射或發(fā)射電磁波的原理之上的。要深入學(xué)習(xí)遙感技術(shù)，首先要學(xué)習(xí)和掌握電磁波以及電磁波譜的性質(zhì)。遙感物理基礎(chǔ)1 電磁波和電磁波譜2 電磁波輻射源3 太陽輻射和大氣對太陽輻射的作用4 地球輻射與地物波譜特征1 電磁波和電磁波譜1.1 電磁波1.1.1電磁波的概念及函數(shù)關(guān)系式波：是振動在空間的傳播。如聲波、水波、地震波、電磁波。 機械波：振動的是彈性媒質(zhì)中質(zhì)點的位移矢量。如聲

2、波、地震波電磁波： 根據(jù)麥克斯韋電磁場假設(shè)理論，變化的電場能夠在它周圍引起變化的磁場，這一變化的磁場又在鉸遠的區(qū)域內(nèi)引起新的變化電場，并在更遠的區(qū)域內(nèi)引起新的變化磁場。這種變化的電場和磁場交互產(chǎn)生，以有限的速度由近及遠在空間內(nèi)傳播的過程稱為電磁波。我們平常所聽到的射線、x射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波等都是電磁波。這一理論由1889年赫茲用電磁振蕩的方法產(chǎn)生了電磁波而得到證實。H 磁場矢量磁場矢量E 電場矢量電場矢量電磁波的函數(shù)曲線電磁波的函數(shù)式)sin(kxtA振幅 角頻率 時間變量時空周期性函數(shù)： 1）時間周期：周期(T)或者頻率()， T=1 2）空間周期性：波長()或者波

3、數(shù)（N）， N=1 圓波數(shù) 空間變量 初位相2N=2/2 v=2/T1 1） 不需要傳播介質(zhì)不需要傳播介質(zhì) 2 2） 橫橫 波：波：質(zhì)點振動方向與傳播方向垂直質(zhì)點振動方向與傳播方向垂直3 3） 粒子性粒子性 4 4） 波動性：產(chǎn)生了電磁波的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。波動性：產(chǎn)生了電磁波的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。5 5） 疊加原理疊加原理 6 6） 相干性和非相干性（相干性和非相干性（4 4個條件）個條件） 7） 衍射和偏振衍射和偏振 （遙感器的幾何圖象分辨率，波長越（遙感器的幾何圖象分辨率，波長越 長，偏振現(xiàn)象越顯著，偏振攝影和雷達成像）長，偏振現(xiàn)象越顯著，偏振攝影和雷達成像）8 8）多譜勒效應(yīng)

4、）多譜勒效應(yīng) （合成孔徑側(cè)視雷達）（合成孔徑側(cè)視雷達） 1.1.2 電磁波的特點和遙感意義/hchvE/hP 動量：P能量：Eh : 普朗克常數(shù)，6.62607551034 J sc : 光速； v : 頻率 能量和動量是粒子屬性，頻率和波長是波動屬性?？梢姽猓t外線；微波和無線電波；紫外線和X射線射線。電磁波的波粒二象性返回返回電磁波的疊加原理p當(dāng)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。p任何復(fù)雜的電磁波都可以分解成許多比較簡單的電磁波；p比較簡單的電磁波也可以合成為復(fù)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 ）返回返回 由兩個(或兩個

5、以上)頻率、振動方向相同，相位相同或相位差恒定的電磁波在空間疊加時，合成波振幅為各個波的振幅的矢量和，因此會出現(xiàn)交疊區(qū)某些地方振動加強、某些地方振動減弱或完全抵消的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為干涉。 電磁波的干涉 一般地，凡是單色波都是相干波。取得時間和空間相干波對于利用干涉進行距離測量是相當(dāng)重要的。激光就是相干波，它是光波測距儀的理想光源。微波遙感中的雷達也是應(yīng)用了干涉原理成像的其影像上會出現(xiàn)顆粒狀或斑點狀的特征、這是一般非相干的可見光影像所沒有的，對微波遙感的判瀆意義重大。返回返回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地后面?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

