電磁輻射與地物光譜特性

1、第二章 遙感原理,本章提要(…) §1 遙感的電磁波原理 §2 太陽輻射 §3 太陽輻射與大氣的作用 §4 太陽輻射與地物的作用 §5 地物的熱輻射 §6 微波與地物的作用 §7 各典型地物的光譜曲線,本章主要介紹遙感的物理基礎(chǔ)，包括地物的電磁

2、波特性、太陽輻射、大氣對太陽輻射的影響、大氣窗口的概念、地物反射太陽光譜的特性、地物的熱輻射、地物與微波的作用機(jī)理。,,電磁波 交互變化的電磁場在空間的傳播。描述電磁波特性的指標(biāo) 波長、頻率、振幅等。電磁波的特性 電磁波是橫波，傳播速度為3×108 m/s，不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時會有反射、折射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律。,§1 遙感的電磁波原理,To b

3、e continued…,電磁波傳播示意圖,電磁波譜 按電磁波波長的長短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。 依次為： γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。 電磁波譜示圖,,To be continued…,§1 遙感的電磁波原理,電磁波譜,BACK,紫外線：波長范圍為0.01～0.38μm，太陽光譜中，只有0.3～0.38μm波長的光到達(dá)地面，對油污染敏感，但探測高度在200

4、0 m以下?？梢姽猓翰ㄩL范圍為0.38～0.76μm，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。紅外線：波長范圍為0.76～1000μm，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。微波：波長范圍為1 mm～1 m，穿透性好，不受云霧的影響。無線電波：波長范圍10-3m～ 105m之間，主要用于廣播、通信等方面。,遙感應(yīng)用的電磁波波譜段,本節(jié)結(jié)束,返回,下一節(jié),太陽輻射：太陽是遙感主要的輻射源，又叫太陽光，在大氣上

5、界和海平面測得的太陽輻射曲線如圖所示。,§2 太陽輻射,,,太陽常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位內(nèi)，垂直于太陽光輻射方向上，單位面積單位時間內(nèi)黑體接受的太陽輻射能量。太陽光譜：太陽光球產(chǎn)生的光譜。,§2 太陽輻射,太陽輻射的光譜是連續(xù)光譜，且輻射特性與絕對黑體輻射特性基本一致。太陽光譜相當(dāng)于6000 K的黑體輻射；太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38 ～ 0.76 µm的可見光能量

6、占太陽輻射總能量的43.5%，最大輻射強(qiáng)度位于波長0.47 µm左右；到達(dá)地面的太陽輻射主要集中在0.3 ～ 3.0 µm波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；經(jīng)過大氣層的太陽輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的，衰減最大的區(qū)間是大氣分子吸收的最強(qiáng)波段。,從太陽光譜曲線可以看出(…)：,§3 太陽輻射與大氣的作用,,一、大氣結(jié)構(gòu) 二、大氣成分 三、大氣吸收作用 四、大氣散射作用 五、大

7、氣窗口,,返回,下一節(jié),太陽輻射與地表的相互作用(…)地物的反射率(…)漫反射(…)鏡面反射(…),§4 太陽輻射與地物的作用,太陽輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分散射，一部分透射，即：太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋散射能量+透射能量地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。一般而言，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是0. 45~0.

8、 56μm的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)10～20 m，清澈水體可達(dá)100 m的深度。地表吸收太陽輻射后具有約300 K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為9.66 μm，主要集中在長波，即6μm以上的熱紅外區(qū)段。,,反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/ P 0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物的反射

9、光譜曲線：反射率隨波長變化的曲線。,,不論入射方向如何，其反射出來的能量在各個方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個方向反射的能量大小不同。,,物體的反射滿足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測到電磁波，水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時很亮，有時很暗，就是這個原因造成的。,,,返回,下一節(jié),溫度一定時，物體的熱輻射遵循基爾霍夫定律。 地物的反射率隨波長變化的曲線叫反射光譜曲線。 地物的反射率與

10、地表的粗糙度、顏色和濕度有關(guān)。 表面粗糙、顏色淺，反射率高，反之反射率低。 地物的輻射能量與溫度的四次方成正比，比熱、熱慣性大的地物，反射率大。如水體夜晚反射率大，白天就小。 探測地物的熱輻射特性的熱紅外遙感在夜間和白天進(jìn)行的結(jié)果是不同的。 熱紅外遙感探測的地物熱輻射量用亮度溫度表示，它不同于地面溫度，是接收的熱輻射能量的轉(zhuǎn)換值，圖像上表示為亮度。,§5 地物的熱輻射,本節(jié)結(jié)束,返回,下一節(jié),在可見光與近紅外波段，地表

11、物體自身的輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。太陽輻射到達(dá)地面之后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸收作用。電磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過的部分，即： 到達(dá)地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量一般而言，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波透射能力較強(qiáng)，特別是對0. 45 ~ 0. 56μm的藍(lán)綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá)10~20 m，清

