第二章 电磁辐射及地物光谱特征B=遥感概论=宁夏大学

第二章电磁辐射与地物光谱特征太阳光照射在物体上，物体对太阳光进行反射，而且不同物体对光的反射能力是不相同的。遥感正是利用物体的这一性质，用传感器接收物体反射回来的电磁波，不同物体反射情况不相同，反映在图象上即形成不同的形状和色调，以此来进行地物的识别。一、电磁波谱与电磁辐射（一）电磁波谱振动在空气中的传播形成波。1、电磁波——当电磁震荡进入空间，变化着的磁场能够在它的周围激起电场，变化的电场又会在它的周围激发磁场，变化的电场和磁场交替产生。由近及远地向周围空间的传播就叫电磁波。实验证明，电磁波与光波性质相同，因此光波和电磁波统一起来，光波也叫电磁波。电磁波的种类：无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、r射线。这些不同的电磁波又具有各自的特性，这是由于产生的波源不同，因此他们的波长和频率也不相同。2、电磁波谱按照电磁波在真空中的波长（或频率）加以排列形成一个谱表就叫电磁波谱。电磁波谱波段波长长波大于3000m中波和短波10—3000m超短波1—10m微波1mm—1m红外波段超远红外15—1000μm远红外6—15μm中红外3—6μm近红外0.76—3μm波段波长可见光红0.380.760.62—0.76μm橙0.59—0.62μm黄0.56—0.59μm绿0.50—0.56μm青0.47—0.50μm兰0.43—0.47μm紫0.38—0.43μm紫外线10-3—3.8*10-1μmX射线

10-6—10-3

μmγ射线小于10-6

μm电磁波谱3、遥感上应用的电磁波1）紫外线（0.01μm—0.38μm）高温物体可发射紫外线，太阳光中也含有紫外线，但是太阳光在通过大气层时波长小于0.3μm的几乎全部吸收，所以太阳光中到达地面的只有0.3μm—0.4μm，能量很少，但是可使溴化银底片感光，所以可用摄影或扫描方式获得地物紫外波段的影象。2）可见光（0.38—0.76μm）在电磁波谱中，可见光只占很小一个空间，但是其能量却占到太阳辐射总量的一半。而且人眼对可见光敏感，不仅对全色光，而且对不同波段的单色光都有敏锐的分辨能力。所以可见光是遥感技术应用最多的一个波段，一般用光学摄影和光电扫描来获得遥感影象。3）红外线（0.76μm—1000μm）近红外（0.76μm—3.0μm）——光红外，性质与可见光相似，主要反映地物对太阳光的反射，不反映地物的热辐射，采用摄影和扫描方式。中红外（3.0μm—6.0μm）远红外（6.0μm—15.0μm）热红外超远红外（15μm—1000μm）热红外是产生热感的原因。一般自然界的任何物体，当温度大于绝对温度0k（-273ｏC）时，能发射红外线，发射能力的大小由其温度来决定，温度越高，发射能力越强。在常温范围内物体发射的波长多在3—40μm之间，而15μm以上的超远红外绝大部分被吸收，所以遥感技术在红外线波段主要是利用了3—15μm波段，也就是中红外和远红外。热红外采用的是热感应方式，其主要传感器是辐射计。4）微波无线电波的一种，常用波段为3cm、5cm、10cm，为主动式遥感。（二）电磁辐射任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其它物体对它的辐射，也能够向外辐射。因此对辐射源的认识不仅限于太阳、炉子等发热发光的物体，能发出紫外线、x射线、γ射线、微波等的物体也是辐射源，只是辐射强度和波长不同而已。电磁波传递就是电磁能量的传递，遥感对电磁波的探测实际上是对物体辐射能量的测定。二、太阳辐射与大气窗口（一）太阳辐射太阳辐射的电磁波到达地球表面大概需要8分钟，地球周围存在着很厚的大气层，太阳光照射到地球表面之前，必须穿过大气层。这样太阳光在大气层中遇到各种气体分子、水滴和尘埃时会受到干扰，一部分光被反射回宇宙空间，一部分光被吸收，一部分光被散射，因此到达地球表面的太阳辐射仅占31%，再除掉被植物光合作用消耗的能量，遥感接受和记录的就是剩下的这部分能量。（二）大气对太阳辐射的影响1、大气层的反射作用太阳光进入到大气层以前，它的波长范围很广，从零到无穷大，但主要波长范围集中在0.15—4μm之间，约占99%，其中可见光50%，红外43%，紫外7%。地球被大气圈所包围，一般认为大气厚度约为1000km，且在垂直方向自下而上分为对流层、平流层、中气层、热层等。对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层。大气中主要成分有气体分子（氮气和氧气约占99%，其余1%是臭氧、二氧化碳和水分子）和微粒（烟、尘埃、小水滴等），水滴、尘埃单个来说其反射能力不强，但由尘埃和水滴组成的云的反射能力很大，如果云层很厚，其反射回的能量越多，因此遥感摄影要选择晴朗无云的好天。2、大气层的吸收作用大气层中的气体分子、水滴和尘埃等粒子，除了对太阳光产生反射作用外，还有选择性的吸收作用。各种气体分子和粒子对太阳辐射波长的吸收特性不同，因此有些波段范围能透过大气层到达地球表面，有些则全部被吸收，不能到达地球表面，因此了解这些知识对我们研制传感器有重要意义（为什么）。具体吸收情况见P28页。3、大气层的散射作用散射作用不像质点的吸收作用那样把太阳能转换为自身内能，而是只改变太阳辐射的方向，使其围绕质点向四周传射，因此这部分散射光和地物的反射光一起进入传感器，对影象造成影响。一般情况下，太阳辐射光的散射作用同散射介质的质点大小有密切关系，并分为三种情况：1）瑞利散射——散射质点的直径小于辐射波长时发生的散射，这种散射主要由大气层中的气体分子如N2、CO2、O3等引起。特点：散射强度与波长的四次方成反比。即波长越长，散射越弱。瑞利散射对可见光影响很大，无云的晴空呈现兰色就是因为蓝光波长短，散射强度较大，使天空呈现蔚蓝色。2）米氏散射——散射质点的直径与辐射波长相当时发生的散射。主要由大气中的烟、尘埃和小水滴引起。散射特点：散射强度与波长的二次方成反比，且散射在光线向前方向比向后方向更强，具有明显的方向性。如云雾的粒子大小与红外线波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。3）无选择性散射散射质点的直径比波长大得多时发生的散射。散射特点：散射强度与波长无关，即在符合无选择性散射条件的波段中，任何波长的散射强度都相同。如云雾粒子直径比可见光波长大很多，因而对可见光各波长的光散射强度相同，所以人们看到云雾呈白色。（三）大气透射窗口太阳辐射光照射到地球表面的过程中，由于大气层的反射、吸收和散射作用，绝大部分能量消失掉了，只有一部分大气散射和透射能量透过大气层到达地球表面。大气透射窗口：通常把太阳辐射光通过大气层时没有或较少被反射、吸收和散射的那些透过率高的波段称为大气透射窗口。对遥感传感器而言，只能选择大气透射窗口才对观测有意义。1、0.3—1.3μm（紫外、可见光、近红外）这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。如Landsat1-4波段TM1（0.45—0.52）蓝光波段TM2（0.52—0.60）绿光波段TM3（0.63—0.69）红光波段TM4（0.76—0.90）近红外波段这一光谱段属于反射光谱，只能白天成像，且要求日照条件良好。2、1.5—1.8μm和2.0—3.5μm（近红外）TM5（1.55—1.75μm）TM7（1.75—2.08μm）这一波段用以探测植物含水量以及云、雪、地质探矿等。也属于反射光谱，只能白天成像。3、3.5—5.5μm（中红外）属于混合光谱，既有太阳光反射，也有地表热辐射，这一光谱段主要采用红外扫描仪得到红外扫描相片，可昼夜成像。如气象卫星NOAA的AVHRR（甚高分辨率辐射计）用于探测海面温度。4、8—14μm（远红外波段）可昼夜成像，尤以夜间成像为好（夜间太阳辐射消失，地面发出的能量以发射光谱为主）5、0.8—25cm（微波）0.5cm、3cm、5cm、10cm可全天侯工作。三、地球的辐射与地物波谱（一）太阳辐射与地表的相互作用地表接受太阳光照射后向外反射，同时地表自身又存在热辐射。这两种情况同时存在，只不过在不同的波段范围情况不同。1、在短波区（0.3—2.5μm）即紫外、可见光、近红外波段，地表反射的太阳光成为地表的主要辐射来源，而来自地球自身的辐射，几乎可以忽略不计。2、在长波区（>6μm）即远红外，该区段主要是地球自身的热辐射，太阳辐射可以忽略不计。3、2.5—6μm，即中红外，地球对太阳辐射的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。地球辐射的分段特性波段名称可见光与近红外中红外远红外波长0.3—2.5μm2.5—6μm>6μm辐射特性地表反射太阳辐射为主地表反射太阳辐射和自身的热辐射地表物体自身热辐射为主（二）地物的反射光谱特性当太阳辐射经过大气的吸收、反射和散射最终到达地球表面时，在地球表面又出现三种情况：一部分入射能被地物反射——P反一部分入射能被地物吸收——P吸一部分入射能被地物透射——P透P入=P反+P吸+P透P入—入射总能量1=P反/P入+P吸/P入+P透/P入令P反/P入*100%=ρ——反射率

