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(yáng)光照射在物體上，物體對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行反射，而且不同物體對(duì)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(lái)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(lái)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(chǎng)能夠在它的周圍激起電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又會(huì)在它的周圍激發(fā)磁場(chǎng)，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(lái)，光波也叫電磁波。電磁波的種類：無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)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(zhǎng)和頻率也不相同。2、電磁波譜按照電磁波在真空中的波長(zhǎng)（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(zhǎng)長(zhǎng)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(zhǎng)可見(jiàn)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(yáng)光中也含有紫外線，但是太陽(yáng)光在通過(guò)大氣層時(shí)波長(zhǎng)小于0.3μm的幾乎全部吸收，所以太陽(yáng)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(jiàn)光（0.38—0.76μm）在電磁波譜中，可見(jiàn)光只占很小一個(gè)空間，但是其能量卻占到太陽(yáng)輻射總量的一半。而且人眼對(duì)可見(jiàn)光敏感，不僅對(duì)全色光，而且對(duì)不同波段的單色光都有敏銳的分辨能力。所以可見(jiàn)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(lái)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(jiàn)光相似，主要反映地物對(duì)太陽(yáng)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(duì)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(lái)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(zhǎng)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(wú)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(duì)它的輻射，也能夠向外輻射。因此對(duì)輻射源的認(rèn)識(shí)不僅限于太陽(yáng)、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(zhǎng)不同而已。電磁波傳遞就是電磁能量的傳遞，遙感對(duì)電磁波的探測(cè)實(shí)際上是對(duì)物體輻射能量的測(cè)定。二、太陽(yáng)輻射與大氣窗口（一）太陽(yáng)輻射太陽(yáng)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(yáng)光照射到地球表面之前，必須穿過(guò)大氣層。這樣太陽(yáng)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(yáng)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(duì)太陽(yáng)輻射的影響1、大氣層的反射作用太陽(yáng)光進(jìn)入到大氣層以前，它的波長(zhǎng)范圍很廣，從零到無(wú)窮大，但主要波長(zhǎng)范圍集中在0.15—4μm之間，約占99%，其中可見(jiàn)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(duì)流層、平流層、中氣層、熱層等。對(duì)太陽(yáng)輻射影響最大的是對(duì)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(lái)說(shuō)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(wú)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(duì)太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)的吸收特性不同，因此有些波段范圍能透過(guò)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(duì)我們研制傳感器有重要意義（為什么）。具體吸收情況見(jiàn)P28頁(yè)。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(yáng)能轉(zhuǎn)換為自身內(nèi)能，而是只改變太陽(yáng)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(duì)影象造成影響。一般情況下，太陽(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)的四次方成反比。即波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱。瑞利散射對(duì)可見(jiàn)光影響很大，無(wú)云的晴空呈現(xiàn)蘭色就是因?yàn)樗{(lán)光波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)接近，所以云霧對(duì)紅外線的散射主要是米氏散射。3）無(wú)選擇性散射散射質(zhì)點(diǎn)的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射。散射特點(diǎn)：散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，即在符合無(wú)選擇性散射條件的波段中，任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度都相同。如云霧粒子直徑比可見(jiàn)光波長(zhǎng)大很多，因而對(duì)可見(jiàn)光各波長(zhǎng)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(yáng)輻射光照射到地球表面的過(guò)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(guò)大氣層到達(dá)地球表面。大氣透射窗口：通常把太陽(yáng)輻射光通過(guò)大氣層時(shí)沒(méi)有或較少被反射、吸收和散射的那些透過(guò)率高的波段稱為大氣透射窗口。對(duì)遙感傳感器而言，只能選擇大氣透射窗口才對(duì)觀測(cè)有意義。1、0.3—1.3μm（紫外、可見(jiàn)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(cè)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(yáng)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(cè)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(yáng)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(yáng)輻射與地表的相互作用地表接受太陽(yáng)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(guò)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(jiàn)光、近紅外波段，地表反射的太陽(yáng)光成為地表的主要輻射來(lái)源，而來(lái)自地球自身的輻射，幾乎可以忽略不計(jì)。2、在長(zhǎng)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(yáng)輻射可以忽略不計(jì)。3、2.5—6μm，即中紅外，地球?qū)μ?yáng)輻射的反射和地表物體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(jiàn)光與近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)0.3—2.5μm2.5—6μm>6μm輻射特性地表反射太陽(yáng)輻射為主地表反射太陽(yáng)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(yáng)輻射經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(méi)有透射電磁波的能力。微波對(duì)地物具有明顯的透射能力，可以透過(guò)地面巖石、土壤，在不破壞地面物體的情況下探測(cè)到地層下面的情況，在勘測(cè)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(duì)入射太陽(yáng)光的反射能力是不一樣的。2）影響反射率的因素太陽(yáng)輻射光的波長(zhǎng)入射角的大小地表顏色、粗糙度一般來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)變化的規(guī)律。將地物的反射率與入射光波長(zhǎng)用直角坐標(biāo)系表示，用橫軸表示波長(zhǎng)，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(jiàn)光）附近有一強(qiáng)反射峰，因此雪看上去是白色，隨著波長(zhǎng)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(lái)呈黃色。濕地：在整個(gè)波長(zhǎng)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(duì)藍(lán)光和紅光