第二章電磁輻射與地物光譜

第二章遙感物理基礎(chǔ)

2.1電磁波與電磁輻射

2.2地物的波譜特征

2.3大氣對(duì)遙感監(jiān)測(cè)的影響

（一）電磁波

交互變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播。（二）電磁波的特性電磁波是橫波，傳播速度為3×108m/s，不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)會(huì)有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律。

第一節(jié)電磁波與電磁輻射Tobecontinued…一、電磁波及其特性（一）電磁波譜按電磁波波長(zhǎng)的長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。依次為：γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無(wú)線電波。電磁波譜示圖

二、電磁波譜與遙感監(jiān)測(cè)電磁波譜紫外線：波長(zhǎng)范圍為0.01～0.38μm，太陽(yáng)光譜中，只有0.3～0.38μm波長(zhǎng)的光到達(dá)地面，對(duì)油污染敏感，但探測(cè)高度在2000m以下?？梢姽猓翰ㄩL(zhǎng)范圍：0.38～0.76μm，人眼對(duì)可見光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。紅外線：波長(zhǎng)范圍為0.76～1000μm，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。微波：波長(zhǎng)范圍為1mm～1m，穿透性好，不受云霧的影響。（二）遙感技術(shù)常用的電磁波（三）電磁輻射的度量單位在遙感探測(cè)過(guò)程中，需要測(cè)量從目標(biāo)地物反射或輻射的電磁波能量，為了定量描述電磁輻射，需要了解下面一些輻射度量的術(shù)語(yǔ)及其定義。輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位是J。輻射通量：在單位時(shí)間內(nèi)傳送的輻射能量（W），是輻射能流的單位。輻射通量密度（E）：?jiǎn)挝幻娣e所截取的輻射能量。輻照度（I）：被輻照的物體單位面積上的入射輻射通量。輻射出射度（M）：被輻照的物體單位面積上出射的輻射通量。輻照度與輻射出射度都是描述輻射能量的密度，前者描述物體接受的輻射，后者為物體發(fā)出的輻射。輻射亮度（L）：在單位立體角、單位時(shí)間內(nèi)，從外表面的單位面積上輻射出的輻射能量。三、電磁輻射源自然界中一切物體都是輻射源，也是遙感探測(cè)中被動(dòng)遙感的主要輻射源。太陽(yáng)輻射是可見光及近紅外遙感的主要輻射源，地球是遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源，地球是遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源。主動(dòng)式遙感采用人工輻射源，是微波遙感的主要輻射源。太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)是遙感主要的輻射源，又叫太陽(yáng)光，在大氣上界和海平面測(cè)得的太陽(yáng)輻射曲線如圖所示。從太陽(yáng)光譜曲線可以看出(…)：（一）太陽(yáng)輻射太陽(yáng)光譜相當(dāng)于6000K的黑體輻射；太陽(yáng)輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38～0.76μm的可見光能量占太陽(yáng)輻射總能量的46%，最大輻射強(qiáng)度位于波長(zhǎng)0.47μm左右；到達(dá)地面的太陽(yáng)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；經(jīng)過(guò)大氣層的太陽(yáng)輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的。

太陽(yáng)輻射與地表的相互作用(…)地物的反射率(…)漫反射(…)鏡面反射(…)太陽(yáng)輻射與地物的作用太陽(yáng)輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：

到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地表反射的太陽(yáng)輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)10～20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。地表吸收太陽(yáng)輻射后具有約300K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長(zhǎng)為9.66μm，主要集中在長(zhǎng)波，即6μm以上的熱紅外區(qū)段。

反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P

0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測(cè)定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物的反射光譜曲線：反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線。

不論入射方向如何，其反射出來(lái)的能量在各個(gè)方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個(gè)方向反射的能量大小不同。

物體的反射滿足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測(cè)到電磁波，水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時(shí)很亮，有時(shí)很暗，就是這個(gè)原因造成的。