P吸/P入*100%=а——吸收率

P透/P入*100%=δ——透射率一般情况下，只有水和冰具有透射一定波长电磁波的能力（0.45—0.56μm的蓝绿光波段），绝大多数地物都没有透射电磁波的能力。微波对地物具有明显的透射能力，可以透过地面岩石、土壤，在不破坏地面物体的情况下探测到地层下面的情况，在勘测石油时有重要作用。所以一般情况下δ=0上式可写为ρ=1-а这表明：地物的吸收率越高，反射率就越低。反之地物的吸收率越低，反射率就越高。1、地物的反射率1）定义：地物的反射量与入射总能量之比。又叫反射系数、亮度系数。不同地物，即使同一地物对入射太阳光的反射能力是不一样的。2）影响反射率的因素太阳辐射光的波长入射角的大小地表颜色、粗糙度一般来说，地物反射率大，反射入射光能力强，传感器记录的亮度值大，色调浅；反之，地物反射率小，反射能力弱，传感器记录的亮度值小，色调深。这些色调的差异就成为我们进行目视判读的主要依据。2、地物的反射光谱1）定义：地物的反射率随入射光波长变化的规律。将地物的反射率与入射光波长用直角坐标系表示，用横轴表示波长，纵轴表示反射率，绘成的曲线就叫地物的反射光谱曲线。2）不同地物的反射光谱曲线雪：在0.4-0.6μm（可见光）附近有一强反射峰，因此雪看上去是白色，随着波长的增加，反射率逐渐降低。沙漠：在橙光0.6μm附近有一强反射峰，因此沙漠看起来呈黄色。湿地：在整个波长范围内反射率均较低，特别在近红外波段吸收更强，因此在影象上呈黑色。小麦：在0.55μm（绿光波段）处有一个小的反射峰，因此呈绿色。在0.45μm（兰）和0.67μm（红）有两个吸收带（这是由于植物中的叶绿素对蓝光和红光