第04讲 遥感物理基础之三_地球辐射与地物波谱

遥感地质学Remote Sensing Geology遥感物理基础（ 3）地球辐射与地物波谱河北工程大学 资源学院遥感地质学章节内容第一章 绪论第二章 遥感物理基础（电磁波谱与电磁辐射）第三章 遥感成像原理与图像特征第四章 遥感图像处理第五章 遥感图像地质解译标志第六章 遥感图像地貌解译第七章 遥感图像的岩性解译第八章 遥感图像构造解译第九章 遥感应用第二章 遥感物理基础本章主要内容电磁波谱与电磁辐射的概念地球大气对太阳辐射传输的影响地球辐射与地物波谱特征彩色原理（色度学）上次课主要内容回顾 太阳辐射是被动遥感主要的辐射源。 地球大气对太阳辐射的传输影响有吸收作用、散射作用、反射作用和折射作用。 大气窗口的概念 主要大气窗口 大气对太阳辐射的影响特征如何在遥感中应用？21/22电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透过率较高的波段，称为大气窗口。（ 1）可摄影波段 0.3 1.3m，紫外、可见光、近红外；（ 2）近红外波段 1.5 2.5m， 1.5 1.75m和 2.1 2.4m；（ 3）中红外波段 3.0 5.0m， 3.5 4.2m和 4.6 5.0m；（ 4）远红外波段 8.0 14.0m；（ 5）微波波段 0.8 100cm。1、选择大气窗口。2、认识大气传输对遥感图像判读的影响： 大气散射使短波波段（如 0.5-0.6m）的地物影像增加亮度，使景物反差减小； 大气的吸收使长波波段（如 0.8-1.1m）减低亮度。3、为图像恢复或辐射校正提供依据。三、地球辐射与地物波谱特征（一） 太阳辐射与地表的相互作用（二） 地表自身的热辐射（三） 地物波谱特征本节主要内容 地表物体的辐射 地物波谱曲线（反射波谱、发射波谱） 典型地物的波谱特征 地物波谱的时空效应 可见光与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，也有地球自身热辐射的信息。 远红外波段遥感图像上的信息来自地物本身的辐射特征。地物波谱：物体在同一时间、空间条件下，其发射、反射、吸收和透射电磁波的特性是波长的函数，以横坐标代表波长、以纵坐标代表光谱反射率或光谱亮度系数作出的相关曲线，即为地物的波谱曲线。 地物波谱是遥感识别地物的主要依据。曲线形态、反射峰、吸收谷等。反射波谱：是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律的曲线。 地物的反射波谱限于紫外、可见光和近红外波段。发射波谱：是某物体的辐射发射率随波长变化的规律的曲线。 地物的发射率与地物表面的粗糙度、颜色和温度有关。水体波谱特征植被波谱特征岩石波谱特征土壤波谱特征城市地物波谱特征水是低反射体，纯净水的反射率随波长增加而减小。水体在蓝绿光波段有较强反射，在其它可见光波段吸收都很强，至红外几乎全部被吸收。（ 1）在可见光波段的 0.55m（绿光）处有一个小的反射峰，在 0.67 m附近（红光波段）有一个吸收谷。（ 2）在近红外波段（ 0.76-1.3m）为高反射，在 0.7m处反射率迅速增大，至 1.1处有峰值，反射率最大可达 50，形成植被的独有特征。（ 3） 1.3-2.5m受植物含水量影响，吸收率增加，反射率下降，特别以1.45m、 1.95m和 2.7m为中心是水的吸收带，形成几个低谷。同一地点的相同地物，其波谱特征会随时间而产生一定的变化，这种由于时间推移而导致的地物电磁波谱特征的变化，称为地物波谱的时间效应。 利用时间效应可以进行遥感动态分析。 同一在同一时刻、同一类地物，由于其所处的地理位置不同，其波谱特征可能存在一定差异，这种由于空间位置不同导致同类地物之间波谱特征的变化，叫做地物波谱特征的空间效应。结束（一）太阳辐射与地表的相互作用 太阳辐射 太阳 辐射与地表的相互作用 地物的反射率 反射类型漫反射镜面反射方向反射 温度 6000k，近似于黑体辐射。 主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即 0.3-2.5m，最大辐射对应波长 max 0.47m。n太阳辐射到达地表过程中，一部分反射，一部分吸收，一部分透射， 太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量n地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。n一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是 0. 450. 