遥感概论：第二章 电磁辐射与地物光谱特征

1、 遥感数据获取原理接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出 什么是传感器？传感器是收集、量测和记录遥远目标的信息的仪器，是遥感技术系统的核心。传感器一般由信息收集、探测系统、信息处理和信息输出4部分组成。 第二章 电磁辐射及地物光谱特性本章提要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主要内容本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、三种遥感模型等。1.1 电磁波谱 电磁波定义在空间传播的交变电磁场。物质的一种，相互依存的电场和磁场的总和。电场和磁场一有

2、变化，就会以光速传播，形成电磁波。具有质量、动量、能量，静止质量为0. 同时达到最大/最小1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。 波动性粒子性1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、散射。 麦克斯韦（1831-1879） 普朗克（1858-1947） 爱因斯坦（1879-1955） 波动性粒子性Amplitude (A)Wavelength (lamb

3、da, l)Period (T) Frequency (f=1/T), 单位：赫兹(HZ),表示1秒内波传播的次数电磁波具有波动性与粒子性 波动性形成了光的干涉、衍射、偏振等现象 (1)干涉（Interference）:由两个（或两个以上）频率、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。 微波遥感中的雷达也是应用了干涉原理成像的,其影像上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。(2)衍射（Diffraction）:光通过有限大小的

4、障碍物时偏离直线 路径的现象 研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要意义。另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。 (3)偏振（Polarization）:指电磁波传播的方向性 电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，许多散射光、反射光、透射光都是部分偏振光。 偏振在微波技术中称为“极化”。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。 粒子性 一个光量子能量Q=hv=hc/其中: h为普朗克常数(6.6310-34JS), v是频率电磁波的性质横波在真空以光速传播满足方程：波粒二象性1.1 电磁波谱 按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列，

5、就能得到电磁波谱 射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波 高 能量 低 红 0.62 0.76m可见光 绿 0.50 0.56m 蓝 0.43 0.47m 远红外 6 15m红外波段 中红外 3 6m 近红外/短波红外 0.76 3m微波 1 mm 1m各电磁波段主要特性紫外线：波长范围为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。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。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。微波：

6、波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。无线电波：波长范围10-3 104m之间，主要用于广播、通信等方面 红外线的划分近红外：0.763.0 m，与可见光相似。中红外：3.06.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.015.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.01000 m，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。波段名称波长/cmKKKuXCSLP0.751.131.131.671.672.422.423.753.757.57.515153030100微波的波段划分电磁波的来源 电磁辐射产生于各种形式的能量 机械能、化学能、热

7、能、电能、磁能、核能凡是温度高于绝对零度（-273.16oC）的物体都发射电磁波，波长由物质内部状态的变化决定 内部状态能量（eV）相应电磁波原子核内部的相互作用内层电子的电离作用外层电子的电离外层电子激发分子振动，晶格振动分子旋转及反转，电子自旋和磁场相互作用107 105104 102102 44 11 10-510-4 10-5伽玛线(放射性衰变)X射线紫外可见光红外微波1个eV = 1.60219 * 10-19 Joules, 对应光的波长=1.23985mm辐射能量辐射通量辐射出射度辐射照度辐射强度辐射亮度1.2 电磁辐射度量辐射能量辐射通量辐射出射度辐射照度辐射强度辐射亮度1.3

8、 电磁辐射基本规律普朗克（Planck）辐射定律斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律维恩（Wien）位移定律基尔霍夫（Kirchhoff）定律 黑体是绝对黑体的简称，指在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（100%）的物体。黑体的热辐射称为黑体辐射 绝对黑体的吸收率 (,T)1 反射率（,T）0 绝对白体则能反射所有的入射光 反射率（,T）1，吸收率(,T)0 与温度和波长无关黑体概念与黑体辐射 黑体模型 Planck 定律 M(,T)辐射出射度 h 普朗克常数 C 光速 K 玻耳兹曼常数 T 绝对温度黑体辐射波谱曲线 Stefan-Boltzmann定律总

9、辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加 斯忒藩玻耳兹曼公式:单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比 是Boltzmann 常数: 5.6697 x 10 -8 W m-2 K -4.热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的 Wien位移定律 物体辐射最大能量的峰值波长与温度的定量关系，表示为： 维恩位移定律 :若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的峰值波长， 选择和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。 假定太阳为 6000 K 黑体, 它的主要波长(lmax) 是0.48 um:不同温度T所对应的maxT/K300500100020003000400050006000700

10、0max/m9.665.762.881.440.960.720.580.480.41发射率：实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。绝对黑体：发射率等于1； 灰体：各波长处的光谱辐射率相等；选择性灰体：各波长处的发射率不同；白体：发射率等于0； Kirchhoff 定律基尔霍夫定律：在任一给定温度下，辐射出射度与吸收率之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射出射度。发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波影响发射率的因素：物体本身材质、表面磨光程度、波长和温度。任何材料的发射率等于其吸收率。太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射

11、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。从太阳光谱曲线可以看出： 2 太阳辐射太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47 m左右；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 3.0 m波段，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；各波段的衰减是不均衡的。 2 太阳辐射在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的光谱曲线，它近似于6000K的黑体辐射曲线。太阳辐射P34, 图 2.20To be continued地面太阳辐射波长(

