電磁波譜與物體波譜特性

1、電磁波譜與物體波譜特性第二章第二章 遙感電磁輻射基礎(chǔ)遙感電磁輻射基礎(chǔ)1 電磁波譜與黑體輻射2 太陽(yáng)輻射與地球輻射地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響物體的反射波譜特性2第一節(jié)第一節(jié) 電磁波譜與黑體輻射電磁波譜與黑體輻射1.1 電磁波電磁波波：波：是振動(dòng)在空間的傳播。如聲波、水波、地震波等。 電磁波電磁波：電磁場(chǎng)在空間以一定速度的傳播。也稱電磁輻射。18871887年由赫茲試驗(yàn)證實(shí)年由赫茲試驗(yàn)證實(shí)31.1 電磁波電磁波41.在真空中以光速傳播 c = f 2. 反射、吸收、透射現(xiàn)象 3. 散射4. 偏振1.2 1.2 電磁波的性質(zhì)電磁波的性質(zhì)5電磁波與物體相互作用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)三種情況：反射電磁波與物體相互

2、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。、吸收、透射，遵守能量守恒定律。如果是不透明的物體如果是不透明的物體,物體的反射率大，發(fā)射率就??；物體的反射率大，發(fā)射率就?。环粗?，反射率小，發(fā)射率就大。反之，反射率小，發(fā)射率就大。6電磁輻射的反射電磁輻射的反射反射：電磁輻射與物體作用后產(chǎn)生的次級(jí)波返回原來(lái)的介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱反射。該次反射：電磁輻射與物體作用后產(chǎn)生的次級(jí)波返回原來(lái)的介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱反射。該次級(jí)波便稱之為反射波（輻射）。級(jí)波便稱之為反射波（輻射）。反射率：物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比。反射率：物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比。在入射角相同時(shí)，不同物體，由

3、于其性質(zhì)和結(jié)構(gòu)在入射角相同時(shí)，不同物體，由于其性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不同，其反射率也不同，這種差別是遙感技術(shù)中不同，其反射率也不同，這種差別是遙感技術(shù)中用于區(qū)分不同物體的依據(jù)。用于區(qū)分不同物體的依據(jù)。7物體反射分類物體反射分類根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：1）鏡面反射2）漫反射（朗伯反射）4）方向反射3）混合反射自然物體對(duì)電磁輻射都是混合反射，但是，某一方向自然物體對(duì)電磁輻射都是混合反射，但是，某一方向，反射波要強(qiáng)一些，這種現(xiàn)象稱方向反射。，反射波要強(qiáng)一些，這種現(xiàn)象稱方向反射。判斷物體光滑或粗糙程度的瑞利準(zhǔn)則：判斷物體光滑或粗糙程度的瑞利準(zhǔn)則：8反射分類圖示(a) 鏡面反射(b) 漫反射（朗伯反射）(

4、c) 方向反射(d) 混合反射9 電磁輻射的透射電磁輻射的透射透射：電磁輻射與介質(zhì)作用后，穿過(guò)該介質(zhì)到達(dá)另一種介質(zhì)透射：電磁輻射與介質(zhì)作用后，穿過(guò)該介質(zhì)到達(dá)另一種介質(zhì)的現(xiàn)象或過(guò)程。的現(xiàn)象或過(guò)程。透射率透射率( )： 透射能量與入射總能量之比。透射能量與入射總能量之比。 1 1）水體在藍(lán)綠波段，混水）水體在藍(lán)綠波段，混水1-21-2米，一般水體米，一般水體10- 2010- 20米。米。 2 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。）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。10散射 散射：輻射傳播中，碰到小粒子向四面八方散去，電磁波強(qiáng)度和方向發(fā)生各種變化的現(xiàn)象。 比如說(shuō)晚

5、上在外面打開(kāi)手電會(huì)看見(jiàn)光柱，按理說(shuō)手電不對(duì)著你的眼睛，光線不會(huì)自己拐彎鉆進(jìn)你的眼睛，那你怎么會(huì)看見(jiàn)光柱呢？那是因?yàn)槭蛛姽獗恍m埃阻擋并反射到四面八方，一部分反射到你的眼睛里。 11電磁波的偏振（極化）電磁波的偏振（極化）電磁破的偏振電磁破的偏振: :如果電磁波在各方向上振幅大小不相同如果電磁波在各方向上振幅大小不相同, ,且各方向振動(dòng)之間沒(méi)有固定位相關(guān)且各方向振動(dòng)之間沒(méi)有固定位相關(guān)系系, ,極大值與極小值之間的夾角為極大值與極小值之間的夾角為9090，則稱該波發(fā)生了偏振現(xiàn)象。偏振攝影、側(cè)視雷達(dá)，則稱該波發(fā)生了偏振現(xiàn)象。偏振攝影、側(cè)視雷達(dá)成像接收的完全是偏振波。立體鏡遙感影像立體觀察成像接收的完

