第二章電磁輻射與地物光譜

第二章遙感物理基礎(chǔ)

2.1電磁波與電磁輻射

2.2地物的波譜特征

2.3大氣對遙感監(jiān)測的影響

（一）電磁波

交互變化的電磁場在空間的傳播。（二）電磁波的特性電磁波是橫波，傳播速度為3×108m/s，不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)會有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律。

第一節(jié)電磁波與電磁輻射Tobecontinued…一、電磁波及其特性（一）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

二、電磁波譜與遙感監(jiān)測電磁波譜紫外線：波長范圍為0.01～0.38μm，太陽光譜中，只有0.3～0.38μm波長的光到達(dá)地面，對油污染敏感，但探測高度在2000m以下?？梢姽猓翰ㄩL范圍：0.38～0.76μm，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。紅外線：波長范圍為0.76～1000μm，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：波長范圍為1mm～1m，穿透性好，不受云霧的影響。（二）遙感技術(shù)常用的電磁波（三）電磁輻射的度量單位在遙感探測過程中，需要測量從目標(biāo)地物反射或輻射的電磁波能量，為了定量描述電磁輻射，需要了解下面一些輻射度量的術(shù)語及其定義。輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位是J。輻射通量：在單位時(shí)間內(nèi)傳送的輻射能量（W），是輻射能流的單位。輻射通量密度（E）：單位面積所截取的輻射能量。輻照度（I）：被輻照的物體單位面積上的入射輻射通量。輻射出射度（M）：被輻照的物體單位面積上出射的輻射通量。輻照度與輻射出射度都是描述輻射能量的密度，前者描述物體接受的輻射，后者為物體發(fā)出的輻射。輻射亮度（L）：在單位立體角、單位時(shí)間內(nèi)，從外表面的單位面積上輻射出的輻射能量。三、電磁輻射源自然界中一切物體都是輻射源，也是遙感探測中被動遙感的主要輻射源。太陽輻射是可見光及近紅外遙感的主要輻射源，地球是遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源，地球是遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源。主動式遙感采用人工輻射源，是微波遙感的主要輻射源。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(…)：（一）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。

太陽輻射與地表的相互作用(…)地物的反射率(…)漫反射(…)鏡面反射(…)太陽輻射與地物的作用太陽輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：

到達(dá)地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。一般而言，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)10～20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。地表吸收太陽輻射后具有約300K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為9.66μm，主要集中在長波，即6μm以上的熱紅外區(qū)段。

反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P

0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物的反射光譜曲線：反射率隨波長變化的曲線。

不論入射方向如何，其反射出來的能量在各個(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。

（二）地球的輻射

地球的輻射主要是指地球自身的熱輻射，是遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源。地球表面的平均溫度大約是300K，地球輻射最強(qiáng)的波長是9.66um，屬于遠(yuǎn)紅外波段。由于這種輻射與地表熱有關(guān)，所以也稱為熱紅外遙感。地球輻射的能量分布在從近紅外到微波這一很寬的范圍內(nèi)，但大部分集中在6~30um，熱紅外遙感被廣泛應(yīng)用于地表地?zé)岙惓５奶綔y、城市熱島效應(yīng)及水體熱污染等方面的研究。（三）太陽輻射與地球輻射的關(guān)系太陽輻射近似于溫度6000K的黑體輻射，二地球輻射則接近于溫度為300K的黑體輻射。最大輻射波長分別為0.48um和9.66um，兩者相差較遠(yuǎn)。波長/um波段名稱輻射特性0.3~2.5可見光和近紅外地表反射太陽輻射為主2.5~6中紅外地表反射太陽輻射和地表物體自身的熱輻射>6熱紅外地表物體自身的熱輻射為主（四）人工輻射源人工輻射源指人為發(fā)射的具有一定波長（或一定頻率）的波束，主動式遙感采用人工輻射源。工作時(shí)根據(jù)接收地物散射該光束返回的后向反射信號強(qiáng)弱，從而探知地物或測距，稱為雷達(dá)探測。雷達(dá)可分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。在微波遙感中，目前常用的主要為測視雷達(dá)。微波輻射源在微波遙感中常用波段為0.8~30cm。由于微波波長比可見光、紅外線波長要長，收到大氣散射影響小，使得微波遙感具有全天候全天時(shí)探測能力，在海洋遙感及多云多雨地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。激光輻射源在遙感技術(shù)中逐漸得到應(yīng)用，其中應(yīng)用較為廣的為激光雷達(dá)。激光雷達(dá)使用脈沖激光器，可精確測定衛(wèi)星的位置、高度、速度等，也可測量地形、繪制地圖、記錄海面波浪情況，還可利用物體的散射性及熒光、吸收等性能監(jiān)測污染和勘察資源。在可見光與近紅外波段，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輻射為主。太陽輻射到達(dá)地面之后，物體除了反射作用外，還有對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的部分，即：

