第二章电磁辐射与地物光谱特征 本章提要() 1 遥感的电磁波原理 2 太阳辐射 3 太阳辐射与大气的作用 4 太阳辐射与地物的作用 5 地物的热辐射 6 微波与地物的作用 7 各典型地物的光谱曲线 本章主要介绍本章主要介绍遥感的物理基础，遥感的物理基础，包括地物的电磁波包括地物的电磁波特性、太阳辐射、特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的大气对太阳辐射的影响、大气窗口的影响、大气窗口的概念、地物反射太概念、地物反射太阳光谱的特性、地阳光谱的特性、地物的热辐射、地物物的热辐射、地物与微波的作用机理与微波的作用机理。 返回返回下一章下一章电磁波电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为电磁波是横波，传播速度为3103108 8 m/sm/s，不需不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律收、透射、散射等，并遵循同一规律。 1 遥感的电磁波原理To be To be continuedcontinued 电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。叫电磁波谱。 依次为： 射线射线XX射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微波微波无线电波。无线电波。 电磁波谱示图电磁波谱示图 To be To be continuedcontinued 1 遥感的电磁波原理v紫外线：紫外线：波长范围为波长范围为，太阳光谱中，只有太阳光谱中，只有波长的光波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m2000 m以下。以下。v可见光：可见光：波长范围：波长范围：，人眼对可见光有敏锐的感觉，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。是遥感技术应用中的重要波段。v红外线红外线：波长范围为波长范围为1000m1000m，根据性质分为近红外、根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。中红外、远红外和超远红外。v微波：微波：波长范围为波长范围为1 1 mmmm1 m1 m，穿透性好，不受云雾的穿透性好，不受云雾的影响影响。遥感应用的电磁波波谱段本节结束本节结束返回返回返回返回下一节下一节下一节下一节太阳辐射：太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示如图所示。从太阳光谱曲线可以看出从太阳光谱曲线可以看出()()： 2 太阳辐射太阳光谱相当于太阳光谱相当于6000 K6000 K的黑体辐射；的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.38 0.76 m0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的的可见光能量占太阳辐射总能量的46%46%，最，最大辐射强度位于波长大辐射强度位于波长0.47 m0.47 m左右；左右；到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 0.3 3.0 m3.0 m波段，波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；包括近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。本节结束本节结束 返回返回返回返回下一节下一节下一节下一节 3 太阳辐射与大气的作用 一一、大气结构、大气结构 二、大气成分二、大气成分 三、大气吸收作用三、大气吸收作用 四、大气散射作用四、大气散射作用 五、大气窗口五、大气窗口本节结束本节结束返回返回返回返回下一节下一节下一节下一节一、大气结构一、大气结构一般认为大气厚度1000km，且在垂直方向自下而上可分为对流层、平流层、中流层、对流层、平流层、中流层、热层（增温层）热层（增温层），热层再往上就是接近大气层外的顶部空间，也称为散逸层散逸层。二、大气成分二、大气成分 大气主要成分为分子和其他微粒。三、大气吸收作用三、大气吸收作用太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用。吸收作用使辐射能量转变为分子的内能，从而引起这些波段太阳辐射强度的哀减，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。大气吸收谱大气吸收谱四、大气散射作用四、大气散射作用 辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变。并向各个方向散开，称散射。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向的辐射。 散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象。因此，这种现象只有当大气中的分子或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生。大气散射有三种情况：瑞利散射瑞利散射：大气粒子的直径远小于波长时发生米氏散射米氏散射：大气粒子的直径与波长相当时发生无选择散射无选择散射：当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射。五、大气窗口五、大气窗口 折射改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐射的强度。因此，就辐射强度而言，太阳辐射经过大气传输后，主要是反射反射、吸收吸收和散射散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波段，才对观测有意义。 通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段称为大气窗口大气窗口。 大气窗口的光谱波段主要有：大气窗口的光谱波段主要有：，即紫外、可见光、近红外波段和，即近、中红外波段，即中红外波段，该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量；814um，即远红外波段，主要通透来自地物辐射的能量，适于夜间成像；2.5 cm，即微波波段，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。太阳辐射与地表的相互作用太阳辐射与地表的相互作用()地物的反射率地物的反射率()漫反射漫反射()镜面反射镜面反射() 4 太阳辐射与地物的作用n太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即分透射，即： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量射能量n地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。