第二章：电磁波及地物波谱

1、1遥遥 感感 技技 术术一一. .电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱2遥遥 感感 技技 术术一一. .电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱3遥遥 感感 技技 术术4遥遥 感感 技技 术术波长范围为波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，太阳光谱中，只有只有0.30.38m波长的光到达地面，对油污染波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在敏感，但探测高度在2000 m以下。以下。波长范围：波长范围：0.380.76m，人眼对可见，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。光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。一一. .电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱5遥遥 感感 技技 术术波长

2、范围为波长范围为0.761000m，根据性质分，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。为近红外、中红外、远红外和超远红外。波长范围为波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受，穿透性好，不受云雾的影响云雾的影响一一. .电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱6遥遥 感感 技技 术术一一. .电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱7遥遥 感感 技技 术术一一. .太阳辐射太阳辐射4M8遥遥 感感 技技 术术一一. .太阳辐射太阳辐射9遥遥 感感 技技 术术一一. .太阳辐射太阳辐射m10遥遥 感感 技技 术术一一. .太阳辐射太阳辐射11遥遥 感感 技技 术术一一. .太阳辐射太阳辐射12遥遥 感感

3、技技 术术一一. .太阳辐射太阳辐射13遥遥 感感 技技 术术一一. .太阳辐射太阳辐射14遥遥 感感 技技 术术一一. .太阳辐射太阳辐射15遥遥 感感 技技 术术二二. . 大气结构与成分大气结构与成分从地面到大气上界，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：对流层：高度在高度在712 km,温度随高度而降低，天气变化温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：平流层：高度在高度在1250 km，底部为同温层（航空遥感活，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动层），同温层以上，温度由于臭

4、氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。收而逐渐升高。电离层：电离层：高度在高度在501 000 km，大气中的，大气中的O2、N2受紫外受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。空间。大气外层：大气外层：80035 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。没有影响。 16遥遥 感感 技技 术术17遥遥 感感 技技 术术二二. . 大气结构与成分大气结构与成分大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。滴等组成。 气体：气体：N2，O2，H2O，CO2，

5、CO，CH4，O3 悬浮微粒：悬浮微粒：尘埃尘埃18遥遥 感感 技技 术术三三. . 太阳辐射与大气的作用太阳辐射与大气的作用太阳辐射太阳辐射大大 气气 层层吸收吸收散射散射大气窗口大气窗口折射折射反射反射反射反射19遥遥 感感 技技 术术三三. . 大气吸收作用大气吸收作用大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，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（如形成太阳辐射的大气吸收带（如P28图图2.14）。）。O2吸收带吸收带u 发生原因：大气中存在微粒（烟、尘埃、云雾等）发生原因：大气中存在微粒（烟、尘埃、云雾等）u 散射能量：与波长无关散射能量：与波长无关u 对各波

6、段辐射的影响：对各波段辐射的影响： 因为可见光波长较短，有小水滴时，由于小水滴的直因为可见光波长较短，有小水滴时，由于小水滴的直径远大于可见光波长，因此在有云雾时可见光被散射。但径远大于可见光波长，因此在有云雾时可见光被散射。但是由于散射强度与波长无关，所以对可见光各波段的反射是由于散射强度与波长无关，所以对可见光各波段的反射强度都一样，因此我们看到的云雾天气是白色的，而且无强度都一样，因此我们看到的云雾天气是白色的，而且无论是在云雾下面看还是在上面看都显示白色。论是在云雾下面看还是在上面看都显示白色。25遥遥 感感 技技 术术四四. . 大气窗口大气窗口概念：概念：由于大气层的反射、散射和吸

7、收作用，使由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的强度不同，因而得太阳辐射的各波段受到衰减的强度不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气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衰减作用较轻、透射率较高的波段叫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 m8080TM7TM

8、7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0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatRadarsat26遥遥 感感 技技 术术 太阳辐射到达地表后，太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：一部分透射，即： 到达地面的太阳辐射能到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量量反射能量吸收能量透射能量透射能量 E=E透透E吸吸E反反传感器传感器EE反反E吸吸E透透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

