遥感原理与应用2电磁辐射与地物光谱特征

第二章

电磁辐射与地物光谱特征1贵州师范大学地理与环境科学学院遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波的反射或发射辐射特征。因此遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理之上的，要深入学习遥感技术，首先要学习和掌握电磁波以及电磁波谱的性质。2贵州师范大学地理与环境科学学院2.1电磁波谱与电磁辐射电磁波变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。表征电磁波的物理量波长、频率、振幅、位相等电磁波性质横波在真空以光速传播满足：f·λ=c；E=h·f具有波粒二象性，与物质发生作用时会发生反射、吸收、透射、散射等现象3贵州师范大学地理与环境科学学院电磁波谱按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，就构成了电磁波谱。波长由短到长依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。波段波长长波中波和短波超短波微波大于3000m10~3000m1~10m1mm~1m红外波段超远红外远红外①中红外近红外0.76~1000μm15~1000μm6~15μm3~6μm0.76~3μm可见光红橙黄绿青蓝紫0.38~0.76μm0.62~0.76μm0.59~0.62μm0.56~0.59μm0.50~0.56μm0.47~0.50μm0.43~0.47μm0.38~0.43μm紫外线10-3~3.8×10-1μmX射线10-6~10-3μmγ射线小于10-6μm①也有人将0.76—15μm看作近红外，将15—1000μm看作远红外。4贵州师范大学地理与环境科学学院5贵州师范大学地理与环境科学学院电磁辐射的度量任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射。辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位J。辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量。辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量。辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量（即被辐射物体表面单位时间通过单位面积的辐射能量）。辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。辐射亮度（L）：辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。6贵州师范大学地理与环境科学学院黑体辐射如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。恒星和太阳黑体辐射三个性质：物体温度不同，辐射出射度曲线也不相同，虽然形状相似却都不相交。绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。（斯忒藩-玻尔兹曼定律）黑体温度越高，其曲线峰值就越往波长短的方向移动。（维恩位移定律）7贵州师范大学地理与环境科学学院2.2太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射太阳是被动遥感最主要的辐射源。太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：I⊙=135.3mW/m2太阳光谱：指光球产生的光谱。8贵州师范大学地理与环境科学学院太阳光谱是连续光谱，相当于6000K的黑体辐射；太阳辐射的能量大部分集中在可见光波段；由于大气中水、氧、臭氧、二氧化碳等分子对太阳辐射的吸收作用，加之大气的散射，使得经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3~3.0µm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；到达地面的辐射强度还与太阳高度角有关。09贵州师范大学地理与环境科学学院大气结构大气的成分大气分子：N2和O2，约占99%；还有O3、CO2、H2O及其他分子。微粒：烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶。10贵州师范大学地理与环境科学学院大气对辐射的吸收作用大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用。大气吸收造成相应波段的遥感影像暗淡。主要影响范围：紫外、红外、微波区主要成分：水H2O二氧化碳CO2臭氧O3氧气O211贵州师范大学地理与环境科学学院大气散射辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称散射。散射只改变辐射传播的方向，增加了信号中噪声的成分，造成遥感图像质量下降。大气发生的散射主要有三种：

瑞利散射：d<<λ（N2、CO2、O3、O2等对可见光的散射）

米氏散射：d≈λ（如云雾对红外线的散射）

非选择性散射：d>>λ（如云雾对可见光的散射）12贵州师范大学地理与环境科学学院大气窗口对于传感器而言，只能选择透过率高的波段才有意义。通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的透过率较高的波段称为大气窗口。大气窗口波段应用举例紫外可见光近红外0.3~1.3μmTM1-4、SPOT的HRV近红外1.5~1.8μmTM-5近-中红外2.0~2.5μmTM-7中红外3.5~5.5μmNOAA的AVHRR远红外8~14μmTM-6微波0.8~2.5cmRadarsat13贵州师范大学地理与环境科学学院2.3地球的辐射与地物波谱太阳辐射与地表的相互作用14贵州师范大学地理与环境科学学院传感器接收的能量包括：地物目标反射出来的辐射能量、地物的发射光谱能量、大气散射和辐射能量。15贵州师范大学地理与环境科学学院地物反射波谱特征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：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。物体的反射实际物体的反射方式：介于镜面反射和漫反射之间。16贵州师范大学地理与环境科学学院反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。表观反射率：真实反射率同一些未知的由地形或阴影造成的增益系数的乘积。地物反射波谱曲线：是指地物反射率随波长变化的规律，即以波长λ为横坐标，反射率ρ为纵坐标的曲线图，从中可以得到遥感数据与对应地物的识别规律。17贵州师范大学地理与环境科学学院常见地物的波谱曲线比较.4雪红砂岩18贵州师范大学地理与环境科学学院植被19贵州师范大学地理与环境科学学院同一作物不同生长阶段的波谱特性（土壤、花期、灌浆期、乳熟期、叶黄期）20贵州师范大学地理与环境科学学院病虫害对植物光谱特征的影响21贵州师范大学地理与环境科学学院土壤22贵州师范大学地理与环境科学学院不同含水量对土壤光谱特征的影响23贵州师范大学地理与环境科学学院水体24贵州师范大学地理与环境科学学院岩石25贵州师范大学地理与环境科学学院影响地物光谱反射率变化的因素太阳位置：高度角、方位角传感器位置：观测角、方位角地理位置地形季节气候变化地面湿度变化地物本身的变异：植物病虫害大气状况26贵州师范大学地理与环境科学学院地物波谱特性的测量作用传感器波段选择、验证、评价的依据；建立地面、航空和航天遥感数据的关系；将地物光谱数据与地物特征进行相关分析并建立应用模型。测量依据实际目标与标准板的测量值之比就是反射率之比ρ(λ)=V(λ)/VS(λ)×ρS(λ)27贵州师范大学地理与环境科学学院垂直测量：为使所有数据能与航空、航天传感器所获得的数据进行比较，一般情况下测量仪器均使用垂直向下测量的方法，以便与多数传感器采集数据的方向一致。28贵州师范大学地理与环境科学学院ASD光谱仪光谱范围：350~1050nm积分时间：用户可选，2n×17ms，n=0,1…15扫描平均：最多可选31,800次光谱平均光谱分辨率：3nm采样间隔：1.4nm数据间隔：1nm等效辐射噪声：NE∆L波长精度：+/-1nm波长重复性：+/-0.02nm重复性：优于0.3%杂散光：优于0.02%光谱数据获取流程图