第二章遥感的物理基础(2)

第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响P34, 图图 2.20波长 (nm)大气上界太阳辐射照度海平面上太阳辐射照度太阳光谱辐照度一、太阳辐射（ 6000K黑体辐射）一、太阳辐射太阳辐射：v是可见光和近红外的主要辐射源 ；v常用 6000的绝对黑体辐射来模拟太阳辐射；v辐射波长范围极大，包含整个电磁波范围；v辐射能量集中 0.2-3m间 。v 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减，且 各波段的衰减是不均衡 的 。1、大气层的结构对流层：高度在 7 12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在 12 50 km，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。电离层：高度在 50 1 000 km，大气中的 O2、 N2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。大气外层： 1 000 35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。二、 大气对辐射的影响2、大气的成分v 大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。气体： N2， O2， H2O， CO2， CO， CH4， O3悬浮微粒： 尘埃、烟、雾霾、小水滴、气溶胶等v 大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。3、大气对太阳辐射的影响大气的吸收作用O2吸收带 瑞利散射的特点：v散射率与波长的四次方成反比， I -4 。v瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。 颜色 红 橙黄 黄 绿 青兰 紫 紫外线波长 0.7 0.62 0.57 0.53 0.47 0.4 0.3散射率 1 1.6 2.2 3.3 4.9 5.4 30.0散射作用与波长的关系：瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段；米氏散射发生在近紫外 红外波段，但在红外波段米氏散射的影响超过瑞利散射。无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？ 瑞利散射对可见光的影响很大。蓝光的波长短，散射强度大，因此蓝光向四面八方散射，使整个天空蔚蓝，使太阳辐射传播方向的蓝光被大大削弱。 朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？ 在日出和日落的时候，太阳高度角小，阳光斜射向地面，通过大气层的比阳光直射时要厚得多。在过长的传播过程中，蓝光波长最短，几乎被散射殆尽，波长次短的绿光散射强度也居其次，大部分被散射掉了。只剩下波长最长的红光，散射最弱，因此透过大气最多，再加上剩余的极少量绿光，最后合成呈现橘红色。 云雾为什么通常呈现白色？云、雾粒子的直径虽然与红外线波长接近，但云雾中水滴的粒子直径就比可见光波长大很多，发生无选择性散射，对可见光中各个波长的散射强度相同，所以云雾通常呈现白色。 为什么微波具有较强的穿透云雾能力？由于微波的波长比云雾中的粒子的直径都要大得多，所以微波进行瑞利散射，散射强度与波长的四次方成反比，波长越长散射强度越弱。所以微波才可能有最小散射，最大透射，而被称为具有较强的穿透云雾能力。 为什么多波段中不使用蓝紫光的原因？蓝紫光的散射强度比较强，成像会很模糊。大气的折射与反射大气的折射： 大气的折射率与大气密度有关，密度越大折射率越大。因而，电磁波（太阳辐射）在大气中的传播轨迹是一条曲线。大气反射： 大气反射主要发生在云层顶部，并与云量密切相关，被动遥感应尽量选择无云的天气接收遥感信号。三、大气窗口大气窗口：电磁辐射通过大气后衰减较少，透过率较高的电磁波段。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。常见的大气窗口：波段 透射率 /% 应用举例0.3 1.3 m 90 TM1-4、 SPOT的 HRV1.5 1.8 m 80 TM52.0 3.5 m 80 TM73.5 5.5 m NOAA的 AVHRR8 14 m 60 70 TM60.8 2.5cm 100 Radarsatv 相当于温度为 300K的黑体，其电磁辐射的波长范围是： 2.550 。v 地球表面的发射辐射能量集中于近红外波段和热红外波段；v 地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波长、温度有关： M（ ， T） = （ ， T） M0（ ， T）地球表面的辐射特征第三节 地球辐射与地物波普太阳与地球辐射的电磁波谱对照v地球的电磁辐射特性：(1) 6 m的波长，主要是地物本身的热辐射；(3) 3-6 m之间，太阳和地球的辐射都要考虑。根据能量守恒定律，入射到地表的辐射功率 E等于吸收功率 E吸 、透射功率 E透 、反射功率 E反 三个分量之和。即：E=E吸 + E透 + E反由上式得到：1=+ 式中 吸收率， 透射率， 反射率对于不透射电磁波的物体：1=+即有： = 1- 地物的光谱特性由第一节的 基尔霍夫定律 推导得到：由于有： 1=+得到：所以各种地物的电磁波特性都可以通过间接测试各种地物反射辐射电磁波的特性得到。= 1- 太阳光通过大气层射到地球表面，地物会发生反射作用。物体对电磁波谱的反射能力用反射率表示。镜面反射：反射满足反射定律漫 反射：整个表面均匀反射入射电磁波方向反射：整个表面反射入射电磁波，但某方向反射特别强烈地物的反射特性平原地区：漫反射地形起伏大和地物结构复杂地区：方向反射1、地物的波谱反射率 （反射系数或亮度系数） 地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。 =E /E 同一地物不同波长的反射率不同，原因是地物对某些特定波长的波有选择的吸收。 地物的反射率随入射波长变化的规律。地物反射波谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。2、地物的反射波谱（ 1）植被反射波谱曲线1）可见光波段 （ 0.4 0.76m）有一个小的 反射峰 ，两侧有两个吸收带 。这是因为叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。 叶绿素的吸收波段水的吸收2）近红外波段 （ 0.7 0.8 m ）有一反射的 “ 陡坡 ” ，至 1.lm 附近有一峰值，形成植被的独有特征。3）中红外波段 （ 1.3 2.5m ）受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别是在水的吸收带形成低谷。 植物波谱具有上述的基本特征，但仍有细部差别，这种差别与植物 种类 、 季节 、 病虫害影响 、 含水量 等有关系。为了区分植被种类，需要对植被波谱进行研究。（ 2）土壤反射波谱曲线自然状态下土壤表面的反射率 没有明显的峰值和谷值 ，一般来讲 土质越细反射率越高，有机质含量越高和含水量越高反射率越低 ，此外土类和肥力也会对反射率产生影响。由于土壤反射波谱曲线呈比较平滑的特征，所以在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。 不同质地土壤反射光谱曲线（ 3）水体反射波谱曲线水体的反射主要在 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，所以水体在遥感影像上常呈黑色。但当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。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。 不同叶绿素浓