第二章 電磁輻射及地物光譜特征B=遙感概論=寧夏大學(xué)

第二章電磁輻射與地物光譜特征太陽光照射在物體上，物體對太陽光進(jìn)行反射，而且不同物體對光的反射能力是不相同的。遙感正是利用物體的這一性質(zhì)，用傳感器接收物體反射回來的電磁波，不同物體反射情況不相同，反映在圖象上即形成不同的形狀和色調(diào)，以此來進(jìn)行地物的識(shí)別。一、電磁波譜與電磁輻射（一）電磁波譜振動(dòng)在空氣中的傳播形成波。1、電磁波——當(dāng)電磁震蕩進(jìn)入空間，變化著的磁場能夠在它的周圍激起電場，變化的電場又會(huì)在它的周圍激發(fā)磁場，變化的電場和磁場交替產(chǎn)生。由近及遠(yuǎn)地向周圍空間的傳播就叫電磁波。實(shí)驗(yàn)證明，電磁波與光波性質(zhì)相同，因此光波和電磁波統(tǒng)一起來，光波也叫電磁波。電磁波的種類：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、x射線、r射線。這些不同的電磁波又具有各自的特性，這是由于產(chǎn)生的波源不同，因此他們的波長和頻率也不相同。2、電磁波譜按照電磁波在真空中的波長（或頻率）加以排列形成一個(gè)譜表就叫電磁波譜。電磁波譜波段波長長波大于3000m中波和短波10—3000m超短波1—10m微波1mm—1m紅外波段超遠(yuǎn)紅外15—1000μm遠(yuǎn)紅外6—15μm中紅外3—6μm近紅外0.76—3μm波段波長可見光紅0.380.760.62—0.76μm橙0.59—0.62μm黃0.56—0.59μm綠0.50—0.56μm青0.47—0.50μm蘭0.43—0.47μm紫0.38—0.43μm紫外線10-3—3.8*10-1μmX射線