（二）地球的輻射

地球的輻射主要是指地球自身的熱輻射，是遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源。地球表面的平均溫度大約是300K，地球輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)是9.66um，屬于遠(yuǎn)紅外波段。由于這種輻射與地表熱有關(guān)，所以也稱為熱紅外遙感。地球輻射的能量分布在從近紅外到微波這一很寬的范圍內(nèi)，但大部分集中在6~30um，熱紅外遙感被廣泛應(yīng)用于地表地?zé)岙惓５奶綔y(cè)、城市熱島效應(yīng)及水體熱污染等方面的研究。（三）太陽(yáng)輻射與地球輻射的關(guān)系太陽(yáng)輻射近似于溫度6000K的黑體輻射，二地球輻射則接近于溫度為300K的黑體輻射。最大輻射波長(zhǎng)分別為0.48um和9.66um，兩者相差較遠(yuǎn)。波長(zhǎng)/um波段名稱輻射特性0.3~2.5可見光和近紅外地表反射太陽(yáng)輻射為主2.5~6中紅外地表反射太陽(yáng)輻射和地表物體自身的熱輻射>6熱紅外地表物體自身的熱輻射為主（四）人工輻射源人工輻射源指人為發(fā)射的具有一定波長(zhǎng)（或一定頻率）的波束，主動(dòng)式遙感采用人工輻射源。工作時(shí)根據(jù)接收地物散射該光束返回的后向反射信號(hào)強(qiáng)弱，從而探知地物或測(cè)距，稱為雷達(dá)探測(cè)。雷達(dá)可分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。在微波遙感中，目前常用的主要為測(cè)視雷達(dá)。微波輻射源在微波遙感中常用波段為0.8~30cm。由于微波波長(zhǎng)比可見光、紅外線波長(zhǎng)要長(zhǎng)，收到大氣散射影響小，使得微波遙感具有全天候全天時(shí)探測(cè)能力，在海洋遙感及多云多雨地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。激光輻射源在遙感技術(shù)中逐漸得到應(yīng)用，其中應(yīng)用較為廣的為激光雷達(dá)。激光雷達(dá)使用脈沖激光器，可精確測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度等，也可測(cè)量地形、繪制地圖、記錄海面波浪情況，還可利用物體的散射性及熒光、吸收等性能監(jiān)測(cè)污染和勘察資源。在可見光與近紅外波段，地表物體自身的輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽(yáng)輻射為主。太陽(yáng)輻射到達(dá)地面之后，物體除了反射作用外，還有對(duì)電磁輻射的吸收作用。電磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過(guò)的部分，即：

到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波透射能力較強(qiáng)，特別是對(duì)0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá)10~20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。對(duì)于一般不能透過(guò)可見光的地面物體，波長(zhǎng)5cm的電磁波卻有透射能力，如超長(zhǎng)波的透射能力就很強(qiáng)，可以透過(guò)地面巖石和土壤。第二節(jié)地物波譜特性（一）地物的反射率反射率

：物體反射的輻射能量Pρ占總?cè)肷淠芰縋0的百分比，稱為反射率ρ：

地物反射率的大小與入射電磁波的波長(zhǎng)，入射角的大小以及地物表面顏色和粗糙度有關(guān)。一、地物的反射波譜特性與地物反射波譜曲線（二）地物的反射波譜曲線

地物反射光譜：地物的反射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：按地物反射率與波長(zhǎng)之間關(guān)系繪成的曲線（橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為反射率）。地物由于組成和結(jié)構(gòu)的不同因而具有不同的反射光譜特性。這是遙感的基本出發(fā)點(diǎn)。不同地物在不同波段反射率存在著差異，因此在不同波段的遙感圖象上即呈現(xiàn)出不同的色調(diào)，這就是判讀識(shí)別各種地物的依據(jù)。設(shè)計(jì)傳感器探測(cè)波段的波長(zhǎng)范圍是通過(guò)分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而選擇設(shè)置的。從雪、沙漠、濕地、小麥反射波譜曲線對(duì)反射波譜曲線的意義及應(yīng)用的幾點(diǎn)理解：（1）不同的地物具有不同的波譜特征。（2）根據(jù)區(qū)分的地物不同選擇不同波段的遙感影像。（3）衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的波譜曲線是地物分類的基礎(chǔ)。（4）地面光譜反射曲線的測(cè)定是遙感數(shù)據(jù)分類的基礎(chǔ)。（5）地面波譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)。（6）地面波譜曲線測(cè)量是本章實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容。（三)不同地物的反射波譜曲線特征（1、植被）規(guī)律性明顯而獨(dú)特。可見光波段（0.4～0.76μm）有一個(gè)小的反射峰，兩側(cè)有兩個(gè)吸收帶。這是因?yàn)槿~綠素對(duì)藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，而對(duì)綠光反射作用強(qiáng)。在近紅外波段（0.7～0.8μrn）有一反射的“陡坡”，至1.lμm附近有一峰值，形成植被的獨(dú)有特征。這是由于植被葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中紅外波段（1.3～2.5μm）受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率大大下降，特別是在水的吸收帶形成低谷。植物波譜具有上述的基本特征，但仍有細(xì)部差別，這種差別與植物種類、季節(jié)、病蟲害影響、含水量多少等有關(guān)系。為了區(qū)分植被種類，需要對(duì)植被波譜進(jìn)行研究。9月20日玉米、大豆5月20日油菜、小麥不同種類地物光譜不同不同樹種的反射波譜（2）土壤反射波譜曲線1）土質(zhì)粗細(xì)，越細(xì)，反射率越高；2）有機(jī)質(zhì)，越高，反射率越低；3）含水量，越高，反射率越低；4）土類和肥力

