第二章電磁輻射與地物光譜特征

1、第二章第二章 電磁輻射與地物光譜特征電磁輻射與地物光譜特征 2.1 電磁波與電磁波譜 2.2 大氣層對(duì)電磁輻射的影響 2.3 地物光譜特征 2.1 電磁波譜與電磁輻射電磁波譜與電磁輻射 一、電磁波 二、電磁波譜 三、遙感應(yīng)用電磁波段 一、電磁波一、電磁波 1 1 概念：概念： 電磁波是交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)電磁波是交變電場(chǎng)和磁場(chǎng) 在空中的轉(zhuǎn)化和傳在空中的轉(zhuǎn)化和傳播播 2 2 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 電磁波是橫波，傳播速度為光速電磁波是橫波，傳播速度為光速 有反射、吸收、透射、散射等有反射、吸收、透射、散射等。 二、電磁波譜二、電磁波譜 按電磁波波長(zhǎng)的長(zhǎng)短（或頻率的大?。?，按電磁波波長(zhǎng)的長(zhǎng)短（或頻率的大小）， 依

2、次排列制成的圖表稱(chēng)電磁波譜。依次排列制成的圖表稱(chēng)電磁波譜。 三、遙感應(yīng)用電磁波段、遙感應(yīng)用電磁波段 紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、微波紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、微波 No Image 遙感應(yīng)用各電磁波波長(zhǎng)遙感應(yīng)用各電磁波波長(zhǎng) 紫外線紫外線 波長(zhǎng)范圍為0.01-0.4m。太陽(yáng)輻射含有紫外線， 通過(guò)大氣層時(shí)，波長(zhǎng)短于 0.3m的能量幾乎都被 吸收，只有0.3- 0.4m波長(zhǎng)到達(dá)地面。 主要用于測(cè)定碳酸鹽巖分布，碳酸鹽巖對(duì)紫外線 的反射比其它類(lèi)型的巖石要強(qiáng)。另外，紫外線對(duì) 水面飄浮的油膜比周?chē)乃娣瓷鋸?qiáng)烈，因此可 以用于油污染的監(jiān)測(cè)。 可見(jiàn)光可見(jiàn)光 波長(zhǎng)范圍從0.38-0.76m。它由紅、橙、黃、綠、 青

3、、藍(lán)、紫色光組成。人眼對(duì)可見(jiàn)光有敏銳的感 覺(jué)，不僅對(duì)可見(jiàn)光的全色光，而且對(duì)不同波段的 單色光，也都具有敏銳的分辨能力，所以可見(jiàn)光 是作為鑒別物質(zhì)特征的主要波段。 在遙感技術(shù)中是以光學(xué)攝影方式和掃描方式接收 和記錄地物對(duì)可見(jiàn)光的反射特征。 紅外線紅外線 波長(zhǎng)范圍為0.761000m 。 分為：近紅外（ 0.76-3.0 m ）、中紅外（3.0- 6.0m ）、遠(yuǎn)紅外（6.0-15.0m ）和超遠(yuǎn)紅外 （15 -1000 m ）。 近紅外在性質(zhì)上與可見(jiàn)光相似，所以又稱(chēng)為光紅外。 在遙感技術(shù)中采用攝影方式和掃描方式，接收和記 錄地物對(duì)太陽(yáng)輻射的光紅外反射。中紅外、遠(yuǎn)紅外 和超遠(yuǎn)紅外是產(chǎn)生熱感的原因，

