遥感导论第二章张明华

第二章电磁辐射与地物光谱特征

2.1电磁波与电磁波谱

2.2大气层对电磁辐射的影响

2.3地物光谱特征2.1电磁波谱与电磁辐射一、电磁波二、电磁波谱三、遥感应用电磁波段一、电磁波

1概念：电磁波是交变电场和磁场在空中的转化和传播2特点：电磁波是横波，传播速度为光速有反射、吸收、透射、散射等。二、电磁波谱按电磁波波长的长短（或频率的大小），依次排列制成的图表称电磁波谱。三、遥感应用电磁波段紫外线、可见光、红外线、微波遥感应用各电磁波波长紫外线

波长范围为0.01-0.4μm。太阳辐射含有紫外线，通过大气层时，波长短于0.3μm的能量几乎都被吸收，只有0.3-0.4μm波长到达地面。主要用于测定碳酸盐岩分布，碳酸盐岩对紫外线的反射比其它类型的岩石要强。另外，紫外线对水面飘浮的油膜比周围的水面反射强烈，因此可以用于油污染的监测。可见光波长范围从0.38-0.76μm。它由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光有敏锐的感觉，不仅对可见光的全色光，而且对不同波段的单色光，也都具有敏锐的分辨能力，所以可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。在遥感技术中是以光学摄影方式和扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征。红外线波长范围为0.76—1000μm。分为：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）近红外在性质上与可见光相似，所以又称为光红外。在遥感技术中采用摄影方式和扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的光红外反射。中红外、远红外和超远红外是产生热感的原因，所以又称为热红外。

微波微波的波长范围1mm-lm。微波遥感是借助微波散射现象来探测地物的性质。它的优点主要有：（1）微波易于聚成较窄的发射波束（2）微波近似直线传播，不受电离层影响。（3）地面目标对微波散射性能好。（4）受自然界中的电磁波干扰小。（5）具有一定的穿透性。

2.2大气层对电磁辐射的影响一、太阳辐射二、大气层对电磁辐射的影响三、大气窗口一、太阳辐射

太阳辐射是地球及大气电磁辐射的能源，也是被动式遥感系统中主要的辐射源。太阳表面温度约有6000K。与5800K的理想黑体所产生的光谱曲线很相似。太阳辐射能主要集中在0.3--3.0μm。最大辐射强度位于波长0.47μm左右。太阳辐射总能量的46％集中在0.4一0.76μm间的可见光波段。二、大气层对电磁辐射的影响1大气层结构在垂直方向上分：对流层平流层电离层大气外层对流层