6、全是偏振波。立體鏡遙感影像立體觀察非偏振光，偏振光，部分偏振：非偏振光，偏振光，部分偏振：121.3 電磁波譜電磁波譜定義：按照電磁波的波長(zhǎng)（頻率的大?。╅L(zhǎng)短，依次排列成的圖表，稱為電磁波譜電磁波譜。 13Gamma? 射線X 射線紫外線可見(jiàn)光可見(jiàn)光紅外線微 波無(wú)線波紫藍(lán)綠黃紅頻率波長(zhǎng)1415可見(jiàn)光可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍大約為400nm(紫色)700nm(紅色)，可見(jiàn)光譜中的各種顏色成分大致屬于如下的波長(zhǎng)區(qū)間： 紅：620760nm 橙：590620nm 黃：560590nm 綠：500560nm 青：470500nm 藍(lán)：430470nm 紫：380430nm 16紅外波段波長(zhǎng)范圍0.761000m

7、，遙感所用波段如下：近紅外又稱為反射紅外，為地球表面反射的太陽(yáng)輻射中主要的紅外成分。 0.71.4m為攝影紅外。中紅外和遠(yuǎn)紅外也稱為熱紅外。 近紅外： 0.73 m中紅外： 38 m 遠(yuǎn)紅外： 815 m17微波微波 波長(zhǎng)范圍1mm到1m，可進(jìn)一步劃分為若干不同頻率(波長(zhǎng))的波段：(1GHz=109Hz)微波能夠穿透云和霧，可用于全天候成像。微波能夠穿透云和霧，可用于全天候成像。18各種電磁波的特點(diǎn)191.3 電磁波譜電磁波譜不同點(diǎn)：不同點(diǎn)：l傳播的方向性、l穿透性、l可見(jiàn)性、l顏色不同。共性：共性：l傳播速度相同l遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律l都是橫波，遵循橫波的一切特性20電

8、磁波的度量電磁波的度量l輻射能量（輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位）：電磁輻射的能量，單位：Jl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，）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的輻射能量，=Dw/dt，單位是，單位是wl輻射通量密度（輻射通量密度（E）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積上的輻射能量，）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積上的輻射能量，E=d /ds，單位：，單位：w/m2，S為面積為面積l輻照度（輻照度（I）：被輻射物體表面單位面積上的輻射通量，）：被輻射物體表面單位面積上的輻射通量，I=E=d /ds，單位：，單位：w/m2，S為面積為面積l輻射出射度（輻射出射度（M ）：輻射源物體表面單位面

9、積上的輻射通量，）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，M=E=d /ds，單位：，單位：w/m2，S為面積為面積l輻射亮度（輻射亮度（L）：面狀輻射源在某一方向，單位）：面狀輻射源在某一方向，單位投影表面，單位立體角內(nèi)輻射通量，即投影表面，單位立體角內(nèi)輻射通量，即單位：?jiǎn)挝唬簑/srm2A21一、黑體輻射一、黑體輻射黑體：黑體：對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射，反射率和透射率都等于0。黑體是一種理想的吸收體和輻射發(fā)射體理想的吸收體和輻射發(fā)射體，自然界沒(méi)有真正的黑體。 人工制造的接近黑體的吸收體人工制造的接近黑體的吸收體1.4 黑體輻射和實(shí)際物體輻射黑體輻射和實(shí)際物體輻射黑體的輻射通量密度按波長(zhǎng)的分布是穩(wěn)定的

10、，僅與溫度有關(guān)，與黑體的材料和性質(zhì)無(wú)關(guān)。吸收率吸收率1反射率反射率0透射率透射率0發(fā)射率發(fā)射率122a 普朗克定律普朗克定律b 斯忒藩玻爾茲曼定律斯忒藩玻爾茲曼定律c 維恩位移定律維恩位移定律（Stephen Boltzmann Law）（Wiens Displacement Law）二、二、 黑體輻射的定律黑體輻射的定律23描述黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)分布的關(guān)系。描述黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)分布的關(guān)系。普朗克定律普朗克定律h: 普朗克常數(shù), 6.6260755*10-34 Ws2k: 玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380658*10-23 WsK-1 c: 光速; : 波長(zhǎng)（m）; T: 絕