4、所以又稱(chēng)為熱紅外。 微波微波 微波的波長(zhǎng)范圍1mm-lm。微波遙感是借助微波散 射現(xiàn)象來(lái)探測(cè)地物的性質(zhì)。 它的優(yōu)點(diǎn)主要有： （1 ）微波易于聚成較窄的發(fā)射波束 （2 ）微波近似直線傳播，不受電離層影響。 （3 ）地面目標(biāo)對(duì)微波散射性能好。 （4 ）受自然界中的電磁波干擾小。 （5 ）具有一定的穿透性。 2.2 2.2 大氣層對(duì)電磁輻射的影響大氣層對(duì)電磁輻射的影響 一、 太陽(yáng)輻射 二、 大氣層對(duì)電磁輻射的影響 三、 大氣窗口 一、太陽(yáng)輻射一、太陽(yáng)輻射 太陽(yáng)輻射是地球及大氣電磁輻射的能源，也是被 動(dòng)式遙感系統(tǒng)中主要的輻射源。 太陽(yáng)表面溫度約有6000 K。與5800K的理想黑體所 產(chǎn)生的光譜曲線很

5、相似。 太陽(yáng)輻射能主要集中在0.3-3.0m。 最大輻射強(qiáng)度位于波長(zhǎng)0.47m左右。 太陽(yáng)輻射總能量的46集中在0.4一0.76m間的 可見(jiàn)光波段。 二、大氣層對(duì)電磁輻射的影響二、大氣層對(duì)電磁輻射的影響 1 1 大氣層結(jié)構(gòu)大氣層結(jié)構(gòu) 在垂直方向上分： 對(duì)流層 平流層 電離層 大氣外層 對(duì)流層對(duì)流層 為大氣的底層，頂部平均位于12km 。高度每 增加1km ，溫度下降6.5 K ，氣象變化強(qiáng)，是 現(xiàn)代航空遙感主要活動(dòng)的區(qū)域。 在對(duì)流層內(nèi)，由于大氣層的吸收作用，使電 磁波傳播受到衰減。 平流層平流層 平流層頂部平均高度80km，層內(nèi)氣流比較穩(wěn)定， 沒(méi)有垂直對(duì)流。在25km以下氣溫一般保持恒溫約 為

6、-55C。在25-315km以上氣溫隨高度遞增（臭 氧吸收了太陽(yáng)紫外光），在該層內(nèi)電磁波的傳播 特性與對(duì)流層內(nèi)的傳播特性相似。 電離層電離層 頂部高度1000km，大氣十分稀薄，處于電離狀態(tài)。 氧原子和氨原子在分解和游離時(shí)吸收了多余的能 量，使氣溫升高，300km的高度氣溫可達(dá)600- 800C。 對(duì)可見(jiàn)光、紅外直至微波的影響較小，基本上是 透明的。它是人造地球衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的主要空 間層。 大氣外層大氣外層 該位于離地面1000km高度以上直至幾萬(wàn)公里， 該層空氣極為稀薄。并不斷向星際空間散逸。 該層對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行基本上沒(méi)有影響。 2 2 大氣成分大氣成分 由氣體、水蒸氣和懸浮的微?；旌辖M成。由

7、氣體、水蒸氣和懸浮的微?；旌辖M成。 氣體：氣體：N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4、O3。 懸浮微粒：懸浮微粒：塵埃、冰晶、鹽晶、水滴等，統(tǒng)稱(chēng)為 氣溶膠，形成霾、霧和云。 在80km以下的大氣中，除H2、O2、O3等少數(shù)可變 氣體外，各種氣體均勻混合，所占比例幾乎不變， 又為均勻?qū)?。在該層中大氣物質(zhì)與太陽(yáng)輻射相互 作用，是使太陽(yáng)輻射能衰減的主要原因。 3 3 大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的影響大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的影響 太陽(yáng)輻射在通過(guò)大氣層時(shí)，約有30被云層和其 它大氣成分反射回宇宙空間，約有17 被大氣吸 收，約有22被大氣散射，僅有31的太陽(yáng)輻射 直射到地面。 太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣的透射率（太陽(yáng)

