第二章-电磁辐射与地物光谱特征

1、第 二章电磁辐射与地物光谱特征（遥感的物理基础）,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。,遥感物理基础,1 电磁波和电磁波谱,2 电磁波辐射源,3 太阳辐射和大气对太阳辐射的作用,4 地球辐射与地物波谱特征,1 电磁波和电磁波谱,1.1 电磁波 1.1.1电磁波的概念及函数关系式,波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波、电磁波。,机械波：振动的是弹性媒质中质

2、点的位移矢量。如声波、地震波,电磁波： 根据麦克斯韦电磁场假设理论，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一变化的磁场又在铰远的区域内引起新的变化电场，并在更远的区域内引起新的变化磁场。这种变化的电场和磁场交互产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。我们平常所听到的射线、x射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。这一理论由1889年赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波而得到证实。,H 磁场矢量 E 电场矢量,电磁波的函数曲线,电磁波的函数式,振幅 角频率 时间变量,时空周期性函数： 1）时间周期：周期(T)或者频率()， T=1 2）空间周期性：波长()或者波数

3、（N）， N=1,圆波数 空间变量 初位相,2N=2/,2 v=2/T,1） 不需要传播介质,2） 横 波：质点振动方向与传播方向垂直,3） 粒子性 4） 波动性：产生了电磁波的干涉、衍射和偏振等现象。,5） 叠加原理,6） 相干性和非相干性（4个条件）,7） 衍射和偏振 （遥感器的几何图象分辨率，波长越 长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）,8）多谱勒效应 （合成孔径侧视雷达）,1.1.2 电磁波的特点和遥感意义,动量：P,能量：E,h : 普朗克常数，6.62607551034 J s,c : 光速； v : 频率,能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。 可见光，红外线；微波和无

4、线电波；紫外线和X射线射线。,电磁波的波粒二象性,返回,电磁波的叠加原理,当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。 任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波； 比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。 （白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 混合像元的分解 ）,返回,由两个(或两个以上)频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和，因此会出现交叠区某些地方振动加强、某些地方振动减弱或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。,电磁波的干涉,一般地，凡是单色波都是相干波。取得时间和空间相干波对于利用干涉进行距离测

5、量是相当重要的。激光就是相干波，它是光波测距仪的理想光源。微波遥感中的雷达也是应用了干涉原理成像的其影像上会出现颗粒状或斑点状的特征、这是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判渎意义重大。,返回,电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向的现象，称为电磁波的衍射。,电磁波的衍射,研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要的意义，要尽量避免衍射现象的发生。另外，在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。,衍射现象的遥感意义,电磁波的偏振,电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量，称为电磁波的偏

6、振。,电磁波有偏振、非偏振、部分偏振波，许多散射光、反射光、透射光都是部分偏振。,偏振在微波技术中称为“极化”，遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。电磁波是横波，它具有偏振性。许多散射光，反射光，透射光都是部分偏振光。偏振在微波技术中称为“极化”。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就用到这一特征。 例：雷达波发射后，遇目标平面而反射，其极化（偏振）状况在反射时会发生改变，根据传感器发射和接受的反射波的极化状况，可以得到不同的极化图像。同一种地物在不同极化图像中往往表现出不同的亮度，不同地物也会表现出不同对比度，利用不同的极化特征图像有可能解译出更多信息。,返回,电磁波的多普

7、勒效应,1842年，奥地利物理学家多普勒研究声波时发现，声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低。具有波动性的光也会出现这种效应光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化. 如果光源远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果光源朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.,合成孔径雷达的工作原理,1.2 电磁波谱,定义：按照电磁波的波长长短（或频率的大小），依次排列，就构成了电磁波谱。,遥感较多应用的电磁波波谱段,可见光：波长范围为0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。 红外线：波长范围为0.76100

8、0m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。 微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。,可见光,波长范围大约为0.38m(紫色)0.76m(红色)，可见光谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间： 红：0.620.76 m 橙：0.590.62 m 黄：0.560.59 m 绿：0.500.56 m 青：0.470.50 m 蓝：0.430.47 m 紫：0.380.43 m,返回,红外波段,波长范围0.71000m，可进一步划分为如下波段：,NIR和SWIR也称为反射红外，因为在地球表面反射的太阳辐射中，主要的红外成分为NIR和SWIR。 MWIR和LWIR也称为热

