遥感技术应用-02电磁辐射与地物光谱特征

遥感技术应用_02电磁辐射与地物光谱特征第一页，共62页。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。第二页，共62页。第一节电磁波与电磁波谱电磁波及其特性电磁波谱第三页，共62页。一、电磁波及其特性波的概念：波是振动在空间的传播第四页，共62页。机械波：声波、水波和地震波电磁波（ElectroMagneticSpectrum)

由振源发出的电磁振荡在空气中传播。是通过电场和磁场之间相互联系传播的第五页，共62页。电磁辐射:这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。第六页，共62页。电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性。第七页，共62页。波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。第八页，共62页。二、电磁波谱电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。

在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是γ射线

电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。第九页，共62页。TheElectromagneticSpectrumMorethanmeetstheeye!第十页，共62页。WavelengthThedistancefromonewavecresttothenextRadiowaveshavelongestwavelengthandGammarayshaveshortest!第十一页，共62页。第十二页，共62页。紫外线(UV)：0.01-0.4μm，碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：0.4-0.76μm，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线(IR)

：0.76-1000μm。近红外0.76-3.0μm’中红外3.0-6.0μm；远红外6.0-15.0μm；超远红外15-1000μm。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。2、遥感常用的电磁波波段的特性第十三页，共62页。第二节地物的光谱特性

任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。第十四页，共62页。

地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。（指入射的全部电磁波被完全吸收，既无反射也没有透射的物体。）自然界并不存在。自然界存在着灰体，即一部分能量吸收，一部分能量反射。灰体辐射的规律接近黑体。一、地物的发射光谱特性第十五页，共62页。1.黑体辐射(BlackBodyRadiation)定义：是指黑体的热辐射，它是在一切方向上都均等的辐射。它在一定的温度下，比其它任何物质的辐射能量都要大，因此也叫完全辐射体。第十六页，共62页。黑体辐射定律（BlackBodyRadiation)(1)普朗克（Plank'slaw）热辐射定律表示出了黑体辐射通量与温度的关系以及按波长分布的规律。第十七页，共62页。第十八页，共62页。黑体辐射的三个特性

辐射通量随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量越大，不同温度的曲线不同。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。第十九页，共62页。(2)史蒂芬—玻尔兹曼定律

Stefan-Boltzmann'slaw

即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。是红外装置测定温度的理论基础。σ叫做史蒂芬—玻尔兹曼常数，其值为

5.670×10-8瓦·米-2·开-4(W·m-2·K-4)第二十页，共62页。温度3005001000200030004000500060007000波长9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(3)维恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw

随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。是选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段的依据第二十一页，共62页。2.地物的发射率

发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。第二十二页，共62页。按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：发射率小于1，且随波长而变化。第二十三页，共62页。地物的发射光谱发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。第二十四页，共62页。第二十五页，共62页。（2）太阳辐射的光谱Sunat6000K;peakemissionat0.5mm第二十六页，共62页。太阳辐射的光谱是连续的；它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致；从近紫外到中红外（0.3-6μm）这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定；被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。第二十七页，共62页。大地辐射的电磁波谱地表物体的温度一般在+400C—-400C,平均270C，相当于300K，辐射峰值在9.26-12.43μm波段范围。第二十八页，共62页。第二十九页，共62页。地物的反射率、吸收率和透射率对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。二、地物的反射光谱特性第三十页，共62页。地物的反射率（反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。影响地物反射率大小的因素：入射电磁波的波长入射角的大小地表颜色与粗糙度第三十一页，共62页。地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线第三十二页，共62页。第三十三页，共62页。传感器探测波段的设计，是通过分析比较地物光谱数据而确定的。多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：

MSS1(0.5-0.6μm)MSS2(0.6-0.7μm)MSS3(0.7-0.8μm)MSS4(0.8-1.1μm)第三十四页，共62页。同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。不同植物；植物病虫害地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。时间特性空间特性第三十五页，共62页。455,550,680,780,980,1090,1200,1285,1468,1685,2200植被的反射光谱第三十六页，共62页。不同植物光谱曲线比较第三十七页，共62页。不同施氮水平下小麦冠层高光谱反射率第三十八页，共62页。植被的病虫害第三十九页，共62页。时间特征第四十页，共62页。小麦冠层高光谱反射率随生育期的变化拔节、孕穗、开花及花后7d、14d、21d、28d、40d可见光↓↑，孕穗期最低；近红外反射平台↑↓，开花期最大第四十一页，共62页。地物光谱仪地物光谱仪：测量以太阳为辐射源的地物反射光谱的仪器第四十二页，共62页。

冠层光谱反射率采用美国CROPSCAN公司生产的MSR-16型便携式多光谱辐射仪和美国ASD公司生产的FieldSpecProFR光谱仪进行测量。

波段范围为460~1650nm，16波段，视场角为31.1°

波段范围350-2500nm，视场角25°

采样间隔1.4nm@350-1050nm,2nm@1000－2500nm，光谱分辨率3nm@350-1050nm,10nm@1000-2500nm第四十三页，共62页。第四十四页，共62页。第四十五页，共62页。第三节大气对太阳辐射的影响大气的结构和成分大气对太阳辐射的影响大气窗口第四十六页，共62页。1大气的结构大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外层。对流层：航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。平流层：较为微弱。中气层：温度随高度增加而递减。热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。大气外层：1000公里以外的星际空间。第四十七页，共62页。2大气的成分大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分有关。大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体再80km以下的相对比例保持不变，称不变成分）、臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变，称为可变成分）等。大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。第四十八页，共62页。3大气对太阳辐射的影响太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。第四十九页，共62页。第五十页，共62页。（一）大气的吸收作用氧气：小于0.2

μm；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。臭氧：数量极少，但吸收很强。主要吸收0.3μm以下紫外；对航空遥感影响不大。水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。第五十一页，共62页。AbsorptionofEMenergybytheatmosphere第五十二页，共62页。第五十三页，共62页。（二）大气的散射作用

散射作用：太阳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。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。第五十四页，共62页。ScatteringofEMenergybytheatmosphere第五十五页，共62页。Non-SelectivescatterofEMradiationbyacloud第五十六页，共62页。三种散射作用瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光的原因：第五十七页，共62页。颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？第五十八页，共62页。米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大