8、輻射通過(guò)大氣的透射率（）為：）為： =e-(+)=e-(+) ：為大氣中氣體分子對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù) ：為大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射系數(shù) ：為路程長(zhǎng)度（即通過(guò)大氣的厚度） 1） 大氣的吸收作用大氣的吸收作用 太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，大氣層中H2O、O2、 CO2、O3對(duì)太陽(yáng)輻射產(chǎn)生選擇性吸收，由于各 種氣體對(duì)太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)吸收的特性不同，使 有些波段范圍通過(guò)大氣層到達(dá)地面，而另一 些波段則全部被吸收不能到達(dá)地面。因此， 造成了許多不同波段的大氣吸收帶。 氧（氧（O2）：）： 在波長(zhǎng)0.155m處吸收最強(qiáng)。在低層大氣內(nèi)幾乎 觀測(cè)不到小于0.2m的太陽(yáng)輻射，在0.69m 和.76m附近，各有一個(gè)窄吸收帶。

9、臭氧（臭氧（O3）：）： 對(duì)太陽(yáng)輻射能量吸收很強(qiáng)。 在0.2-0.36m 和 0.6m附近有兩個(gè)吸收帶，臭氧主要分布在30km 高度附近，因而對(duì)高度小于10km的航空遙感影響 不大，而對(duì)航天遙感則有影響。 水（水（H H2 2O O）：）： 它是吸收太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)。從可見(jiàn)光、紅 外直至微波波段，都有水汽的吸收帶。主要吸收帶 是處于紅外線和可見(jiàn)光中的紅光波段內(nèi)，其中紅外 部分吸收最強(qiáng)。在0.5-0.9m有四個(gè)窄吸收帶，在 0.95-2.85m有5個(gè)寬吸收此外，在6.25m附近有 一個(gè)強(qiáng)吸收帶。 二氧化碳（二氧化碳（COCO2 2）：）： 它的吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)。在1.35-2.85m

10、有3 個(gè)寬弱吸收帶。另外在2.7m、4.3m與14.5m為 強(qiáng)吸收帶。由于太陽(yáng)輻射在紅外區(qū)能量很少，這一 吸收帶可忽略不計(jì)。 塵埃： 它對(duì)太陽(yáng)輻射也有一定的吸收作用，但吸收量很少。 當(dāng)有沙暴、煙霧和火山爆發(fā)等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，大氣中 塵埃急劇增加，這時(shí)它的吸收作用才比較顯著。 2 2）大氣的散射作用）大氣的散射作用 大氣散射集中于可見(jiàn)光區(qū)，是太陽(yáng)輻射能衰減的 主要原因。散射的強(qiáng)弱可用散射系數(shù)表示： ?為波長(zhǎng)的指數(shù)，它由微粒直徑（d）的大小決定。 根據(jù)波長(zhǎng)與散射微粒的大小之間的關(guān)系，散射可 分為三種： 瑞利散射瑞利散射 當(dāng)大氣微粒的直徑（d）比輻射波長(zhǎng)（）小得多 時(shí)，即：當(dāng)d d/10/10時(shí)，?4，

11、發(fā)生的散射稱(chēng)瑞利 散射。 1/1/4 4 可見(jiàn)光對(duì)瑞利散射的影響較大。 常見(jiàn)雨過(guò)天睛后，晴朗天空呈碧藍(lán)色，大氣中的粗 粒物質(zhì)被雨水帶走，大氣中的氣體分子粒徑較小， 把波長(zhǎng)較短的藍(lán)光散射到天空中的緣故。 米氏散射米氏散射 當(dāng)大氣中微粒的直徑與輻射波長(zhǎng)相近時(shí)，即d， ?=2 ，發(fā)生的散射稱(chēng)為米氏散射。 =1/=1/2 2 它是由大氣中氣溶膠所引起的散射。云霧等懸浮 粒子的大小與0.76-15m的紅外線的波長(zhǎng)差不多， 因此，云、霧對(duì)紅外線的米氏散射是不可忽視的。 非選擇性散射非選擇性散射 當(dāng)微粒的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)，即d，?0， 1，所發(fā)生的散射稱(chēng)為非選擇性散射。 這種散射與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，即任何波長(zhǎng)散射