9、红外。地面常温下的辐射波长，有热感。 FIR多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。,近红外(NIR)： 0.761.5m 短波红外(SWIR)： 1.53 m 中波红外(MWIR)： 36 m 长波红外(LWIR)： 615 m 远红外(FIR)： 15m1000 m,返回,微波,波长范围1mm到1m，可进一步划分为若干不同频率(波长)的波段：(1GHz=109Hz),P波段：0.31GHz (30100 cm) L波段：12GHz (1530 cm) S波段：24GHz (7.515 cm) C波段：48GHz (3.87.5 cm) X波段：812.5GHz (2.43.8 cm) Ku波

10、段：12.518Ghz (1.72.4 cm) K波段：1826.5Ghz (1.11.7 cm) Ka波段：26.540Ghz (0.751.1 cm),各种电磁波的特点,各电磁波的区别与联系,不同点： 传播的方向性、 穿透性、 可见性、 颜色不同。,共性： 传播速度相同 遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律 都是横波，遵循横波的一切特性,2 电磁波辐射源,2.1 黑体辐射,2.2 黑体辐射定律,2.3 一般辐射体和发射率,2.4 基尔霍夫定律,黑体：也叫绝对黑体,即对任何波长的电磁辐射都全部吸收,而反射率和透射率都等于0。 黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。,人工制造的接

11、近黑体的吸收体,2.1 黑体辐射,2.2 黑体辐射的定律,2.2.1 普朗克公式,2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律,2.2.3 维恩位移定律,（Stephen Boltzmann Law）,（Wiens Displacement Law）,描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。,2.2.1 普朗克公式,h: 普朗克常数, 6.6260755*10-34 Ws2,k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK-1,c: 光速; : 波长（m）; T: 绝对温度（K）,M： 为辐射出射度,变化特点： (1) 辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值； (2) 温度越高，辐射通量

12、密度越大，不同温度的曲线不相交； (3) 随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。,普朗克公式图示：,波长,辐射通量密度,返回,2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律,对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。 辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。温度越高，幅射能力就越强。,: 斯蒂芬玻尔兹曼常数，（5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4,红外装置测试温度的理论根据。,M,返回,2.2.3 维恩位移定律,b : 常数，2897.80.4 m K,高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。 常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66m ）

13、,针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。,利用普朗克公式还可导出维恩位移定律，黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度T成反比。,2.3 基尔霍夫定律,给定温度下，任何地物的辐射通量密度M与吸收率之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。,发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。,2.4 一般辐射体和发射率,对于一般物体而言，需要引入发射率（即热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。,非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。,发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照发射率与波长的关系，辐射

14、源可以分为：,1）黑体：吸收率最大，发射率最大，均为1，反射率为0；,2）灰体 :没有显著的选择吸收，吸收率小于1，但基本不随波长变化；,3）选择性辐射体 ：选择性地吸收、反射和发射。,MM0,3 太阳辐射及大气对太阳辐射的影响,太阳是被动遥感最主要的辐射源,3.1 太阳辐射源,3.2 大气成分组成,3.3 大气垂直分层,3.4 大气对太阳辐射的衰减,3.5 大气窗口（人类可用的电磁波谱范围）,太阳,太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和大气层。其能量的99%是由中心的核反应区

15、的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。,3.1 太阳辐射源,太阳辐射及其能量分布,1）接近于5800K的黑体辐射。 2）短波辐射（太阳辐射总能量的40集中于0.40.76um的可见光范围内，51在红外部分）,3.2 大气成分组成,永久气体：在大气层中这些气体的浓度几乎是保持恒定不变的。 氮(N2)：78.084% 氧(O2)：20.948% 氩(Ar)：0.934% 二氧化碳(CO2)：0.033% 其他惰性气体(Ne, He, Kr, Xe) 氢(H2) 甲烷(CH4) 一氧化二氮(N2O) 一氧化碳(CO),浓度可变的气