6、波的衍射。電磁波的衍射 研究電磁波的衍射現(xiàn)象對設(shè)計遙感儀研究電磁波的衍射現(xiàn)象對設(shè)計遙感儀器和提高遙感圖像幾何分辨率具有重要的器和提高遙感圖像幾何分辨率具有重要的意義，要盡量避免衍射現(xiàn)象的發(fā)生。另外，意義，要盡量避免衍射現(xiàn)象的發(fā)生。另外，在數(shù)字影像的處理中也要考慮光的衍射現(xiàn)在數(shù)字影像的處理中也要考慮光的衍射現(xiàn)象。象。衍射現(xiàn)象的遙感意義衍射現(xiàn)象的遙感意義電磁波的偏振電磁波遇到“狹縫”的障礙物時，能夠通過狹縫的振動分量，稱為電磁波的偏振。 電磁波有偏振、非偏振、部分偏振波，許多散射光、反射光、透射光都是部分偏振。 偏振在微波技術(shù)中稱為偏振在微波技術(shù)中稱為“極化極化”，遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達成像，

7、遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達成像就利用了電磁波的偏振這一特性。電磁波是橫波，它具有偏振性。許多就利用了電磁波的偏振這一特性。電磁波是橫波，它具有偏振性。許多散射光，反射光，透射光都是部分偏振光。偏振在微波技術(shù)中稱為散射光，反射光，透射光都是部分偏振光。偏振在微波技術(shù)中稱為“極極化化”。遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達成像就用到這一特征。遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達成像就用到這一特征。 例：雷達波發(fā)射后，遇目標(biāo)平面而反射，其極化（偏振）狀況在反射時例：雷達波發(fā)射后，遇目標(biāo)平面而反射，其極化（偏振）狀況在反射時會發(fā)生改變，根據(jù)傳感器發(fā)射和接受的反射波的極化狀況，可以得到不會發(fā)生改變，根據(jù)傳感器發(fā)射和接受的反

8、射波的極化狀況，可以得到不同的極化圖像。同一種地物在不同極化圖像中往往表現(xiàn)出不同的亮度，同的極化圖像。同一種地物在不同極化圖像中往往表現(xiàn)出不同的亮度，不同地物也會表現(xiàn)出不同對比度，利用不同的極化特征圖像有可能解譯不同地物也會表現(xiàn)出不同對比度，利用不同的極化特征圖像有可能解譯出更多信息。出更多信息。返回返回電磁波的多普勒效應(yīng)電磁波的多普勒效應(yīng) 1842 1842年，奧地利物理年，奧地利物理學(xué)家多普勒研究聲波時發(fā)學(xué)家多普勒研究聲波時發(fā)現(xiàn)，聲波頻率在聲源移向現(xiàn)，聲波頻率在聲源移向觀察者時變高，而在聲源觀察者時變高，而在聲源遠離觀察者時變低。具有遠離觀察者時變低。具有波動性的光也會出現(xiàn)這種波動性的光也

9、會出現(xiàn)這種效應(yīng)光波與聲波的不同之效應(yīng)光波與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化處在于，光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化使人感覺到是顏色的變化. . 如果光源遠離我們而去，如果光源遠離我們而去，則光的譜線就向紅光方向則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果光移動，稱為紅移；如果光源朝向我們運動，光的譜源朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱線就向紫光方向移動，稱為藍移為藍移. .合成孔徑雷達的工作原理1.2 電磁波譜電磁波譜定義：按照電磁波的波長長短（或頻率的大?。来味x：按照電磁波的波長長短（或頻率的大小），依次排列，就構(gòu)成了電磁波譜。排列，就構(gòu)成了電磁波譜。 遙感較多應(yīng)用的電磁波

10、波譜段遙感較多應(yīng)用的電磁波波譜段波長范圍為波長范圍為0.380.380.760.76m m，人眼對可見光有，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。波長范圍為波長范圍為0.760.7610001000m m，根據(jù)性質(zhì)分為近，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。波長范圍為波長范圍為1 1 mmmm1 m1 m，穿透性好，不受云霧的，穿透性好，不受云霧的影響影響可見光可見光 波長范圍大約為波長范圍大約為0.38m(紫色紫色)0.76m(紅色紅色)，可見光，可見光譜中的各種顏色成分大致屬于如下的波長區(qū)間：

11、譜中的各種顏色成分大致屬于如下的波長區(qū)間： 紅：紅：0.620.76 m m 橙：橙：0.590.62 m m 黃：黃：0.560.59 m m 綠：綠：0.500.56 m m 青：青：0.470.50 m m 藍：藍：0.430.47 m m 紫：紫：0.380.43 m m返回返回紅外波段紅外波段波長范圍波長范圍0.71000m，可進一步劃分為如下波段：，可進一步劃分為如下波段：返回返回微波微波 波長范圍波長范圍1mm1mm到到1m1m，可進一步劃分為若干不同，可進一步劃分為若干不同頻率頻率( (波長波長) )的波段：的波段：(1GHz=10(1GHz=109 9Hz)Hz)各種電磁波的