不同質(zhì)地土壤反射光譜曲線（3）水體反射波譜曲線水體的反射主要在藍(lán)綠光波段，其他波段吸收都很強(qiáng)，特別到了近紅外波段，吸收就更強(qiáng)，所以水體在遙感影像上常呈黑色。但當(dāng)水中含有其他物質(zhì)時(shí)，反射光譜曲線會(huì)發(fā)生變化。水中含泥沙時(shí)，由于泥沙散射，可見光波段反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含葉綠素時(shí)，近紅外波段明顯抬升，這些都成為影像分析的重要依據(jù)。不同葉綠素濃度的海水反射光譜曲線（4）巖石反射波譜曲線巖石的反射波譜曲線無(wú)統(tǒng)一的特征，礦物成分、礦物含量、風(fēng)化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑程度、色澤等都會(huì)對(duì)曲線形態(tài)產(chǎn)生影響。幾種巖石的反射波譜曲線

不同地物在不同波段反射率存在著差異，因此在不同波段的遙感圖象上即呈現(xiàn)出不同的色調(diào)，這就是判讀識(shí)別各種地物的依據(jù)。設(shè)計(jì)傳感器探測(cè)波段的波長(zhǎng)范圍是通過(guò)分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而選擇設(shè)置的。（一）黑體輻射1、普朗克公式：普朗克常數(shù)6.63*10-34Js

真空中的光速玻爾茲曼常數(shù)1.38*10-23J/K

λ

輻射出射度波長(zhǎng)絕對(duì)溫度（K）二、地物的發(fā)射波譜特性與地物發(fā)射波譜曲線2、斯忒藩-玻爾茲曼定律絕對(duì)黑體的總輻射出射度與黑體的溫度的四次方成正比。

M=?T4

?為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，

?＝5.67×10-8W·m-2·K-4

900K800K700K600K500K0.750.500.25024681012141618λ/umMλ

1、基爾霍夫定律（二）實(shí)際物體的輻射基爾霍夫在研究輻射傳輸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：在任一給定的溫度下，地物單位面積的輻射出射度和吸收率之比，對(duì)任何地物都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射出射度。

M0=Mi/ai

ai=Mi/M0

?

=Mi/M0

?＝a由此可見，在給定的溫度下，任何地物的發(fā)射率在數(shù)值上等于同溫度大、同波長(zhǎng)下的吸收率，該公式還表明地物的吸收率愈大，發(fā)射率也愈。M0=M/aM=aM0=?M0=??T4由上式可知，只有已知地物的溫度和吸收率，就可以確定地物的熱輻射強(qiáng)度。該公式表明地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量較明顯的變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論依據(jù)。

Back2、發(fā)射率指地物的輻射出射度（地物單位面積發(fā)出的輻射總通量）Mi于同溫度的黑體輻射出射度（黑體單位面積發(fā)出的輻射總通量）M0的比值

?＝Mi/M0地物的發(fā)射率與地物的性質(zhì)、表面狀況（如粗糙度、顏色等）有關(guān)且是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。不同地物，發(fā)射率不同；同一地物，其表面粗糙或顏色較深的，發(fā)射率往往較高，表面光滑或顏色淺的，發(fā)射率則較?。煌坏匚铮瑴囟仍礁?，發(fā)射率越大。3、地物發(fā)射波譜

地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律稱為地物的發(fā)射波譜。按地物發(fā)射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系繪成的曲線（橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為總發(fā)射）稱為地物發(fā)射波譜曲線。

大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。

氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3懸浮微粒：塵埃（一）大氣成分BACK第三節(jié)大氣對(duì)遙感監(jiān)測(cè)的影響一、大氣成分與結(jié)構(gòu)（二）大氣結(jié)構(gòu)從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對(duì)流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在12～50km，底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。大氣外層：800～35000km,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒有影響。BACK二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響太陽(yáng)輻射進(jìn)入地球之前必然通過(guò)大氣層，太陽(yáng)輻射與大氣相互作用的結(jié)果使能量不斷減弱，約30%被云層和其它大氣成分反射回宇宙空間，約17%被大氣吸收，約22%被大氣散射，僅有31%的太陽(yáng)輻射輻射到地面。其中，反射作用影響最大，這是因?yàn)樵茖拥姆瓷鋵?duì)電磁波各波段均有強(qiáng)烈影響，造成對(duì)遙感信息接收的嚴(yán)重障礙。因此，目前在大多遙感方式中，都只考慮無(wú)云天氣情況下的大氣散射、吸收的衰減作用。（一）大氣的反射作用

電磁波傳播過(guò)程中的反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量和云霧，使用波段不同其影響不同。因此，若不是專門研究云層，盡量選擇無(wú)云的天氣接受遙感信號(hào)，使大氣反射率最小。大氣的吸收作用：大氣中的各種成分對(duì)太陽(yáng)輻射有選擇性吸收，形成太陽(yáng)輻射的大氣吸收帶（如下表）。（二）大氣的吸收作用O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強(qiáng)O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶1.3