16、体：其浓度可以随空间和时间发生很大的变化。 水蒸汽(H2O) 臭氧(O3) 二氧化硫(SO2) 二氧化氮(NO2) 氨(NH3) 一氧化氮(NO) 硫化氢(H2S) 硝酸蒸汽(HNO3),固体和液体微粒：如烟雾、水滴和冰晶体，这些粒子可以聚集在一起形成云和霾。,3.3 大气垂直分层,电离层：距地面85km直到几百千米的范围均为热电离层，热电离层的温度范围为500K到2000K。在电离层中，由于太阳紫外辐射和高能宇宙射线的轰击而使空气电离成离子，因而在热电离层中空气以稀薄的等离子体的形式存在。 平流层：在平流层最下面直到20km的高度之内，温度几乎为常数，在其之上直到大约50km高度的范围之内，

17、温度随高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流层之中。 对流层：厚约为10km，其特点为温度随高度的增加而降低，1000m-6.5C。所有天气活动均发生在对流层层中。在大气层接近地球表面大约2km的厚度，存在着一层气溶胶粒子，气溶胶的浓度随高度的增加呈指数衰减。,其中， ：太阳辐射通过的大气路程，与太阳高度角有关 ：衰减因子， ：大气对太阳辐射的吸收率和散射率，是电磁波波长（频率）的函数。,3.4 大气对太阳辐射的衰减,太阳辐射衰减的原因：散射，吸收、反射,太阳辐射的衰减率就等于通过大气之后的太阳辐射能量与大气上界太阳幅射能量之比，与太阳高度角、衰减因子，电磁波波长有关。,3.4.1 散射作用,太

18、阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子的散射和大气中固体、微粒、液体的散射。,散射强度随波长减小而逐渐增强,散射的种类,1 瑞利（Rayleigh） 散射,质点的直径 d (电磁波波长)时， 一般认为（d /10）,大气中的气体分子; 晴朗的天空为蓝色； 出现蓝色蒙雾，紫外区不适于进行遥感 （书上P29）,I : 散射强度 ：波长,I,质点直径和电磁波波长差不多时（d ）,主要是大其中的气溶胶引起的散射。 云、雾等的悬浮粒子的直径和0.7615 um之间的红外线波长差不多，需要注意,云雾天气对红外遥感的影响比较大，产生的红外像片的效果也就很差。 （书上P30）,I,2 米氏散射,3 非选择性散

19、射,当质点直径大于电磁波波长时（d ）, 散射率与波长没有关系,人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果，对可见光中各个波长的光散射程度相同。 （书上P30）,I,3.4.2 吸收作用,大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。 1）水：分为气态水和液态水 水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波，都有水汽的吸收带。 液态水的吸收更强，主要在长波方向。 2）二氧化碳 主要在红外区。1.352.85m 之间有3个弱吸收带，2.7，4.3， 14.5 m 为强吸收带。 3）臭氧 紫外线 4）其它吸收电磁波的物质 氧气主要吸收波长小于0.2m的， 尘埃吸收作用很少。,3.

20、4.3 反射作用,主要是大气中的云层，大的尘埃。 云量越多、云层越厚， 反射越强。,大气对太阳辐射的衰减总体规律： 大气吸收15， 散射和反射42，其余43 太阳辐射到达地面。 又一说：大气吸收17， 散射22，反射30，其余31 太阳辐射到达地面。,太阳辐射经大气衰减图,3.5 大气窗口,大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。,要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。,常用大气窗口,1）0.31.3m： 包括全部可见光（95），部分紫外光（70），部分近红外光（80）。是航空摄影成像和卫星传感器扫描成像方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息的最佳波段，如

21、Landsat的TM Band14。 2）1.51.8m和2.03.5m：近、中红外波段。是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如TM Band5，7，用以探测植物含水量以及云、雪，或地质制图等。 3）3.55.5m：中红外窗口，该波段除了地面发射外，地面物体本身也可以发射该波段的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.553.93m探测海面温度，获得昼夜云图。 4）814 m：远红外窗口，主要来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。 5）1.4300mm：微波窗口，由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。,太阳辐射主要集中在可见光到近红外区段，当

22、太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而，来自地球自身的辐射几乎可以忽略不计。地球自身的辐射主要集中在长波，即6m以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只需考虑地表物体自身的热辐射。,4 地球辐射与地物波谱,4.1太阳辐射与地表的相互作用,地球辐射包括地球反射的太阳辐射和地球本身的热辐射两部分。,太阳电磁辐射：太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.32.5微米波段之间，即可见光到近红外波段区。 地球自身热辐射：地球近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0微米以上的波段，即红外、微波波段。,国际单位制中，将273.15摄氏度作为测

