遥感导论第二章张明华.ppt

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0.01-0.4m。太阳辐射含有紫外线，通过大气层时，波长短于 0.3m的能量几乎都被吸收，只有0.3- 0.4m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0.38-0.76m。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0.761000m 。 分为： 近红外（ 0.76-3.0 m ） 中红外（ 3.0-6.0m ） 远红外（ 6.0-15.0m ） 超远红外（ 15 -1000 m ） 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6000 K。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0.3-3.0m。 最大辐射强度位于波长0.47m左右。 太阳辐射总能量的46集中在0.4一0.76m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6.5 K ，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。,平流层,平流层顶部平均高度80km，层内气流比较稳定，没有垂直对流。在25km以下气温一般保持恒温约为-55C。在25-315km以上气温随高度递增（臭氧吸收了太阳紫外光），在该层内电磁波的传播特性与对流层内的传播特性相似。,电离层,顶部高度1000km，大气十分稀薄，处于电离状态。氧原子和氨原子在分解和游离时吸收了多余的能量，使气温升高，300km的高度气温可达600-800C。 对可见光、红外直至微波的影响较小，基本上是透明的。它是人造地球卫星绕地球运行的主要空间层。,大气外层,该位于离地面1000km高度以上直至几万公里，该层空气极为稀薄。并不断向星际空间散逸。该层对卫星运行基本上没有影响。,2 大气成分,由气体、水蒸气和悬浮的微粒混合组成。 气体：N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4、O3。 悬浮微粒：尘埃、冰晶、盐晶、水滴等，统称为 气溶胶，形成霾、雾和云。 在80km以下的大气中，除H2、O2、O3等少数可变气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变，又为均匀层。在该层中大气物质与太阳辐射相互作用，是使太阳辐射能衰减的主要原因。,3 大气层对太阳辐射的影响,太阳辐射在通过大气层时，约有30被云层和其它大气成分反射回宇宙空间，约有17 被大气吸收，约有22被大气散射，仅有31的太阳辐射直射到地面。 太阳辐射通过大气的透射率（）为： =e-(+) ：为大气中气体分子对太阳辐射的吸收系数 ：为大气对太阳辐射的散射系数 ：为路程长度（即通过大气的厚度）,1） 大气的吸收作用,太阳辐射通过大气层时，大气层中H2O、O2、CO2、O3对太阳辐射产生选择性吸收，由于各种气体对太阳辐射波长吸收的特性不同，使有些波段范围通过大气层到达地面，而另一些波段则全部被吸收不能到达地面。因此，造成了许多不同波段的大气吸收带。,氧（O2）：,在波长0.155m处吸收最强。在低层大气内几乎观测不到小于0.2m的太阳辐射，在0.69m和.76m附近，各有一个窄吸收带。 臭氧（O3）： 对太阳辐射能量吸收很强。 在0.2-0.36m 和0.6m附近有两个吸收带，臭氧主要分布在30km高度附近，因而对高度小于10km的航空遥感影响不大，而对航天遥感则有影响。,水（H2O）：,它是吸收太阳辐射能量最强的介质。从可见光、红外直至微波波段，都有水汽的吸收带。主要吸收带是处于红外线和可见光中的红光波段内，其中红外部分吸收最强。在0.5-0.9m有四个窄吸收带，在0.95-2.85m有5个宽吸收此外，在6.25m附近有一个强吸收带。,二氧化碳（CO2）： 它的吸收作用主要在红外区内。在1.35-2.85m有3个宽弱吸收带。另外在2.7m、4.3m与14.5m为强吸收带。由于太阳辐射在红外区能量很少，这一吸收带可忽略不计。 尘埃： 它对太阳辐射也有一定的吸收作用，但吸收量很少。当有沙暴、烟雾和火山爆发等现象发生时，大气中尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较显著。,2）大气的散射作用,大气散射集中于可见光区，是太阳辐射能衰减的主要原因。散射的强弱可用散射系数表示： 为波长的指数，它由微粒直径（d）的大小决定。 根据波长与散射微粒的大小之间的关系，散射可分为三种：,瑞利散射,当大气微粒的直径（d）比辐射波长（）小得多时，即：当d/10时，4，发生的散射称瑞利散射。 1/4 可见光对瑞利散射的影响较大。 常见雨过天睛后，晴朗天空呈碧蓝色，大气中的粗粒物质被雨水带走，大气中的气体分子粒径较小，把波长较短的蓝光散射到天空中的缘故。,米氏散射,当大气中微粒的直径与辐射波长相近时，即d，=2 ，发生的散射称为米氏散射。 =1/2 它是由大气中气溶胶所引起的散射。云雾等悬浮粒子的大小与0.76-15m的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。,非选择性散射,当微粒的直径比波长大得多时，即d，0， 1，所发生的散射称为非选择性散射。 