11、對(duì)溫度（K） 24變化特點(diǎn)：變化特點(diǎn)：(1) 輻射出射度隨波長(zhǎng)連輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，只有一個(gè)最大續(xù)變化，只有一個(gè)最大值；值；(2) 溫度越高，輻射出射溫度越高，輻射出射度越大，不同溫度的曲線度越大，不同溫度的曲線不相交；不相交；(3) 隨溫度升高，輻射最大隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動(dòng)。值向短波方向移動(dòng)。25斯蒂芬玻爾茲曼定律斯蒂芬玻爾茲曼定律 對(duì)普朗克公式在全波段內(nèi)積分，得到斯蒂芬玻爾茲曼對(duì)普朗克公式在全波段內(nèi)積分，得到斯蒂芬玻爾茲曼定律。定律。 輻射通量密度隨溫度增加而迅速增加，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次方成正次方成正比。比。: 斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，

12、斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，5.6691012 Wcm-2K-4 紅外裝置測(cè)試溫度的理論根據(jù)。紅外裝置測(cè)試溫度的理論根據(jù)。26維恩位移定律維恩位移定律b : 常數(shù)，2897.8 m K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。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。常溫常溫（如人體300K左右，發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng)9.66m ）針對(duì)要探測(cè)的目標(biāo)，選擇最佳的遙感波段和傳感器。針對(duì)要探測(cè)的目標(biāo)，選擇最佳的遙感波段和傳感器。微分普朗克公式，并求極值，得到：微分普朗克公式，并求極值，得到：27三、三、 一般物體的發(fā)射一般物體的發(fā)射對(duì)于一般物體而言，發(fā)射率（熱輻射率、比輻射率），表明物體的

13、發(fā)射對(duì)于一般物體而言，發(fā)射率（熱輻射率、比輻射率），表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。本領(lǐng)。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。1）黑體2）灰體3）選擇性輻射體 (如線譜，帶譜)1.0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(zhǎng)有關(guān)。按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，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(zhǎng)有關(guān)。按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，輻射源可以分為：輻射源可以分為：28三、一般物體的發(fā)射三、一般物體的發(fā)射29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W與吸收率之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。發(fā)射率等

14、于吸收率。好的吸收體也是好的發(fā)射發(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(zhǎng)的電磁波，也不發(fā)射體，如果不吸收某些波長(zhǎng)的電磁波，也不發(fā)射該波長(zhǎng)的電磁波。該波長(zhǎng)的電磁波。30第二節(jié)第二節(jié) 太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射 和地球輻射和地球輻射2.1 太陽(yáng)輻射2.2 地球輻射312.1 太陽(yáng)輻射 遙感輻射源遙感輻射源：能夠產(chǎn)生電磁輻射的物體。 分類分類： 人工輻射源：雷達(dá)（人工輻射源：雷達(dá)（被動(dòng)遙感被動(dòng)遙感） 天然輻射源：太陽(yáng)、地球天然輻射源：太陽(yáng)、地球（主動(dòng)遙感（主動(dòng)遙感）32太陽(yáng)太陽(yáng)太陽(yáng)太陽(yáng)大氣大氣 位置位置 溫度溫度 厚度厚度 輻射特點(diǎn)輻射特點(diǎn) 輻射的光譜輻射的光譜 光球?qū)庸馇驅(qū)?內(nèi)內(nèi)430

15、0-7500500km 連續(xù)輻射連續(xù)輻射 可見(jiàn)光和紅外可見(jiàn)光和紅外 色球?qū)由驅(qū)?中中四五千度升高四五千度升高到幾萬(wàn)度到幾萬(wàn)度 7000-8000km 線狀輻射線狀輻射無(wú)線厘米波無(wú)線厘米波 日冕層日冕層 外外100萬(wàn)以上萬(wàn)以上 形狀多變，厚形狀多變，厚度不定，一般度不定，一般太陽(yáng)直徑的太陽(yáng)直徑的幾幾倍到十幾倍倍到十幾倍連續(xù)輻射連續(xù)輻射米波米波 2.1 太陽(yáng)輻射33太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽(yáng)一個(gè)天文單位（約太陽(yáng)常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽(yáng)一個(gè)天文單位（約 15,000萬(wàn)公里萬(wàn)公里 ）的區(qū)域內(nèi)）的區(qū)域內(nèi)，垂直于太陽(yáng)輻射方向的單位面積、單位時(shí)間的黑體所接收的輻射能量。垂直于

