电磁辐射与地物光谱特征学习教案

1、会计学1电磁辐射电磁辐射(din c f sh)与地物光谱特征与地物光谱特征第一页，共84页。 本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射(ti yn f sh)、大气对太阳辐射(ti yn f sh)的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。 本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。第1页/共84页第二页，共84页。第2页/共84页第三页，共84页。第3页/共84页第四页，共84页。 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(bchng)或频率不同，

2、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。第4页/共84页第五页，共84页。第5页/共84页第六页，共84页。BACK第6页/共84页第七页，共84页。法探测。法探测。第7页/共84页第八页，共84页。1、辐射测量(cling)（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。 第8页/共84页第九页，共84页。第9页/共84页第十页，共84页。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

3、近黑体(hit)辐射。实际物体的辐射比黑体(hit)辐射弱，而且随波长不同而不同。 BACK第10页/共84页第十一页，共84页。第二节 太阳辐射(ti yn f sh)及大气对辐射的影响 (1) 太阳辐射 (2) 大气作用 大气的层次与成分 大气吸收 大气散射 大气窗口(chungku) 大气透射的定量分析第11页/共84页第十二页，共84页。接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出第12页/共84页第十三页，共84页。BACK第13页/共84页第十四页，共84页。减。第14页/共84页第十五页，共84页。第15页/共84页第十六页，共84页。第16页/共84页第十七页，共84页。BACK第

4、17页/共84页第十八页，共84页。大气(dq)对辐射的吸收v大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内（ 0.2um 的电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。v大气上层臭氧(chuyng)的存在，而臭氧(chuyng)对小于0.3um的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。v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氧(chuyng)，二氧化碳，甲烷和水汽（28页图）。v v BACK第18页/共84页第十九页，共84页。 大气(dq)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

5、。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(shui jin)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：v 瑞利散射：d v v 第19页/共84页第二十页，共84页。v瑞利散射(snsh)：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时发生的散射(snsh)，属小颗粒散射(snsh)。v小颗粒散射(snsh)的特征：v （1）散射(snsh)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。v （2）如果入射光的为自然光，散射(snsh)光的相函数为（1cos2Q)。v （

6、3）当Q取0或180时，散射(snsh)光的偏振度为0。v （4）当Q取90时，散射(snsh)光的偏振度为1（线偏振），其它角度为部分偏振光。v v 第20页/共84页第二十一页，共84页。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(ky)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：v （1）电磁波可以(ky)穿透介质表面而深入到散射颗粒的内部。v （2）由于颗粒尺度与波长可以(ky)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。v v 第21

7、页/共84页第二十二页，共84页。v无选择散射：大气粒子(lz)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。v v 第22页/共84页第二十三页，共84页。大气(dq)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：v 大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成。v 气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减。v 就平均状况而言，4km以下的气溶胶米氏散射占优 势，4km以上(yshng)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。v v v BACK第23页/共84页第二十四页

8、，共84页。大气(dq)窗口v折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向(fngxing)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）。v v v 第24页/共84页第二十五页，共84页。大气(dq)窗口v太阳辐射经过(jnggu)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

9、的部分）v v v 第25页/共84页第二十六页，共84页。大气窗口大气窗口波段波段透射率透射率/%/%应用举例应用举例紫外可见光紫外可见光近红外近红外0.30.31.3 m1.3 m9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近红外近红外1.51.51.8 m1.8 m8080TM5TM5近近- -中红外中红外2.02.03.5 m3.5 m8080TM7TM7中红外中红外3.53.55.5 m5.5 mNOAANOAA的的AVHRRAVHRR远红外远红外8 814 m14 m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatR

10、adarsatBACK第26页/共84页第二十七页，共84页。v在可见光和近红外波段，太阳辐射30被云或其它粒子(lz)反射，22被散射，17被吸收，到达地面能量31。v v 大气透射(tu sh)的定量分析第27页/共84页第二十八页，共84页。v光学厚度v 光 学 厚 度 ： 沿 某 一 路 径 长 度(chngd)的总衰减系数，波长的函数（无因次量）。v 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。v v v 第28页/共84页第二十九页，共84页。v透过率v 通过(tnggu)大气后的辐照度与通过(tnggu)大气前的辐照度之比。v v v v 第29页/共84页

11、第三十页，共84页。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太阳辐射透过大气被地物反射后又被地表发射进入传感器；v被视场以外(ywi)地物反射后进入视场的交叉辐射项。v v v 太阳光在地气系统的吸收(xshu)、散射过程BACK第30页/共84页第三十一页，共84页。 第三节 地球(dqi)的辐射与地物波谱 (1) 地球的辐射源(2) 地球辐射的特性（分段特性）(3) 地物波谱的特征(tzhng)（反射波谱特征(tzhng)）(4) 地物波谱特性的测量(5) 微波辐射与雷达遥感 第31页/共84页第三十