10-6—10-3

μmγ射線小于10-6

μm電磁波譜3、遙感上應(yīng)用的電磁波1）紫外線（0.01μm—0.38μm）高溫物體可發(fā)射紫外線，太陽光中也含有紫外線，但是太陽光在通過大氣層時(shí)波長小于0.3μm的幾乎全部吸收，所以太陽光中到達(dá)地面的只有0.3μm—0.4μm，能量很少，但是可使溴化銀底片感光，所以可用攝影或掃描方式獲得地物紫外波段的影象。2）可見光（0.38—0.76μm）在電磁波譜中，可見光只占很小一個(gè)空間，但是其能量卻占到太陽輻射總量的一半。而且人眼對可見光敏感，不僅對全色光，而且對不同波段的單色光都有敏銳的分辨能力。所以可見光是遙感技術(shù)應(yīng)用最多的一個(gè)波段，一般用光學(xué)攝影和光電掃描來獲得遙感影象。3）紅外線（0.76μm—1000μm）近紅外（0.76μm—3.0μm）——光紅外，性質(zhì)與可見光相似，主要反映地物對太陽光的反射，不反映地物的熱輻射，采用攝影和掃描方式。中紅外（3.0μm—6.0μm）遠(yuǎn)紅外（6.0μm—15.0μm）熱紅外超遠(yuǎn)紅外（15μm—1000μm）熱紅外是產(chǎn)生熱感的原因。一般自然界的任何物體，當(dāng)溫度大于絕對溫度0k（-273ｏC）時(shí)，能發(fā)射紅外線，發(fā)射能力的大小由其溫度來決定，溫度越高，發(fā)射能力越強(qiáng)。在常溫范圍內(nèi)物體發(fā)射的波長多在3—40μm之間，而15μm以上的超遠(yuǎn)紅外絕大部分被吸收，所以遙感技術(shù)在紅外線波段主要是利用了3—15μm波段，也就是中紅外和遠(yuǎn)紅外。熱紅外采用的是熱感應(yīng)方式，其主要傳感器是輻射計(jì)。4）微波無線電波的一種，常用波段為3cm、5cm、10cm，為主動(dòng)式遙感。（二）電磁輻射任何物體都是輻射源，不僅能夠吸收其它物體對它的輻射，也能夠向外輻射。因此對輻射源的認(rèn)識(shí)不僅限于太陽、爐子等發(fā)熱發(fā)光的物體，能發(fā)出紫外線、x射線、γ射線、微波等的物體也是輻射源，只是輻射強(qiáng)度和波長不同而已。電磁波傳遞就是電磁能量的傳遞，遙感對電磁波的探測實(shí)際上是對物體輻射能量的測定。二、太陽輻射與大氣窗口（一）太陽輻射太陽輻射的電磁波到達(dá)地球表面大概需要8分鐘，地球周圍存在著很厚的大氣層，太陽光照射到地球表面之前，必須穿過大氣層。這樣太陽光在大氣層中遇到各種氣體分子、水滴和塵埃時(shí)會(huì)受到干擾，一部分光被反射回宇宙空間，一部分光被吸收，一部分光被散射，因此到達(dá)地球表面的太陽輻射僅占31%，再除掉被植物光合作用消耗的能量，遙感接受和記錄的就是剩下的這部分能量。（二）大氣對太陽輻射的影響1、大氣層的反射作用太陽光進(jìn)入到大氣層以前，它的波長范圍很廣，從零到無窮大，但主要波長范圍集中在0.15—4μm之間，約占99%，其中可見光50%，紅外43%，紫外7%。地球被大氣圈所包圍，一般認(rèn)為大氣厚度約為1000km，且在垂直方向自下而上分為對流層、平流層、中氣層、熱層等。對太陽輻射影響最大的是對流層和平流層。大氣中主要成分有氣體分子（氮?dú)夂脱鯕饧s占99%，其余1%是臭氧、二氧化碳和水分子）和微粒（煙、塵埃、小水滴等），水滴、塵埃單個(gè)來說其反射能力不強(qiáng)，但由塵埃和水滴組成的云的反射能力很大，如果云層很厚，其反射回的能量越多，因此遙感攝影要選擇晴朗無云的好天。2、大氣層的吸收作用大氣層中的氣體分子、水滴和塵埃等粒子，除了對太陽光產(chǎn)生反射作用外，還有選擇性的吸收作用。各種氣體分子和粒子對太陽輻射波長的吸收特性不同，因此有些波段范圍能透過大氣層到達(dá)地球表面，有些則全部被吸收，不能到達(dá)地球表面，因此了解這些知識(shí)對我們研制傳感器有重要意義（為什么）。具體吸收情況見P28頁。3、大氣層的散射作用散射作用不像質(zhì)點(diǎn)的吸收作用那樣把太陽能轉(zhuǎn)換為自身內(nèi)能，而是只改變太陽輻射的方向，使其圍繞質(zhì)點(diǎn)向四周傳射，因此這部分散射光和地物的反射光一起進(jìn)入傳感器，對影象造成影響。一般情況下，太陽輻射光的散射作用同散射介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)大小有密切關(guān)系，并分為三種情況：1）瑞利散射——散射質(zhì)點(diǎn)的直徑小于輻射波長時(shí)發(fā)生的散射，這種散射主要由大氣層中的氣體分子如N2、CO2、O3等引起。特點(diǎn)：散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比。即波長越長，散射越弱。瑞利散射對可見光影響很大，無云的晴空呈現(xiàn)蘭色就是因?yàn)樗{(lán)光波長短，散射強(qiáng)度較大，使天空呈現(xiàn)蔚藍(lán)色。2）米氏散射——散射質(zhì)點(diǎn)的直徑與輻射波長相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射。主要由大氣中的煙、塵埃和小水滴引起。散射特點(diǎn)：散射強(qiáng)度與波長的二次方成反比，且散射在光線向前方向比向后方向更強(qiáng)，具有明顯的方向性。如云霧的粒子大小與紅外線波長接近，所以云霧對紅外線的散射主要是米氏散射。3）無選擇性散射散射質(zhì)點(diǎn)的直徑比波長大得多時(shí)發(fā)生的散射。散射特點(diǎn)：散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，即在符合無選擇性散射條件的波段中，任何波長的散射強(qiáng)度都相同。如云霧粒子直徑比可見光波長大很多，因而對可見光各波長的光散射強(qiáng)度相同，所以人們看到云霧呈白色。（三）大氣透射窗口太陽輻射光照射到地球表面的過程中，由于大氣層的反射、吸收和散射作用，絕大部分能量消失掉了，只有一部分大氣散射和透射能量透過大氣層到達(dá)地球表面。大氣透射窗口：通常把太陽輻射光通過大氣層時(shí)沒有或較少被反射、吸收和散射的那些透過率高的波段稱為大氣透射窗口。對遙感傳感器而言，只能選擇大氣透射窗口才對觀測有意義。1、0.3—1.3μm（紫外、可見光、近紅外）這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。如Landsat1-4波段TM1（0.45—0.52）藍(lán)光波段TM2（0.52—0.60）綠光波段TM3（0.63—0.69）紅光波段TM4（0.76—0.90）近紅外波段這一光譜段屬于反射光譜，只能白天成像，且要求日照條件良好。2、1.5—1.8μm和2.0—3.5μm（近紅外）TM5（1.55—1.75μm）TM7（1.75—2.08μm）這一波段用以探測植物含水量以及云、雪、地質(zhì)探礦等。也屬于反射光譜，只能白天成像。3、3.5—5.5μm（中紅外）屬于混合光譜，既有太陽光反射，也有地表熱輻射，這一光譜段主要采用紅外掃描儀得到紅外掃描相片，可晝夜成像。如氣象衛(wèi)星NOAA的AVHRR（甚高分辨率輻射計(jì)）用于探測海面溫度。4、8—14μm（遠(yuǎn)紅外波段）可晝夜成像，尤以夜間成像為好（夜間太陽輻射消失，地面發(fā)出的能量以發(fā)射光譜為主）5、0.8—25cm（微波）0.5cm、3cm、5cm、10cm可全天侯工作。三、地球的輻射與地物波譜（一）太陽輻射與地表的相互作用地表接受太陽光照射后向外反射，同時(shí)地表自身又存在熱輻射。這兩種情況同時(shí)存在，只不過在不同的波段范圍情況不同。1、在短波區(qū)（0.3—2.5μm）即紫外、可見光、近紅外波段，地表反射的太陽光成為地表的主要輻射來源，而來自地球自身的輻射，幾乎可以忽略不計(jì)。2、在長波區(qū)（>6μm）即遠(yuǎn)紅外，該區(qū)段主要是地球自身的熱輻射，太陽輻射可以忽略不計(jì)。3、2.5—6μm，即中紅外，地球?qū)μ栞椛涞姆瓷浜偷乇砦矬w自身的熱輻射均不能忽略。地球輻射的分段特性波段名稱可見光與近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外波長0.3—2.5μm2.5—6μm>6μm輻射特性地表反射太陽輻射為主地表反射太陽輻射和自身的熱輻射地表物體自身熱輻射為主（二）地物的反射光譜特性當(dāng)太陽輻射經(jīng)過大氣的吸收、反射和散射最終到達(dá)地球表面時(shí)，在地球表面又出現(xiàn)三種情況：一部分入射能被地物反射——P反一部分入射能被地物吸收——P吸一部分入射能被地物透射——P透P入=P反+P吸+P透P入—入射總能量1=P反/P入+P吸/P入+P透/P入令P反/P入*100%=ρ——反射率