为大气的底层，顶部平均位于12km。高度每增加1km，温度下降6.5K

，气象变化强，是现代航空遥感主要活动的区域。在对流层内，由于大气层的吸收作用，使电磁波传播受到衰减。

平流改层平流杆层顶排部平筛均高泉度80隶km，层能内气朗流比素较稳绵定，奔没有欢垂直槐对流俗。在25映km以下晌气温前一般左保持盯恒温壳约为-5焦5º牵C。在25够-3季15终km以上牲气温趟随高敏度递支增（惊臭氧卫吸收清了太焦阳紫改外光跨），供在该客层内恢电磁荒波的熔传播忘特性但与对仔流层状内的禁传播稍特性慨相似桌。电离递层顶部堵高度10叙00车km，大边气十致分稀羞薄，尼处于乘电离狂状态煌。氧欢原子榜和氨链原子电在分柳解和园游离症时吸东收了蝴多余易的能闪量，竭使气片温升湾高，30备0k落m的高料度气菌温可放达60欲0-比80酿0º谁C。对可鸭见光垮、红野外直涉至微桥波的逗影响斥较小袜，基济本上咏是透蓄明的约。它铸是人飞造地弓球卫溉星绕坦地球讯运行轨的主容要空企间层问。大气端外层该位巨于离带地面10扮00鸽km高度织以上像直至瓣几万商公里仆，该页层空莫气极敏为稀累薄。抄并不勇断向撕星际澡空间额散逸尊。该贡层对疮卫星底运行懒基本秒上没际有影琴响。2大气片成分由气穗体、迫水蒸花气和瞧悬浮澡的微幕粒混轨合组祝成。气体归：N2、O2、H2绪O、CO、CO弟2、N2韵O、CH傲4、O3。悬浮慎微粒驱：尘埃谜、冰葬晶、况盐晶岗、水居滴等类，统堤称为气溶霉胶，蠢形成枕霾、班雾和擦云。在80总km以下挽的大梁气中读，除H2、O2、O3等少轻数可菠变气篇体外辰，各沈种气多体均垄匀混显合，描所占音比例杠几乎征不变千，又地为均野匀层羡。在杜该层票中大艺气物嘉质与洒太阳鸭辐射锋相互挑作用个，是裳使太酱阳辐夜射能里衰减障的主迷要原恨因。3大气赖层对玩太阳腹辐射朴的影贺响太阳少辐射吊在通童过大狸气层抽时，恋约有30％被激云层防和其聚它大答气成厨分反哗射回劫宇宙条空间峰，约牌有17％被温大气或吸收喂，约扔有22％被被大气楼散射康，仅膛有31％的咳太阳辈辐射傲直射匆到地递面。太阳雷辐射递通过软大气演的透爷射率壮（τ）为狸：τ=纲e-边(α繁+γ夸)χα：为我大气叉中气抛体分麻子对幼太阳技辐射态的吸葵收系为数γ：为知大气沿对太蓝阳辐懂射的暮散射刑系数χ：为度路程六长度鸦（即冰通过闪大气秤的厚呼度）1）大气判的吸讨收作馋用太阳取辐射确通过灾大气筑层时绝，大勤气层蔑中H2O、O2、CO2、O3对太仗阳辐把射产扔生选首择性昼吸收拆，由堵于各滨种气雄体对域太阳赴辐射损波长依吸收皆的特走性不狱同，懒使有类些波秒段范嫌围通鸭过大让气层堂到达筝地面抚，而追另一砌些波小段则胆全部带被吸作收不叔能到多达地忽面。庸因此馋，造昂成了泽许多光不同革波段秤的大鞋气吸下收带滚。氧（O2）：在波公长0.拖15著5μ饭m处吸紫收最愚强。格在低耕层大抽气内呜几乎质观测腾不到接小于0.卷2μ填m的太撞阳辐舌射，降在0.月69红μm和.7米6μ唱m附近咸，各仙有一剥个窄巾吸收学带。臭氧占（O3）：对太过阳辐胞射能税量吸辛收很纯强。热在0.脖2-蹈0.惨36逆μm和0.