遙感原理與應用2電磁輻射與地物光譜特征

第二章

電磁輻射與地物光譜特征1貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院遙感之所以能夠根據(jù)收集到的電磁波來判斷地物目標和自然現(xiàn)象，是因為一切物體，由于其種類、特征和環(huán)境條件的不同，而具有完全不同的電磁波的反射或發(fā)射輻射特征。因此遙感技術主要是建立在物體反射或發(fā)射電磁波的原理之上的，要深入學習遙感技術，首先要學習和掌握電磁波以及電磁波譜的性質。2貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院2.1電磁波譜與電磁輻射電磁波變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，以有限的速度由近及遠在空間內(nèi)傳播的過程稱為電磁波。表征電磁波的物理量波長、頻率、振幅、位相等電磁波性質橫波在真空以光速傳播滿足：f·λ=c；E=h·f具有波粒二象性，與物質發(fā)生作用時會發(fā)生反射、吸收、透射、散射等現(xiàn)象3貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院電磁波譜按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排列，就構成了電磁波譜。波長由短到長依次為：γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。波段波長長波中波和短波超短波微波大于3000m10~3000m1~10m1mm~1m紅外波段超遠紅外遠紅外①中紅外近紅外0.76~1000μm15~1000μm6~15μm3~6μm0.76~3μm可見光紅橙黃綠青藍紫0.38~0.76μm0.62~0.76μm0.59~0.62μm0.56~0.59μm0.50~0.56μm0.47~0.50μm0.43~0.47μm0.38~0.43μm紫外線10-3~3.8×10-1μmX射線10-6~10-3μmγ射線小于10-6μm①也有人將0.76—15μm看作近紅外，將15—1000μm看作遠紅外。4貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院5貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院電磁輻射的度量任何物體都是輻射源，不僅能夠吸收其他物體對它的輻射，也能夠向外輻射。輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位J。輻射通量（Φ）：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量。輻射通量密度（E）：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量。輻照度（I）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量（即被輻射物體表面單位時間通過單位面積的輻射能量）。輻射出射度（M）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量。輻射亮度（L）：輻射源在某一方向，單位投影表面，單位立體角內(nèi)的輻射通量。6貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院黑體輻射如果一個物體對于任何波長的電磁輻射都全部吸收，則這個物體是絕對黑體。恒星和太陽黑體輻射三個性質：物體溫度不同，輻射出射度曲線也不相同，雖然形狀相似卻都不相交。絕對黑體的總輻射出射度與黑體溫度的四次方成正比。（斯忒藩-玻爾茲曼定律）黑體溫度越高，其曲線峰值就越往波長短的方向移動。（維恩位移定律）7貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響太陽輻射太陽是被動遙感最主要的輻射源。太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位內(nèi)，垂直于太陽光輻射的方向上，單位面積單位時間黑體所接收的太陽輻射能量：I⊙=135.3mW/m2太陽光譜：指光球產(chǎn)生的光譜。8貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院太陽光譜是連續(xù)光譜，相當于6000K的黑體輻射；太陽輻射的能量大部分集中在可見光波段；由于大氣中水、氧、臭氧、二氧化碳等分子對太陽輻射的吸收作用，加之大氣的散射，使得經(jīng)過大氣層的太陽輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的；到達地面的太陽輻射主要集中在0.3~3.0μm波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；到達地面的輻射強度還與太陽高度角有關。09貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院大氣結構大氣的成分大氣分子：N2和O2，約占99%；還有O3、CO2、H2O及其他分子。微粒：煙、塵埃、霧霾、小水滴及氣溶膠。10貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院大氣對輻射的吸收作用大氣分子對電磁波的某些波段有吸收作用。大氣吸收造成相應波段的遙感影像暗淡。主要影響范圍：紫外、紅外、微波區(qū)主要成分：水H2O二氧化碳CO2臭氧O3氧氣O211貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院大氣散射輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開，稱散射。散射只改變輻射傳播的方向，增加了信號中噪聲的成分，造成遙感圖像質量下降。大氣發(fā)生的散射主要有三種：

瑞利散射：d<<λ（N2、CO2、O3、O2等對可見光的散射）

米氏散射：d≈λ（如云霧對紅外線的散射）

非選擇性散射：d>>λ（如云霧對可見光的散射）12貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院大氣窗口對于傳感器而言，只能選擇透過率高的波段才有意義。通常把電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射的透過率較高的波段稱為大氣窗口。大氣窗口波段應用舉例紫外可見光近紅外0.3~1.3μmTM1-4、SPOT的HRV近紅外1.5~1.8μmTM-5近-中紅外2.0~2.5μmTM-7中紅外3.5~5.5μmNOAA的AVHRR遠紅外8~14μmTM-6微波0.8~2.5cmRadarsat13貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院2.3地球的輻射與地物波譜太陽輻射與地表的相互作用14貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院傳感器接收的能量包括：地物目標反射出來的輻射能量、地物的發(fā)射光譜能量、大氣散射和輻射能量。15貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院地物反射波譜特征太陽輻射到達地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：到達地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。物體的反射實際物體的反射方式：介于鏡面反射和漫反射之間。16貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。表觀反射率：真實反射率同一些未知的由地形或陰影造成的增益系數(shù)的乘積。地物反射波譜曲線：是指地物反射率隨波長變化的規(guī)律，即以波長λ為橫坐標，反射率ρ為縱坐標的曲線圖，從中可以得到遙感數(shù)據(jù)與對應地物的識別規(guī)律。17貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院常見地物的波譜曲線比較.4雪紅砂巖18貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院植被19貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院同一作物不同生長階段的波譜特性（土壤、花期、灌漿期、乳熟期、葉黃期）20貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院病蟲害對植物光譜特征的影響21貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院土壤22貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院不同含水量對土壤光譜特征的影響23貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院水體24貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院巖石25貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院影響地物光譜反射率變化的因素太陽位置：高度角、方位角傳感器位置：觀測角、方位角地理位置地形季節(jié)氣候變化地面濕度變化地物本身的變異：植物病蟲害大氣狀況26貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院地物波譜特性的測量作用傳感器波段選擇、驗證、評價的依據(jù)；建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的關系；將地物光譜數(shù)據(jù)與地物特征進行相關分析并建立應用模型。測量依據(jù)實際目標與標準板的測量值之比就是反射率之比ρ(λ)=V(λ)/VS(λ)×ρS(λ)27貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院垂直測量：為使所有數(shù)據(jù)能與航空、航天傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進行比較，一般情況下測量儀器均使用垂直向下測量的方法，以便與多數(shù)傳感器采集數(shù)據(jù)的方向一致。28貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院ASD光譜儀光譜范圍：350~1050nm積分時間：用戶可選，2n×17ms，n=0,1…15掃描平均：最多可選31,800次光譜平均光譜分辨率：3nm采樣間隔：1.4nm數(shù)據(jù)間隔：1nm等效輻射噪聲：NE?L波長精度：+/-1nm波長重復性：+/-0.02nm重復性：優(yōu)于0.3%雜散光：優(yōu)于0.02%光譜數(shù)據(jù)獲取流程圖