n一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是特别是0. 450. 56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深度的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达可达1020 m，清澈水体可达清澈水体可达100 m的深度。的深度。n地表吸收太阳辐射后具有约地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为的热辐射，其峰值波长为9.66 m，主要集中在长波，主要集中在长波，即即6m6m以上的热红外区段。以上的热红外区段。 反射率（反射率（反射率（反射率（ ）：地物的反射能量与入射总能量的比，）：地物的反射能量与入射总能量的比，）：地物的反射能量与入射总能量的比，）：地物的反射能量与入射总能量的比，即即即即 =(=(P P / / P P 0 0)100%)100%。地物在不同波段的反射率是不同的。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。 不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的能量大小不同。能量大小不同。 物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。个原因造成的。个原因造成的。个原因造成的。本节结束本节结束 返回返回返回返回下一节下一节下一节下一节地球辐射的分段特性地球辐射的分段特性波段名称波段名称可见光与可见光与近红外近红外中红外中红外远红外远红外波长0.32.5m 2.56m 6m 辐射特性地表反射太阳辐射为主地表反射太阳辐射和自身的热辐射地表物体自身热辐射为主地球表面与大气电磁辐射的总和称为地球表面与大气电磁辐射的总和称为地球辐地球辐射。射。 温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。 地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱曲线。地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱曲线。地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱曲线。地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱曲线。 地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。 表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。 地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。vv 探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是不同的。不同的。不同的。不同的。vv 热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。 5 地物的热辐射本节结束本节结束返回返回返回返回下一节下一节下一节下一节在电磁波谱中，波长在在电磁波谱中，波长在1mm1mm1m1m范围的波称范围的波称微波。微波。（微波波段划分微波波段划分）微波遥感特性：微波遥感特性：v 能全天候、全天时工作能全天候、全天时工作()；v 对某些地物具有特殊的波谱特征；对某些地物具有特殊的波谱特征；v 对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力()；v 对海洋遥感具有特殊意义对海洋遥感具有特殊意义()；v 分辨率较低，但特征明显分辨率较低，但特征明显()。 6 微波与地物的作用 由于微波的波长较长，因而散射相对较小，由于微波的波长较长，因而散射相对较小，在大气中衰减少，对云层、雨区的穿透能力较在大气中衰减少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本不受烟、云、雨的限制。对于热带雨强，基本不受烟、云、雨的限制。对于热带雨林地区更有意义。林地区更有意义。 微波传感器的波长分辨率比较低，是由于其波长较长，衍射现象显著的缘故。同时，观察精度和取样速度往往不能协调。 这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。 电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波振幅减少振幅减少1/e1/e倍（倍（37%37%）的穿透深度定义为趋肤深度）的穿透深度定义为趋肤深度H H: : H H1010-3-31/21/2)/)/式中：式中：为地物的介电常数；为地物的介电常数；为地物的导电率。为地物的导电率。 微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海面微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。动态情况（海面风、海浪等）的观测。本节结束本节结束返回返回返回返回下一节下一节下一节下一节 植被植被光谱曲线光谱曲线 土壤土壤光谱曲线光谱曲线 水体水体光谱曲线光谱曲线 岩石岩石光谱曲线光谱曲线 常见地物比较常见地物比较光谱曲线光谱曲线 7 各典型地物的光谱曲线返回返回返回返回下一章下一章下一章下一章地物的电磁波响应特征随电磁波长改变而改变的规律地物的电磁波响应特征随电磁波长改变而改变的规律不同类型的地物，其电磁波响应特性不同，因此地物波谱不同类型的地物，其电磁波响应特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。特征是遥感识别地物的基础。 近红外：近红外：3.0 m，与可见光相似。 中红外：中红外：6.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。 远红外：远红外：15.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。 超远红外：超远红外：1000 m，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。红外线的划分BACKBACK太阳辐射（1）P34, 图 To be To be continuedcontinued地面太阳辐射地面太阳辐射地面太阳辐射地面太阳辐射波长(nm)大气上界太阳辐照度海平面太阳辐照度太阳光谱辐照度太阳辐射（2）BACKBACKv在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后，发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即：被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量v一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对0. 