隙6μ后m附近扯有两训个吸蜘收带点，臭尺氧主奔要分酬布在30匆km高度浑附近融，因使而对肾高度毫小于10纱km的航漆空遥图感影估响不罩大，土而对楼航天胁遥感珍则有护影响叮。水（H2O）：它是叔吸收绿太阳熟辐射避能量藏最强根的介法质。凑从可糠见光糕、红勤外直熔至微孩波波跑段，苦都有棵水汽棍的吸紧收带罩。主汪要吸帐收带腾是处万于红烈外线仇和可堤见光见中的号红光北波段馒内，屈其中伶红外来部分贱吸收追最强哗。在0.寇5-因0.笋9μ离m有四偏个窄遣吸收昌带，勉在0.衬95抚-2援.8膀5μ略m有5个宽气吸收敞此外桐，在6.煌25据μm附近豪有一曾个强旧吸收捷带。二氧骆化碳播（CO2）：它的画吸收争作用肚主要趁在红悉外区烈内。瘦在1.达35耍-2轿.8判5μ发m有3个宽猪弱吸遇收带唐。另倚外在2.伟7μ圾m、4.否3μ言m与14借.5独μm为强围吸收它带。棕由于斯太阳振辐射助在红刷外区灯能量号很少援，这擦一吸覆收带率可忽著略不妻计。尘埃尖：它对蔑太阳菌辐射轮也有方一定损的吸松收作彻用，论但吸暂收量窑很少回。当忍有沙饮暴、但烟雾塞和火剩山爆弃发等猴现象馅发生脂时，缓大气要中尘蜻埃急意剧增沟加，陕这时昌它的伍吸收驼作用枕才比子较显达著。2）大汗气的因散射嗽作用大气非散射雕集中堤于可畏见光多区，轨是太梯阳辐泛射能戚衰减蜡的主汉要原罗因。杀散射传的强壁弱可裤用散葬射系徐数表您示：ϕ为波罢长的背指数完，它地由微康粒直滩径（d）的葛大小蛋决定工。根据携波长队与散旦射微雕粒的侧大小雕之间陕的关赶系，别散射界可分亲为三租种：瑞利双散射当大友气微焰粒的堪直径速（d）比统辐射感波长蜂（λ）小晶得多哑时，葬即：旁当d＜λ/绵10时，ϕ＝4，发竞生的神散射余称瑞烂利散袋射。γ∞匠1/矛λ4可见禽光对基瑞利暴散射辜的影截响较倍大。常见效雨过李天睛炒后，务晴朗津天空许呈碧扰蓝色怠，大细气中湖的粗摊粒物耀质被贤雨水红带走贱，大课气中冒的气螺体分备子粒迹径较奏小，跳把波牲长较悄短的安蓝光童散射舒到天却空中朴的缘籍故。米氏册散射当大及气中棚微粒绝的直床径与年辐射狮波长粉相近尝时，抵即d≈贤λ，ϕ=2，发残生的痰散射争称为行米氏罩散射班。γ=纲1/狸λ2它是似由大按气中想气溶蚂胶所好引起撤的散率射。勾云雾混等悬束浮粒稿子的于大小捏与0.心76污-1海5μ皆m的红牌外线狭的波两长差魂不多盈，因兽此，置云、皂雾对笛红外室线的辈米氏桥散射梅是不生可忽飞视的把。非选意择性事散射当微肢粒的局直径砖比波论长大避得多丢时，域即d＞λ，ϕ＝0，γ＝1，所发着生的诊散射塔称为蚕非选析择性桥散射艺。这种她散射逮与波彻长无姨关，修即任额何波拣长散窗射强芬度相中同。煌如大揭气中贞的水竭滴、循雾、梅烟、普尘埃刚等气贪溶胶帅对太粮阳辐枪射，罪常常既会出联现这雅种散酱射。云或吨雾之矮所以泊看起伙来是冈白色秆，是么因为舱它对蛙各种息波长浮的电窄磁波挽的散衬射是腔一样河的。三、沟大气箱窗口大气牺层的护反射袜、吸旦收和肠散射说作用喂，削才弱了疑太阳怀辐射清的能涂量。谊把太饱阳辐休射通会过大毕气层牺时，私反射蜂、吸摘收和件散射句比较私低，锤即透今射率虽高的捉波段裳范围锻，称网为大益气窗糟口。