第二章 电磁辐射与地物光谱

1、福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础 2.1 2.1 电磁波与电磁辐射电磁波与电磁辐射 2.2 2.2 地物的波谱特征地物的波谱特征 2.3 2.3 大气对遥感监测的影响大气对遥感监测的影响 福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（一）电磁波（一）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。（二）电磁波的特性（二）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3 3108 108 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、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

2、同一规律。吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。 第一节第一节 电磁波与电磁辐射电磁波与电磁辐射一、电磁波及其特性一、电磁波及其特性福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系 （一）电磁波谱（一）电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。波谱。 依次为：依次为： 射线射线X X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 二、二、 电磁波谱与遥感监测电磁波谱与遥感监测福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系电磁波谱电磁波谱福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系o紫外线紫外线：波长范

3、围为0.010.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m以下。o可见光可见光：波长范围：0.380.76m，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。o红外线红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。o微波微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。（二）遥感技术常用的电磁波（二）遥感技术常用的电磁波福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（三）电磁辐射的度量单位（三）电磁辐射的度量单位o在遥感探测过程中，需要测量从目标地物反射或辐射的电在遥感探测过程中，需要测量从目标地

4、物反射或辐射的电磁波能量，为了定量描述电磁辐射，需要了解下面一些辐磁波能量，为了定量描述电磁辐射，需要了解下面一些辐射度量的术语及其定义。射度量的术语及其定义。o辐射能量（辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位是：电磁辐射的能量，单位是J。o辐射通量：在单位时间内传送的辐射能量（辐射通量：在单位时间内传送的辐射能量（W），是辐射），是辐射能流的单位。能流的单位。o辐射通量密度（辐射通量密度（E）：单位面积所截取的辐射能量。：单位面积所截取的辐射能量。o辐照度（辐照度（I）：被辐照的物体单位面积上的入射辐射通量。：被辐照的物体单位面积上的入射辐射通量。o辐射出射度（辐射出射度（M）：被辐照的物体单

5、位面积上出射的辐射：被辐照的物体单位面积上出射的辐射通量。辐照度与辐射出射度都是描述辐射能量的密度，前通量。辐照度与辐射出射度都是描述辐射能量的密度，前者描述物体接受的辐射，后者为物体发出的辐射。者描述物体接受的辐射，后者为物体发出的辐射。o辐射亮度（辐射亮度（L）：在单位立体角、单位时间内，从外表面：在单位立体角、单位时间内，从外表面的单位面积上辐射出的辐射能量。的单位面积上辐射出的辐射能量。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系三、电磁辐射源三、电磁辐射源 自然界中一切物体都是辐射源，也是遥感探测中自然界中一切物体都是辐射源，也是遥感探测中被动遥感的主要辐射源。太阳辐射是可见光及近被动遥

6、感的主要辐射源。太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源。主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源。主动式遥感采用人工辐射源，是微波遥感的主要辐动式遥感采用人工辐射源，是微波遥感的主要辐射源。射源。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系o太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界太阳辐射：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如图所示。和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。o从太阳光谱曲线可以看出从太阳光谱曲线可以看出()()：（一）太阳辐射（一

7、）太阳辐射福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系o太阳辐射与地表的相互作用()o地物的反射率()o漫反射()o镜面反射()太阳辐射与地物的作用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

8、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6 6mm以上的热红外区段。以上的热红外区段。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

9、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。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（二）地球的辐射（二）地球的辐射 地球的辐射主要是指地球自身的热辐射，是远红外遥感的主要辐射源。地球表面的平均温度大约是300K，地球

10、辐射最强的波长是9.66um，属于远红外波段。由于这种辐射与地表热有关，所以也称为热红外遥感。地球辐射的能量分布在从近红外到微波这一很宽的范围内，但大部分集中在630um，热红外遥感被广泛应用于地表地热异常的探测、城市热岛效应及水体热污染等方面的研究。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（三）太阳辐射与地球辐射的关系（三）太阳辐射与地球辐射的关系o太阳辐射近似于温度太阳辐射近似于温度6000K的黑体辐射，二地的黑体辐射，二地球辐射则接近于温度为球辐射则接近于温度为300K的黑体辐射。最大的黑体辐射。最大辐射波长分别为辐射波长分别为0.48um和和9.66um，两者相差，两者相差较远。较远。

