教案电磁辐射与地物光谱特征

1、教案2 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、 红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同，红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同， 不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红 外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波 与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的 主要内容。主要内容。 教案电磁辐射与地物光谱特

2、征 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 1、辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波的整个波 段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。 教案电磁辐射与地物光谱特征 2、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光 度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 n 实际物体的辐射 对于实际物体，都可以看作辐射源。如果物体的吸收本 领大，它的发射本领也大，即越接近黑体辐射。实际物体的 辐射比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同。 教案电磁辐射与地物光谱特征 请大家讨论一下全球变化，哪些

3、大气成分是恶魔？请大家讨论一下全球变化，哪些大气成分是恶魔？ 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 continued 波长(nm) 大气上界太阳辐照度 海平面太阳辐照度 太阳光谱辐照度 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 大气对辐射的吸收 v真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些 非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭 氧，二氧化碳，甲烷和水汽。氧，二氧化碳，甲烷和水汽。 教案电磁辐射与地物光谱特

4、征 6.25 6.25 教案电磁辐射与地物光谱特征 大气散射 v散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原 来的传播方向的一种现象。 v不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。 v大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 v对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造 成图像模糊不清。 v散射主要发生在可见光区。 v大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：d 教案电磁辐射与地物光谱特征 v瑞利散射：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时 发生的散射，属小颗粒散射。 v小颗粒散射的特征： （1）散射光强度与波长4次方成反比，由此可以解释 天空为什么呈蓝色。 （2）如果入射光的为自然光，散射

5、光的相函数为（1 cos2Q)。 （3）当Q取0或180时，散射光的偏振度为0。 （4）当Q取90时，散射光的偏振度为1（线偏振）， 其它角度为部分偏振光。 大气散射 教案电磁辐射与地物光谱特征 v米氏散射：大气中的气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等的 直径与入射光的波长可以比拟或大于入射光的波长时 发生的散射。 v米氏散射的特征： （1）电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒的 内部。 （2）由于颗粒尺度与波长可以比拟，所以颗粒的不 同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的 产生，一方面这高度电流会产生高变的磁场，另一方 面电流的存在意味着焦耳热损耗的出现电磁波的 吸收。 大气散射 教案电磁辐

6、射与地物光谱特征 v无选择散射：大气粒子的直径比波长大得 多时发生的散射，散射强度与波长无关， 在符合无选择散射的条件的波段中，任何 波长的散射强度相同。 大气散射大气散射 教案电磁辐射与地物光谱特征 大气散射的特点大气散射的特点 v群体散射强度是个体散射强度的线性和。 v大气散射系数与高度的关系： 大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组 成。 气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减。 就平均状况而言，4km以下的气溶胶米氏散射占优 势，4km以上的分子散射占相对优势。 v分子散射与气溶胶散射光强之比随角度和能见度的 变化规律。 教案电磁辐射与地物光谱特征 大气折射与反射大气折射与反射 v折射现象

7、：电磁波传过大气层时出现传播方向的改 变，大气密度越大，折射率越大。 v反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的 交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云 顶（云造成的噪声）。 教案电磁辐射与地物光谱特征 v太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同 衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。 v由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐 射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段 的透射率也各不相同。 v电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的， 透射率较高的波段称为大气窗口。（对地遥感要用 的部分） 大气窗口大气窗口 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 v

8、在可见光和近红外波段，太阳辐射30 被云或其它粒子反射，22被散射，17 被吸收，到达地面能量31。 大气透射的定量分析 教案电磁辐射与地物光谱特征 v光学厚度 光学厚度：电磁波沿某一路径长度的总衰减系 数，波长的函数（无因次量）。 大气的总光学厚度：在某一垂直路径上，从大 气顶层到地表的总衰减系数。 光学厚度 教案电磁辐射与地物光谱特征 v透过率 通过大气后的辐照度与通过大气前的辐照 度之比。 大气透射的定量描述 教案电磁辐射与地物光谱特征 v太阳辐射透过大气并被地表反射（有用的）； v太阳辐射被大气散射后被地表反射（纠正后有 用）； v太阳辐射被大气散射后直接进入传感器； v太阳辐射透过大

9、气被地物反射后又被地表发射进 入传感器； v被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项。 太阳光在地气系统的吸收、散射过程 中对遥感的作用 教案电磁辐射与地物光谱特征 n太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部 分透射，即：分透射，即： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量 透射能量透射能量 n地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。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，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，

10、对一定波长的电磁波则透射能力较强，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强， 特别是特别是0. 450. 56m0. 450. 56m的蓝绿光波段。一般水体的透射深的蓝绿光波段。一般水体的透射深 度可达度可达101020 m20 m，清澈水体可达，清澈水体可达100 m100 m的深度。的深度。 n地表吸收太阳辐射后具有约地表吸收太阳辐射后具有约300 K300 K的温度，从而形成自身的温度，从而形成自身 的热辐射，其峰值波长为的热辐射，其峰值波长为9.66 m9.66 m，主要集中在长波，即，主要集中在长波，即 6m6m以上的热红外区段。以上的热红外区段。 地物在不同波段的反射率是不

11、同的。地物在不同波段的反射率是不同的。 反射率是可以测定的。反射率是可以测定的。 反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。 地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。 不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方 向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反 射的能量大小不同。射的能量大小不同。 太阳辐射与地物的相互作用 教案电磁辐射与地物光谱特征 地球的辐射与地物波谱 (1) 地球的辐射源 (2) 地

