第二章 电磁辐射及地物波谱特征

1、第二章 电磁辐射与地物光谱特征 遥感的理论基础就是物体的电磁辐射，电磁辐遥感的理论基础就是物体的电磁辐射，电磁辐射是能量传播的一种形式。被动遥感系统中的射是能量传播的一种形式。被动遥感系统中的主要辐射源是太阳，太阳辐射出的电磁波能量主要辐射源是太阳，太阳辐射出的电磁波能量穿过大气层达到地表，被地物吸收、透射，一穿过大气层达到地表，被地物吸收、透射，一部分被反射后又经大气吸收、散射到达传感器，部分被反射后又经大气吸收、散射到达传感器，被记录成遥感资料和图象。此外，所有温度高被记录成遥感资料和图象。此外，所有温度高于绝对零度的物体也都向外发射电磁辐射。所于绝对零度的物体也都向外发射电磁辐射。所以电

2、磁辐射是传感器与远距离物体之间联系的以电磁辐射是传感器与远距离物体之间联系的环节。环节。 遥感技术得以实现的基础就是不同地物具有不遥感技术得以实现的基础就是不同地物具有不同的吸收、反射和发射电磁辐射能力。同的吸收、反射和发射电磁辐射能力。 第二章 电磁辐射与地物光谱特征 本章主要内容电磁波谱与电磁辐射太阳辐射及大气对辐射的影响地球的辐射与地物波谱第一节第一节 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射v电磁波及其特性v电磁波谱v电磁辐射的度量v黑体辐射一、电磁波及其特性一、电磁波及其特性波的概念：波是振动在空间的传播。机械波：声波、水波和地震波电磁波（ElectroMagnetic Spectrum

3、 ) 由振源发出的电磁振荡在空中传播。演示电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理电磁辐射:电磁能量随电磁波的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。其传播表现为光子（或称为量子）组成的粒子流的运动。 E: E: 电场、电场、H: H: 磁场、磁场、: : 波长、波长、h: h: 振幅振幅 h h 电磁振源电磁振源传播方向传播方向一、电磁波及其特性一、电磁波及其特性电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播电磁波在介质中的传播速度 V 为：11 CV可见，电磁波在介质中的传播速度V总是小于在真空中的传播速度C3）电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性 ；在

4、与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。v波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待，用波长、频率、振幅等来描述。v粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子-光子，其能量大小用频率来描述。是电磁波的一个特例 光的波动性 - 表现在光的干涉、衍射、偏振和色散等现象中； 光的粒子性 - 表现在光电效应、黑体辐射等现象中。v波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。 光的干涉光的干涉. / 22. 1 d 小孔的衍射小孔的衍射 C二、电磁波谱二、电磁波谱电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。

5、在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其次是红外线、可见光、紫外线、X射线；波长最短的是射线 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。 无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生的红外线是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的.可见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的 X射线是原子内层电子受激发产生的射线是原子核受激发产生的 The Electromagnetic SpectrumMore than meets the eye!Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumEnergyWavelength 1.紫外线紫外线

6、波长范围为波长范围为0.010.4微米。太阳辐射中的微米。太阳辐射中的紫外线通过大气层时，波长小于紫外线通过大气层时，波长小于0.3微米紫外线微米紫外线几乎都被吸收，只有几乎都被吸收，只有0.30.4微米波长的紫外微米波长的紫外线部分能够穿过大气层到达地面，能量很少，线部分能够穿过大气层到达地面，能量很少，并能使溴化银感光。紫外线在遥感中主要用于并能使溴化银感光。紫外线在遥感中主要用于探测碳酸盐分布和油污染的监测等。由于紫外探测碳酸盐分布和油污染的监测等。由于紫外线从空中可探测的高度大致在线从空中可探测的高度大致在2000m以下，因以下，因此紫外线对高空遥感不宜采用。此紫外线对高空遥感不宜采用