这种散射与波长无关，即任何波长散射强度相同。如大气中的水滴、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐射，常常会出现这种散射。 云或雾之所以看起来是白色，是因为它对各种波长的电磁波的散射是一样的。,三、大气窗口,大气层的反射、吸收和散射作用，削弱了太阳辐射的能量。把太阳辐射通过大气层时，反射、吸收和散射比较低，即透射率高的波段范围，称为大气窗口。 主要的大气窗口：,0.3-1.3m： 包括部分紫外（0.3-0.38m）、可见光（0.4-0.76m）和部分近红外波段（0.76-1.3m），属于地物的反射光谱。对电磁波的透射率达90%以上。可以采用摄影方式、扫描方式成像，胶卷感光的波谱区间在0.32-1.32m范围，超出这个波谱范围则不能采用摄影方式成像。 1.3-2.5m： 近红外波段的中段。仍属于地物反射光谱，但不能用胶片摄影，仅能用光谱仪和扫描仪来记录地物的电磁波信息。透射率都接近80。,目前近红外窗口应用不多，但在某些波段对区分蚀变岩石有较好的效果，因此在遥感地质应用方面很有潜力。TM设有1.55-1.75m和2.08-2.35m两个波段。 3.5-4.2m： 中红外波段。包括地物反射光谱、发射光谱，属于混合光谱范围。中红外窗口应用很少，目前多用于航空多光谱扫描方式成象。,8-14m： 远红外波段，热辐射光谱。透射率约为6070。是地物在常温下热辐射能量最集中的波段，在遥感地质、环境遥感中应用较多。利用扫描仪和热辐射计来获得地物发射的电磁波信息。 0.8-25cm： 微波窗口，属于发射光谱范围。不受大气干扰，透射率可达100，是全天候的遥感波段。,2.3 地物光谱特征,地物的光谱特性是遥感技术的重要理论依据，它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是遥感数据正确分析和判读的理论基础，同时也可作为利用计算机进行数字图像处理和分类时的参考标准。 一、 地物的反射光谱特征 二、 地物的发射光谱特征,一、地物反射光谱特征,辐射能量入射到任何地物表面上，一部分被反射；一部分被吸收，还有一部分透射穿过地物。根据能量守恒定律可得： P=P+P+P P总能量；P反射能量；P吸收能量；P透射能量。 除以P，则有： +=1 、分别为反射率、吸收率、透射率,1 地物反射率,不同地物对入射光的反射能力是不一样的，通常采用反射率（或反射系数）来表示。反射率等于地物的反射能量与入射的总能量的比值，通常用百分数表示。 = P/P* 100% 2 地物反射光谱特征 地物反射率与入射光波波长密切相关，地物反射率是入射电磁波波长的函数，这种函数关系称之为地物反射光谱特征。可以用曲线表示，称之为地物反射光谱曲线。,植被的光谱特征,土壤光谱特征,水体光谱特征,岩石光谱特征,不同地物，反射率不同。 同一物质，不同存在形态，反射率不同。 同一类地物，反射光谱曲线相似，但又存在差异。 反射率与影像色调：反射率高，色调浅。 3 影响反射率的因素 表面的粗糙程度； 表面的风化程度； 含水性； 光照度；阴坡、阳坡； 植被发育程度。,二、 地物的发射光谱特征,任何地物当温度高于绝对温度0度时，就存在着分子热运动，都向周围空间辐射能量。地物发射电磁波的能力是以发射率作为测量标准，而地物的发射率又是以黑体辐射作为基准。,一、热辐射基本定律,物体根据吸收率的大小分为：黑体、灰体、选择性辐射体。 黑体：其=1，不随波长变化。 灰体：其=常数1(因而吸收率1，不随波长变化。 选择性辐射体：其随波长而变化，而且1（因而吸收率a也随波长变化，并且a1。,1 普朗克定律：,黑体辐射能量是温度的函数： W：为单位面积单位时间单位波长区间辐射能量， h：为普朗克常数=（662560.0005）； K：为玻尔兹曼常数=（1.38054土0.00018）； e：为自然对数的底= 2.718； C为光速；为波长；T为绝对温度； 为波长 T为绝对温度,不同温度下的黑体光谱曲线：,不同温度下，有不同的发射光谱； 辐射能量随波长连续变化，曲线只有一个最大值； 温度愈高，辐射通量密度也愈大； 不同温度的曲线是不相交的； 随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。,2 斯蒂芬尔兹曼定律,单位面积单位时间全部波长范围内的辐射总能量： ：斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.6697土0.00297 T ：黑体绝对温度,3 维恩定律,黑体热辐射的峰值波长与绝对温度成反比： max：为某一温度下辐射能量的峰值波长； B = 2879.8 （um.k)。,二、地物的热辐射特征,1 地物发射率 自然界中黑体辐射是不存在的，一般地物的辐射要比黑体辐射小。地物的发射率是指地物单位面积上辐射能量W与同一温度下同面积黑体辐射能量之比值。 地物发射率地物种类、表面状态、温度等有关，而且与波长有关。,2 基尔霍夫定律,在任一给定的温度下，地物单位面积上的辐射能量W和吸收率a之比，对任何地物都是一个常数，等于该温度下同面积黑体辐射能量。 根据发射率的定义： 得：= 即一定的温度下，任何地物的发射率，在数值上等于该温度下的吸收率。亦即地物的吸收率愈大，发射率也愈大。,物体的辐射能量： 热辐射能量与发射率成正比，与温度四次方成正比。 地物微小的温度差异，就会引起红外辐射能量较显著变化。 物体热辐射能量主要由温度决定。 遥感热红外图像主要反映是物体表面的温度。,3 发射光谱特征,地物的发射率随波长变化的函数关系，称为地