12、強(qiáng)度相同。 如大氣中的水滴、霧、煙、塵埃等氣溶膠對(duì)太陽(yáng) 輻射，常常會(huì)出現(xiàn)這種散射。 云或霧之所以看起來(lái)是白色，是因?yàn)樗鼘?duì)各種波 長(zhǎng)的電磁波的散射是一樣的。 三、大氣窗口三、大氣窗口 大氣層的反射、吸收和散射作用，削弱了太陽(yáng)輻 射的能量。把太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，反射、吸 收和散射比較低，即透射率高的波段范圍，稱(chēng)為 大氣窗口。 主要的大氣窗口： 0.3-1.3m： 包括部分紫外（0.3-0.38m）、可見(jiàn)光（0.4- 0.76m）和部分近紅外波段（0.76-1.3m）， 屬于地物的反射光譜。對(duì)電磁波的透射率達(dá)90%以 上?？梢圆捎脭z影方式、掃描方式成像，膠卷感 光的波譜區(qū)間在0.32-1.32m范

13、圍，超出這個(gè)波 譜范圍則不能采用攝影方式成像。 1.3-2.5m： 近紅外波段的中段。仍屬于地物反射光譜，但不 能用膠片攝影，僅能用光譜儀和掃描儀來(lái)記錄地 物的電磁波信息。透射率都接近80。 目前近紅外窗口應(yīng)用不多，但在某些波段對(duì)區(qū)分 蝕變巖石有較好的效果，因此在遙感地質(zhì)應(yīng)用方 面很有潛力。TM設(shè)有1.55-1.75m和2.08- 2.35m兩個(gè)波段。 3.5-4.2m： 中紅外波段。包括地物反射光譜、發(fā)射光譜，屬 于混合光譜范圍。中紅外窗口應(yīng)用很少，目前多 用于航空多光譜掃描方式成象。 8-14m： 遠(yuǎn)紅外波段，熱輻射光譜。透射率約為6070。 是地物在常溫下熱輻射能量最集中的波段，在遙 感

14、地質(zhì)、環(huán)境遙感中應(yīng)用較多。利用掃描儀和熱 輻射計(jì)來(lái)獲得地物發(fā)射的電磁波信息。 0.8-25cm： 微波窗口，屬于發(fā)射光譜范圍。不受大氣干擾， 透射率可達(dá)100，是全天候的遙感波段。 2.3 地物光譜特征地物光譜特征 地物的光譜特性是遙感技術(shù)的重要理論依據(jù)，它 既為傳感器工作波段的選擇提供依據(jù)，又是遙感 數(shù)據(jù)正確分析和判讀的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也可作為 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理和分類(lèi)時(shí)的參考標(biāo) 準(zhǔn)。 一、一、 地物的反射光譜特征地物的反射光譜特征 二、二、 地物的發(fā)射光譜特征地物的發(fā)射光譜特征 一、地物反射光譜特征一、地物反射光譜特征 輻射能量入射到任何地物表面上，一部分被反射； 一部分被吸收，還有

15、一部分透射穿過(guò)地物。根據(jù) 能量守恒定律可得： P=P+P+P P總能量；P反射能量；P吸收能量；P透射能量。 除以P，則有： +=1 、分別為反射率、吸收率、透射率 1 地物反射率地物反射率 不同地物對(duì)入射光的反射能力是不一樣的，通常采用反射 率（或反射系數(shù)）來(lái)表示。反射率等于地物的反射能量與 入射的總能量的比值，通常用百分?jǐn)?shù)表示。 = P/P* 100% 2 2 地物反射光譜特征地物反射光譜特征 地物反射率與入射光波波長(zhǎng)密切相關(guān)，地物反射率是入射 電磁波波長(zhǎng)的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱(chēng)之為地物反射光譜特 征?？梢杂们€表示，稱(chēng)之為地物反射光譜曲線。 植被的光譜特征植被的光譜特征 土壤光譜特征土壤光