12、特點各種電磁波的特點各電磁波的區(qū)別與聯(lián)系各電磁波的區(qū)別與聯(lián)系不同點：不同點：傳播的方向性、傳播的方向性、穿透性、穿透性、可見性、可見性、顏色不同。顏色不同。共性：共性：傳播速度相同傳播速度相同 遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律 都是橫波，遵循橫波的一切特性都是橫波，遵循橫波的一切特性2 2 電磁波輻射源電磁波輻射源2.1 黑體輻射黑體輻射2.2 黑體輻射定律黑體輻射定律2.3 一般輻射體和發(fā)射率一般輻射體和發(fā)射率2.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律黑體：也叫絕對黑體黑體：也叫絕對黑體, ,即對任何波長的電磁輻射都全部即對任何波長的電磁輻射都全部吸

13、收吸收, ,而反射率和透射率都等于而反射率和透射率都等于0。黑體是一種理想的吸收體，自然界沒有真正的黑體。黑體是一種理想的吸收體，自然界沒有真正的黑體。 人工制造的接近黑體的吸收體2.1 2.1 黑體輻射黑體輻射2.2 黑體輻射的定律黑體輻射的定律2.2.1 普朗克公式普朗克公式2.2.2 斯蒂芬玻爾茲曼定律斯蒂芬玻爾茲曼定律2.2.3 維恩位移定律維恩位移定律（Stephen Boltzmann Law）（Wiens Displacement Law）描述描述黑體輻射通量密度黑體輻射通量密度與與溫度溫度、波長波長分布的關(guān)系。分布的關(guān)系。2.2.1 普朗克公式普朗克公式) 1(2),(5kTh

14、c2bechTMh: 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù), 6.6260755*10-34 Ws2k: 玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380658*10-23 WsK K-1-1 c: 光速光速; : 波長（波長（m）; T: 絕對溫度（絕對溫度（K） M： 為輻射出射度為輻射出射度變化特點：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。波長波長輻射通量密度輻射通量密度返回返回2.2.2 斯蒂芬玻爾茲曼定律 對普朗克定律在全波段內(nèi)積分，得到斯蒂芬玻爾茲曼定律。 輻射通量密度隨溫度增加

15、而迅速增加，與溫度的輻射通量密度隨溫度增加而迅速增加，與溫度的4次次方成正比。溫度越高，幅射能力就越強。方成正比。溫度越高，幅射能力就越強。TbW4: 斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，（5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4 紅外裝置測試溫度的理論根據(jù)。M返回返回2.2.3 維恩位移定律維恩位移定律bTmaxb : 常數(shù)，常數(shù)，2897.80.4 m K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。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（如人體常溫（如人體300K左右，發(fā)射電磁波的峰值波長左右，發(fā)射電磁波的峰值波長9.66m ）針對要探測的目標(biāo)，選擇最佳的遙感波段和

16、傳感器。針對要探測的目標(biāo)，選擇最佳的遙感波段和傳感器。 利用普朗克公式還可導(dǎo)出維恩位移定律，黑體輻射光譜利用普朗克公式還可導(dǎo)出維恩位移定律，黑體輻射光譜中最強輻射的波長與黑體絕對溫度中最強輻射的波長與黑體絕對溫度T T成反比。成反比。2.3 2.3 基爾霍夫定律基爾霍夫定律給定溫度下，任何地物的輻射通量密度給定溫度下，任何地物的輻射通量密度M與與吸收吸收率率之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。量密度。IMMM02211發(fā)射率等于吸收率。好的吸收體也是好的發(fā)發(fā)射率等于吸收率。好的吸收體也是好的發(fā)射體，如果不吸收某些波長的電磁波，也不射體，如果不吸收

17、某些波長的電磁波，也不發(fā)射該波長的電磁波。發(fā)射該波長的電磁波。),(),(),(TMTMTb2.4 2.4 一般輻射體和發(fā)射率一般輻射體和發(fā)射率對于一般物體而言，需要引入發(fā)射率對于一般物體而言，需要引入發(fā)射率（即熱輻射率（即熱輻射率、比輻射率比輻射率），表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。），表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。),(),(),(TMTMTb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。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)射率與物質(zhì)種類、表面狀態(tài)、溫度等有關(guān)，還與波長有關(guān)。發(fā)射率與物質(zhì)種類、表面狀態(tài)、溫度等有關(guān)，還與波長有關(guān)。按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，輻射源可以分為：按照發(fā)射率