9、感记录的主要辐射能量。27遥遥 感感 技技 术术一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射一般而言，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，特别是透射能力较强，特别是0. 450. 56m的蓝绿光波的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达段。一般水体的透射深度可达1020 m，清澈水，清澈水体可达体可达100 m的深度。的深度。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，从而的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66 m，主要，主要集中在长波，即集中

10、在长波，即6m以上的热红外区段。以上的热红外区段。28遥遥 感感 技技 术术地物对太阳辐射的反射地物对太阳辐射的反射 遥感数据实际上记录的是地物对辐射的反遥感数据实际上记录的是地物对辐射的反射能量。所以地物对太阳辐射的反射对遥感来说射能量。所以地物对太阳辐射的反射对遥感来说是至关重要的。是至关重要的。 E反反=EE透透E吸吸 地物反射特性可以通过测量反射率来定量化。地物反射特性可以通过测量反射率来定量化。29遥遥 感感 技技 术术12条件：光滑的反射面条件：光滑的反射面特点：特点：1、 入射角等于反射角；入射角等于反射角； 2、具有方向性，只有在反射方向才能检测到。、具有方向性，只有在反射方向

11、才能检测到。 30遥遥 感感 技技 术术条件：粗糙的反射面条件：粗糙的反射面特点：特点：1、 无论入射方向如无论入射方向如 何，反射总是向四面八方。何，反射总是向四面八方。 2、任意方向可以观察到反射面。、任意方向可以观察到反射面。 3、各方向探测到的辐射亮度相同。、各方向探测到的辐射亮度相同。 31遥遥 感感 技技 术术32遥遥 感感 技技 术术33遥遥 感感 技技 术术34遥遥 感感 技技 术术35遥遥 感感 技技 术术36遥遥 感感 技技 术术37遥遥 感感 技技 术术38遥遥 感感 技技 术术波段名称波段名称波长（波长（cm）K0.751.13K1.131.67Ku1.672.42X2

12、.423.75C3.757.5S7.515L1530P3010039遥遥 感感 技技 术术40遥遥 感感 技技 术术41遥遥 感感 技技 术术地面微波遥感地面微波遥感航空微波遥感航空微波遥感航天微波遥感航天微波遥感主动微波遥感主动微波遥感被动微波遥感被动微波遥感42遥遥 感感 技技 术术43遥遥 感感 技技 术术44遥遥 感感 技技 术术45遥遥 感感 技技 术术t1t2 由于电磁波在空气中传播速度是一个常数由于电磁波在空气中传播速度是一个常数（3 3108m/s），雷达在时间），雷达在时间t t1 1发射脉冲，在时发射脉冲，在时间间t t2 2接收到回波，接收到回波，t t2 2-t-t1

13、1就是微波从发射到接收所就是微波从发射到接收所需要的时间。需要的时间。cttR2)(1246遥遥 感感 技技 术术47遥遥 感感 技技 术术2tcR48遥遥 感感 技技 术术波束宽度波束宽度方位方向方位方向距离方向距离方向天线天线强度强度时间时间树树山山河河树树遥感平台以一定速度向前飞行，在平台的侧面发出微遥感平台以一定速度向前飞行，在平台的侧面发出微波信号，天线发射和接收交替进行；在波束范围内，波信号，天线发射和接收交替进行；在波束范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波，回波信号记录为一条图像扫描线。如果地形起伏，波，回波信号记

14、录为一条图像扫描线。如果地形起伏，面向天线的一面在图像上显示高亮度，背面则显示暗面向天线的一面在图像上显示高亮度，背面则显示暗色。色。49遥遥 感感 技技 术术 50遥遥 感感 技技 术术rPraRhhsin2crp51遥遥 感感 技技 术术rPraRhh52遥遥 感感 技技 术术rPrRhhRrha53遥遥 感感 技技 术术2tcR54遥遥 感感 技技 术术 植被光谱曲线植被光谱曲线 土壤光谱曲线土壤光谱曲线 水体光谱曲线水体光谱曲线 岩石光谱曲线岩石光谱曲线 常见地物比较光谱曲线常见地物比较光谱曲线55遥遥 感感 技技 术术 一一. . 地物反射光谱曲线地物反射光谱曲线 地物反射光谱曲线就