12、澈水體可達(dá)100 m的深度。對于一般不能透過可見光的地面物體，波長5 cm的電磁波卻有透射能力，如超長波的透射能力就很強(qiáng)，可以透過地面巖石和土壤。,地物波譜特征,BACK,在電磁波譜中，波長在1mm～1m范圍的波稱微波。微波遙感特性： 能全天候、全天時工作(…)； 對某些地物具有特殊的波譜特征； 對冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力(…)； 對海洋遙感具有特殊意義(…)； 分辨率較低，但特征明顯(…)

13、。,§6 微波與地物的作用,由于微波的波長較長，因而散射相對較小，在大氣中衰減少，對云層、雨區(qū)的穿透能力較強(qiáng)，基本不受煙、云、雨的限制。對于熱帶雨林地區(qū)更有意義。,微波傳感器的波長分辨率比較低，是由于其波長較長，衍射現(xiàn)象顯著的緣故。同時，觀察精度和取樣速度往往不能協(xié)調(diào)。,,,,,這一特性可以用來探測隱藏在林下的地形、地質(zhì)構(gòu)造、軍事目標(biāo)以及埋藏在地下的工程、礦藏、地下水等。

14、 電磁波通過介質(zhì)時，部分被吸收，強(qiáng)度要衰減。故將電磁波振幅減少1/e倍（37%）的穿透深度定義為趨膚深度H: H=(5.3×10-3ε1/2)/δ式中：ε為地物的介電常數(shù)；δ為地物的導(dǎo)電率。,,微波對于海水特別敏感，其波長很適合于海面動態(tài)情況（海面風(fēng)、海浪等）的觀測。,本節(jié)結(jié)束,返回,下一節(jié),,,,,植被光譜曲線

15、 土壤光譜曲線 水體光譜曲線 巖石光譜曲線 常見地物比較光譜曲線,§7 各典型地物的光譜曲線,本節(jié)結(jié)束,本章結(jié)束,返回,近紅外：0.76～3.0 µm，與可見光相似。 中紅外：3.0～6.0 µm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。 遠(yuǎn)紅外：6.0～15.0 µm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。 超遠(yuǎn)紅外：15.0～1 000 µ

16、m，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測。,紅外線的劃分,BACK,太陽輻射（1）,,,P34, 圖 2.20,To be continued…,地面太陽輻射,波長(nm),大氣上界太陽輻照度,海平面太陽輻照度,太陽光譜輻照度,,太陽輻射（2）,BACK,大氣結(jié)構(gòu),從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對流層：高度在7～12 km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在12～50 km，底部為等溫層（航空

17、遙感活動層），等溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1 000 km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動空間。大氣外層：800～35 000 km ,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。,BACK,大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。 氣體分子：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 懸浮微粒：煙，塵埃，小水滴，

18、氣溶膠…,大氣成分,BACK,大氣的吸收作用： 大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）。,大氣的吸收作用,BACK,大氣散射：太陽輻射在傳播過程中，遇到大氣中的小微粒而使其改變傳播方向，并向各個方向散開，稱為散射。 大氣散射減弱了原傳播方向上的輻射強(qiáng)度，而增加了其它方向上的輻射強(qiáng)度。實質(zhì)：電磁波在傳播過程中遇到大氣微粒而產(chǎn)生的一種衍射現(xiàn)象。,大氣的散射作用,大氣的散射作用,不同于吸

19、收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)對大氣中微粒的直徑與輻射波長比較，把大氣發(fā)生的散射分為三種： 瑞利散射：d >λ,,太陽的電磁波輻射包括了各個波段，因此在大氣狀況相同的情況下，同時會出現(xiàn)各種類型的散射。 大氣分子，原子引起的瑞利散射發(fā)生在可見光和近紅外波段。

20、 大氣微粒引起的米氏散射對近紫外和紅外波段均勻影響。 大氣云層中的小水滴對可見光有非選擇性散射發(fā)生。 對于微波波段而言，波長比小水滴大得多，屬于瑞利散射類型，散射強(qiáng)度與波長四次方成反比，波長越長，散射強(qiáng)度越小，所以微波具有最小的散射，穿透力強(qiáng)。,為什么微波的穿透能力強(qiáng)？,大氣折射 折射率與大氣密度相關(guān)，密度越大折射率越大。 折射只改變太陽輻射的方向，不改變強(qiáng)度。 大氣反射 大氣反射主要發(fā)生在

21、兩種介質(zhì)的交界面（云層頂部），也取決于云量和各波段的影響。,大氣窗口,大氣窗口,概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。,太陽輻射通過大氣層時，未被反射，吸收或散射而透過大氣到達(dá)地面得過程。 就可見光和近紅外而言，反射占30%，散射占22%，吸收占17%。,大氣透射,BACK,微波的波段劃分,,B