到達(dá)地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量一般而言，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波透射能力較強(qiáng)，特別是對0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá)10~20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。對于一般不能透過可見光的地面物體，波長5cm的電磁波卻有透射能力，如超長波的透射能力就很強(qiáng)，可以透過地面巖石和土壤。第二節(jié)地物波譜特性（一）地物的反射率反射率

：物體反射的輻射能量Pρ占總?cè)肷淠芰縋0的百分比，稱為反射率ρ：

地物反射率的大小與入射電磁波的波長，入射角的大小以及地物表面顏色和粗糙度有關(guān)。一、地物的反射波譜特性與地物反射波譜曲線（二）地物的反射波譜曲線

地物反射光譜：地物的反射率隨波長變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：按地物反射率與波長之間關(guān)系繪成的曲線（橫軸為波長，縱軸為反射率）。地物由于組成和結(jié)構(gòu)的不同因而具有不同的反射光譜特性。這是遙感的基本出發(fā)點(diǎn)。不同地物在不同波段反射率存在著差異，因此在不同波段的遙感圖象上即呈現(xiàn)出不同的色調(diào)，這就是判讀識別各種地物的依據(jù)。設(shè)計(jì)傳感器探測波段的波長范圍是通過分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而選擇設(shè)置的。從雪、沙漠、濕地、小麥反射波譜曲線對反射波譜曲線的意義及應(yīng)用的幾點(diǎn)理解：（1）不同的地物具有不同的波譜特征。（2）根據(jù)區(qū)分的地物不同選擇不同波段的遙感影像。（3）衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)的波譜曲線是地物分類的基礎(chǔ)。（4）地面光譜反射曲線的測定是遙感數(shù)據(jù)分類的基礎(chǔ)。（5）地面波譜數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。（6）地面波譜曲線測量是本章實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容。（三)不同地物的反射波譜曲線特征（1、植被）規(guī)律性明顯而獨(dú)特?？梢姽獠ǘ危?.4～0.76μm）有一個(gè)小的反射峰，兩側(cè)有兩個(gè)吸收帶。這是因?yàn)槿~綠素對藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，而對綠光反射作用強(qiáng)。在近紅外波段（0.7～0.8μrn）有一反射的“陡坡”，至1.lμm附近有一峰值，形成植被的獨(dú)有特征。這是由于植被葉細(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（1.3～2.5μm）受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率大大下降，特別是在水的吸收帶形成低谷。植物波譜具有上述的基本特征，但仍有細(xì)部差別，這種差別與植物種類、季節(jié)、病蟲害影響、含水量多少等有關(guān)系。為了區(qū)分植被種類，需要對植被波譜進(jìn)行研究。9月20日玉米、大豆5月20日油菜、小麥不同種類地物光譜不同不同樹種的反射波譜（2）土壤反射波譜曲線1）土質(zhì)粗細(xì)，越細(xì)，反射率越高；2）有機(jī)質(zhì)，越高，反射率越低；3）含水量，越高，反射率越低；4）土類和肥力

