遥感导论第二章2016

第二章电磁辐射与地物光谱特征2.1电磁波与电磁辐射2.2太阳辐射及大气对辐射的影响2.3地球的辐射与地物光谱,2.1电磁波谱与电磁辐射,一、电磁波二、电磁波谱三、电磁辐射的度量四、黑体辐射,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。,一、电磁波,3性质：是横波;在真空中以光速传播；满足f=c和=hf；电磁波具有波粒二象性。各种电磁波的本质都是完全相同的，只是由于它们的波长（或频率）不同而具有不同的特性，因而探测记录它们的方法也不同。,二、电磁波谱,根据电磁波在真空中传播的波长或频率的大小，按递增或递减顺序依次排列所构成的图谱。,该波谱以频率从高到低排列（即按波长从小（短）到大（长）排列），可以划分为射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。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（0.76-3.0m）中红外（3.0-6.0m）远红外（6.0-15.0m）超远红外（15-1000m）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。,辐射源：,2.辐射测量,任何物体都是辐射源遥感探测实际上是辐射能量的测定。,辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J辐射通量()：（它是辐射能量随时间的变化率）辐射通量密度：单位时间通过单位面积上的辐射能量,单位:W/m2,辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量辐照度（I）：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量辐射亮度（L）：某一方向,单位投影表面,单位立体角内辐射通量。,三、电磁辐射的度量,理论和实验表明，物体的吸收本领越大，其辐射本领也越大。结论：黑体吸收最强，辐射也最强。,黑体吸收模型,1、绝对黑体:,如果一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部吸收（即吸收系数恒等于1），则这个物体称为绝对黑体。,（，T）1，（，T）0能100%地发射某一波段的辐射。黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体。,四、黑体辐射,2、黑体辐射规律1）普朗克公式2）斯忒藩-玻尔兹曼定律：3）维恩位移定律：,1)黑体辐射定律，即普朗克定律。,不同温度的黑体辐射,黑体辐射的能量(辐射出射度)只与波长、温度有关，与物质组成无关，发射能量是一个连续的波长谱。,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，即辐射出射度。h:为普朗克常数=（6.6256010-34）；k:为玻尔兹曼常数=（1.3805410-23）；e:为自然对数的底=2.718；C为光速；为波长；T为绝对温度；,b,2）对普朗克公式积分得,绝对黑体的总辐射出射度（曲线下面所围面积）与黑体温度的四次方成正比。,黑体辐射光谱中辐射最强的波长与黑体温度T成反比,不同温度的黑体辐射,斯忒藩-玻尔兹曼定律,维恩位移定律,3）对普朗克函数求波长曲线极值,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，5.669710-8T：黑体绝对温度,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=2.89810-3（m*k)。,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。,基尔霍夫定律,3实际物体的辐射,黑体的辐射能力最大，物体吸收率越大，辐射能力越强。,在任一给定温度下，地物的辐射出射度M和吸收率之比，对于任一地物都是一个常数，等于该温度下黑体的辐射出射度。,发射率(比辐射率)：实际物体辐射与黑体辐射之比。它也是遥感探测的基础和出发点。,实际物体的辐射（实际物体的辐射出射度比绝对黑体低）,影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。,课堂练习：1、简述斯忒藩玻尔兹曼定律和维恩位移定律的内容及其对遥感的意义。,2、计算太阳辐射最强的波长？,b,维恩位移定律用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测波段，如火灾检测。,斯忒藩-玻尔兹曼定律地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量较明显变化。这种特征是构成红外遥感的理论依据。,两定律意义,2.2太阳辐射及大气对辐射的影响,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0.3-3.0m。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。,1太阳常数：在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，约1.496108公里）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑体接受到的太阳辐射能量。其数量为：1.360103W/m2。2太阳光谱：一条连续曲线是地球大气层以上的太阳辐射光谱曲线，与温度为5800K的理想黑体所产生的光谱曲线非常相似（图中虚线）。,一、太阳辐射,太阳辐照度分布曲线,0.4,地面接收,太阳辐射能主要集中在0.3-3.0m近紫外到中红外波段区间,太阳辐射总能量的46%集中在0.3-0.76m之间的可见光波段,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。,大气的吸收作用：大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）（图示P28）,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。,无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞夕阳为什么偏橘红色？,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。,云雾为什么通常呈现白色？,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。常见的大气窗口：,常见的大气窗口：,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。0.8-2.5cm：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地球的辐射与地物波谱,二、地表自身热辐射,三、地物反射波谱特征,一、太阳辐射与地表的相互作用,太阳辐射主要集中在0.3-2.5m，在紫外、可见光、到近红外区段,地球自身辐射主要集中在6m以上的热红外区段,2.5-6m，即中红外波段两种辐射共同起作用（避免太阳辐射）,一、太阳辐射与地表的相互作用,太阳辐射近似温度为6000K的黑体辐射，而地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射。最大辐射的对应波长分别为max日=0.47m和max地=9.66m,地球辐射的分段特性,二、地表自身热辐射,据黑体辐射规律及基尔霍夫定律，,物体的发射波谱曲线：可根据和作出曲线,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。,比辐射率（发射率）波谱特性曲线的形态特征反映：地面物体本身的特性，包括物体本身的组成、温度、表面粗糙度等物理特性。,曲线的形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体，尤其在夜间，太阳辐射消失后，地面发出的能量以发射光谱为主，探测其红外辐射及微波辐射并与同样温度条件下的发射率曲线比较，是识别地物的重要方法之一。,三、地物的反射波普特征,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。,1概述,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+PP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,2反射率物体反射的辐射能量占总入射能量的百分比，称为反射率。利用反射率可判断物体的性质。,不同物体反射率不同地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率的差别，可以判断地物的属性。,3物体的反射根据物体表面性质反射状况分为三种：a镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波。例子：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，就是这个原因造成的。b漫反射：反射方向是“四面八方”。朗伯面：当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐射亮度是一个常数，与方向无关。,方向反射因子入射辐射的照度观察方向的反射亮度。,漫入射时的方向反射因子漫入射辐照度,c实际物体反射：多数都处于两种模型之间，即介于镜面和朗伯面之间。其反射辐射亮度与方向有关。,入射辐照度有两部分组成：一部分太阳的直接辐射；一部分太阳辐射经大气散射后又漫入射到地面的部分,地物反射波谱：是研究可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。,4地物反射波谱曲线,表示方法：一般采用二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。,植被土壤水体岩石,常见的几种地物类型波谱特征,植被的波谱特征,在0.45um附近（蓝色波段）有一个吸收谷；在0.55um附近（绿色波段）有一个反射峰；在0.67um附近（红色波段）有一个吸收谷。从0.76um处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一个峰值，反射率最大可达50，形成植被的独有特征。,在可见光波段,在近红外波段,植被的光谱特征,以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水的吸收带，其附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。,影响植被波谱特征的主要因素,植物类型植物生长季节病虫害影响等植被波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被类型、生长状态等。,不同植被类型的光谱曲线比较,土壤光谱特征,土壤的波谱特征,自然状态下土壤表面的反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和此生矿物）和土壤有机质有关。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（1.4um、1.9um、2.7um处附近区间），反射率的下降尤为明显。,水体光谱特征,水体的波谱特征,纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，在可见光其它波段的反射率很低。近红外和中红外纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于0。,水中其它物质对波谱特征的影响,水中含有泥沙，在可见光波段的反射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率明显抬高。,岩石光谱特征,岩石矿物的光谱曲线,岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构等决定。影响岩石矿物波谱曲线的因素包括岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等。,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