11、波长波长/um波段名称波段名称辐射特性辐射特性0.32.5可见光和近红外可见光和近红外地表反射太阳辐射地表反射太阳辐射为主为主2.56中红外中红外地表反射太阳辐射地表反射太阳辐射和地表物体自身的和地表物体自身的热辐射热辐射6热红外热红外地表物体自身的热地表物体自身的热辐射为主辐射为主福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（四）人工辐射源（四）人工辐射源o人工辐射源人工辐射源指人为发射的具有一定波长（或一定频率）的波束，主动式遥感采用人工辐射源。工作时根据接收地物散射该光束返回的后向反射信号强弱，从而探知地物或测距，称为雷达探测。雷达可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，目前常用的主要为测视

12、雷达。o微波辐射源微波辐射源在微波遥感中常用波段为0.830cm。由于微波波长比可见光、红外线波长要长，收到大气散射影响小，使得微波遥感具有全天候全天时探测能力，在海洋遥感及多云多雨地区得到广泛应用。o激光辐射源激光辐射源在遥感技术中逐渐得到应用，其中应用较为广的为激光雷达。激光雷达使用脉冲激光器，可精确测定卫星的位置、高度、速度等，也可测量地形、绘制地图、记录海面波浪情况，还可利用物体的散射性及荧光、吸收等性能监测污染和勘察资源。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系o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，物体除了反

13、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： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量o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0. 45 0. 56m的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达1020 m，清澈水体可达100 m的深度。o对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5 cm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。第二节第二节 地物波谱特性地物波谱特性福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（一）地物的反射率（一）地物的反射率 o反射率反射率 ：

14、物体反射的辐射能量物体反射的辐射能量P占总入射能占总入射能量量P0的百分比，称为反射率的百分比，称为反射率 ： o地物反射率的大小与入射电磁波的波长，入地物反射率的大小与入射电磁波的波长，入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度有关。射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度有关。%1000PP一、地物的反射波谱特性与地物反射波谱曲线一、地物的反射波谱特性与地物反射波谱曲线福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（二）地物的反射波谱曲线（二）地物的反射波谱曲线 地物反射光谱地物反射光谱 ：地物的反射率随波长变化的规律。地物的反射率随波长变化的规律。o地物反射光谱曲线：地物反射光谱曲线：按地物反射率与波长之

15、间关系绘成的曲线按地物反射率与波长之间关系绘成的曲线（横轴为波长，纵轴为反射率）。（横轴为波长，纵轴为反射率）。o地物由于组成和结构的不同因而具有不同的反射光谱特性。这地物由于组成和结构的不同因而具有不同的反射光谱特性。这是遥感的基本出发点。是遥感的基本出发点。o不同地物在不同波段反射率存在着差异，因此在不同波段的遥不同地物在不同波段反射率存在着差异，因此在不同波段的遥感图象上即呈现出不同的色调，这就是判读识别各种地物的依感图象上即呈现出不同的色调，这就是判读识别各种地物的依据。设计传感器探测波段的波长范围是通过分析比较地物光谱据。设计传感器探测波段的波长范围是通过分析比较地物光谱数据而选择设

16、置的。数据而选择设置的。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系0100020003000400050003724535326136927728519291008波 长反 射 值系列2系列3系列4福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系从雪、沙漠、湿地、小麦反射波谱曲线从雪、沙漠、湿地、小麦反射波谱曲线对反射波谱曲线的意义及应用的几点理对反射波谱曲线的意义及应用的几点理解：解：o（1）不同的地物具有不同的波谱特征。）不同的地物具有不同的波谱特征。o（2）根据区分的地物不同选择不同波段的）根据区分的地物不同选择不同波段的遥感影像。遥感影像。o（3）卫星监测