16、太陽(yáng)輻射方向的單位面積、單位時(shí)間的黑體所接收的輻射能量。（1.95W/cm2 min）在世紀(jì)時(shí)標(biāo)內(nèi)，變化小于百分之一，只有千分之一和二的水平。在世紀(jì)時(shí)標(biāo)內(nèi)，變化小于百分之一，只有千分之一和二的水平。 在近日點(diǎn)垂直于大氣上界的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度比太陽(yáng)常數(shù)大在近日點(diǎn)垂直于大氣上界的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度比太陽(yáng)常數(shù)大3.43.4；而在遠(yuǎn)日點(diǎn)則比；而在遠(yuǎn)日點(diǎn)則比太陽(yáng)常數(shù)小太陽(yáng)常數(shù)小3.53.5。 太陽(yáng)輻照度與太陽(yáng)高度角有關(guān)太陽(yáng)輻照度與太陽(yáng)高度角有關(guān)34太陽(yáng)輻射及其能量分布太陽(yáng)輻射及其能量分布1）5900K的黑體輻射。的黑體輻射。 2）短波輻射（）短波輻射（太陽(yáng)輻射總能量的太陽(yáng)輻射總能量的40集中于集中于0.40.76

17、um的可見(jiàn)光的可見(jiàn)光范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，um近紅外部分近紅外部分 3536CO2H2OO3Theoretical Planck curves:Earth 300K, peak emission 15 m mm地球輻射372.5638地球輻射的分段特性地球輻射的分段特性 微米波段微米波段(主要在可見(jiàn)光與近紅外波段主要在可見(jiàn)光與近紅外波段)，地表以反射，地表以反射太陽(yáng)輻射為主，地球自身的輻射可忽略。太陽(yáng)輻射為主，地球自身的輻射可忽略。 微米波段微米波段(主要在中紅外波段主要在中紅外波段)，地表以反射太陽(yáng)輻射和，地表以反射太陽(yáng)輻射和地球自身的熱輻射，均為被動(dòng)遙感的輻射源。地球自身的熱輻射，均為被動(dòng)遙感的

18、輻射源。 6.0微米以上的熱紅外波段，地球自身的熱輻射，地表反微米以上的熱紅外波段，地球自身的熱輻射，地表反射太陽(yáng)輻射可忽略。射太陽(yáng)輻射可忽略。39人工輻射源人工輻射源 人為發(fā)射具有一定波長(zhǎng)的波束，接收地物回射、反射人為發(fā)射具有一定波長(zhǎng)的波束，接收地物回射、反射的信號(hào)，從而探知地物和物距的信號(hào)，從而探知地物和物距 微波輻射源微波輻射源0.8-30cm：具有全天時(shí)、全天候探測(cè)能力；：具有全天時(shí)、全天候探測(cè)能力；對(duì)某些物質(zhì)具有穿透能力；某些物質(zhì)在微波波段性質(zhì)對(duì)某些物質(zhì)具有穿透能力；某些物質(zhì)在微波波段性質(zhì)差異很大。差異很大。 用于主動(dòng)式遙感（雷達(dá)探測(cè)）用于主動(dòng)式遙感（雷達(dá)探測(cè)）40第三節(jié) 大氣對(duì)太陽(yáng)

19、輻射的影響 3.1 大氣分層與組成 3.2 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減413.1.1 大氣垂直分層大氣垂直分層電離層：電離層：距地面距地面85km直到幾百千米的范圍均為熱電離層直到幾百千米的范圍均為熱電離層，其溫度范圍為，其溫度范圍為500K到到2000K。在電離層中，空氣以稀薄。在電離層中，空氣以稀薄的等離子體的形式存在。無(wú)線電波發(fā)生全反射現(xiàn)象。的等離子體的形式存在。無(wú)線電波發(fā)生全反射現(xiàn)象。平流層：平流層：在平流層最下面直到在平流層最下面直到20km的高度之內(nèi)，溫的高度之內(nèi)，溫度幾乎為常數(shù)，在其之上直到大約度幾乎為常數(shù)，在其之上直到大約50km高度的范圍之高度的范圍之內(nèi)，溫度隨高度的增加而增加。臭