不同質(zhì)地土壤反射光譜曲線（3）水體反射波譜曲線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)，所以水體在遙感影像上常呈黑色。但當(dāng)水中含有其他物質(zhì)時(shí)，反射光譜曲線會發(fā)生變化。水中含泥沙時(shí)，由于泥沙散射，可見光波段反射率會增加，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)。不同葉綠素濃度的海水反射光譜曲線（4）巖石反射波譜曲線巖石的反射波譜曲線無統(tǒng)一的特征，礦物成分、礦物含量、風(fēng)化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑程度、色澤等都會對曲線形態(tài)產(chǎn)生影響。幾種巖石的反射波譜曲線

不同地物在不同波段反射率存在著差異，因此在不同波段的遙感圖象上即呈現(xiàn)出不同的色調(diào)，這就是判讀識別各種地物的依據(jù)。設(shè)計(jì)傳感器探測波段的波長范圍是通過分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而選擇設(shè)置的。（一）黑體輻射1、普朗克公式：普朗克常數(shù)6.63*10-34Js

真空中的光速玻爾茲曼常數(shù)1.38*10-23J/K

λ

輻射出射度波長絕對溫度（K）二、地物的發(fā)射波譜特性與地物發(fā)射波譜曲線2、斯忒藩-玻爾茲曼定律絕對黑體的總輻射出射度與黑體的溫度的四次方成正比。

M=?T4

?為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，

?＝5.67×10-8W·m-2·K-4

900K800K700K600K500K0.750.500.25024681012141618λ/umMλ

1、基爾霍夫定律（二）實(shí)際物體的輻射基爾霍夫在研究輻射傳輸過程中發(fā)現(xiàn)：在任一給定的溫度下，地物單位面積的輻射出射度和吸收率之比，對任何地物都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射出射度。

M0=Mi/ai

ai=Mi/M0

?

=Mi/M0

?＝a由此可見，在給定的溫度下，任何地物的發(fā)射率在數(shù)值上等于同溫度大、同波長下的吸收率，該公式還表明地物的吸收率愈大，發(fā)射率也愈。M0=M/aM=aM0=?M0=??T4由上式可知，只有已知地物的溫度和吸收率，就可以確定地物的熱輻射強(qiáng)度。該公式表明地物的熱輻射強(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引起紅外輻射能量較明顯的變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論依據(jù)。

Back2、發(fā)射率指地物的輻射出射度（地物單位面積發(fā)出的輻射總通量）Mi于同溫度的黑體輻射出射度（黑體單位面積發(fā)出的輻射總通量）M0的比值

?＝Mi/M0地物的發(fā)射率與地物的性質(zhì)、表面狀況（如粗糙度、顏色等）有關(guān)且是溫度和波長的函數(shù)。不同地物，發(fā)射率不同；同一地物，其表面粗糙或顏色較深的，發(fā)射率往往較高，表面光滑或顏色淺的，發(fā)射率則較??；同一地物，溫度越高，發(fā)射率越大。3、地物發(fā)射波譜

地物的發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律稱為地物的發(fā)射波譜。按地物發(fā)射率與波長之間的關(guān)系繪成的曲線（橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為總發(fā)射）稱為地物發(fā)射波譜曲線。

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（一）大氣成分BACK第三節(jié)大氣對遙感監(jiān)測的影響一、大氣成分與結(jié)構(gòu)（二）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（航空遙感活動層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的強(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，對遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動空間。大氣外層：800～35000km,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。BACK二、大氣對太陽輻射的影響太陽輻射進(jìn)入地球之前必然通過大氣層，太陽輻射與大氣相互作用的結(jié)果使能量不斷減弱，約30%被云層和其它大氣成分反射回宇宙空間，約17%被大氣吸收，約22%被大氣散射，僅有31%的太陽輻射輻射到地面。其中，反射作用影響最大，這是因?yàn)樵茖拥姆瓷鋵﹄姶挪ǜ鞑ǘ尉袕?qiáng)烈影響，造成對遙感信息接收的嚴(yán)重障礙。因此，目前在大多遙感方式中，都只考慮無云天氣情況下的大氣散射、吸收的衰減作用。（一）大氣的反射作用

電磁波傳播過程中的反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量和云霧，使用波段不同其影響不同。因此，若不是專門研究云層，盡量選擇無云的天氣接受遙感信號，使大氣反射率最小。大氣的吸收作用：大氣中的各種成分對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）。（二）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1.3