17、数据的波谱曲线是地物分类）卫星监测数据的波谱曲线是地物分类的基础。的基础。o（4）地面光谱反射曲线的测定是遥感数据）地面光谱反射曲线的测定是遥感数据分类的基础。分类的基础。o（5）地面波谱数据库的建设。）地面波谱数据库的建设。o（6）地面波谱曲线测量是本章实验的主要）地面波谱曲线测量是本章实验的主要内容。内容。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（三（三) )不同地物的反射波谱曲线特征不同地物的反射波谱曲线特征 o（1 1、植被）、植被）o规律性明显而独特规律性明显而独特。可见光波段可见光波段（0.40.76m）有一个小的反有一个小的反射峰，两侧有两个吸收带。这是因射峰，两侧有两个吸收带。

18、这是因为叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，为叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。而对绿光反射作用强。o在近红外波段（在近红外波段（0.70.8 rn）有一反射的有一反射的“陡陡坡坡”，至，至 1.lm附近有一附近有一峰值，形成植被的独有特峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶细胞征。这是由于植被叶细胞结构的影响，除了吸收和结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反透射的部分，形成的高反射率。射率。o在中红外波段（在中红外波段（1.32.5mm）受到绿色植物含受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别是反射率大大下降，特别是在水的吸收带形成低

19、谷。在水的吸收带形成低谷。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系o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、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、含水量多少等有关系。为了区分植被种类，需要对季节、病虫害影响、含水量多少等有关系。为了区分植被种类，需要对植被波谱进行研究。植被波谱进行研究。9月20日玉米、大豆5月20日油菜、小麦不同种类地物光谱不同福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系不同树种的反射波谱福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系 （2 2）土壤反射波谱曲线）土壤反射波谱曲线o1 1）土质粗细，越细，反射）土质粗细

20、，越细，反射率越高；率越高；o2 2）有机质，越高，反射率）有机质，越高，反射率越低；越低；o3 3）含水量，越高，反射率）含水量，越高，反射率越低；越低；o4 4）土类和肥力）土类和肥力 不同质地土壤反射光谱曲线福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系 （3 3）水体反射波谱曲线）水体反射波谱曲线o水体的反射主要在蓝绿光水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，强，特别到了近红外波段，吸收就更强，所以水体在吸收就更强，所以水体在遥感影像上常呈黑色。但遥感影像上常呈黑色。但当水中含有其他物质时，当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。反射光

21、谱曲线会发生变化。水中含泥沙时，由于泥沙水中含泥沙时，由于泥沙散射，可见光波段反射率散射，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红会增加，峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时，近区。水中含叶绿素时，近红外波段明显抬升，这些红外波段明显抬升，这些都成为影像分析的重要依都成为影像分析的重要依据。据。不同叶绿素浓度的海水反射光谱曲线福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系 （4 4）岩石反射波谱曲线）岩石反射波谱曲线o岩石的反射波谱曲线无岩石的反射波谱曲线无统一的特征，矿物成分、统一的特征，矿物成分、矿物含量、风化程度、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽等表面光

22、滑程度、色泽等都会对曲线形态产生影都会对曲线形态产生影响。响。几种岩石的反射波谱曲线福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系n 不同地物在不同波段反射率存在着差异，因此在不同不同地物在不同波段反射率存在着差异，因此在不同波段的遥感图象上即呈现出不同的色调，这就是判读识别波段的遥感图象上即呈现出不同的色调，这就是判读识别各种地物的依据。设计传感器探测波段的波长范围是通过各种地物的依据。设计传感器探测波段的波长范围是通过分析比较地物光谱数据而选择设置的。分析比较地物光谱数据而选择设置的。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（一）黑体辐射（一）黑体辐射1、普朗克公式：普朗克常数6.63*10-3

23、4Js 真空中的光速玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K 辐射出射度波长绝对温度（K）二、地物的发射波谱特性与地物发射波谱曲线二、地物的发射波谱特性与地物发射波谱曲线福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系2 2、斯忒藩、斯忒藩- -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律o绝对黑体的总辐射出射度与黑体绝对黑体的总辐射出射度与黑体的温度的四次方成正比。的温度的四次方成正比。 M=T4 为斯忒藩为斯忒藩- -玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数， 5.6710-8Wm-2K-4 900K800K700K600K500K0.750.500.250 2 4 6 8 10 12 14 16 18/um M 福建师范大学地理科