12、二页，共84页。地球(dqi)的辐射源地球(dqi)辐射v地球(dqi)辐射：地球(dqi)表面和大气电磁辐射的总称。v地球(dqi)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(dqi)辐射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。v v v 第32页/共84页第三十三页，共84页。被动(bidng)遥感的辐射源v太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.32.5um波段(bdun)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6.0um以上的波段(bdun)。（热红外）v v v BACK第33页/共84页第三十四页，共84

13、页。v在0.32.5um波段（主要在可见光和近红外波段），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(dunb)辐射对地表进行探测和成像。v在2.56.0um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6.0um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）v v v 地球(dqi)辐射的特性地球(dqi)辐射的分段特性第34页/共84页第三十五页，共84页。了解地球辐射的分段特性(txng)的意义v可见光和近红外波段遥感图像上的信息(xnx)来自地物反射特性。v

14、中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息(xnx)，也有地球自身的热辐射的信息(xnx)。v热红外波段遥感图像上的信息(xnx)来自地球自身的热辐射特性。v v v 第35页/共84页第三十六页，共84页。第36页/共84页第三十七页，共84页。BACK第37页/共84页第三十八页，共84页。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(ync)地物波谱特征是遥感识别地物的基础。v v v 地物波谱(bp)的特性地物波谱(bp)

15、第38页/共84页第三十九页，共84页。不同电磁波段中地物(dw)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(hli)为亮色条带，但热红外白天成像河流(hli)为暗色条带）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。v v v 第39页/共84页第四十页，共84页。可见光和近红外波段(bdun)地物波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，一部分透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：射，即：v 到达地面的

16、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。v一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有一般而言，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. 56m0. 450. 56m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101020 m20 m，清澈，清澈(qngch)(qngch)水体可达水体可达100 m100 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

17、感记录的主要辐射能量。v v v 地物(dw)反射第40页/共84页第四十一页，共84页。v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所接收。发射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接收。v反射率（反射率（）：地物的反射能量与入射总能量的比，即）：地物的反射能量与入射总能量的比，即=(P/ P 0)=(P/ P 0)100%100%。表征。表征(bio zhn(bio zhn) )物体对电磁波谱的物体对电磁波谱的反射能力。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

18、段的反射率是不同的，利用地物反射率的差别，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。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(dw)反射率第41页/共84页第四十二页，共84页。v地物的反射类型：根据地表目标物体表面性质(xngzh)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v（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平面内，入射角等于反射角。v只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波。v 例子：水面是近似的

19、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。物体表面性质对反射(fnsh)的影响第42页/共84页第四十三页，共84页。（2）漫反射：发生(fshng)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。 第43页/共84页第四

20、十四页，共84页。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(yobn)，周围地物的反射信息有受到干扰和削弱。了解(lioji)物体表面性质对反射影响的意义第44页/共84页第四十五页，共84页。v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。v表示方法：一般采用二维几何(j h)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(fnsh)波谱第45页/共84页第四十六页，共84页。v植被v

21、土壤v水 体 ( s h u t)v岩石常见的几种地物(dw)类型波谱特征第46页/共84页第四十七页，共84页。植被(zhbi)的波谱特征v在0.45um附近（蓝色波段）有一个吸收谷；v在0.55um附近（绿色波段）有一个反射峰；v在0.67um附近（红色波段）有一个吸收谷。v从0.76um处反射率迅速增大，形成一个爬升(p shn)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(bdun)在近红外波段第47页/共84页第四十八页，共84页。v1.51.9um光谱区反射率增大；v以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水的吸收带，其附近

22、(fjn)区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。第48页/共84页第四十九页，共84页。第49页/共84页第五十页，共84页。影响植被波谱(bp)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v植被波谱(bp)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。第50页/共84页第五十一页，共84页。第51页/共84页第五十二页，共84页。土壤的波谱(bp)特征v自然(zrn)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

23、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。第52页/共84页第五十三页，共84页。第53页/共84页第五十四页，共84页。水体的波谱(bp)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(qt)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。第54页/共84页第五十五页，共84页。水中其它物质对波谱特征(tzhng)的影响v水中含有泥沙(n sh)，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。第55页/共84页第五十六页，共84页。第56页/共84页第五十

24、七页，共84页。岩石矿物的光谱(gungp)曲线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(qxin)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。第57页/共84页第五十八页，共84页。第58页/共84页第五十九页，共84页。地物波谱(bp)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(ky)识别遥感影像中的同类地物。第59页/共84页第六十页，共84页。应用地物波谱特征(tzhng)需要注意的问题v绝大部分地物的波谱

25、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(cnzi)“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。BACK第60页/共84页第六十一页，共84页。地物波谱特性(txng)的测量v可见光和近红外波段是研究地表的主要(zhyo)波段。v可见光和近红外地物光谱测试的作用：v（1）传感器波段的选择、验证、评价；v（2）建立地面、航空和航天遥感数据的定量关系；v（3）地物光谱数据与地物特征的相关分析。第61页/共84页第六十二页，共84页。v反射光谱特性的测量方法v（1）样品(yngpn)的实验室测量v