15、是描述地球表面物体对地物反射光谱曲线就是描述地球表面物体对光谱的反射率随波长变化规律的曲线。光谱的反射率随波长变化规律的曲线。 在多光谱图像中，同一像元在不同小波长的在多光谱图像中，同一像元在不同小波长的图像中会有不同的亮度值（反射率）。以波长为图像中会有不同的亮度值（反射率）。以波长为横坐标，亮度值为纵坐标，把不同波长下的亮度横坐标，亮度值为纵坐标，把不同波长下的亮度描绘出来就会得到一条连续的曲线，这条曲线就描绘出来就会得到一条连续的曲线，这条曲线就是该像元对应的地物的反射光谱曲线。是该像元对应的地物的反射光谱曲线。56遥遥 感感 技技 术术 一一. . 地物反射光谱曲线地物反射光谱曲线 演

16、示：启动演示：启动ERDASERDAS打开一幅多光谱图像打开一幅多光谱图像（exampleHyperspectral .imgexampleHyperspectral .img）, , 并把图像放并把图像放大大在菜单条中单击在菜单条中单击Raster|Profile Tool|Raster|Profile Tool|Select Profile ToolSelect Profile Tool命令，打开命令，打开Select Profile Select Profile ToolTool对话框对话框选择选择SpectralSpectral，点击，点击OKOK，弹出，弹出Spectral Prof

17、ileSpectral Profile对话框，在工具条中单击对话框，在工具条中单击“+ +图图标标” ” 在图像窗口中选定某一像元，单击左键，在图像窗口中选定某一像元，单击左键，在在Spectral ProfileSpectral Profile窗口中自动生成光谱曲线。窗口中自动生成光谱曲线。57遥遥 感感 技技 术术 二二. . 植物反射光谱曲线植物反射光谱曲线 蓝蓝绿绿红红58遥遥 感感 技技 术术 二二. . 植物反射光谱曲线植物反射光谱曲线 特征：特征：第一段：第一段：.4.40.76m。由于叶绿素的。由于叶绿素的影响，叶绿素影响，叶绿素A和叶绿素和叶绿素B分别对蓝光（分别对蓝光（0.

18、430.47 m ）和红光（）和红光（0.620.76 m ）有很强的吸）有很强的吸收，而对绿光（收，而对绿光（0.50.56 m ）有强烈的反射，）有强烈的反射，因此在可见光范围的绿色光处内有一小反射峰，因此在可见光范围的绿色光处内有一小反射峰，而在两侧蓝光和红光处有各有一吸收谷。而在两侧蓝光和红光处有各有一吸收谷。 59遥遥 感感 技技 术术 二二. . 植物反射光谱曲线植物反射光谱曲线 特征：特征：2 2第二段：近红外第二段：近红外.76.761.3m1.3m。由于叶。由于叶子叶肉细胞和胞间层的多重反射形成高的反射率子叶肉细胞和胞间层的多重反射形成高的反射率，因此在反射曲线上从，因此在反

19、射曲线上从.70 m.70 m处反射率急剧增处反射率急剧增大，至大，至1.1m1.1m处出现一反射峰值，至处出现一反射峰值，至1.3m处急处急剧下降。剧下降。60遥遥 感感 技技 术术 二二. . 植物反射光谱曲线植物反射光谱曲线 特征：特征：3 3第三段：近红外第三段：近红外1.31.32.5m2.5m。由于叶子。由于叶子内水分的影响，水对内水分的影响，水对1.451.45、1.951.95和和2.62.62.72.7mm的的近红外光产生强烈吸收近红外光产生强烈吸收, ,形成几个吸收谷。但是由形成几个吸收谷。但是由于这向个吸收谷均不在大气窗口内，所以不是遥于这向个吸收谷均不在大气窗口内，所以