12、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能量分布太阳光谱曲线太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47m左右；到达地面的太阳辐射主要集中在0.33.0m波段，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; 各波段的衰减是不均衡的。3 太阳辐射与大气的相互作用大气概况大气的散射作用大气的吸收作用大气窗口大气校正3.1 大气结构从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在712 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要

13、在该层内。平流层：高度在1250 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501 000 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：80035 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。 大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。 氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体在80km以下的相对比例保持不变，称不变成分） 臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变、称为可变成分）等。 大气成分气体：

14、N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3悬浮微粒：尘埃3.2 大气散射电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开，称散射 3.2 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。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，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。瑞利散射：d 大气发生的散射主要有三种：瑞利（Rayleigh）散射 瑞利散射的条件是介质的不均匀程度a小于入射电磁波波长的十分之一。散射强度与波长的四次方成反比 RayleighScattering 瑞利散射的强度I与波长的四次方成反比(-4).米氏(M

15、ie)散射 如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级，发生米氏散射；无选择性散射 当不均匀颗粒的直径a时，发生均均匀散射；大气对太阳辐射的吸收、散射及反射作用 (分子散射) 紫外线、 可见光、 红外线、 微波 (大气吸收)3.3 大气吸收大气的吸收作用： 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0.2m，0.155 m最强O3吸收带0.20.36 m，0.6 mH2O吸收带0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO2吸收带1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m尘埃吸收量很小 大气吸收的主要

16、成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等 氧气(微波中0.253cm，0.5cm ) 臭氧(0.3m以下的紫外区) 水 0.701.95m 2.5 3.0m 4.98.7m 15m1mm间的超远红外区 二氧化碳(红外区)氧气、臭氧、水、二氧化碳等对电磁辐射的主要吸收波段（从 0.1 to 30 m ）window3.4 大气窗口 任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性，少数还有透射电磁波的特性，这称为地物光谱特性。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“大

17、气窗口”.（1）0.30 1.15m大气窗口：是遥感技术应用最主要的窗口之一。其中 0.30.4m近紫外窗口,透射率为70 0.40.7m可见光窗口, 透射率约为95 0.71.10m近红外窗口,透射率约为80（2）1.32.5m大气窗口：属于近红外波段 1.31.9m窗口,透射率为60-95 1.551.75m透射率高 2.02.5m窗口,透射率为80（3）3.55.0m大气窗口：属于中红外波段透射率约为6070（4）814m热红外窗口, 透射率为80%左右（5）1.0mm1m微波窗口 ,透射率为35100%大气窗口概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻

18、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大气窗口。大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.31.3 m90TM1-4、SPOT的HRV近红外1.51.8 m80TM5近-中红外2.03.5 m80TM7中红外3.55.5 mNOAA的AVHRR远红外814 m6070TM6微波0.82.5cm100Radarsat3.5 大气校正概念：为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正，称作大气校正。 大气对遥感图像的影响与波长、时间、地点、大气条件、大气厚度、太阳高度角等因素有关。按照校正的过程，可以分为间接大气校正方法和直接大气校正方法。直

19、接大气校正是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气影响。间接大气校正指对一些遥感常用函数，如NDVI 进行重新定义，形成新的函数形式，以减少对大气的依赖。 4 太阳辐射与地物的相互作用 反射作用 反射率的概念 反射光谱曲线 常见地物的光谱曲线 吸收作用 透射作用太阳辐射与地表的相互作用()地物的反射率()漫反射()镜面反射() 4 太阳辐射与地物的作用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： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透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。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

20、波则透射能力较强，特别是0. 450. 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。地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66 m，主要集中在长波，即6m以上的热红外区段。 反射率（）：地物的反射能量与入射总能量的比，即=(P/ P 0)100%。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。 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，但各个方向反射的能量大小不同。 物体的反射满

21、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。 地球的辐射与地物波谱地物的反射类别(三种形式) 1:镜面反射 2:漫反射 3:方向反射 从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射； 对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。 粗糙度 是相对概念，由入射波的波长和地表微地貌的垂直高度决定。如，对于波长较长的无线电波，粗糙岩石构成的地表是光滑的（镜面）; 对于可见光，细砂构成的地面也显得粗糙（漫反射）。粗糙度4.3 地物反射波谱定义：（可见光到近红外）地物反射率随波

22、长的变化规律。表示方法：采用二维几何空间内的曲线表示，横坐标为波长，纵坐标为反射率。四种地物的反射波谱特性曲线 四种地物的反射波谱特性曲线 地物反射波谱特性 （1） 植被可见光波段：在0.45微米附近区间（蓝色波段）有一个吸收谷，在0.55微米附近区间（绿色波段）有一个反射峰，在0.67微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷近红外波段：从0.76m处反射率迅速增大，形成一个爬升的的“陡坡”，至1.1m附近有一峰值，反射率最大可达50%，形成植被的独有特征中红外波段：1.5-1.9微米光谱区反射率增大，在1.45m，1.95m和2.7m为中心的附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷

23、植物影响植被波谱特征的主要因素植物类型植被生长季节植被生长状态（病虫害影响）含水量多少同一春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线 不同含水量的玉米叶子反射特性曲线 三种低含水量土壤的反射特性曲线 （2）土壤土壤土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4，1.9和2.7微米处附近区间），反射率的下降尤为明显自然状态下土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和次生矿物）和土壤有机质有关（3） 水体纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，可见光其它波段反射很低，在近红外和中红外波段纯净的自然水体的反射率很低，几