遙感導(dǎo)論第二章張明華

第二章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一、電磁波二、電磁波譜三、遙感應(yīng)用電磁波段一、電磁波

1概念：電磁波是交變電場和磁場在空中的轉(zhuǎn)化和傳播2特點：電磁波是橫波，傳播速度為光速有反射、吸收、透射、散射等。二、電磁波譜按電磁波波長的長短（或頻率的大?。?，依次排列制成的圖表稱電磁波譜。三、遙感應(yīng)用電磁波段紫外線、可見光、紅外線、微波遙感應(yīng)用各電磁波波長紫外線

波長范圍為0.01-0.4μm。太陽輻射含有紫外線，通過大氣層時，波長短于0.3μm的能量幾乎都被吸收，只有0.3-0.4μm波長到達(dá)地面。主要用于測定碳酸鹽巖分布，碳酸鹽巖對紫外線的反射比其它類型的巖石要強。另外，紫外線對水面飄浮的油膜比周圍的水面反射強烈，因此可以用于油污染的監(jiān)測?？梢姽獠ㄩL范圍從0.38-0.76μm。它由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫色光組成。人眼對可見光有敏銳的感覺，不僅對可見光的全色光，而且對不同波段的單色光，也都具有敏銳的分辨能力，所以可見光是作為鑒別物質(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可見光的反射特征。紅外線波長范圍為0.76—1000μm。分為：近紅外（ 0.76-3.0μm）中紅外（

3.0-6.0μm）遠(yuǎn)紅外（

6.0-15.0μm）超遠(yuǎn)紅外（

15-1000μm）近紅外在性質(zhì)上與可見光相似，所以又稱為光紅外。在遙感技術(shù)中采用攝影方式和掃描方式，接收和記錄地物對太陽輻射的光紅外反射。中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外是產(chǎn)生熱感的原因，所以又稱為熱紅外。

微波微波的波長范圍1mm-lm。微波遙感是借助微波散射現(xiàn)象來探測地物的性質(zhì)。它的優(yōu)點主要有：（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大氣層對電磁輻射的影響一、太陽輻射二、大氣層對電磁輻射的影響三、大氣窗口一、太陽輻射

太陽輻射是地球及大氣電磁輻射的能源，也是被動式遙感系統(tǒng)中主要的輻射源。太陽表面溫度約有6000K。與5800K的理想黑體所產(chǎn)生的光譜曲線很相似。太陽輻射能主要集中在0.3--3.0μm。最大輻射強度位于波長0.47μm左右。太陽輻射總能量的46％集中在0.4一0.76μm間的可見光波段。二、大氣層對電磁輻射的影響1大氣層結(jié)構(gòu)在垂直方向上分：對流層平流層電離層大氣外層對流層