18、與波長的關(guān)系，輻射源可以分為：1）黑體）黑體：吸收率最大，發(fā)射率最大，均：吸收率最大，發(fā)射率最大，均為為1，反射率為，反射率為0；2）灰體）灰體 :沒有顯著的選擇吸收，吸沒有顯著的選擇吸收，吸收率小于收率小于1，但基本不隨波長變化；，但基本不隨波長變化；3）選擇性輻射體）選擇性輻射體 ：選擇性地吸收、：選擇性地吸收、反射和發(fā)射。反射和發(fā)射。MM03 太陽輻射及大氣對太陽輻射的影響太陽是被動遙感太陽是被動遙感最主要的輻射源最主要的輻射源3.1 太陽輻射源太陽輻射源3.2 大氣成分組成大氣成分組成3.3 大氣垂直分層大氣垂直分層3.4 大氣對太陽輻射的衰減大氣對太陽輻射的衰減3.5 大氣窗口大氣窗

19、口（人類可用的電磁波譜范圍）（人類可用的電磁波譜范圍）太陽太陽是太陽系唯一的恒星，它集中了太陽系99.865%的質(zhì)量。太陽是一個熾熱的氣體星球，沒有固體的星體或核心。太陽從中心到邊緣可分為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)和大氣層。其能量的99%是由中心的核反應(yīng)區(qū)的熱核反應(yīng)產(chǎn)生的。太陽中心的密度和溫度極高。太陽大氣的主要成分是氫（質(zhì)量約占71%）與氦（質(zhì)量約占27%）。3.1 太陽輻射源太陽輻射源太陽太陽大氣大氣 位置位置 溫度溫度 厚度厚度 輻射特點輻射特點 輻射的光譜輻射的光譜 光球?qū)?內(nèi)4300-7500500km 連續(xù)輻射 可見光和紅外 色球?qū)?中四五千度升高到幾萬度 7000-8000km 線

20、狀輻射無線厘米波 日冕層 外100萬以上 形狀多變，厚度不定，一般太陽直徑的幾倍到十幾倍連續(xù)輻射米波 太陽輻射及其能量分布太陽輻射及其能量分布1）接近于）接近于5800K的黑體輻射。的黑體輻射。 2）短波輻射（）短波輻射（太陽輻射總能量的太陽輻射總能量的40集中于集中于0.40.76um的可見光范圍內(nèi)，的可見光范圍內(nèi)，5151在紅外部分）在紅外部分） 3.2 大氣成分組成大氣成分組成：在大氣：在大氣層中這些氣體的層中這些氣體的濃度幾乎是保持濃度幾乎是保持恒定不變的。恒定不變的。氮氮(N2)：78.084%氧氧(O2)：20.948% 氬氬(Ar)：0.934% 二氧化碳二氧化碳(CO2)：0.

21、033% 其他惰性氣體其他惰性氣體(Ne, He, Kr, Xe) 氫氫(H2) 甲烷甲烷(CH4) 一氧化二氮一氧化二氮(N2O) 一氧化碳一氧化碳(CO) 其濃度可以其濃度可以隨空間和時隨空間和時間發(fā)生很大間發(fā)生很大的變化。的變化。水蒸汽水蒸汽(H2O) 臭氧臭氧(O3) 二氧化硫二氧化硫(SO2) 二氧化氮二氧化氮(NO2) 氨氨(NH3) 一氧化氮一氧化氮(NO) 硫化氫硫化氫(H2S) 硝酸蒸汽硝酸蒸汽(HNO3) 如煙霧、水滴和冰如煙霧、水滴和冰晶體，這些粒子可晶體，這些粒子可以聚集在一起形成以聚集在一起形成云和霾。云和霾。3.3 大氣垂直分層大氣垂直分層電離層電離層：距地面85k

22、m直到幾百千米的范圍均為熱電離層，熱電離層的溫度范圍為500K到2000K。在電離層中，由于太陽紫外輻射和高能宇宙射線的轟擊而使空氣電離成離子，因而在熱電離層中空氣以稀薄的等離子體的形式存在。平流層平流層：在平流層最下面直到20km的高度之內(nèi)，溫度幾乎為常數(shù)，在其之上直到大約50km高度的范圍之內(nèi)，溫度隨高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流層之中。對流層對流層：厚約為10km，其特點為溫度隨高度的增加而降低，1000m-6.5C。所有天氣活動均發(fā)生在對流層層中。在大氣層接近地球表面大約2km的厚度，存在著一層氣溶膠粒子，氣溶膠的濃度隨高度的增加呈指數(shù)衰減。其中， ：太陽輻射通過的大氣路程，與太