20、氧主要存在于平流層內(nèi)，溫度隨高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流層之中。之中。對(duì)流層：對(duì)流層：厚約為厚約為10km，其特點(diǎn)為溫度隨高度的，其特點(diǎn)為溫度隨高度的增加而降低，增加而降低，1000m-6.5C。所有天氣活動(dòng)均發(fā)生在對(duì)。所有天氣活動(dòng)均發(fā)生在對(duì)流層層中。在大氣層接近地球表面大約流層層中。在大氣層接近地球表面大約2km的厚度，的厚度，存在著一層氣溶膠粒子，氣溶膠的濃度隨高度的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。增加呈指數(shù)衰減。42大氣成分組成大氣成分組成：在大氣層：在大氣層中這些氣體的濃度中這些氣體的濃度幾乎是保持恒定不幾乎是保持恒定不變的。變的。氮(N2)：78.0

21、84%氧(O2)：20.948% 氬(Ar)：0.934% 二氧化碳(CO2)：0.033% 其他惰性氣體(Ne, He, Kr, Xe) 氫(H2) 甲烷(CH4) 一氧化二氮(N2O) 一氧化碳(CO) 其濃度可以其濃度可以隨空間和時(shí)間發(fā)隨空間和時(shí)間發(fā)生很大的變化。生很大的變化。水蒸汽(H2O) 臭氧(O3) 二氧化硫(SO2) 二氧化氮(NO2) 氨(NH3) 一氧化氮(NO) 硫化氫(H2S) 硝酸蒸汽(HNO3) 如如煙霧、水滴和冰晶煙霧、水滴和冰晶體，這些粒子可以體，這些粒子可以聚集在一起形成云聚集在一起形成云和霾。和霾。43太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣的路程太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣的路程： 太陽(yáng)高度

22、角 大氣折射大氣反射大氣反射大氣吸收大氣吸收大氣散射大氣散射大氣透射3.2 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響443.2.1 折射現(xiàn)象 電磁波穿過(guò)大氣時(shí)，會(huì)發(fā)生傳播方向的改變，即折射現(xiàn)象。 大氣密度越大，折射率越大， 太陽(yáng)接近地平線時(shí)，折射值最大453.2.2 大氣的反射 主要是大氣中的云層，大的塵埃。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(qiáng)。 波段不同其影響不同波段不同其影響不同反射強(qiáng)度隨云狀、云厚而不同，高云反射率約為25%，中云為50%，低云為65%，云層愈厚反射愈強(qiáng)，一般情況下云的平均反射率為5055%。大氣反射有助于削弱太陽(yáng)輻射，尤其能減少紫外線對(duì)人體的灼

23、傷。46云473.2.3 大氣吸收大氣吸收電磁輻射的吸收：電磁輻射與物體作用后。轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能。電磁輻射的吸收：電磁輻射與物體作用后。轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能。大氣吸收電磁輻射的主要物質(zhì)是大氣吸收電磁輻射的主要物質(zhì)是水、二氧化碳和臭氧水、二氧化碳和臭氧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(jiàn)光、紅外直至微波，都有水水汽吸收電磁輻射的波段范圍較寬，從可見(jiàn)光、紅外直至微波，都有水汽的吸收帶。液態(tài)水的吸收更強(qiáng)，主要在長(zhǎng)波方向。汽的吸收帶。液態(tài)水的吸收更強(qiáng)，主要在長(zhǎng)波方向。2）二氧化碳）二氧化碳 主要在紅外區(qū)。主要在紅外區(qū)。1.351.352.85um 2.

24、85um 之間有之間有3 3個(gè)弱吸收帶，個(gè)弱吸收帶，2.72.7，4.34.3， 14.5 um 14.5 um 為強(qiáng)為強(qiáng)吸收帶。吸收帶。3）臭氧 紫外線紫外線4）氧氣主要吸收波長(zhǎng)小于氧氣主要吸收波長(zhǎng)小于0.2um0.2um的的5 5） 塵埃吸收作用很少。塵埃吸收作用很少。 483.2.3 大氣吸收大氣吸收493.2.4 散射作用散射作用散射散射:電磁輻射與結(jié)構(gòu)不均勻的物體作用電磁輻射與結(jié)構(gòu)不均勻的物體作用后后,向各個(gè)方向傳播的現(xiàn)象。向各個(gè)方向傳播的現(xiàn)象。它是反射、折射、衍射的綜合反映。它是反射、折射、衍射的綜合反映。主要發(fā)生在可見(jiàn)光波段。主要發(fā)生在可見(jiàn)光波段。太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，受到大氣中