450. 450. 56m0. 56m的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达101020 m20 m，清澈水体可达清澈水体可达100 m100 m的深度。的深度。v对于一般不能透过可见光的地面物体，波长对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5cm5cm的电磁波却有透的电磁波却有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土壤。射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土壤。地物波谱特征BACKBACK 大气结构从地面到大气上界，大气的结构分层为：从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在对流层：高度在7 712 km,12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。航空遥感主要在该层内。平流层：高度在平流层：高度在121250 km50 km，底部为同温层（航空遥感活动层），底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在电离层：高度在50501 000 km1 000 km，大气中的大气中的O O2 2、N N2 2受紫外线照射而受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：大气外层：80080035 000 km ,35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。响。BACKBACK 大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 悬浮微粒：尘埃 大气成分BACKBACK大气的吸收作用： 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。大气的吸收作用O2吸收带吸收带0.2m，0.155 m最强最强O3吸收带吸收带0.20.36 m，0.6 mH2O吸收带吸收带0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO2吸收带吸收带1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m尘埃尘埃吸收量很小吸收量很小BACKBACK大气的散射作用不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。散射主要发生在可见光区。大气发生的散射主要有三种：大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：瑞利散射：d d BACKBACK大气窗口概念：概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口大气窗口大气窗口大气窗口。大气窗口大气窗口波段波段透射率透射率/%/%应用举例应用举例紫外可见光紫外可见光近红外近红外0.30.31.3 m1.3 m9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近红外近红外1.51.51.8 m1.8 m8080TM5TM5近近- -中红外中红外2.02.03.5 m3.5 m8080TM7TM7中红外中红外3.53.55.5 m5.5 mNOAANOAA的的AVHRRAVHRR远红外远红外8 814 m14 m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatRadarsatBACKBACK微波的波段划分波段名称波段名称波长波长/cmKKKuXCSLP0.751.131.131.671.672.422.423.753.757.57.515153030100BACKBACK植物的光谱曲线返回返回由于植物均进行光合作用，所以各类绿色植物具有很相似的反射波谱特性，其特由于植物均进行光合作用，所以各类绿色植物具有很相似的反射波谱特性，其特征是：在可见光波段（绿光）附近有反射率为征是：在可见光波段（绿光）附近有反射率为10%10%20%20%的一个波峰，两侧（蓝）的一个波峰，两侧（蓝）和（红）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素的影响造成的，叶绿素对蓝光和（红）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素的影响造成的，叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿色反射作用强。在近红外波段和红光吸收作用强，而对绿色反射作用强。在近红外波段间有一个反射的陡坡，间有一个反射的陡坡，至附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶的细胞结构的影响，除至附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶的细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中红外波段（了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中红外波段（）受到绿色植物含水）受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别是以、和为中心是水的吸收带，量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别是以、和为中心是水的吸收带，形成低谷。形成低谷。土壤的光谱曲线返回返回 土壤反射波谱曲线呈比较平滑的持征，所以在不同土壤反射波谱曲线呈比较平滑的持征，所以在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。水体的光谱曲线返回返回 水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，吸收就更强( (如如右图右图) )。因此，在遥感影像上，特别处近红外影像上，水体一般呈黑色。水中含泥沙时，由于泥沙散射，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时，近红外波段明显抬升，这些都成为影像分析的重要依据。岩石的光谱曲线返回返回常见地物的光谱曲线比较To be To be continuedcontinued常见地物的光谱曲线比较返回返回各种物体，由于其结构和组成成分不同，反射光谱特性是不同的。即：各种物体的反射特性曲线的形状是不一样的，即便是在某波段相似，甚至一样，但在另外的波段还是有很大的区别的。不同波段地物反射率木同，这就便人们很容易想到用多波段进行地物探测。正因为不同地物在石同波段有不同的反射率这一特征，物体的反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。