23、陽高度角有關(guān)：衰減因子，：大氣對太陽輻射的吸收率和散射率，是電磁波波長（頻率）的函數(shù)。 3.4 大氣對太陽輻射的衰減大氣對太陽輻射的衰減exEE000 x,0太陽輻射衰減的原因：散射，吸收、反射 太陽輻射的衰減率就等于通過大氣之后的太陽輻射能量與大氣上界太陽幅射能量之比，與太陽高度角、衰減因子，電磁波波長有關(guān)。3.4.1 散射作用散射作用太陽輻射通過大氣層時，受到大氣中氣體分子的散射太陽輻射通過大氣層時，受到大氣中氣體分子的散射和大氣中固體、微粒、液體的散射。和大氣中固體、微粒、液體的散射。散射散射強度強度隨波隨波長減長減小而小而逐漸逐漸增強增強散射的種類散射的種類Atmospheric Sc

24、attering DiameterRayleigh ScatteringMie ScatteringNon-Selective Scattering Gas molecule Smoke, dust Water vapor Photon of electromagnetic energy modeled as a wavea. c.b. 1 1 瑞利（瑞利（Rayleigh） 散射散射質(zhì)點的直徑 d (電磁波波長)時，一般認(rèn)為（d ）, 散射率與波長沒有關(guān)系 1)(人看到的云和霧是白色的，就是非選擇性散射的結(jié)果，對可見光中各個波長的光散射程度相同。 （書上P30）I3.4.2 吸收作用吸收作用

25、1）水：分為氣態(tài)水和液態(tài)水）水：分為氣態(tài)水和液態(tài)水 水汽吸收電磁輻射的波段范圍較寬，從可見光、紅外直至微波，都有水汽的吸收帶。 液態(tài)水的吸收更強，主要在長波方向。2）二氧化碳）二氧化碳 主要在紅外區(qū)。1.352.85m 之間有3個弱吸收帶，2.7，4.3， 14.5 m 為強吸收帶。3）臭氧）臭氧 紫外線4）其它吸收電磁波的物質(zhì)其它吸收電磁波的物質(zhì) 氧氣氧氣主要吸收波長小于0.2m的， 塵埃塵埃吸收作用很少。 3.4.3 反射作用反射作用主要是大氣中的云層，大的塵埃。 云量越多、云層越厚， 反射越強。 大氣對太陽輻射的衰減總體規(guī)律大氣對太陽輻射的衰減總體規(guī)律：大氣吸收15， 散射和反射42，其

26、余43 太陽輻射到達地面。又一說：大氣吸收17， 散射22，反射30，其余31 太陽輻射到達地面。 太陽輻射經(jīng)大氣衰減圖太陽輻射經(jīng)大氣衰減圖3.5 大氣窗口大氣窗口大氣窗口大氣窗口：電磁波在大氣中傳輸過程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。 要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。 常用大氣窗口常用大氣窗口1）0.31.3m： 包括全部可見光可見光（95），部分紫外光（70），部分近紅外光近紅外光（80）。是航空攝影成像和衛(wèi)星傳感器掃描成像方式在白天感測和記錄目標(biāo)電磁波輻射信息的最佳波段，如Landsat的TM Band14。2）1.51.8m和2.03.5m：近、中紅外波段。是白天日

27、照條件好時掃描成像的常用波段，如TM Band5，7，用以探測植物含水量以及云、雪，或地質(zhì)制圖等。3）3.55.5m：中紅外窗口，該波段除了地面發(fā)射外，地面物體本身也可以發(fā)射該波段的熱輻射能量。如NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.553.93m探測海面溫度，獲得晝夜云圖。4）814 m：遠紅外窗口，主要來自地物熱輻射的能量，適于夜間成像。5）1.4300mm：微波窗口，由于微波穿云透霧能力強，這一區(qū)間可以全天候觀測，而且是主動遙感方式，如側(cè)視雷達。 太陽輻射主要集中太陽輻射主要集中在可見光到近紅外區(qū)段，在可見光到近紅外區(qū)段，當(dāng)太陽輻射到達地表后，當(dāng)太陽輻射到達地表后，就短波而言，地表反射就短