為大氣的底層，頂部平均位于12km。高度每增加1km，溫度下降6.5K

，氣象變化強，是現(xiàn)代航空遙感主要活動的區(qū)域。在對流層內(nèi)，由于大氣層的吸收作用，使電磁波傳播受到衰減。

平流改層平流桿層頂排部平篩均高泉度80隸km，層能內(nèi)氣朗流比素較穩(wěn)綿定，奔沒有歡垂直槐對流俗。在25映km以下晌氣溫前一般左保持盯恒溫殼約為-5焦5o牽C。在25夠-3季15終km以上牲氣溫趟隨高敏度遞支增（驚臭氧衛(wèi)吸收清了太焦陽紫改外光跨），供在該客層內(nèi)恢電磁荒波的熔傳播忘特性但與對仔流層狀內(nèi)的禁傳播稍特性慨相似桌。電離遞層頂部堵高度10敘00車km，大邊氣十致分稀羞薄，尼處于乘電離狂狀態(tài)煌。氧歡原子榜和氨鏈原子電在分柳解和園游離癥時吸東收了蝴多余易的能閃量，竭使氣片溫升灣高，30備0k落m的高料度氣菌溫可放達(dá)60欲0-比80釀0o誰C。對可鴨見光垮、紅野外直涉至微橋波的逗影響斥較小襪，基濟(jì)本上詠是透蓄明的約。它鑄是人飛造地弓球衛(wèi)溉星繞坦地球訊運行軌的主容要空企間層問。大氣端外層該位巨于離帶地面10扮00鴿km高度織以上像直至瓣幾萬商公里仆，該頁層空莫氣極敏為稀累薄。抄并不勇斷向撕星際澡空間額散逸尊。該貢層對瘡衛(wèi)星底運行懶基本秒上沒際有影琴響。2大氣片成分由氣穗體、迫水蒸花氣和瞧懸浮澡的微幕?；燔壓辖M祝成。氣體歸：N2、O2、H2緒O、CO、CO弟2、N2韻O、CH傲4、O3。懸浮慎微粒驅(qū)：塵埃謎、冰葬晶、況鹽晶崗、水居滴等類，統(tǒng)堤稱為氣溶霉膠，蠢形成枕霾、班霧和擦云。在80總km以下挽的大梁氣中讀，除H2、O2、O3等少輕數(shù)可菠變氣篇體外辰，各沈種氣多體均壟勻混顯合，描所占音比例杠幾乎征不變千，又地為均野勻?qū)恿w。在杜該層票中大藝氣物嘉質(zhì)與灑太陽鴨輻射鋒相互挑作用個，是裳使太醬陽輻夜射能里衰減障的主迷要原恨因。3大氣賴層對玩太陽腹輻射樸的影賀響太陽少輻射吊在通童過大貍氣層抽時，戀約有30％被激云層防和其聚它大答氣成廚分反嘩射回劫宇宙條空間峰，約牌有17％被溫大氣或吸收喂，約扔有22％被被大氣樓散射康，僅膛有31％的咳太陽輩輻射傲直射匆到地遞面。太陽雷輻射遞通過軟大氣演的透爺射率壯（τ）為貍：τ=綱e-邊(α繁+γ夸)χα：為我大氣叉中氣拋體分麻子對幼太陽技輻射態(tài)的吸葵收系為數(shù)γ：為知大氣沿對太藍(lán)陽輻懂射的暮散射刑系數(shù)χ：為度路程六長度鴉（即冰通過閃大氣秤的厚呼度）1）大氣判的吸討收作饞用太陽取輻射確通過災(zāi)大氣筑層時絕，大勤氣層蔑中H2O、O2、CO2、O3對太仗陽輻把射產(chǎn)扔生選首擇性晝吸收拆，由堵于各濱種氣雄體對域太陽赴輻射損波長依吸收皆的特走性不獄同，懶使有類些波秒段范嫌圍通鴨過大讓氣層堂到達(dá)箏地面撫，而追另一砌些波小段則膽全部帶被吸作收不叔能到多達(dá)地忽面。庸因此饞，造昂成了澤許多光不同革波段秤的大鞋氣吸下收帶滾。氧（O2）：在波公長0.拖15著5μ飯m處吸紫收最愚強。格在低耕層大抽氣內(nèi)嗚幾乎質(zhì)觀測騰不到接小于0.卷2μ填m的太撞陽輻舌射，降在0.月69紅μm和.7米6μ唱m附近咸，各仙有一剝個窄巾吸收學(xué)帶。臭氧占（O3）：對太過陽輻胞射能稅量吸辛收很純強。熱在0.脖2-蹈0.慘36逆μm和0.隙6μ后m附近扯有兩訓(xùn)個吸蜘收帶點，臭尺氧主奔要分酬布在30匆km高度渾附近融，因使而對腎高度毫小于10紗km的航漆空遙圖感影估響不罩大，土而對樓航天脅遙感珍則有護(hù)影響叮。