主要枯的大副气窗被口：0.醋3-汉1.殃3μ紫m：包括塘部分唯紫外牌（0.裕3-场0.屋38丸μm）、司可见轻光（0.段4-邮0.谋76器μm）和躲部分呢近红冲外波有段（0.闷76卵-1恳.3傅μm），艺属于隶地物浇的反顿射光贺谱。嚼对电垫磁波僻的透恐射率付达90对%以上劲。可规以采具用摄血影方凝式、钟扫描昂方式黎成像疾，胶意卷感悬光的州波谱裁区间秀在0.磨32乱-1阳.3狱2μ负m范围国，超则出这野个波板谱范斤围则生不能栏采用侦摄影铲方式仗成像耳。1.割3-却2.赚5μm：近红温外波萍段的猫中段跪。仍弟属于伴地物貌反射粪光谱伐，但圣不能俘用胶圣片摄运影，饭仅能吉用光申谱仪端和扫滚描仪症来记抗录地瘦物的援电磁草波信饱息。诱透射最率都惯接近80％。目前析近红陆外窗嚷口应镇用不娇多，逢但在桂某些亦波段尿对区注分蚀赢变岩梢石有躬较好骡的效怪果，贡因此迎在遥今感地细质应萝用方匪面很先有潜呈力。TM设有1.好55圈-1核.7吩5μ洽m和2.祥08临-2怀.3絮5μ巩m两个两波段旧。3.腿5-萄4.你2μ黄m：中红担外波袋段。裹包括瓣地物脱反射壮光谱怨、发传射光挽谱，切属于铜混合鸭光谱服范围眯。中确红外云窗口稍应用卧很少击，目码前多贼用于年航空席多光百谱扫辆描方陕式成感象。8-去14寇μm：远红牲外波恭段，述热辐辣射光巡寿谱。训透射省率约砍为60浸—7希0％。脚是地忠物在桐常温江下热堡辐射腰能量帝最集有中的诱波段醉，在停遥感读地质煤、环控境遥花感中员应用舱较多览。利念用扫传描仪太和热馋辐射稍计来碧获得熔地物渣发射玩的电唤磁波混信息厚。0.核8-桶25写cm：微波锤窗口丛，属跟于发角射光寒谱范饭围。明不受久大气意干扰郊，透子射率皆可达10着0％，焦是全湖天候喉的遥每感波叛段。2.痛3地物姓光谱乒特征地物赖的光滚谱特棵性是烛遥感无技术泪的重庆要理秋论依颤据，肺它既那为传鹅感器葵工作肺波段雾的选然择提翼供依访据，掌又是碧遥感胸数据钻正确颤分析泡和判添读的夺理论乔基础照，同梯时也愉可作矿为利悉用计川算机么进行档数字屯图像羞处理矮和分法类时情的参浙考标萍准。一、迹地顺物的齿反射数光谱妇特征二、限地辜物的府发射愈光谱可特征一、方地物惑反射靠光谱纯特征辐射巩能量贿入射这到任鞠何地逐物表粒面上漆，一作部分偷被反饼射；们一部做分被计吸收田，还笨有一毙部分肃透射醋穿过惧地物残。根哑据能散量守姿恒定料律可悄得：Pλ些=P惧ρ+片Pα挑+P盘τPλ总能谈量；Pρ反射燃能量罢；Pα吸收即能量残；Pτ透射西能量歌。除以Pλ，则娱有：ρ+匙α+淹τ=形1ρ、α、τ分别忧为反细射率热、吸亦收率穷、透怠射率1地物容反射阶率不同挎地物编对入漏射光干的反捕射能扶力是援不一掌样的侨，通退常采高用反欣射率蛾（或慢反射锁系数则）来百表示廉。反街射率兆等于意地物孩的反减射能东量与问入射童的总萝能量械的比橡值，誉通常计用百扛分数忆表示。ρ=Pρ备/P佛λ*红1细00仿%2地物壶反射墨光谱呀特征地物罗反射跳率与盟入射斯光波盆波长驼密切齐相关描，地表物反替射率睁是入百射电炸磁波呈波长温的函摸数，红这种姻函数缓关系仆称之房诚为地久物反等射光斤谱特移征。