P吸/P入*100%=а——吸收率

P透/P入*100%=δ——透射率一般情況下，只有水和冰具有透射一定波長電磁波的能力（0.45—0.56μm的藍(lán)綠光波段），絕大多數(shù)地物都沒有透射電磁波的能力。微波對地物具有明顯的透射能力，可以透過地面巖石、土壤，在不破壞地面物體的情況下探測到地層下面的情況，在勘測石油時(shí)有重要作用。所以一般情況下δ=0上式可寫為ρ=1-а這表明：地物的吸收率越高，反射率就越低。反之地物的吸收率越低，反射率就越高。1、地物的反射率1）定義：地物的反射量與入射總能量之比。又叫反射系數(shù)、亮度系數(shù)。不同地物，即使同一地物對入射太陽光的反射能力是不一樣的。2）影響反射率的因素太陽輻射光的波長入射角的大小地表顏色、粗糙度一般來說，地物反射率大，反射入射光能力強(qiáng)，傳感器記錄的亮度值大，色調(diào)淺；反之，地物反射率小，反射能力弱，傳感器記錄的亮度值小，色調(diào)深。這些色調(diào)的差異就成為我們進(jìn)行目視判讀的主要依據(jù)。2、地物的反射光譜1）定義：地物的反射率隨入射光波長變化的規(guī)律。將地物的反射率與入射光波長用直角坐標(biāo)系表示，用橫軸表示波長，縱軸表示反射率，繪成的曲線就叫地物的反射光譜曲線。2）不同地物的反射光譜曲線雪：在0.4-0.6μm（可見光）附近有一強(qiáng)反射峰，因此雪看上去是白色，隨著波長的增加，反射率逐漸降低。沙漠：在橙光0.6μm附近有一強(qiáng)反射峰，因此沙漠看起來呈黃色。濕地：在整個(gè)波長范圍內(nèi)反射率均較低，特別在近紅外波段吸收更強(qiáng)，因此在影象上呈黑色。小麥：在0.55μm（綠光波段）處有一個(gè)小的反射峰，因此呈綠色。在0.45μm（蘭）和0.67μm（紅）有兩個(gè)吸收帶（這是由于植物中的葉綠素對藍(lán)光和紅光