水（H2O）：它是叔吸收綠太陽熟輻射避能量藏最強根的介法質(zhì)。湊從可糠見光糕、紅勤外直熔至微孩波波跑段，苦都有棵水汽棍的吸緊收帶罩。主汪要吸帳收帶騰是處萬于紅烈外線仇和可堤見光見中的號紅光北波段饅內(nèi)，屈其中伶紅外來部分賤吸收追最強嘩。在0.寇5-因0.筍9μ離m有四偏個窄遣吸收昌帶，勉在0.襯95撫-2援.8膀5μ略m有5個寬氣吸收敞此外桐，在6.煌25據(jù)μm附近豪有一曾個強舊吸收捷帶。二氧駱化碳播（CO2）：它的畫吸收爭作用肚主要趁在紅悉外區(qū)烈內(nèi)。瘦在1.達(dá)35耍-2轎.8判5μ發(fā)m有3個寬豬弱吸遇收帶唐。另倚外在2.偉7μ圾m、4.否3μ言m與14借.5獨μm為強圍吸收它帶。棕由于斯太陽振輻射助在紅刷外區(qū)燈能量號很少援，這擦一吸覆收帶率可忽著略不妻計。塵埃尖：它對蔑太陽菌輻射輪也有方一定損的吸松收作徹用，論但吸暫收量窯很少回。當(dāng)忍有沙飲暴、但煙霧塞和火剩山爆棄發(fā)等猴現(xiàn)象餡發(fā)生脂時，緩大氣要中塵蜻埃急意劇增溝加，陜這時昌它的伍吸收駝作用枕才比子較顯達(dá)著。2）大汗氣的因散射嗽作用大氣非散射雕集中堤于可畏見光多區(qū)，軌是太梯陽輻泛射能戚衰減蠟的主漢要原羅因。殺散射傳的強壁弱可褲用散葬射系徐數(shù)表您示：?為波罷長的背指數(shù)完，它地由微康粒直灘徑（d）的葛大小蛋決定工。根據(jù)攜波長隊與散旦射微雕粒的側(cè)大小雕之間陜的關(guān)趕系，別散射界可分親為三租種：瑞利雙散射當(dāng)大友氣微焰粒的堪直徑速（d）比統(tǒng)輻射感波長蜂（λ）小晶得多啞時，葬即：旁當(dāng)d＜λ/綿10時，?＝4，發(fā)競生的神散射余稱瑞爛利散袋射。γ∞匠1/矛λ4可見禽光對基瑞利暴散射辜的影截響較倍大。常見效雨過李天睛炒后，務(wù)晴朗津天空許呈碧擾藍(lán)色怠，大細(xì)氣中湖的粗?jǐn)偭Ｎ镆|(zhì)被賢雨水紅帶走賤，大課氣中冒的氣螺體分備子粒跡徑較奏小，跳把波牲長較悄短的安藍(lán)光童散射舒到天卻空中樸的緣籍故。米氏冊散射當(dāng)大及氣中棚微粒絕的直床徑與年輻射獅波長粉相近嘗時，抵即d≈賢λ，?=2，發(fā)殘生的痰散射爭稱為行米氏罩散射班。γ=綱1/貍λ2它是似由大按氣中想氣溶螞膠所好引起撤的散率射。勾云霧混等懸束浮粒稿子的于大小捏與0.心76污-1海5μ皆m的紅牌外線狹的波兩長差魂不多盈，因獸此，置云、皂霧對笛紅外室線的輩米氏橋散射梅是不生可忽飛視的把。非選意擇性事散射當(dāng)微肢粒的局直徑磚比波論長大避得多丟時，域即d＞λ，?＝0，γ＝1，所發(fā)著生的診散射塔稱為蠶非選析擇性橋散射藝。這種她散射逮與波徹長無姨關(guān)，修即任額何波揀長散窗射強芬度相中同?；腿绱蠼覛庵胸懙乃叩巍⒀F、梅煙、普塵埃剛等氣貪溶膠帥對太糧陽輻槍射，罪常常既會出聯(lián)現(xiàn)這雅種散醬射。云或噸霧之矮所以泊看起伙來是岡白色稈，是么因為艙它對蛙各種息波長浮的電窄磁波挽的散襯射是腔一樣河的。三、溝大氣箱窗口大氣犧層的護(hù)反射襪、吸旦收和腸散射說作用喂，削才弱了疑太陽懷輻射清的能涂量。誼把太飽陽輻休射通會過大畢氣層犧時，私反射蜂、吸摘收和件散射句比較私低，錘即透今射率雖高的捉波段裳范圍鍛，稱網(wǎng)為大益氣窗糟口。主要枯的大副氣窗被口：0.醋3-漢1.殃3μ紫m：包括塘部分唯紫外牌（0.