12、球辐射的特性（分段特性） (3) 地物波谱的特征（反射波谱特征） (4) 地物波谱特性的测量 (5) 微波辐射与雷达遥感 教案电磁辐射与地物光谱特征 地球辐射 v地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称。 v地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。 v装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地 球辐射携带的地物信息，经过处理形成遥感影 像。 教案电磁辐射与地物光谱特征 被动遥感的辐射源 v太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在波段 之间。（可见光和近红外） v地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在 以上的波段。（热红外） 教案电磁辐射与地物光谱特征 v在波段（主要在可见光和近红外波

13、段），地表以 反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略 。即 在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波 辐射对地表进行探测和成像。 v在波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐 射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。 v在以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主， 地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像） 地球辐射的特性 地球辐射的分段特性 教案电磁辐射与地物光谱特征 了解地球辐射的分段特性的意义 v可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反 射特性。 v中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的 信息，也有地球自身的热辐射的信息。 v热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐

14、射特性。 地球辐射的特性 教案电磁辐射与地物光谱特征 v地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改 变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物 波谱。 v地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种 表现。 v地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响 应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地 物的基础。 地物波谱 地球辐射的特性 教案电磁辐射与地物光谱特征 不同电磁波段中地物波谱特性 v可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地 物的吸收作用。（树叶苍翠欲滴、水下温度） v热红外波段：主要表现地物热辐射作用。（热红外 灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白 天成像河流为暗色条带，为什

15、么？） v微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感 利用地物微波辐射。 地球辐射的特性 教案电磁辐射与地物光谱特征 地物反射波谱特征 v太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分 透射，即：透射，即： 到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透 射能量。射能量。 v一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而一般而言，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 别是别是0. 450. 56m

16、的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达 1020 m，清澈水体可达，清澈水体可达100 m的深度。的深度。 v地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。 地物反射 教案电磁辐射与地物光谱特征 v地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，地地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，地 物会发生发射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器物会发生发射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器 所接收。所接收。 v反射率反射率地物的反射能量与入射总能量的比，地物的反射能量与入射总能量的比， 即即表征物体对电磁波谱的反射能力

17、。表征物体对电磁波谱的反射能力。 v反射率是可以测定的。反射率是可以测定的。 v地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率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。的差别，可以判断地物的属性。 v反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。 地物反射率 地物反射波谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 v地物的反射类型：根据地表目标物体表面性质的不同，物体 反射大体上可以分为3种类型，即镜面反射、漫反射、实际物 体的反射 （1）镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射。物体的反 射满足反射定律，反射波和入射波在同一

18、平面内，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。 例子：水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很例子：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。亮，有时很暗，就是这个原因造成的。 物体表面性质对反射的影响 地物反射波谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 （2）漫反射：发生在非常粗糙的表面上的一种反射现象。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。 即当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐 照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。 （3）实际物体反射：介于镜面和朗伯面（漫反射）之间的一 种反射。自然界种绝大

19、多数地物的反射都属于这种类型的反 射，又叫非朗伯面反射。 对太阳短波辐射的反射具有各向异性，即实际物体面在 有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。 地物反射波谱特征 物体表面性质对反射的影响 教案电磁辐射与地物光谱特征 v遥感图像上记录的辐射亮度，既与辐射入射方位角 和天顶角有关，也与反射方向的方位角和天顶角有 关。 v由于镜面反射会造成太阳光直接进入遥感器，在成 像时间选择上，应避免中午成像，防止形成镜面反 射。否则水体会形成非常亮的耀斑，周围地物的反 射信息有受到干扰和削弱。 了解物体表面性质对反射影响的意义 地物反射波谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 v地物反射波谱：是研 究可见

20、光至近红外波 段上地物反射率随波 长的变化规律。 v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。 地物反射波谱 教案电磁辐射与地物光谱特征 v植被 v土壤 v水体 v岩石 常见的几种地物类型波谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 植被的波谱特征 v在附近（蓝色波段）有一个吸收谷； v在附近（绿色波段）有一个反射峰； v在附近（红色波段）有一个吸收谷。 在可见光波段 在近红外波段 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。1.5 1.9um光谱区

21、反射率增大； v以，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。 教案电磁辐射与地物光谱特征 影响植被波谱特征的主要因素 v植物类型 v植物生长季节 v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。 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 土壤的波谱特征 v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。 v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。 v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（、处附近区间），反射率的下降 尤

22、为明显。 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 水体的波谱特征 v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。 v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。 教案电磁辐射与地物光谱特征 水中其它物质对波谱特征的影响 v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。 v水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率 明显抬高。 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 v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。 v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

23、石表面光滑程度、 岩石色泽等。 岩石矿物的光谱曲线 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 地物波谱曲线的作用 v物体波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波 段的反射率，通过测量该地物类型在不同波段的反 射率，并以此与遥感传感器所获得的数据相对照， 可以识别遥感影像中的同类地物。 教案电磁辐射与地物光谱特征 应用地物波谱特征需要注意的问题 v绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们 的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的 曲带。 v地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。 “同物异谱”是指两个类型的个体地物，在某个 波段上波谱特征不同；“异物同谱”是指不同类 型的地物具有相同的波谱特征。 教案电磁辐射与地物光谱特征 地物波谱特性的测量 v可见光和近红外波段是研究地表的主要波段。 v可见光和近红外地物光谱测试的作用： （1）传感器波段的选择、验证、评价； （2）建立地面、航空和航天遥感数据的定量关系； （3）地物光谱数据与地物特征的相关分析。 教案电磁辐射与地物光谱特征 v反射光谱特性的测量方法 （1）样品的实验室测量 （2）野外测量两种方法 BACK 地物波谱特性的测量 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电磁辐射与地物光谱特征 教案电