25、氣體分太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，受到大氣中氣體分子的散射和大氣中固體、微粒、液體的散射子的散射和大氣中固體、微粒、液體的散射。50主動(dòng)遙感與被動(dòng)遙感主動(dòng)傳感器云層后向回波微波云層直接輻射折射散 射大氣吸收反射回來(lái)的波近紅外可見(jiàn)光熱輻射波 熱紅外被動(dòng)傳感器51散射的種類散射的種類521 1 瑞利（瑞利（Rayleigh） 散射散射質(zhì)點(diǎn)的直徑質(zhì)點(diǎn)的直徑 d (電磁波波長(zhǎng)電磁波波長(zhǎng)) )時(shí)，時(shí)，一般認(rèn)為（一般認(rèn)為（d /10d ）, 散射率與波長(zhǎng)散射率與波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系沒(méi)有關(guān)系 人看到的云和霧是白色的，就是非選擇性散射的結(jié)果人看到的云和霧是白色的，就是非選擇性散射的結(jié)果 57太陽(yáng)輻射經(jīng)大氣衰減圖太陽(yáng)輻射經(jīng)大

26、氣衰減圖3.2.5 大氣窗口大氣窗口583.2.5 大氣窗口大氣窗口大氣窗口：電磁波在大氣中傳輸過(guò)程中吸收和散射很小，透射大氣窗口：電磁波在大氣中傳輸過(guò)程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。率很高的波段。 要獲得地面的信息，必須在大氣要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。窗口中選擇遙感波段。 59常用大氣窗口常用大氣窗口1）0.31.4um： 包括全部可見(jiàn)光（包括全部可見(jiàn)光（95），部分紫外光（），部分紫外光（70），部分近紅外），部分近紅外光（光（80）。攝影和掃描成像的方式在白天感測(cè)和記錄目標(biāo)反射電磁波輻射信息）。攝影和掃描成像的方式在白天感測(cè)和記錄目標(biāo)反射電磁波輻射信息。2）1

27、.42.5um：近紅外窗口，：近紅外窗口，6095，掃描成像，白天夜間都可用掃描成像，白天夜間都可用, , 記記錄目標(biāo)反射、發(fā)射電磁波輻射信息錄目標(biāo)反射、發(fā)射電磁波輻射信息. .3）3.55.5um：中紅外窗口，：中紅外窗口，6070，白天夜間，掃描成像記錄，白天夜間，掃描成像記錄，包含地物反射及發(fā)射光譜，用來(lái)探測(cè)高溫目標(biāo)。包含地物反射及發(fā)射光譜，用來(lái)探測(cè)高溫目標(biāo)。 4）814 um：熱紅外窗口，超過(guò)：熱紅外窗口，超過(guò)80，白天夜間，掃描記錄，探測(cè)的信息主白天夜間，掃描記錄，探測(cè)的信息主要反映地物的發(fā)射率及溫度要反映地物的發(fā)射率及溫度 。5）1.4300mm：微波窗口，白天夜間，掃描記錄。：微

28、波窗口，白天夜間，掃描記錄。 60大氣窗口 61其中，其中， ：太陽(yáng)輻射通過(guò)的大氣路程，與太陽(yáng)高度角有關(guān)：太陽(yáng)輻射通過(guò)的大氣路程，與太陽(yáng)高度角有關(guān)：衰減因子，：衰減因子，：大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率和散射率，是電磁波波長(zhǎng)（頻率）的函數(shù)。：大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率和散射率，是電磁波波長(zhǎng)（頻率）的函數(shù)。 3.2.6 大氣透射大氣透射反射反射吸收吸收散射散射太陽(yáng)輻射衰減的原因：太陽(yáng)輻射衰減的原因：透射率透射率( ):62第四節(jié) 地面物體反射波譜概念：概念：物體波譜（地物光譜）物體波譜（地物光譜）:各種物體具有的電磁波特各種物體具有的電磁波特性（反射率、發(fā)射率、透射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律性（反射率、發(fā)射率、透射