7、。 2、遥感常用的电磁波波段的特性2、遥感常用的电磁波波段的特性 2.可见光可见光 波长范围为波长范围为0.380.76微米，由红、橙、微米，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光的全色光和单色光都可直接感觉，可见光的全色光和单色光都可直接感觉，因此可见光是作为鉴别物质特征的主要因此可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。波段。2、遥感常用的电磁波波段的特性 波长范围为波长范围为0.761000微米微米 近红外（近红外（0.763微米）主要是地面反射太阳的微米）主要是地面反射太阳的红外辐射，在遥感技术中可以采用摄影方式和红外辐射，在遥感技术中可以采用摄

8、影方式和扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红外扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红外反射，但由于目前技术的限制，目前只能感测反射，但由于目前技术的限制，目前只能感测0.761.3微米的波长范围。微米的波长范围。 中红外（中红外（36微米），远红外（微米），远红外（615微米）微米）和超远红外（和超远红外（151000微米）是产生热感的原微米）是产生热感的原因，所以又称热红外。在遥感技术中主要利用因，所以又称热红外。在遥感技术中主要利用316微米波段，具有全天时的特性。微米波段，具有全天时的特性。 波长范围为波长范围为1mm1m。微波又可分为：毫米。微波又可分为：毫米波、厘米波和分米波。微波

9、也具有热辐射特性，波、厘米波和分米波。微波也具有热辐射特性，可以穿透云、雾不受天气影响，所以微波能进可以穿透云、雾不受天气影响，所以微波能进行全天候全天时遥感。微波遥感可以采用主动行全天候全天时遥感。微波遥感可以采用主动和被动方式成像，对某些物质如植被、冰雪、和被动方式成像，对某些物质如植被、冰雪、土壤等表层覆盖物具有一定的穿透能力。因此土壤等表层覆盖物具有一定的穿透能力。因此它也是遥感中最有发展潜力的波段。它也是遥感中最有发展潜力的波段。2、遥感常用的电磁波波段的特性1/11三、电磁辐射的度量三、电磁辐射的度量2/11三、电磁辐射的度量三、电磁辐射的度量3/11三、电磁辐射的度量三、电磁辐射

10、的度量 cos/2dAddL dA入射能反射能)cos8 /( hzyxO三、电磁辐射的度量三、电磁辐射的度量 A cos A 辐射亮度三、电磁辐射的度量三、电磁辐射的度量7/11四、黑体辐射 地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。Power Source: Blackbody Radiation Plancks Law:The amount and spectrum of radiation e

11、mitted by a blackbody is uniquely determined by its temperatureEmission from warm bodies peak at short wavelengthswavelength620 K380 K3、黑体辐射定律(1)普朗克热辐射定律 表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。1/5212)(kTchehcTW、M四、黑体辐射黑体辐射的三个特性辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。辐辐射射出出

12、射射度度可见光波段辐射能可见光波段辐射能太阳温度太阳温度白炽灯温度白炽灯温度地 球地 球温温 度度 波长波长 (m)不同温度下的黑体辐射不同温度下的黑体辐射 (2)斯特藩玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmanns law 即黑体总辐射出射度随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。4001/1522TdkTchehcWM3、黑体辐射定律(3)(3)维恩位移定律维恩位移定律：Wiens displacement law 随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动（即黑体的峰值波长与温度成反

13、比）。bT maxmax地球温度地球温度太阳温度太阳温度3、黑体辐射定律4、地物的发射率和基尔霍夫定律发射率(Emissivity )：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）M与同温下的黑体辐射出射度M黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。影响地物发射率的因素： 地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。黑WWMM黑按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体(grey body)：发射率小于1，常数选择性辐射体：发射率小于1，且随波长而变化。4、地物的发射率和基尔霍夫定律基尔霍夫

14、定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量密度M和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量密度M 黑。在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。黑WWMM黑黑WWM黑M4TWM第二节第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 一、太阳辐射一、太阳辐射(被动遥感最主要的辐射源）被动遥感最主要的辐射源）8/11太阳辐射能各谱段的百分比太阳辐射能各谱段的百分比 波波 段段%1000远远 红红