28、波而言，地表反射太陽輻射成為地表的主太陽輻射成為地表的主要輻射來源，而，來自要輻射來源，而，來自地球自身的輻射幾乎可地球自身的輻射幾乎可以忽略不計。地球自身以忽略不計。地球自身的輻射主要集中在長波，的輻射主要集中在長波，即即6 6m m以上的熱紅外區(qū)以上的熱紅外區(qū)段，該區(qū)段太陽輻射的段，該區(qū)段太陽輻射的影響幾乎可以忽略不計，影響幾乎可以忽略不計，因此只需考慮地表物體因此只需考慮地表物體自身的熱輻射。自身的熱輻射。4 地球輻射與地物波譜4.14.1太陽輻射與地表的太陽輻射與地表的相互作用相互作用 地球輻射包括地球反射的太陽地球輻射包括地球反射的太陽輻射和地球本身的熱輻射兩部分。輻射和地球本身的熱

29、輻射兩部分。 太陽電磁輻射太陽電磁輻射：太陽輻射近似：太陽輻射近似6000K6000K的黑體的黑體輻射，能量集中在輻射，能量集中在0.30.32.52.5微米波段之間，即可微米波段之間，即可見光到近紅外波段區(qū)。見光到近紅外波段區(qū)。 地球自身熱輻射地球自身熱輻射：地球近似：地球近似300K300K的黑體輻射，的黑體輻射，能量集中在能量集中在6.06.0微米以上的波段，即紅外、微波微米以上的波段，即紅外、微波波段。波段。 國際單位制中，將國際單位制中，將273.15攝氏度作為測量溫度的攝氏度作為測量溫度的起點，叫做絕對零度，符號為起點，叫做絕對零度，符號為K，每一開的大小和每一，每一開的大小和每一

30、攝氏度的大小相同。攝氏度的大小相同。 t(T-273)攝氏度攝氏度 波段名稱波段名稱可見光與可見光與近紅外近紅外中紅外中紅外遠紅外遠紅外波長波長0.32.5m2.56m6m輻射特性輻射特性地表反射太陽地表反射太陽輻射為主輻射為主地表反射太陽地表反射太陽輻射和自身熱輻射和自身熱輻射輻射地表物體自身地表物體自身熱輻射為主熱輻射為主地球輻射的分段特性地球輻射的分段特性地球輻射分段特性的遙感意義地球輻射分段特性的遙感意義可見光與近紅外波段遙感圖像上的信息來自可見光與近紅外波段遙感圖像上的信息來自地物反射特性；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中紅外波段遙感圖像上既有地表反射太陽輻射的

31、信息，也有地球自身的熱輻射信息。射的信息，也有地球自身的熱輻射信息。熱紅外波段遙感圖像上的信息來自地物本身熱紅外波段遙感圖像上的信息來自地物本身的熱輻射特性的熱輻射特性可見光近紅外波段遙感圖像：記錄各類地物對可見光的反射情況可見光近紅外波段遙感圖像：記錄各類地物對可見光的反射情況熱紅外波段遙感圖像熱紅外波段遙感圖像:夜間成像，全球熱分布圖像夜間成像，全球熱分布圖像概念：概念： 地物波譜（地物光譜）地物波譜（地物光譜）:地物的電磁波響應(yīng)特性隨電磁波長改變而變化的規(guī)律。是各種地物具有的地磁波特性（即反射率、發(fā)射率、透射率隨波長變化的規(guī)律）。 地物波譜特性：電磁輻射與地物相互作用的表現(xiàn)特征。遙感意義

32、：遙感意義：不同類型的地物，其電磁波響應(yīng)特性不同。因此可以根據(jù)地物波譜特征來： 設(shè)計遙感器； 圖象判讀和分析以識別地物的基礎(chǔ)。4.24.2地物波譜特征地物波譜特征不同電磁波段中地物波譜特性不同電磁波段中地物波譜特性可見光和近紅外波段中地物波譜特性表現(xiàn)為可見光和近紅外波段中地物波譜特性表現(xiàn)為發(fā)射和吸收發(fā)射和吸收紅外波段中地物波譜特性表現(xiàn)為地物熱輻射紅外波段中地物波譜特性表現(xiàn)為地物熱輻射微波波段中微波波段中主動遙感：地物波譜特性表現(xiàn)為地物后向散射主動遙感：地物波譜特性表現(xiàn)為地物后向散射被動遙感：地物波譜特性表現(xiàn)為地物微波輻射。被動遙感：地物波譜特性表現(xiàn)為地物微波輻射。熱紅外遙感熱紅外遙感 白 天