16、譜特征 水體光譜特征水體光譜特征 巖石光譜特征巖石光譜特征 不同地物，反射率不同。 同一物質(zhì)，不同存在形態(tài)，反射率不同。 同一類(lèi)地物，反射光譜曲線相似，但又存在差異。 反射率與影像色調(diào)：反射率高，色調(diào)淺。 3 3 影響反射率的因素影響反射率的因素 表面的粗糙程度； 表面的風(fēng)化程度； 含水性； 光照度；陰坡、陽(yáng)坡； 植被發(fā)育程度。 二、二、 地物的發(fā)射光譜特征地物的發(fā)射光譜特征 任何地物當(dāng)溫度高于絕對(duì)溫度0度時(shí)，就存在著分 子熱運(yùn)動(dòng)，都向周?chē)臻g輻射能量。地物發(fā)射電 磁波的能力是以發(fā)射率作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，而地物的 發(fā)射率又是以黑體輻射作為基準(zhǔn)。 輻射輻射： 電磁波在空間中的傳播叫做電磁輻射，簡(jiǎn)稱(chēng)輻射

17、。 分為入射、發(fā)射、反射、透射、散射、吸收。 輻射源輻射源：任何物體都是輻射源，不僅能夠吸收其它物體對(duì)它的輻 射，也能夠向外輻射。 輻射通量（輻射通量（ ）：）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的輻射能量， =dW/dt，單位為W（瓦）。 輻射通量密度（輻射通量密度（E E）：）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的輻射能量， E= d /ds，單位為W/m2。 輻照度（輻照度（I I）：）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量， I= d /ds 輻射出射度（輻射出射度（M M）：）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量， M= d /ds。 輻照度與輻射出射度都是輻射通量密度的概念，但I(xiàn)為物體 接收的輻射，M是物

18、體發(fā)出的輻射，都與波長(zhǎng)有關(guān)。 黑體：黑體： 絕對(duì)黑體，指能夠?qū)⑼鈦?lái)輻射能量全部吸收的物體。 發(fā)射率：發(fā)射率：地物單位面積上發(fā)射（輻射）能量M與同一溫度下同 面積黑體發(fā)射能量M黑之比值。即：=M/M黑 反射率：反射率：地物的反射能量與入射總能量之比。 透射率：透射率：地物的透射度與其表面的輻照度之比。 吸收率：吸收率：地物的吸收度與其表面的輻照度之比。 一、熱輻射基本定律一、熱輻射基本定律 任何地物當(dāng)溫度高于絕對(duì)溫度0K時(shí)，就存在著分子運(yùn) 動(dòng)，不斷地向外發(fā)射電磁波。實(shí)際上，世界上任何物體的 溫度都高于0K（0K=273.15）。所以，任何物體都有 熱輻射。 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)

19、準(zhǔn)；地物 的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。 物體根據(jù)吸收率的大小分為：黑體、灰體、選擇性輻射體。 黑體：黑體：其=1，不隨波長(zhǎng)變化。 灰體：灰體：其 =常數(shù)1(因而吸收率1，不隨波 長(zhǎng)變化。 選擇性輻射體：選擇性輻射體：其隨波長(zhǎng)而變化，而且 1（因 而吸收率a也隨波長(zhǎng)變化，并且a1。 1 1 普朗克定律：普朗克定律： 黑體輻射能量是溫度的函數(shù)： W：為單位面積單位時(shí)間單位波長(zhǎng)區(qū)間輻射能量， h：為普朗克常數(shù)=（662560.0005）； K：為玻爾茲曼常數(shù)=（1.38054土0.00018）； e：為自然對(duì)數(shù)的底= 2.718； C為光速；為波長(zhǎng)；T為絕對(duì)溫度； 為波長(zhǎng) T為絕對(duì)溫度 不同溫度下的黑體光譜曲線： 不同溫度下，有不同的發(fā)射光譜； 輻射能量隨波長(zhǎng)連續(xù)變化