20、不是遥感关注的区间。感关注的区间。61遥遥 感感 技技 术术 二二. . 植物反射光谱曲线植物反射光谱曲线 特征：特征：上述三个波段反映的反射光谱特征是植物共上述三个波段反映的反射光谱特征是植物共有的特征。但是随着植物种类、季节、病虫害、有的特征。但是随着植物种类、季节、病虫害、生长状况、含水量的不同，反射光谱曲线的形态生长状况、含水量的不同，反射光谱曲线的形态也不同。也不同。62遥遥 感感 技技 术术 三三. . 土壤反射光谱曲线土壤反射光谱曲线63遥遥 感感 技技 术术 三三. . 土壤反射光谱曲线土壤反射光谱曲线 特征：特征：自然状态下，土壤反射光谱曲线没有明显的自然状态下，土壤反射光谱

21、曲线没有明显的峰值和谷值。但是土壤光谱反射率受土壤质地、峰值和谷值。但是土壤光谱反射率受土壤质地、有机质含量、土壤颜色的影响。一般质地越粘，有机质含量、土壤颜色的影响。一般质地越粘，反射率越高；有机质和水分含量越高，反射率越反射率越高；有机质和水分含量越高，反射率越低；土壤颜色越深，反射率越低。低；土壤颜色越深，反射率越低。64遥遥 感感 技技 术术 四四. . 水体反射光谱曲线水体反射光谱曲线65遥遥 感感 技技 术术 四四. . 水体反射光谱曲线水体反射光谱曲线 特征：特征：水体主要反射比绿色光短的波段，其它波段水体主要反射比绿色光短的波段，其它波段吸收都很强，特别对比近红外更长的波段吸收

22、更吸收都很强，特别对比近红外更长的波段吸收更强。尽管在强反射的蓝绿光波段，其反射率也很强。尽管在强反射的蓝绿光波段，其反射率也很低，因此在影像上水体往往呈现深色调，甚至呈低，因此在影像上水体往往呈现深色调，甚至呈黑色。黑色。66遥遥 感感 技技 术术 四四. . 水体反射光谱曲线水体反射光谱曲线 水体反射光谱曲线受水中杂质的影响。水体反射光谱曲线受水中杂质的影响。 1 1有泥沙时，由于泥沙的散射，可见光波有泥沙时，由于泥沙的散射，可见光波段反射会增强，反射峰出现在黄红光区；段反射会增强，反射峰出现在黄红光区； 2 2有叶绿素时，近红外光波段明显抬高；有叶绿素时，近红外光波段明显抬高； 3 3其

23、它污染物也会引起光谱曲线变化。其它污染物也会引起光谱曲线变化。67遥遥 感感 技技 术术 五五. . 岩石反射光谱曲线岩石反射光谱曲线68遥遥 感感 技技 术术 五五. . 岩石反射光谱曲线岩石反射光谱曲线 岩石反射光谱曲线没有共同的特征。曲线形岩石反射光谱曲线没有共同的特征。曲线形态受到矿物组成、矿物含量、风化程度、含水量态受到矿物组成、矿物含量、风化程度、含水量颗粒大小、表面光滑度、色泽等因素的影响。颗粒大小、表面光滑度、色泽等因素的影响。69遥遥 感感 技技 术术 六六. . 常见地物反射光谱曲线比较常见地物反射光谱曲线比较70遥遥 感感 技技 术术 六六. . 常见地物反射光谱曲线比较

24、常见地物反射光谱曲线比较 由曲线图可见，小麦的曲线符合植被反射光由曲线图可见，小麦的曲线符合植被反射光谱曲线反映的一般规律；湿地含水量高，在各波谱曲线反映的一般规律；湿地含水量高，在各波段反射率都低；沙漠的反射曲线与土壤明显不同，段反射率都低；沙漠的反射曲线与土壤明显不同，有其独特的特点；雪的反射率在可见光波段最高。有其独特的特点；雪的反射率在可见光波段最高。71遥遥 感感 技技 术术 六六. . 常见地物反射光谱曲线比较常见地物反射光谱曲线比较 如果遥感器分为四个波段，分别为如果遥感器分为四个波段，分别为.4.40.6m0.6m、 .7.70.9m0.9m、 .4.40.76m0.76m、 0.9m0.9m。在。在0.9 m0.9 m以下波段，由于地物反射率不以下波段，由于地物反射率不同，在不同波段影像上的亮度也不同，比如同，在不同