24、学学院 地球信息科学系 1 1、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律 （二）实际物体的辐射（二）实际物体的辐射o基尔霍夫在研究辐射传输过程中发现：在任一给定的温度下，地物单位基尔霍夫在研究辐射传输过程中发现：在任一给定的温度下，地物单位面积的辐射出射度和吸收率之比，对任何地物都是一个常数，并等于该面积的辐射出射度和吸收率之比，对任何地物都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射出射度温度下同面积黑体辐射出射度。 M0= Mi/ai ai = Mi/ M0 ? = Mi/ M0 ? a 由此可见，在给定的温度下，任何地物的发射率在数值上等于同温度大、同由此可见，在给定的温度下，任何地物的发射率在数值上等于

25、同温度大、同波长下的吸收率，该公式还表明地物的吸收率愈大，发射率也愈。波长下的吸收率，该公式还表明地物的吸收率愈大，发射率也愈。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系oM0= M/aM= a M0=? M0=?T4o由上式可知，只有已知地物的温度和吸收率，就可以由上式可知，只有已知地物的温度和吸收率，就可以确定地物的热辐射强度。该公式表明地物的热辐射强确定地物的热辐射强度。该公式表明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较明显的变化。这种特征构异就会引起红外辐射能量较明显的变化。这种特征构成了红外遥感的

26、理论依据。成了红外遥感的理论依据。 福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系2、发射率、发射率 指地物的辐射出射度（地物单位面积发出的辐射总指地物的辐射出射度（地物单位面积发出的辐射总通量）通量）Mi于同温度的黑体辐射出射度（黑体单位面积发于同温度的黑体辐射出射度（黑体单位面积发出的辐射总通量）出的辐射总通量）M0的比值的比值 ?Mi/M0福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系 地物的发射率与地物的性质、表面状况（如粗糙度、颜色等）地物的发射率与地物的性质、表面状况（如粗糙度、颜色等）有关且是温度和波长的函数。有关且是温度和波长的函数。n不同地物，发射率不同；不同地物，发射率不同；n同一地物

27、，其表面粗糙或颜色较深的，发射率往往较高，同一地物，其表面粗糙或颜色较深的，发射率往往较高，表面光滑或颜色浅的，发射率则较小；表面光滑或颜色浅的，发射率则较小；n同一地物，温度越高，发射率越大。同一地物，温度越高，发射率越大。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系3、地物发射波谱、地物发射波谱 地物的发射率随波长变化的规律称为地物的发射波谱。地物的发射率随波长变化的规律称为地物的发射波谱。按地物发射率与波长之间的关系绘成的曲线（横坐标按地物发射率与波长之间的关系绘成的曲线（横坐标为波长，纵坐标为总发射）称为地物发射波谱曲线。为波长，纵坐标为总发射）称为地物发射波谱曲线。福建师范大学地理科学学

28、院 地球信息科学系 大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。气、水滴等组成。 气体：气体：N N2 2，O O2 2，H H2 2O O，COCO2 2，COCO，CHCH4 4，O O3 3 悬浮微粒：尘埃悬浮微粒：尘埃（一）大气成分（一）大气成分第三节第三节 大气对遥感监测的影响大气对遥感监测的影响一、大气成分与结构一、大气成分与结构福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系（二）大气结构（二）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 12 km,km,温度随高度而降

29、低，天气变化频繁，航空遥感主要温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。在该层内。平流层：高度在平流层：高度在121250 50 kmkm，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，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。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 1 000 kmkm，大气中的大气中的O O2 2、N N2 2受紫外线照射而电离，对遥感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。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

30、 35 000 km ,km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系二、大气对太阳辐射的影响二、大气对太阳辐射的影响o太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果使能量不断减弱，约30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间，约17%被大气吸收，约22%被大气散射，仅有31%的太阳辐射辐射到地面。其中，反射作用影响最大，这是因为云层的反射对电磁波各波段均有强烈影响，造成对遥感信息接收的严重障碍。因此，目前在大多遥感方式中，都只考虑无云天气情况下的大气散射、吸收的衰减作用。福建师范大学地理科学学院 地球信息科学系o（一）大气的反射作用（一）大气的反射作用 电磁波传播过程中的反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，使用波段