23、量温度的起点，叫做绝对零度，符号为K，每一开的大小和每一摄氏度的大小相同。 t(T-273)摄氏度,地球辐射的分段特性,地球辐射分段特性的遥感意义 可见光与近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性； 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信息。 热红外波段遥感图像上的信息来自地物本身的热辐射特性,可见光近红外波段遥感图像：记录各类地物对可见光的反射情况,热红外波段遥感图像:夜间成像，全球热分布图像,概念： 地物波谱（地物光谱）:地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律。是各种地物具有的地磁波特性（即反射率、发射率、透射率随波长变化的规律）。 地物波谱特性：

24、电磁辐射与地物相互作用的表现特征。 遥感意义：不同类型的地物，其电磁波响应特性不同。因此可以根据地物波谱特征来： 设计遥感器； 图象判读和分析以识别地物的基础。,4.2地物波谱特征,不同电磁波段中地物波谱特性,可见光和近红外波段中地物波谱特性表现为发射和吸收 红外波段中地物波谱特性表现为地物热辐射 微波波段中 主动遥感：地物波谱特性表现为地物后向散射 被动遥感：地物波谱特性表现为地物微波辐射。,热红外遥感,白天，水体相比于陆地的热容量较大，热辐射较小，所以呈现暗色调；晚上，水体的热辐射较大，所以呈亮色调。,白天成像,夜间成像,地物波谱：,4.2.1 地物的发射波谱,4.2.2 地物的透射波谱,

25、4.2.3 地物的反射波谱 4.2.4 遥感器接收到的电磁辐射,4.2.1 地物的发射波谱（地表自身热辐射） 红外波段地物波谱特性,MM0,M为实际物体辐射出射度； M0为黑体辐射出射度 为物体的比辐射率或发射率,M （，T） （， T ） M0 （， T ）,当温度一定时，物体的比辐射率随着波长变化而变化，得出比辐射率波谱曲线（也叫发射率波谱曲线）。该曲线的形态特征可以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（见书上P36图2.22）。特别是曲线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，探测其红外辐射计微

26、波辐射并与同温度条件下的比辐射率（发射率）曲线比较，是识别地物的重要方法之一。,4.2.2 地物的透射光谱（水体、植被）,透明物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。,透射率( )： 入射光透过物体的能量与入射总能量之比。,举例： 1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10- 20米。 2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长决定。,4.2.3 地物的反射光谱（可见光近红外波段地物波谱特性）,太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生吸收、透射和反射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接受 除水体、植被等物体，多数地物透射率几乎为0，可以忽略不计。,地物对电磁波谱的反射能力用反射

27、率来表示； 反射率定义：地面物体反射的能量占入射总能量的百分比； 地物反射率计算公式为：,地物反射率,物体反射分类,根据物体表面的粗糙程度，反射分为：,1）镜面反射,2）漫反射（朗伯反射）,3）有向反射,4）混合反射,反射分类图示,(a) 镜面反射,(b) 漫反射（朗伯反射）,(c) 有向反射,(d) 混合反射,1) 镜面反射,当目标物的表面粗糙高度大大低于电磁波的波长时，那么目标物对电磁波的反射作用遵循反射定律。,2) 朗伯反射,朗伯定律： 反射辐射亮度（单位面积单位立体角内的辐射通量）和观察方向与表面法线夹角的余弦成正比。,当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的散射辐射亮度在以目

28、标物的中心的2空间中呈常数，即散射辐射亮度不随观测角度而变，称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。严格讲自然界中只存在近似意义下的朗伯体。只有黑体才是真正的朗伯体。,3) 有向反射,一部分镜面反射，一部分朗伯反射。,有向反射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函数。,有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向有关，在航空遥感中具有重要意义。,4) 混合反射,了解物体反射类型的意义,遥感器获取的辐射亮度与物体反射类型密切关联。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与天顶角有关。 在遥感器成像时间选择上，应避免中午成像，防止在遥感图像上形成镜面反射。,定义：可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。,地物的反射波谱曲线,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。,常见地物的反射波谱特征曲线,植被 水体 土壤 岩石,植被在可见光波段的波谱特征,可见光波段：在0.45到0.76微米区间，在