裕3-場0.屋38丸μm）、司可見輕光（0.段4-郵0.謀76器μm）和躲部分呢近紅沖外波有段（0.悶76卵-1懇.3傅μm），藝屬于隸地物澆的反頓射光賀譜。嚼對電墊磁波僻的透恐射率付達(dá)90對%以上勁?？梢?guī)以采具用攝血影方凝式、鐘掃描昂方式黎成像疾，膠意卷感懸光的州波譜裁區(qū)間秀在0.磨32亂-1陽.3獄2μ負(fù)m范圍國，超則出這野個波板譜范斤圍則生不能欄采用偵攝影鏟方式仗成像耳。1.割3-卻2.賺5μm：近紅溫外波萍段的貓中段跪。仍弟屬于伴地物貌反射糞光譜伐，但圣不能俘用膠圣片攝運影，飯僅能吉用光申譜儀端和掃滾描儀癥來記抗錄地瘦物的援電磁草波信飽息。誘透射最率都慣接近80％。目前析近紅陸外窗嚷口應(yīng)鎮(zhèn)用不嬌多，逢但在桂某些亦波段尿?qū)^(qū)注分蝕贏變巖梢石有躬較好騾的效怪果，貢因此迎在遙今感地細(xì)質(zhì)應(yīng)蘿用方匪面很先有潛呈力。TM設(shè)有1.好55圈-1核.7吩5μ洽m和2.祥08臨-2懷.3絮5μ鞏m兩個兩波段舊。3.腿5-萄4.你2μ黃m：中紅擔(dān)外波袋段。裹包括瓣地物脫反射壯光譜怨、發(fā)傳射光挽譜，切屬于銅混合鴨光譜服范圍瞇。中確紅外云窗口稍應(yīng)用臥很少擊，目碼前多賊用于年航空席多光百譜掃輛描方陜式成感象。8-去14寇μm：遠(yuǎn)紅牲外波恭段，述熱輻辣射光巡壽譜。訓(xùn)透射省率約砍為60浸—7希0％。腳是地忠物在桐常溫江下熱堡輻射腰能量帝最集有中的誘波段醉，在停遙感讀地質(zhì)煤、環(huán)控境遙花感中員應(yīng)用艙較多覽。利念用掃傳描儀太和熱饞輻射稍計來碧獲得熔地物渣發(fā)射玩的電喚磁波混信息厚。0.核8-桶25寫cm：微波錘窗口叢，屬跟于發(fā)角射光寒譜范飯圍。明不受久大氣意干擾郊，透子射率皆可達(dá)10著0％，焦是全湖天候喉的遙每感波叛段。2.痛3地物姓光譜乒特征地物賴的光滾譜特棵性是燭遙感無技術(shù)淚的重慶要理秋論依顫據(jù)，肺它既那為傳鵝感器葵工作肺波段霧的選然擇提翼供依訪據(jù)，掌又是碧遙感胸數(shù)據(jù)鉆正確顫分析泡和判添讀的奪理論喬基礎(chǔ)照，同梯時也愉可作礦為利悉用計川算機么進(jìn)行檔數(shù)字屯圖像羞處理矮和分法類時情的參浙考標(biāo)萍準(zhǔn)。一、跡地順物的齒反射數(shù)光譜婦特征二、限地辜物的府發(fā)射愈光譜可特征一、方地物惑反射靠光譜純特征輻射鞏能量賄入射這到任鞠何地逐物表粒面上漆，一作部分偷被反餅射；們一部做分被計吸收田，還笨有一斃部分肅透射醋穿過懼地物殘。根啞據(jù)能散量守姿恒定料律可悄得：Pλ些=P懼ρ+片Pα挑+P盤τPλ總能談量；Pρ反射燃能量罷；Pα吸收即能量殘；Pτ透射西能量歌。除以Pλ，則娛有：ρ+匙α+淹τ=形1ρ、α、τ分別憂為反細(xì)射率熱、吸亦收率窮、透怠射率1地物容反射階率不同挎地物編對入漏射光干的反捕射能扶力是援不一掌樣的僑，通退常采高用反欣射率蛾（或慢反射鎖系數(shù)則）來百表示廉。反街射率兆等于意地物孩的反減射能東量與問入射童的總蘿能量械的比橡值，譽通常計用百扛分?jǐn)?shù)憶表示。ρ=Pρ備/P佛λ*紅1細(xì)00仿%2地物壺反射墨光譜呀特征地物羅反射跳率與盟入射斯光波盆波長駝密切齊相關(guān)描，地表物反替射率睜是入百射電炸磁波呈波長溫的函摸數(shù)，紅這種姻函數(shù)緩關(guān)系仆稱之房誠為地久物反等射光斤譜特移征。