56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达 10 20 m， 清澈水体可达 100 m的深度。n地表吸收太阳辐射后具有约 300 K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为 9.66 m， 主要集中在长波， 即 6m以上的热红外区段。反射率（ ）： 地物的反射能量与入射总能量的比，即 =(P / P 0)100% 。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度、波长和入射角等有关。反射率是可以测定的。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。反射类型 镜面反射 漫反射 方向反射物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因。镜面反射示意图漫反射示意图不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。朗伯面：对于漫反射面，当入射照度一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面称朗伯面。如新鲜的 MgO、 BaSO4、 MgCO3表面。太阳在天顶角 45时地面近似为朗伯反射面。 实际物体反射（混合反射）是处于镜面反射和漫反射之间的一种反射。 其特点是这种反射面对太阳辐射的反射具有各向异性，即实际物体的表面在有入射波时，各个方向都有反射能量，但大小不同。实际物体反射示意图 了解物体反射类型的意义：1、遥感器获取的辐射亮度与物体的反射类型密切相关。辐射亮度既与辐射入射方位角有关，也与反射方向的方位角有关。2、在遥感器成像时间选择上，应避免中午成像，防止在遥感图像上形成镜面反射。返回（二）地表自身的热辐射 地球自身的热辐射 太阳与地表辐射的电磁波谱地球自身辐射特征： 近似为温度 300k的黑体辐射。 电磁辐射波长范围为 2.5 50m， max 9.6m 。 能量主要集中在波长较长近红外波段和热红外波段，即6m以上的部分，又称为热辐射或长波辐射。 地球表面的热辐射（能量）与物体自身的发射率、波长、温度有关： M（ ， T） = （ ， T） M0（ ， T） 可见光与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，也有地球自身热辐射的信息。 远红外波段遥感图像上的信息来自地物本身的辐射特征。返回（三）地物波谱特征 地物波谱曲线反射波谱发射波谱 典型地物的波谱 特征 地物波谱的时空效应 地物波谱的测量返回地物波谱曲线 地物波谱曲线反射波谱发射波谱物体在同一时间、空间条件下，其发射、反射、吸收和透射电磁波的特性是波长的函数，以横坐标代表波长、以纵坐标代表光谱反射率或光谱亮度系数作出的相关曲线，即为地物的波谱曲线，简称地物波谱。地物波谱是遥感识别地物的主要依据。曲线形态、反射峰、吸收谷等。反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律的曲线。地物的反射波谱限于紫外、可见光和近红外波段。发射波谱是某物体的辐射发射率随波长变化的规律的曲线。地物的发射率与地物表面的粗糙度、颜色和温度有关。 表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。 地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。 探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是不同的。 热红外遥感探测的地物热辐射量用 亮度温度 表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。亮度温度：当物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为物体的亮度温度。是衡量地物辐射特征的一个指标。亮度温度总小于实地温度。 TB=T 返回典型地物的波谱特征g水体波谱特征g植被波谱特征g岩石波谱特征g土壤波谱特征g城市地物波谱特征g常见地物光谱曲线的比较返回水体波谱特 征（ 1）水是低反射体，纯净水的反射率随波长增加而减小。水体在蓝绿光波段有较强反射，在其它可见光波段吸收都很强，至红外几乎全部被吸收。以砂质为底的纯净水体，在短波部分（ 0.48m处），具有很好的透射特性，在遥感中用来探测水下地形（一般为 10-20米） 。