第二章 电磁辐射及地物光谱特性

本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响

第二章遥感物理基础

—电磁辐射和地物光谱特征

一、电磁辐射1.电磁波

波

:振动在空间的传播

电磁波（ElectroMagneticSpectrum）

:电磁振荡在空间的传播。电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射。电磁波是横波

真空中以光速传播：C=fλ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。

波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性a.波动性

干涉

衍射

偏振现象

时空周期性

波函数产生感光作用与生理作用的是电场强度矢量E(光矢量)如果光矢量在某个固定平面内只沿一个固定方向作振动,则这种光被称为偏振光.微波技术中称偏振为

”极化”

(波长越

长，偏振现象越显著)最小分辨角:(对设计遥感器的空间分辨率具有重要意义)电磁波遇到有限大小的障碍物时,能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物的后面传播.把这种通过障碍物边缘改变传播方向的现象,称为电磁波的衍射.b.粒子性

光子微粒流的有规律运动

能量:

E=hf

h普朗克常数

6.6260755×10-34J/sf频率

λ波长 粒子导致散射作用，引起强度、方向变化

任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波.

（白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理，混合像元的分解）c.叠加原理(干涉)

当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。d.电磁波的多普勒效应

电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。(类似声波的多普勒效应)波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失位相信息。全息摄影中，同时记录了振幅信息和位相信息。电磁辐射——电磁波的能量传播过程2.电磁波谱

a.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。电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是γ射线电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。b、遥感常用的电磁波波段的特性

电磁波谱波段波长长波

中波和短波

超短波大于3000m

10~3000m

1~10m微波1mm~1m红外波段超远红外

远红外

中红外

近红外0.76

~

1000μm15~1000μm

6~15μm

3~6μm

0.76~3μm可见光红

橙

黄

绿

青

蓝

紫

0.38

~

0.76μm0.62~0.76μm

0.59~0.62μm

0.56~0.59μm

0.50~0.56μm

0.47~0.50μm

0.43~0.47μm

0.38~0.43μm紫外线10-3~3.8×10-1μmX射线10-6~10-3μmγ射线小于10-6μm

电磁波谱区别：传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同

共性：传播速度相同,

遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律TheElectromagneticSpectrumEnergyWavelengthl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。近红外0.76-3.0μm中红外3.0-6.0μm；远红外6.0-15.0μm；超远红外15-1000μm。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。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。遥感常用的电磁波波段的特性3.电磁辐射的度量

a.辐射源：

任何物体在其温度不等于0°K时,都有向周围空间发射热辐射的能力,同时也有吸收外来辐射的能力.(任何物体都是辐射源)人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷达探测:分为微波雷达和激光雷达。

微波辐射源：0.8-30cm激光辐射源：激光雷达—测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。自然辐射源太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用5900°K的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。地球的电磁辐射：小于3μm的波长主要是太阳辐射的能量；大于6μm的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6μm之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。b.辐射测量辐射能量(W):电磁辐射的能量(J)

辐射通量(Φ):单位时间内通过某一面积的辐射能量(W)辐射通量密度(E):单位时间内通过单位面积的辐射能量(W/m2)辐照度

(I):

被辐射物体表面单位面积的辐射通量

(W/m2)辐射出射度

(M):

辐射源物体表面单位面积的辐射通量

(W/m2)辐射亮度

(L):

辐射源某方向上单位投影表面单位立体角内的辐射通量

(W/sr.m2)

朗伯源:L与

θ无关

的辐射源

(绝对黑体)4.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。(自然界没有真正的黑体)

人工黑体

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(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。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。λ-波长c—真空中光速T—绝对温度h—普朗克常数

k—波尔兹曼常数1.38×10-23J/k图示普朗克公式变化特点：(1)辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2)温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3)随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。

(2)玻耳兹曼定律

Stefan-Boltzmann'slaw

即黑体总辐射通量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。σ=5.67×10-8W/m2k4

(斯忒藩-波尔兹曼常数)温度3005001000200030004000500060007000波长9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(3)维恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw

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。高温物体发射较短的电磁波,低温物体发射较长的电磁波.常温（如人体300K左右,发射电磁波的峰值波长9.66μm)b=2.8978×10-3mk5.实际物体的辐射

对于一般物体而言，需要引入发射率

(热辐射率、比辐射率)，表明物体的发射本领。

非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值发射率与地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）、波长等有关：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。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(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W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W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。6、黑体的微波辐射

任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。二、太阳辐射及大气影响

太阳是最大的天然辐射源

送到地球的能量约为1.73×1017J/s

1.太阳常数

地球大气层顶端

日地平均距离(一个天文单位——1.495985×1011m)处垂直于太阳射线的单位面积上在单位时间内接收到的太阳辐射能量

I⊙=1.360×103W/m2

2.太阳光谱

连续光谱

夫朗和费吸收线

(暗线)69种元素

辐射特性基本类似于黑体

等效黑体温度

5762°KSolarSpectrum=Shortwavespectrum=visiblespectrum:

Sunat6000K;peakemissionat0.48mm

太阳能量99%集中在波长

0.2～4μm,可见光部分占43%最大能量在

0.48μm.3.由于大气影响,大气顶层与地面处辐照度曲线有很大不同.(衰减

——吸收

散射

反射

)

另外真实辐照度与太阳高度角也有关系

天顶角

θ

太阳高度角ααθI’=Icosθ*D-24.大气效应

a.地球大气

分层:对流

平流

电离

外大气层

成份:不变成份

N2O2ArCO2CH4NOH2He(80km以下相对比例不变

可变成份

O3H2O尘埃

盐粒

气溶胶等b.大气传输特性

衰减电磁波

(吸收

散射为主

)就可见光和近红外而言，约占30％，其次为散射的作用，约占22％，占第三位是吸收，约占17％，这样，透过大气到达地面的能量仅占入射总能量的31％大气的透射率：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。c.大气的吸收作用某些大气成份对电磁波有吸收作用(转变为自身分子内能)氧气：小于0.2μm；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，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。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。二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。d.大气散射

其实质是电磁波在传输中遇到各种微粒产生的衍射现象(与波长有关)影响:降低原入射方向的强度,增加了漫入射成份(增加了信号中的噪声)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。实际上分为瑞利

(分子)散射

γ∝λ-4

λ小

散射强

(a<<λ)米氏散射(气溶胶引起)

γ∝λ-2

对红外影响大

(a=λ)非选择性散射

γ∝1(a>λ)三种散射作用瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光的原因：颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0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？米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。主要是大气中的气溶胶引起的云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。3.无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色？散射特性瑞利散射是造成图像辐射畸变和模糊的主要原因。米氏散射可叠加在瑞利散射之上大气散射增强了地面的辐射和大气层的“亮度”，降低了图像的反差度。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？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？

e.

折射

反射

折射:传播方向改变

直线成曲线

(与大气密度有关)

反射:两种介质的交界处发生反射

云量多少影响反射情况

f.大气窗口

遥感中,通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的,透过率较高的波段称为大气窗口(也即传感器使用的观测波段).要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。

1）0.3－1.3um：包括全部可见光（95％），部分紫外光（70％），部分近红外光（80％）。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。2）1.5－2.5um：近红外窗口，60％－95％，扫描成像，白天记录3）3.5－5.5um：中红外窗口，60％－70％，白天夜间，扫描成像记录4）8－14um：远红外窗口，超过80％，白天夜间，扫描记录5）1.4－300mm：

微波窗口，

白天夜间，扫描记录。

大气窗口解释三、地球辐射和地物波谱

相当于300°K黑体辐射

,峰值波长

9.66μm(属远红外辐射)

1.地球辐射

0.3-2.5μm反射太阳

分段特性

2.5-6μm反射太阳及自身热辐射

>6μm自身热辐射

太阳与地球辐射的电磁波谱了解地球辐射的分段特性的意义可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。