近可以毯用曲坊線表閱示，尸稱之組為地郵物反谷射光宜譜曲家線。植被泥的光蘿譜特景征土壤責(zé)光譜似特征水體電光譜弱特征巖石弄光譜字特征不同牌地物懂，反杜射率牧不同瓣。同一切物質(zhì)財，不絹同存吼在形痕態(tài)，伐反射藝率不農(nóng)同。同一壇類地茫物，斑反射恨光譜孟曲線僑相似記，但犧又存癢在差贏異。反射粒率與紀(jì)影像糠色調(diào)競：反擊射率姜高，啦色調(diào)伸淺。3影響逢反射惜率的卡因素表面抹的粗斯糙程魚度；表面濾的風(fēng)缺化程砍度；含水碼性；光照撞度；宋陰坡組、陽易坡；植被汗發(fā)育蟲程度荷。二、授地梁物的坡發(fā)射千光譜膚特征任何露地物別當(dāng)溫患度高吉于絕惱對溫捉度0度時汗，就途存在萬著分齡子熱聞運動秀，都肝向周借圍空國間輻冷射能泳量。鴉地物坡發(fā)射謎電磁陪波的脖能力鞏是以頑發(fā)射穿率作壘為測依量標(biāo)些準(zhǔn)，蟲而地悼物的猜發(fā)射饑率又虧是以殖黑體患輻射獨作為弓基準(zhǔn)肌。一、概熱輻博射基哥本定紅律物體哭根據(jù)幕吸收叛率的愛大小刷分為納：黑錯體、阿灰體泄、選港擇性莖輻射范體。黑體柿：其ελ＝ε=頓1，不盞隨波第長變歡化?；殷w猛：其ελ＝ε=常數(shù)吃＜1(因而知吸收警率α＜1，ε不隨希波長畫變化課。選擇丙性輻面射體案：其ελ隨波榨長而算變化尼，而構(gòu)且ελ＜1（因飛而吸哀收率a也隨藍(lán)波長間變化分，并自且a＜1。1普朗反克定踏律：黑體篇輻射宏能量妻是溫抖度的胳函數(shù)天：Wλ：為罪單位絕面積且單位瘦時間氧單位沫波長尊區(qū)間朝輻射損能量肌，h：為師普朗膜克常拍數(shù)=（6．62私56蟲0.柔00艱05）；K：為然玻爾奇茲曼際常數(shù)=（1.挺38改05途4土0.荷00美01汽8）；e：為南自然陪對數(shù)榮的底=犁2.淚71牧8；C為光祝速；λ為波粘長；T為絕島對溫捧度；λ為波感長T為絕抵對溫愧度不同臭溫度狡下的傳黑體遭光譜勿曲線件：不同找溫度局下，指有不痰同的廉發(fā)射答光譜義；輻射育能量光隨波厚長連啟續(xù)變驕化，叛曲線版只有恥一個奸最大霉值；溫度舞愈高裁，輻蒙射通采量密監(jiān)度也父愈大驚；不同初溫度速的曲盞線是眨不相縮慧交的劫；隨著現(xiàn)溫度劇的升茅高，背輻射俊最大未值所祥對應(yīng)儀的波紋長移懶向短擇波方觸向。2斯蒂括芬－華爾茲施曼定柔律單位涉面積京單位矩時間序全部糟波長焰范圍掏內(nèi)的剃輻射喇總能嶄量：σ：斯擇蒂芬-玻爾求茲曼殖常數(shù)朝，5.庫66哄97土0.褲00靜29第7T：黑啞體絕蠻對溫挺度3維恩摔定律黑體原熱輻繳射的物峰值鬼波長飾與絕繡對溫還度成末反比誕：λm余ax：為光某一綢溫度嶺下輻擾射能袍量的蓄峰值等波長塑；B碎=照28薪79喝.8（um味.k訂)。二、竄地物句的熱郵輻射僚特征1地物透發(fā)射般率自然陽界中弱黑體客輻射尿是不祥存在鑰的，抽一般辛地物薄的輻豆射要售比黑沾體輻姥射小樹。地冤物的幸發(fā)射奴率是嘩指地俯物單設(shè)位面課積上慚輻射勾能量W與同倦一溫莖度下屯同面刪積黑部體輻門射能物量之貪比值龜。地物賣發(fā)射乞率地伸物種灣類、植表面育狀態(tài)娛、溫竿度等炎有關(guān)豎，而羞且與勝波長互有關(guān)型。2基爾例霍夫岸定律在任鍵一給殲定的派溫度卸下，歌地物和單位芳面積孤上的斧輻射孔能量W和吸歡收率a之比臂，對陸任何逃地物轎都是買一個筍常數(shù)獄，等瓦于該價溫度舅下同底面積蛙黑體談輻