15、 外外微微 波波041第二节第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 大气的成分和结构 大气对太阳辐射的吸收与散射 大气窗口及透射二、大气对太阳辐射的影响（一）、大气的成分21211 KKRKRKRDS* a concentration near the earths surface（一）大气的成分（一）大气的成分气溶胶气溶胶（二）、大气的结构（二）、大气的结构 大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外层。1.对流层 ：上界往往随纬度、季节等因素而变化（7-19km）。它集中了主要的大气现象。航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。2.平流层： （

16、至50km）包括底部的“同温层”（至20km）和随高度上升温度缓慢上升的“暖层”。层内除季节性的风外，几乎没有什么天气现象。对电磁波传输表现较为微弱。3.中气层： （至80km）介于上下两个暖层之间，又称“冷层”，温度随高度增加而递减，大约在 80 km处降到最低点约178 K （-95），也是整个大气最低点。 。4.热层：又称增温层，电离层。层内空气稀薄，温度很高.可达1500 K。无线电波在该层发生全反射现象 而对遥感使用的可见光、红外直至微波的影响较小，基本上是透明的。卫星的运行空间。5.大气外层：1000公里以外的星际空间。对卫星的运行基本上没有影响。（三）、大气对太阳辐射的影响 太阳

17、辐射的衰减过程：30%被云层和其他大气成分反射回宇宙空间；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。 大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。1、大气的吸收作用（总结）大气中的氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内氧气：小于0.2 m；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。臭氧：数量极少（0.01%-0.1%)，但吸收很强。在(0.2-0.3 m ）处于强吸收带，此外在0.6 m 、9.6 m处吸收也很强；对高度10km的航空遥感影响不大。水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响

18、。而水汽的含量随时间、地点而变化。二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。特别是在以14.5 m为中心，形成了一个1317 m强吸收波段，由于CO2的相对含量近似恒定，该吸收波段用以遥测大气温度垂直分布的主要手段。尘埃：有一定的吸收作用，量少。Absorption 大气的选择性吸收，对遥感系统影响很大，不仅能使大气的选择性吸收，对遥感系统影响很大，不仅能使气温升高、能量衰减气温升高、能量衰减 ，而且使太阳发射的连续光谱中，而且使太阳发射的连续光谱中的某些波段不能传播到地球表面。的某些波段不能传播到地球表面。Absorption of EM energy by the atmosphere2.大

19、气的散射作用 大气中各种成分对太阳辐射吸收的显著特点，是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了。 散射不同于吸收，它不会使大气中各质点把辐射能变成自身的内能，而是改变传播方向。 散射作用：太阳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。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。 大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。Scattering of EM energy by the atmospher

20、e三种散射作用三种散射作用Relationship between path length of EM radiation and the level of atmospheric scatter (Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud结论 太阳辐射衰减的原因是什么？在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？微波为什么具有极强的穿透云层的作用？为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？（四）(四)、大气窗口1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射

21、的透射率较高的电磁辐射波段。 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：大气透射的定量分析第三节：地球的辐射与地物波谱第三节：地球的辐射与地物波谱主要内容：主要内容：地球辐射地球辐射的分阶段特征地物的波谱特性（反射、发射、透射）地物反射类型常见地物的反射波谱特征)( Earth SpectrumIncoming from Sun:High energy, short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 m10 m20 m0.32.5m（主要在可见光与近红外波段，短波辐射）2.5 6m（中红外辐射）6

22、m 以上（长波辐射）地球辐射的分波段特性地球辐射的分波段特性NoImage 入射能入射能 EI反射能反射能 ER吸收能吸收能 EA 透射能透射能 ET1)()( ）（对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。地物波谱地物的反射地物的反射1 地物的反射率地物的反射率（反射系数或亮度系数）（反射系数或亮度系数）：影响地物反射率大小的因素：地表颜色与粗糙度入射电磁波的波长入射角的大小)(羊草草地多角度波谱数据00.050.10.150.20.25368394420447475503531559588617647676706735765795827858

