第二章电磁辐射与地物光谱

第二章遥感物理基础

2.1电磁波与电磁辐射

2.2地物的波谱特征

2.3大气对遥感监测的影响

（一）电磁波

交互变化的电磁场在空间的传播。（二）电磁波的特性电磁波是横波，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。

第一节电磁波与电磁辐射Tobecontinued…一、电磁波及其特性（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波谱。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

二、电磁波谱与遥感监测电磁波谱紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。可见光：波长范围：0.38～0.76μm，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0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。（二）遥感技术常用的电磁波（三）电磁辐射的度量单位在遥感探测过程中，需要测量从目标地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射度量的术语及其定义。辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位是J。辐射通量：在单位时间内传送的辐射能量（W），是辐射能流的单位。辐射通量密度（E）：单位面积所截取的辐射能量。辐照度（I）：被辐照的物体单位面积上的入射辐射通量。辐射出射度（M）：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，前者描述物体接受的辐射，后者为物体发出的辐射。辐射亮度（L）：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。三、电磁辐射源自然界中一切物体都是辐射源，也是遥感探测中被动遥感的主要辐射源。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射源。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(…)：（一）太阳辐射太阳光谱相当于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。

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(…)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，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45~0.56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m的深度。地表吸收太阳辐射后具有约300K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。

反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/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。

（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6~30um，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。（三）太阳辐射与地球辐射的关系太阳辐射近似于温度6000K的黑体辐射，二地球辐射则接近于温度为300K的黑体辐射。最大辐射波长分别为0.48um和9.66um，两者相差较远。波长/um波段名称辐射特性0.3~2.5可见光和近红外地表反射太阳辐射为主2.5~6中红外地表反射太阳辐射和地表物体自身的热辐射>6热红外地表物体自身的热辐射为主（四）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雷达。微波辐射源在微波遥感中常用波段为0.8~30cm。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。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。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0.45~0.56μm的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达10~20m，清澈水体可达100m的深度。对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5cm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。第二节地物波谱特性（一）地物的反射率反射率

：物体反射的辐射能量Pρ占总入射能量P0的百分比，称为反射率ρ：

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。一、地物的反射波谱特性与地物反射波谱曲线（二）地物的反射波谱曲线

地物反射光谱：地物的反射率随波长变化的规律。地物反射光谱曲线：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）。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。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。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解：（1）不同的地物具有不同的波谱特征。（2）根据区分的地物不同选择不同波段的遥感影像。（3）卫星监测数据的波谱曲线是地物分类的基础。（4）地面光谱反射曲线的测定是遥感数据分类的基础。（5）地面波谱数据库的建设。（6）地面波谱曲线测量是本章实验的主要内容。（三)不同地物的反射波谱曲线特征（1、植被）规律性明显而独特。可见光波段（0.4～0.76μm）有一个小的反射峰，两侧有两个吸收带。这是因为叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。在近红外波段（0.7～0.8μrn）有一反射的“陡坡”，至1.lμm附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中红外波段（1.3～2.5μm）受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别是在水的吸收带形成低谷。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不同树种的反射波谱（2）土壤反射波谱曲线1）土质粗细，越细，反射率越高；2）有机质，越高，反射率越低；3）含水量，越高，反射率越低；4）土类和肥力

不同质地土壤反射光谱曲线（3）水体反射波谱曲线水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，吸收就更强，所以水体在遥感影像上常呈黑色。但当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。水中含泥沙时，由于泥沙散射，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时，近红外波段明显抬升，这些都成为影像分析的重要依据。不同叶绿素浓度的海水反射光谱曲线（4）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、色泽等都会对曲线形态产生影响。几种岩石的反射波谱曲线

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。（一）黑体辐射1、普朗克公式：普朗克常数6.63*10-34Js

真空中的光速玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K

λ

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2、斯忒藩-玻尔兹曼定律绝对黑体的总辐射出射度与黑体的温度的四次方成正比。

M=ơT4

ơ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，

ơ＝5.67×10-8W·m-2·K-4

900K800K700K600K500K0.750.500.25024681012141618λ/umMλ

1、基尔霍夫定律（二）实际物体的辐射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，并等于该温度下同面积黑体辐射出射度。

M0=Mi/ai

ai=Mi/M0

٤

=Mi/M0

٤＝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。M0=M/aM=aM0=٤M0=٤ơT4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。这种特征构成了红外遥感的理论依据。

Back2、发射率指地物的辐射出射度（地物单位面积发出的辐射总通量）Mi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）M0的比值

٤＝Mi/M0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。不同地物，发射率不同；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；同一地物，温度越高，发射率越大。3、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。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。

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（一）大气成分BACK第三节大气对遥感监测的影响一、大气成分与结构（二）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。大气外层：800～35000km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。BACK二、大气对太阳辐射的影响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。（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，使用波段不同其影响不同。因此，若不是专门研究云层，尽量选择无云的天气接受遥感信号，使大气反射率最小。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）。（二）大气的吸收作用O2吸收带<0.2μm，0.155μm最强O3吸收带0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收带0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收带1.3