（ 2）当水体中含有其它物质时，水体的反射光谱曲线会发生变化。如含有泥沙时，可见光波段反射率会增加，反射峰值出现在黄红区；水中含有叶绿素（藻类、浮游生物和植物）时近红外波段反射率明显增加；当水中含有石油污染时，在紫外有较高反射率。（ 3）在遥感影像上，特别在近红外影像上，水体呈黑色。由于水体具有比热大，热惯性大，夜间成像时，水体因温度高呈现浅色调。固体雪在可见光波段均呈浅色调。 返回植被波谱特征（ 1）在可见光波段的 0.55m（绿光）处有一个小的反射峰，在 0.67 m附近（红光波段）有一个吸收谷。（ 2）在近红外波段（ 0.76-1.3m）为高反射，有一反射的 “陡坡 ”，在 0.7m处反射率迅速增大，至 1.1处有峰值，反射率最大可达 50，形成植被的独有特征。这是因为植被叶子的细胞结构影响形成的高反射率。（ 3） 1.3-2.5m受植物含水量影响，吸收率大大增加，反射率下降，特别以 1.45m、 1.95m和 2.7m为中心是水的吸收带，形成几个低谷。影响植被波谱特征的主要因素 植物类型 植被生长季节 病虫害的影响不同植物的反射光谱曲线（ 1）尽管植物种类不同，但仍有相似的反射波谱曲线。（ 2）绿色植物的反射特征在可见光内大同小异，主要差异在近红外处。在 0.7-1.1m（近红外）处不同植物的反射强度各有不同，阔叶林可高达 70，针叶林较小约 30-40，草类约 50-60，农作物与草类相近。在近红外区，一般黄绿色植物反射率最大，青绿其次，墨绿的最小。生长时间特征植物病虫害植物的病虫害加重，小波峰平缓，波谷深度变浅甚至没有，整个可见光的反射率增大，而红外区的反射率则明显减少。遥感监测植物病虫害及矿化毒害的影响，也是依据着这个规律来实现的。返回岩石波谱特征岩石反射光谱：受到组成岩石的矿物成分、矿物含量和岩石风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑度、色泽等因素影响，无统一特征。一般来说，凡是以深色矿物为主的地质体，它们的反射率值都相对较低；凡是以浅色矿物为主的地质体，它的反射率值相对较高。另外，粗粒物质的反射率值一般比细粒的小些。岩石发射光谱：岩石粗糙表面比光滑的表面发射强；暗色目标比浅色目标有较强的发射率。相同温度条件下发射率高的物体热辐射强，在红外影像上色调浅。大理石发射率 0.942，石英岩为 0.626。热惯量高的岩石比低热惯量的物质温度变化小。白天午后热反差最大。黎明前，岩石热惯量影响最大、反射率影响最小。返回土壤波谱特征土壤波谱特征基本的影响因素有腐殖质和氧化铁的含量、湿度、粒度大小、矿物成分、盐分和表土结构。 土壤表面反射光谱曲线比较平滑，没有明显的峰谷。一般情况下，土质越细反射率越高，有机质含量越低，反射率越高，土壤含水量越低反射率越高。土壤反射波谱曲线呈比较平滑的特征，在不同光谱的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。 不同质地的土壤，其波谱反射率是不同的，如粉沙反射波谱曲线整体都高，腐殖土则最低，反射率在 0.1左右。反射率与机械组分有关。 土壤含水量对土壤反射光谱曲线的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、 1.95、 2.7微米处），反射率的下降尤为明显。粉砂土壤不同含水量情况下光谱反射率曲线图 土壤波谱还受土壤理化参数（盐分类型，含量，碱化度等）的影响。从 0.4-1.05m波谱曲线在总轮廓上是上升的，盐渍土的反射率要比非盐渍土高的多，并随着盐渍程度的加重，曲线向上平移。 土壤基岩上的风化残积物，因颗粒细，反射波谱与基岩相似。干燥残积土的反射率要比基岩高，当残积土比较湿润时，其反射率则比湿润基岩的低。返回城市地物波谱特征 水体、植被 建筑物屋顶材料反射率：（ 1）石棉瓦水泥沥青砂石铁皮。（ 2）绿色塑料顶棚在 绿色波段 反射峰，但是没有植被 0.68m 的吸收峰和近红外波段的强反射峰，可与植被相区别。红瓦在 红色波段 反射峰。 道路反射率：水泥路土路沥青路 城市垃圾：生活垃圾曲线不规则，反射率低；工业垃圾波谱曲线较平坦，反射率高或低。 返回QUICKBIRD图像常见地物光谱曲线的比较返回地物波谱的时空效应（一）时间效应（二）空间效应 同一地点的相同地物，其波谱特征会随时间而产生一定的变化，这种由于时间推移而导致的地物电磁波谱特征的变化，称为地物波谱的时间效应。利用时间效应可以进行遥感动态分析。 在同一时刻、同一类地物，由于其所处的地理位置不同，其波谱特征可能存在一定差异，这种由于空间位置不同导致同类地物之间波谱特征的变化，叫做地物波谱特征的空间效