33、， 水白 天 ， 水體相比于陸地的體相比于陸地的熱容量較大，熱熱容量較大，熱輻射較小，所以輻射較小，所以呈現(xiàn)暗色調(diào)；晚呈現(xiàn)暗色調(diào)；晚上，水體的熱輻上，水體的熱輻射較大，所以呈射較大，所以呈亮色調(diào)。亮色調(diào)。白天成像白天成像夜間成像夜間成像地物波譜：地物波譜：4.2.1 地物的發(fā)射波譜地物的發(fā)射波譜4.2.2 地物的透射波譜地物的透射波譜4.2.3 地物的反射波譜地物的反射波譜4.2.4 遙感器接收到的電磁輻射遙感器接收到的電磁輻射4.2.1 4.2.1 地物的發(fā)射波譜（地表自身熱輻射）地物的發(fā)射波譜（地表自身熱輻射）紅外波段地物波譜特性紅外波段地物波譜特性MM0M為實際物體輻射出射度；為實際物體

34、輻射出射度；M0為黑體輻射出射度為黑體輻射出射度為物體的比輻射率或發(fā)射率為物體的比輻射率或發(fā)射率M （，T） （， T ） M0 （， T ） 當(dāng)溫度一定時，物體的比輻射率隨著波長變化而變化，得出比當(dāng)溫度一定時，物體的比輻射率隨著波長變化而變化，得出比輻射率波譜曲線（也叫發(fā)射率波譜曲線）。輻射率波譜曲線（也叫發(fā)射率波譜曲線）。該曲線的形態(tài)特征可以該曲線的形態(tài)特征可以反映地面物體本身的特性，包括物體本身的組成、溫度、表面粗糙反映地面物體本身的特性，包括物體本身的組成、溫度、表面粗糙度等物理特性（見書上度等物理特性（見書上P36圖圖2.22）。特別是曲線形態(tài)特殊時可以）。特別是曲線形態(tài)特殊時可以用

35、發(fā)射率曲線來識別地面物體，尤其在夜間，太陽輻射消失后，地用發(fā)射率曲線來識別地面物體，尤其在夜間，太陽輻射消失后，地面發(fā)出的能量以發(fā)射光譜為主，探測其紅外輻射計微波輻射并與同面發(fā)出的能量以發(fā)射光譜為主，探測其紅外輻射計微波輻射并與同溫度條件下的比輻射率（發(fā)射率）曲線比較，是識別地物的重要方溫度條件下的比輻射率（發(fā)射率）曲線比較，是識別地物的重要方法之一。法之一。4.2.2 4.2.2 地物的透射光譜（水體、植被）地物的透射光譜（水體、植被）透明物體：具有透射一定波長電磁波能力的物體。透明物體：具有透射一定波長電磁波能力的物體。透射率透射率( )： 入射光透過物體的能量與入射總能量之比。入射光透過

36、物體的能量與入射總能量之比。舉例：舉例： 1）水體在藍綠波段，混水）水體在藍綠波段，混水1-2米，一般水體米，一般水體10- 20米。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。）微波對地物具有明顯的透射能力，由入射波的波長決定。4.2.3 4.2.3 地物的反射光譜地物的反射光譜（可見光近紅外波段地物波譜特性）（可見光近紅外波段地物波譜特性）)()()()(EEEEs太陽光通過大氣層照射到地球表面，地物會發(fā)生吸收、透射太陽光通過大氣層照射到地球表面，地物會發(fā)生吸收、透射和反射作用，反射后的短波輻射一部分為遙感器所接受和反射作用，反射后的短波輻射一部分為遙感器所接受除水體、植被

37、等物體，多數(shù)地物透射率幾乎為除水體、植被等物體，多數(shù)地物透射率幾乎為0，可以忽略，可以忽略不計。不計。電磁波與物體相互作用過程中，會出現(xiàn)三種情況：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。反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。1)()()(入射到物體總能量反射吸收透射入射到物體總能量反射吸收透射地物對電磁波譜的反射能力用反射率地物對電磁波譜的反射能力用反射率來表來表示；示；反射率定義：地面物體反射的能量占入射反射率定義：地面物體反射的能量占入射總能量的百分比；總能量的百分比；地物反射率地物反射率計算公式為：計算公式為：地物反射率地物反射率物體反射分類物體反射