23、8909229539851016104810791111wave bandrefletivity3045607590地物波谱cos) (0 I I)(KT（a）镜面反射）镜面反射 （b）漫反射）漫反射 (c) 方向反射方向反射反射的三种形式反射的三种形式镜面反射镜面反射定义：定义：特点：特点： kxtAsin定义定义特点：特点：漫反射漫反射定义：定义：特点：特点：)( KT方向反射方向反射实际物体反射 设i、i分别为入射方向的方位角和天顶角，r、r分别为某一反射方向的方位角和天顶角。那么方向反射因子可以表示为： )()(),(i iirrrrri iIL hQ Ii为某一方向入射辐射的照度；L

24、r为观察方向的反射亮度。这些物理量均与方位角和天顶角有关，只有当朗伯体时才都成为与角度无关的量。 实际物体反射 入射辐照度Ii应该由两部分组成: 太阳的直接辐射，是由太阳辐射来的平行光束穿过大气直接照射地面，其辐照度大小与太阳天顶角和日地距离有关； 太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地面的部分，因为是从四面八方射入，其辐照度大小与入射角度无关。 hQ )()( IREE ）（ 不同地物的反射率不同地物的反射率0.6 / hcQ ddI /不同植物光谱曲线比较植被的病虫害时间特征土壤反射波谱曲线土壤反射波谱曲线 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

25、来讲土质越细反射的峰值和谷值，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反射率越低，此外土类和肥力也会对反射率产生影响。射率产生影响。 由于土壤反由于土壤反射波谱曲线呈比较平滑的特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，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。土壤的亮度区别不明显。 NoImageNoImageNoImageNoImaged岩石反射波谱曲线岩石反射波谱曲线 岩石的反射波谱曲线无统一的特征，矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽等都会对曲

26、线形态产生影响。 几种岩石的反射波谱曲线 IIKD/2发射光谱：温度一定时，地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。岩石的发射光谱分析（图2-12）地物波谱地物波谱地物波谱地物波谱 白白-红红 表征表征 “热点热点” 地物波谱 a. 清晨清晨 6点点 （空气温度（空气温度9） ； b. 上午上午8点；点； c. 午后午后14点点 （空气温度（空气温度2） ； d. 第二天上午第二天上午11点点 （空气温度（空气温度4） 透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。 透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。（如：水体对0.45-0.56um的蓝

27、绿光具有一定的透射能力，较浑浊水体的透射深度为12m，一般水体的透射深度可达1020m。 可见光、红外、微波的透射能力。 一般情况下，绝大多数地物对可见光都没有透射能力，红外线只对具有半导体特征的地物才有一定的透射能力，微波对地物具有明显的透射能力，这种透射能力主要由入射波的波长而定。上海技物所第四节：地物波谱特征的测量 电磁波谱中，可见光和近红外波段（0.32.5m）是地表反射的主要波段，多数传感器使用这一区间。 地物波谱特征测量的作用传感器波段选择、验证、评价的依据建立地面、航空和航天遥感数据的关系 将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析并建立应用模型 地物波谱特征的测量 地物反射波谱测

28、量理论双向反射分布函数（BRDF） 对于地物表面dA，入射时辐照度为dIi(i,i)，在r和r方向上，由dIi产生的反射亮度为dLr，随着入射方向和反射方向的不同，产生一个函数fr，称双向反射分布函数，简称BRDF，表示为：)()(),(i iirrrrri iIL 地物波谱特征的测量 地物反射波谱测量理论双向反射分布函数（BRDF） 对于给定的入射角和反射角，这一函数值表示在给定方向上每单位立体角内的反射率。fr还是波长的函数。BRDF完全描述了反射空间分布特性的规律。但是由于BRDF函数值本身是两个无穷小量的比，且实际想要测量dIi也十分困难，因此实际测量中很少采用。 地物波谱特征的测量 地物反射波谱测量理论双向反射比因子R（BRF） 这一函数比较容易测量，其定义是，在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一定辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件下的标准参考面的反射辐射通量之比。而这一标准参考面即为前面讲过的朗伯反射面。 地物波谱特征的测量 地物光谱测量方法样品的实验室测量 实验室测量常用分光光度计，仪器