近可以毯用曲坊线表阅示，尸称之组为地邮物反谷射光宜谱曲家线。植被泥的光萝谱特景征土壤责光谱似特征水体电光谱弱特征岩石弄光谱字特征不同牌地物懂，反杜射率牧不同瓣。同一切物质财，不绢同存吼在形痕态，伐反射艺率不农同。同一坛类地茫物，斑反射恨光谱孟曲线侨相似记，但牺又存痒在差赢异。反射粒率与纪影像糠色调竞：反击射率姜高，啦色调伸浅。3影响逢反射惜率的卡因素表面抹的粗斯糙程鱼度；表面滤的风缺化程砍度；含水码性；光照撞度；宋阴坡组、阳易坡；植被汗发育虫程度荷。二、授地梁物的坡发射千光谱肤特征任何露地物别当温患度高吉于绝恼对温捉度0度时汗，就途存在万着分龄子热闻运动秀，都肝向周借围空国间辐冷射能泳量。鸦地物坡发射谜电磁陪波的脖能力巩是以顽发射穿率作垒为测依量标些准，虫而地悼物的猜发射饥率又亏是以殖黑体患辐射独作为弓基准肌。一、概热辐博射基哥本定红律物体哭根据幕吸收叛率的爱大小刷分为纳：黑错体、阿灰体泄、选港择性茎辐射范体。黑体柿：其ελ＝ε=顿1，不盏随波第长变欢化。灰体猛：其ελ＝ε=常数吃＜1(因而知吸收警率α＜1，ε不随希波长画变化课。选择丙性辐面射体案：其ελ随波榨长而算变化尼，而构且ελ＜1（因飞而吸哀收率a也随蓝波长间变化分，并自且a＜1。1普朗反克定踏律：黑体篇辐射宏能量妻是温抖度的胳函数天：Wλ：为罪单位绝面积且单位瘦时间氧单位沫波长尊区间朝辐射损能量肌，h：为师普朗膜克常拍数=（6．62私56虫0.柔00艰05）；K：为然玻尔奇兹曼际常数=（1.挺38改05途4土0.荷00美01汽8）；e：为南自然陪对数荣的底=犁2.泪71牧8；C为光祝速；λ为波粘长；T为绝岛对温捧度；λ为波感长T为绝抵对温愧度不同臭温度狡下的传黑体遭光谱勿曲线件：不同找温度局下，指有不痰同的廉发射答光谱义；辐射育能量光随波厚长连启续变骄化，叛曲线版只有耻一个奸最大霉值；温度舞愈高裁，辐蒙射通采量密监度也父愈大惊；不同初温度速的曲盏线是眨不相缩慧交的劫；随着现温度剧的升茅高，背辐射俊最大未值所祥对应仪的波纹长移懒向短择波方触向。2斯蒂括芬－华尔兹施曼定柔律单位涉面积京单位矩时间序全部糟波长焰范围掏内的剃辐射喇总能崭量：σ：斯择蒂芬-玻尔求兹曼殖常数朝，5.库66哄97土0.裤00静29第7T：黑哑体绝蛮对温挺度3维恩摔定律黑体原热辐缴射的物峰值鬼波长饰与绝绣对温还度成末反比诞：λm余ax：为光某一绸温度岭下辐扰射能袍量的蓄峰值等波长塑；B碎=照28薪79喝.8（um味.k订)。二、窜地物句的热邮辐射僚特征1地物透发射般率自然阳界中弱黑体客辐射尿是不祥存在钥的，抽一般辛地物薄的辐豆射要售比黑沾体辐姥射小树。地冤物的幸发射奴率是哗指地俯物单设位面课积上惭辐射勾能量W与同倦一温茎度下屯同面删积黑部体辐门射能物量之贪比值龟。地物卖发射乞率地伸物种湾类、植表面育状态娱、温竿度等炎有关竖，而羞且与胜波长互有关型。2基尔例霍夫岸定律在任键一给歼定的派温度卸下，歌地物和单位芳面积孤上的斧辐射孔能量W和吸欢收率a之比臂，对陆任何逃地物轿都是买一个笋常数狱，等瓦于该价温度舅下同底面积蛙黑体谈辐