38、分類根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：1）鏡面反射）鏡面反射2）漫反射（朗伯反射）漫反射（朗伯反射）3）有向反射）有向反射4）混合反射）混合反射反射分類圖示反射分類圖示(a) 鏡面反射鏡面反射(b) 漫反射（朗伯反射）漫反射（朗伯反射）(c) 有向反射有向反射(d) 混合反射混合反射1) 鏡面反射鏡面反射當(dāng)目標(biāo)物的表面當(dāng)目標(biāo)物的表面大大低于電磁波的波長時，大大低于電磁波的波長時，那么目標(biāo)物對電磁波的反射作用遵循反射定律。那么目標(biāo)物對電磁波的反射作用遵循反射定律。2) 朗伯反射朗伯反射朗伯定律：朗伯定律：反射輻射亮度反射輻射亮度（單位面積單（單位面積單位立體角內(nèi)

39、的位立體角內(nèi)的輻射通量）和輻射通量）和觀察方向與表觀察方向與表面法線夾角的面法線夾角的余弦成正比。余弦成正比。cos0BB 當(dāng)目標(biāo)物的表面足夠粗糙，以致于它對太陽短波輻射的散射輻射亮度在以目當(dāng)目標(biāo)物的表面足夠粗糙，以致于它對太陽短波輻射的散射輻射亮度在以目標(biāo)物的中心的標(biāo)物的中心的2空間中呈常數(shù)，即散射輻射亮度不隨觀測角度而變，稱該物空間中呈常數(shù)，即散射輻射亮度不隨觀測角度而變，稱該物體為漫反射體，亦稱朗伯體。嚴(yán)格講自然界中只存在近似意義下的朗伯體。體為漫反射體，亦稱朗伯體。嚴(yán)格講自然界中只存在近似意義下的朗伯體。只有黑體才是真正的朗伯體。只有黑體才是真正的朗伯體。 3) 有向反射有向反射一部分

40、鏡面反射，一部分朗伯反射。一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。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)。方位角、反射方位角的函數(shù)。)()(),(sZsEsiZiMisZiZs有向反射和混合反射與電磁波的入射方向和觀察方向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。有關(guān)，在航空遙感中具有重要意義。4) 混合反射混合反射了解物體反射類型的意義了解物體反射類型的意義遙感器獲取的輻射亮度與物體反射類型密遙感器獲取的輻射亮度與物體反射類型密切關(guān)聯(lián)。輻射亮度既與輻射入射方位角和切關(guān)聯(lián)。輻射亮度既與輻射

41、入射方位角和天頂角有關(guān)，也與反射方向的方位角與天天頂角有關(guān)，也與反射方向的方位角與天頂角有關(guān)。頂角有關(guān)。在遙感器成像時間選擇上，應(yīng)避免中午成在遙感器成像時間選擇上，應(yīng)避免中午成像，防止在遙感圖像上形成鏡面反射。像，防止在遙感圖像上形成鏡面反射。 定義：可見光至近紅外波段上地物反射定義：可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。率隨波長的變化規(guī)律。 地物的反射波譜曲線地物的反射波譜曲線表示方法：一般采用表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)的曲二維幾何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標(biāo)表示線表示，橫坐標(biāo)表示波長波長，縱坐標(biāo)表示反，縱坐標(biāo)表示反射率射率。常見地物的反射波譜特征曲線常見地物的反射波譜特征曲線

42、植被植被水體水體土壤土壤巖石巖石植被在可見光波段的波譜特征植被在可見光波段的波譜特征 可見光波段：在可見光波段：在0.450.45到到0.760.76微米區(qū)間，微米區(qū)間，在在0.550.55微米附近（綠色波段）有一個反射峰，微米附近（綠色波段）有一個反射峰，在在0.670.67微米附近區(qū)間（紅色波段）有一個吸微米附近區(qū)間（紅色波段）有一個吸收谷；收谷；植被在近、中紅外波段波譜特征植被在近、中紅外波段波譜特征近紅外波段近紅外波段:(0.76-0.8:(0.76-0.8mm),),從從0.76m0.76m處反處反射率迅速增大，形成一個爬升的射率迅速增大，形成一個爬升的“陡坡陡坡”，至至1.11.1m m附近有一峰值，反射率最大可達附近有一峰值，反射率最大可達5050，形成植被的獨有特征。，形成植被的獨有特征。中紅外波段中紅外波段:(1.3-2.5:(1.3-2.5mm),),1.51.51.91.9m m光譜光譜區(qū)反射率增大，在區(qū)反射率增大，在1.451.45m m，1.951.95m m和和2.72.7m m為中心的附近區(qū)間受到綠色植物含水為中心的附近區(qū)間受