29、率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律）。）。意義：意義： 設(shè)計(jì)遙感器；設(shè)計(jì)遙感器； 圖象判讀和分析的基礎(chǔ)。圖象判讀和分析的基礎(chǔ)。舉例舉例 美國(guó)的地物波譜研究美國(guó)的地物波譜研究 ， 中國(guó)的地物波譜研究，中國(guó)的地物波譜研究，634.1 物體發(fā)射波譜4.2 物體的反射波譜4.3 地物波譜的測(cè)量第四節(jié) 地面物體反射波譜644.1 物體發(fā)射波譜物體發(fā)射波譜物體的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，稱為地物的發(fā)射波譜。物體發(fā)射物體的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，稱為地物的發(fā)射波譜。物體發(fā)射率的不同是紅外遙感技術(shù)的重要依據(jù)。率的不同是紅外遙感技術(shù)的重要依據(jù)。654. 2 物體的反射波譜物體的反射波譜反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波

30、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)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)所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線。所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線。 物體的反射波譜限于紫外、可見(jiàn)光和近紅外，尤其物體的反射波譜限于紫外、可見(jiàn)光和近紅外，尤其是后兩個(gè)波段。是后兩個(gè)波段。物體的反射波譜受物體的組成成分、結(jié)構(gòu)、表面狀物體的反射波譜受物體的組成成分、結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)以及物體所處環(huán)境的控制和影響。態(tài)以及物體所處環(huán)境的控制和影響。 66反射波譜 正因?yàn)椴煌匚镌诓煌ǘ斡胁煌姆瓷渎蔬@一特性，物體的反射波譜特性曲線才作為判讀和分類的物理基礎(chǔ)，

31、廣泛地應(yīng)用于遙感影像的分析和評(píng)價(jià)中。 01020304050607002468101214波長(zhǎng)（um）反射率光滑紅瓦煤灰風(fēng)化紅瓦瀝青石子混凝土銅白色橡膠覆蓋鋼67水體植被土壤建筑684. 2 常見(jiàn)物體的反射波譜曲線常見(jiàn)物體的反射波譜曲線691) 白橡樹(shù)不同生長(zhǎng)期的反射光譜曲線白橡樹(shù)不同生長(zhǎng)期的反射光譜曲線70綠色植物反射波譜曲線綠色植物反射波譜曲線 植物波譜在基本特征下仍有細(xì)部差別，這種差別與植物種類、季節(jié)植物波譜在基本特征下仍有細(xì)部差別，這種差別與植物種類、季節(jié)、病蟲(chóng)害影響、含水量多少有關(guān)系。、病蟲(chóng)害影響、含水量多少有關(guān)系。 71綠色植被的反射波譜曲線可見(jiàn)光（可見(jiàn)光（ 0.40.76 m）綠

32、光處有一小反射峰，兩側(cè)）綠光處有一小反射峰，兩側(cè) 0.45m 藍(lán)和藍(lán)和 0.67 m紅是兩個(gè)吸收帶，所以葉片呈現(xiàn)綠色。紅是兩個(gè)吸收帶，所以葉片呈現(xiàn)綠色。 近紅外波段（近紅外波段（ 0.70.8m）紅外反射率急劇上升，在）紅外反射率急劇上升，在 0.8微米達(dá)到微米達(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（頂峰，這區(qū)間反射率曲線很陡峻，幾乎為近垂直的直線（ 植被紅外植被紅外陡坡效應(yīng)陡坡效應(yīng) ），是植被獨(dú)有的特征。），是植被獨(dú)有的特征。 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(tái)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(tái) (紅外平紅外平臺(tái)）臺(tái)） 中紅外波段（中紅外波段（

33、1.32.5m ） 受到含水量的影響，以受到含水量的影響，以 1.45m、 1.95m、 2.7m為中心是水的吸收帶，形成低為中心是水的吸收帶，形成低 谷。谷。722) 不同健康狀態(tài)松樹(shù)的反射光譜曲線不同健康狀態(tài)松樹(shù)的反射光譜曲線733) 不同植被的反射光譜曲線不同植被的反射光譜曲線74水體的反射波譜特性曲線 水體的光譜反射特性 藍(lán)、綠波段為反射帶 近、中紅外波段為完全吸收帶75植被和水體的反射波譜特性曲線比較近紅外波段紅波段綠波段76渾水反射波譜渾水反射波譜 水含有泥沙，泥沙散射使渾水在可見(jiàn)光波水含有泥沙，泥沙散射使渾水在可見(jiàn)光波段反射率增加，在影像上通常呈現(xiàn)出黃綠段反射率增加，在影像上通常

