第二章-电磁辐射和地物光谱特征

第二章遥感物理基础

本章提要(…)

§2.1电磁波及电磁波谱§2.2物体的发射辐射§2.3地物的反射光谱特性§2.4太阳辐射

本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性。§2.1电磁波及电磁波谱1、波的概念：波是振动在空间的传播。2、电磁波（ElectroMagneticSpectrum)

通过电场和磁场之间相互联系传播的过程3、电磁辐射:这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。电磁波传播示意图4.电磁波性质：电磁波是横波，传播速度为3×108m/s,不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。满足：c=v*λ(c为光速)E=h*v(h为普朗克常数)描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等5.电磁波谱：

将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的表叫做电磁波谱。电磁波的波段从波长短的一侧开始，依次叫做线、线、紫外（UV）、可见光（visiblelight）、红外（infrared=IR）、微波。依次为：

γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。

电磁波谱示图遥感所使用的电磁波的波长是：紫外线(UV)：0.01-0.4μm，碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：0.4-0.76μm，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线(IR)

：0.76-1000μm。微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。可见光是人眼可以看见的电磁波，它可以细分为7色—紫、蓝、青、绿、黄、橙、红，也可以粗分为蓝、绿、红3色，即3个光谱段：蓝为0.38μm～0.50μm，绿为0.50μm～0.60μm，红为0.60μm～0.76μm。可见光是遥感中最早和最常使用的波段。§2.2物体的发射辐射1.黑体辐射2.普朗克辐射(Planck)定律3.玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律4.基尔霍夫（Kirchhoυυ)辐射定律5.维恩(Wien)位移定律黑体是一个理想的辐射体，是衡量地物发射电磁波能力大小的一个标准黑体模型定义：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是黑体。黑色的烟煤是最接近绝对黑体的自然物质。1.黑体2.普朗克辐射(Planck)定律普朗克给出了黑体辐射的能量（E）与频率（v）之间的关系：E=h*vH为普朗克常量，v为频率v*λ=c(c为光速)

说明：辐射能量与它的波长成反比，即辐射的波长越短，频率越高，其辐射能量越高，因此遥感探测系统对能量高的信号容易感应。3.波尔滋曼定律绝对黑体的总辐射出射度与温度的四次方成正比

M=σT4

，

σ是波尔滋曼常数

说明：随着温度的增加，辐射能的增加更加迅速4.基尔霍夫定律

给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与吸收率M0之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。

M/M0=ε=α

（M为任何地物辐射能量，M0为黑体辐射能量，ε为吸收系数,α为发射系数）说明：地物的吸收率越大，发射率也会越大，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。说明：黑体温度越高，其曲线的峰顶越往波长短的方向移动。在实际生活中，火焰的燃烧就是随着温度的升高变化，波长逐渐变短，颜色由红外到红色再逐渐变蓝紫5.维恩位移定律：波普辐射能量密度的峰值波长λMAX随温度的增加向短波方向移动。即黑体辐射光谱中最强辐射的波长λMAX与绝对温度T成反比：

λMAX*T=b，b为常数分光谱辐射通量密度wλ（瓦/厘米2●微米）00.20.40.60.824681012900k800k700k600k500k波长（μm）

在遥感技术中，若知道了某物体的温度，就可以推算出它的辐射的峰值波段，常用这种方法选择传感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。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。这种特性称为地物的光谱特性。在可见光和近红外波段（0.3－2.5um）.地表发出的波谱主要以反射太阳辐射为主，自身发射辐射几乎为零。反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×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。§2.3地物的反射光谱特性

地物的反射率随入射波长变化的规律，叫地物反射光谱。按地物反射率与波长之间关系绘成的曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物反射光谱曲线。地物反射光谱曲线不同地物有不同的光谱反射率,同一地物在不同波段有不同的光谱反射率,因此在同一幅影像上不同的地物会有不同的色彩,同一地物在不同的波段的影像也会有不同的色彩.

植被光谱曲线

土壤光谱曲线

水体光谱曲线

岩石光谱曲线

常见地物比较光谱曲线

各典型地物的光谱曲线植物的光谱曲线可见光波段：0.45μm附近区间（蓝色波段）有一个吸收谷，0.55μm附近区间（绿色波段）有一个反射峰，0.67μm附近区间（红色波段）有一个吸收谷。这一特征是由于叶绿素对蓝光和红光的吸收作用强，而对绿光反射作用强。近红外波段：从0.76μm处反射率迅速增大，形成一个爬生的“陡坡”，至1.1μm附近有一峰值，反射率最大可达50%，形成植被的独有特征。这一特征是由于植被叶细胞结构形成的高反射。不同植物光谱曲线比较植被波谱在上述基本特征下仍有细部差异

植被叶片中叶绿素和水分含量的变化，导致了植被在各波长上反射率的变化，在遥感影像上产生了差异。因此可以通过遥感影像上植被色调的差异来判断植被的长势、健康、类型等。植被虽具有共同的光谱特征，但是不同种属的植被在实际光谱曲线值上有差异。土壤的光谱曲线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）和土壤有机质有关土壤的光谱曲线返回水体的光谱曲线因此遥感图像上水体或湿地都呈现为深色调水体的光谱曲线返回水体判读水体在卫星图像上要较其他地物容易判读。尤其在近红外波段的影像上，由于水体对近红外的强烈吸收，水体为黑色，与周围地物的界限很清楚。湖、河、海以其外部形态，很容易区别。水中的泥沙含量等状况，在可见光短波影像上有显示。一般水浅或含沙量大的色调浅。水体明显易判的特点，常作为其他地物定点定位的标志。岩石的光谱曲线常见地物的光谱曲线比较常见地物的光谱曲线比较

太阳是被动遥感的主要辐射源，太阳光通过地球大气照射到地面，经过地面物体反射又返回，再经过大气到达传感器，传感器获取的能量经历入射和反射后二次受到大气的影响。§2.4大气对电磁波传输的影响1.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。从太阳光谱曲线可以看出(…)：太阳光谱相当于6000K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm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0.47µm左右；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3～3.0µm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.大气太阳辐射的影响

大气结构大气成分大气吸收作用大气散射作用大气窗口大气结构

从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在7～12km,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12～50km，底部为同温层（航天遥感活动层），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50～1000km，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。外大气层：800～35000km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。BACK

大气成分

大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。

气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3

悬浮微粒：尘埃大气的吸收作用：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）。大气的吸收作用对遥感图像来说，大气的吸收作用导致光线不足，造成图像暗淡。大气的散射作用辐射再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，称为散射。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。大气发生的散射主要有三种：瑞利散射：d<<λ

米氏散射：d

≈λ

非选择性散射：d>>λ

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气窗口。透射率%近红外可见光大气的透射作用1.什么是大气窗口？2.什么是电磁波谱？列举几种遥感常用的波