2.地物自身热辐射地表各种物体都具有发射电磁波的能力。由地表物体发射的电磁波一般称为地表热辐射。地表物体的自身热辐射由比辐射率、温度、波长决定：M=ε*M0,基尔霍夫定律

红外辐射计来探测地表物体的温度在温度一定的情况下，物体的比辐射率随波长变化。曲线形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体。几种主要地物的发射率2地物波谱特征2.1地物的发射波谱2.2地物的透射波谱2.3地物的反射波谱2.1地物发射光谱地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光谱。地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据。2.2地物的透射光谱透明物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。透射率（τλ）：入射光透过物体的能量与入射总能量之比。举例：1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10-20米。2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长决定。2.3地物的反射光谱电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。2.3.1物体反射分类反射率定义:反射能量占总入射能量之比

ρ=(Eρ/E)×100%(ρ≤1)(实际由于物体固有结构特点,对不同波长的电磁波有选择性的反射)反射分类图示(a)镜面反射(b)漫反射（朗伯反射）(c)有向反射(d)混合反射根据物体表面的粗糙程度，反射分为：1)镜面反射2)漫反射(朗伯反射)航天遥感中，地球表面相对于遥感器的高度，近似视为朗伯面。漫反射：发生在非常粗糙的表面上的一种反射现象。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。即当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面.3)有向反射4)混合反射一部分镜面反射，一部分朗伯反射。有向反射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函数。有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向有关，在航空遥感中具有重要意义。地物的反射波谱与反射曲线：反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线。地物反射率随波长的变化规律,反映出不同波段的不同反射率.

2.3.2常见地物的反射波谱曲线•物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。

地物波谱特性不同地物有不同的反射波谱

同类地物的反射光谱是相似的时间特性和空间特性

(不同季节

不同时间

不同地貌位置)白橡树不同生长期的反射光谱曲线•反射光谱特性取决于该物体与入射辐射相互作用的波长选择，即对入射辐射的反射、吸收和透射的选择性，其中反射作用是主要的。•物体对入射辐射的选择性作用受物体的组成成分、结构、表面状态以及物体所处环境的控制和影响。在漫反射的情况下，组成成分和结构是控制因素。•任何物体的反射性质是揭示目标本质的最有用信息。不同植被的反射光谱曲线反射光谱特点•各种物体由于其结构和组成成分不同，反射光谱特性是不同的。•即：各种物体的反射特性曲线的形状是不一样的，即便是在某波段相似，甚至一样，但在另外的波段还是有很大的区别的。•这个特点的重要性是什么？地物波谱曲线的作用物体波谱曲线特征，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器获得的数据相对照，可以识别遥感影像中同类地物。不同地物在不同波段有不同的反射率，物体的反射特性曲线作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。多光谱遥感、高光谱遥感植被土壤水体岩石常见的几种地物类型波谱特征植物的光谱曲线由于植物均进行光合作用，所以各类绿色植物具有很相似的反射波谱特性。•在近红外波段植物的光谱取决于叶片内部的细胞结构。•在0.7μm-1.3μm叶子吸收能量少，反射率来自植物叶子内部结构，形成高反射。•由于叶子内部结构差别大，植被在近红外的发射差异比可见光区域大，所以在近红外波段内测量植物的反射率来区别不同的植物在中红外波段，由于植物叶子内水的强烈吸收,在1.45μm，1.95μm，2.7μm处有吸收带。不同健康状态松树的反射光谱曲线影响植被波谱特征的主要因素植被类型植被生长季节病虫害影响植物波谱特征大同小异，根据这些特征可以区分植被种类、生长状态等。土壤的波谱特征自然状态下的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。土壤的光谱曲线重度盐渍化轻度盐渍土中度盐渍化非盐渍土轻微盐渍化含水量对

土壤反射光谱曲线对影响土壤含水量增加，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。粉砂土壤不同含水量情况下的光谱反射率曲线图水体的波谱特征纯净水体的反射主要在可见光的蓝绿光波段