34、呈現(xiàn)出黃綠色。色。 反射率增加的程度隨懸浮物的濃度和粒徑反射率增加的程度隨懸浮物的濃度和粒徑而增加而增加 含沙量增高，最高反射率自黃綠光含沙量增高，最高反射率自黃綠光向紅光和近紅外光移動(dòng)。向紅光和近紅外光移動(dòng)。 水含有葉綠素時(shí)，近紅外部分抬升，在影水含有葉綠素時(shí)，近紅外部分抬升，在影像上像上 通常呈現(xiàn)為綠色或紅色。通常呈現(xiàn)為綠色或紅色。 “富營(yíng)養(yǎng)化富營(yíng)養(yǎng)化”77水體反射波譜78城市道路、建筑物的反射波譜特性曲線 在城市遙感影像中，通常看到建筑物的頂部、部分建筑物的側(cè)面、無(wú)植被覆蓋的道路 建筑材料各不相同79城市道路、建筑物的反射波譜特性曲線 城市道路、建筑物的光譜反射特性 紅外波段較可見(jiàn)光波段

35、反射強(qiáng) 石棉瓦較其他材料反射強(qiáng) 瀝青較其他材料反射弱80土壤的反射波譜特性曲線土壤的光譜反射特性 自然狀態(tài)下土壤表面的反射率沒(méi)有明顯的峰值和谷值 。 土壤的反射波譜特性曲線與土壤質(zhì)地組成有關(guān) 土壤反射波譜特性曲線較平滑，因此在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區(qū)別不明顯。81植被、水體、土壤的反射波譜特性曲線82影響地物光譜反射率變化的因素影響地物光譜反射率變化的因素如：太陽(yáng)位置、傳感器位置、地理位置、地形、季節(jié)、氣候變化、地面如：太陽(yáng)位置、傳感器位置、地理位置、地形、季節(jié)、氣候變化、地面濕度變化、地物本身的變異、大氣狀況等。濕度變化、地物本身的變異、大氣狀況等。新雪和陳雪的反射特性曲線新雪和

36、陳雪的反射特性曲線 大豆反射率變化范圍大豆反射率變化范圍 834.3地物波譜特性的測(cè)定地物波譜特性的測(cè)定原理地物波譜特性的測(cè)定步驟844.3 地物波譜測(cè)量 測(cè)量地物的反射波譜特性曲線主要作用：它是選擇遙感波譜段、設(shè)計(jì)遙感儀器的依據(jù) 在外業(yè)測(cè)量中，它是選擇合適的飛行時(shí)間的基礎(chǔ)資料 它是有效地進(jìn)行遙感圖像數(shù)字處理的前提之一，是用戶判讀、識(shí)別、分析遙感影像的基礎(chǔ)。 854.3.1 地物波譜特性的測(cè)定原理理想光滑表面的反射是鏡面反射，理想粗糙表面的反射是漫反射（朗伯反射），而自然地表往往既不滿足鏡面反射也不滿足漫反射的條件。二向反射的概念是指物體表面反射光線的能力與入射和反射光線的方向有關(guān)，二向性反射

37、分布函數(shù)（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）定義如下（Nicodemus，1997）：它是光線入射方向、反射方向和波長(zhǎng)的函數(shù)，是基于微分面元和微分立體角定義的。86 雙向反射比因子R（BRF）BRF是最接近BRDF的可測(cè)量物理量，其定義為直射光入射條件下，某一觀測(cè)方向上目標(biāo)反射的輻射亮度與假定該目標(biāo)被一理想漫反射表面代替時(shí)反射的輻射亮度之間的比值。4.3.1 地物波譜特性的測(cè)定原理87地表的二向反射特性8888地表的二向反射特性8989地表的二向反射特性9090測(cè)定地物反射波譜特性的儀器 分光光度計(jì)，光譜儀，攝譜儀 儀器由收集器、分光器、探測(cè)器和顯示或記錄器組成。 收集器的作用是收集來(lái)自物體或標(biāo)準(zhǔn)板的反射輻射能量。它一般由物鏡、反射鏡、光欄（或狹縫）組成； 分光器的作用是將收集器傳遞過(guò)來(lái)的復(fù)色光進(jìn)行分光（色散），它可選用棱鏡、光柵或?yàn)V光片； 探測(cè)器的類型有光電管、硅光電二極管、攝影負(fù)片等； 顯示或記錄器是將探測(cè)器上輸出信號(hào)顯示或記錄下來(lái)，或驅(qū)動(dòng)XY繪圖儀直接繪成曲線。 91測(cè)量的方法 垂直測(cè)量 非垂直測(cè)量921.4.3 地物波譜特性的測(cè)定步驟 架設(shè)好光譜儀，接通電源并進(jìn)行預(yù)熱