电磁波谱与地物波谱特征

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1、第 二 章电磁辐射与地物光谱特征 本 章 提 要 ( ) 1 遥感的电磁波原理 2 太阳辐射 3 太阳辐射与大气的作用 4 太阳辐射与地物的作用 5 地物的热辐射 6 微波与地物的作用 7 各典型地物的光谱曲线 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 、大 气 对 太 阳 辐 射 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 。 电 磁 波 交 互 变 化 的 电 磁 场 在 空 间 的 传 播 。 描 述 电 磁 波

2、 特 性 的 指 标 波 长 、 频 率 、 振 幅 、 位 相 等 。 电 磁 波 的 特 性 电 磁 波 是 横 波 ， 传 播 速 度 为 3 108 m/s， 不 需要 媒 质 也 能 传 播 ， 与 物 质 发 生 作 用 时 会 有 反 射 、 吸收 、 透 射 、 散 射 等 ， 并 遵 循 同 一 规 律 。 1 遥 感 的 电 磁 波 原 理 电 磁 波 谱 按 电 磁 波 波 长 的 长 短 ， 依 次 排 列 制 成 的 图 表叫 电 磁 波 谱 。 依 次 为 ： 射 线 X射 线 紫 外 线 可 见 光 红 外线 微 波 无 线 电 波 。 电 磁 波 谱 示 图 1

3、 遥 感 的 电 磁 波 原 理 v紫 外 线 ： 波 长 范 围 为 0.010.38 m， 太 阳 光 谱 中 ， 只有 0.30.38 m波 长 的 光 到 达 地 面 ， 对 油 污 染 敏 感 ， 但探 测 高 度 在 2000 m以 下 。v可 见 光 ： 波 长 范 围 ： 0.380.76 m， 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 。v红 外 线 ： 波 长 范 围 为 0.761000 m， 根 据 性 质 分 为 近红 外 、 中 红 外 、 远 红 外 和 超 远 红 外 。v微 波 ： 波 长 范 围 为

4、 1 mm1 m， 穿 透 性 好 ， 不 受 云 雾 的影 响 。遥 感 应 用 的 电 磁 波 波 谱 段 太 阳 辐 射 ： 太 阳 是 遥 感 主 要 的 辐 射 源 ， 又 叫 太 阳 光 ，在 大 气 上 界 和 海 平 面 测 得 的 太 阳 辐 射 曲 线 如 图 所 示 。 从 太 阳 光 谱 曲 线 可 以 看 出 ( )： 2 太 阳 辐 射 3 太 阳 辐 射 与 大 气 的 作 用 一 、 大 气 结 构 二 、 大 气 成 分 三 、 大 气 吸 收 作 用 四 、 大 气 散 射 作 用 五 、 大 气 窗 口 一 、 大 气 结 构一 般 认 为 大 气 厚 度

5、 1000km， 且 在 垂 直 方向 自 下 而 上 可 分 为 对 流 层 、 平 流 层 、 中 流 层 、热 层 （ 增 温 层 ） ， 热 层 再 往 上 就 是 接 近 大 气层 外 的 顶 部 空 间 ， 也 称 为 散 逸 层 。二 、 大 气 成 分 大气主要成分为分子和其他微粒。 三、大气吸收作用太 阳 辐 射 穿过 大 气 层 时 ， 大 气分 子 对 电 磁 波 的 某些 波 段 有 吸 收 作 用 。吸 收 作 用 使 辐 射 能量 转 变 为 分 子 的 内能 ， 从 而 引 起 这 些波 段 太 阳 辐 射 强 度的 哀 减 ， 甚 至 某 些波 段 的 电 磁

6、波 完 全不 能 通 过 大 气 。 大 气 吸 收 谱 四 、 大 气 散 射 作 用 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 使 原 传 播 方向 的 辐 射 强 度 减 弱 ， 而 增 加 向 其 他 各 方 向 的 辐 射 。 散 射 现 象 的 实 质 是 电 磁 波 在 传 输 中 遇 到 大 气 微粒 而 产 生 的 一 种 衍 射 现 象 。 因 此 ， 这 种 现 象 只 有 当大 气 中 的 分 子 或 其 他 微 粒 的 直 径 小 于 或 相 当 于 辐 射波 长

7、时 才 发 生 。 大 气 散 射 有 三 种 情 况 ：瑞 利 散 射 ： 大 气 粒 子 的 直 径 远 小 于 波 长 时 发 生米 氏 散 射 ： 大 气 粒 子 的 直 径 与 波 长 相 当 时 发 生无 选 择 散 射 ： 当 大 气 中 粒 子 的 直 径 比 波 长 大 得 多时 发 生 的 散 射 。 五 、 大 气 窗 口 折 射 改 变 了 太 阳 辐 射 的 方 向 ， 并 不 改 变 太 阳 辐 射 的 强 度 。因 此 ， 就 辐 射 强 度 而 言 ， 太 阳 辐 射 经 过 大 气 传 输 后 ， 主 要 是反 射 、 吸 收 和 散 射 的 共 同 影 响

8、衰 减 了 辐 射 强 度 ， 剩 余 部 分 即为 透 过 的 部 分 。 对 遥 感 传 感 器 而 言 ， 只 能 选 择 透 过 率 高 的 波段 ， 才 对 观 测 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 的 光 谱 波 段 主 要 有 ：0.3 1.15um， 即 紫 外 、 可 见 光 、 近 红 外 波 段1.3 2.5um和 3.5 5.0um， 即 近 、 中 红 外 波 段 3.5 5.5um， 即 中 红 外 波 段 ，

9、该 波 段 除 通 透 反 射光 外 ， 也 通 透 地 面 物 体 自 身 发 射 的 热 辐 射 能 量 ；8 14um， 即 远 红 外 波 段 ， 主 要 通 透 来 自 地 物 辐 射的 能 量 ， 适 于 夜 间 成 像 ；0.8 2.5 cm， 即 微 波 波 段 ， 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 与 地 表 的 相 互 作 用 () 地 物 的 反 射 率 () 漫 反 射 () 镜 面 反 射 () 4 太 阳 辐 射 与 地 物 的 作 用n太 阳 辐 射 到 达 地 表 后 ，

10、 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n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 ，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 0. 450. 56m的 蓝 绿 光 波 段 。 一 般 水 体 的 透 射 深 度可 达 10 20 m， 清 澈 水 体 可 达 100 m的 深 度 。n地 表 吸 收 太

11、 阳 辐 射 后 具 有 约 300 K 的 温 度 ， 从 而 形 成 自 身的 热 辐 射 ， 其 峰 值 波 长 为 9.66 m， 主 要 集 中 在 长 波 ， 即6 m以 上 的 热 红 外 区 段 。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 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 。 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

12、 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 。 地 球 辐 射 的 分 段 特 性波段名称可见光与近红外中红外远红外波长0.32.5m 2.56m 6m 辐射特性地表反射太阳辐射为主地表反射太阳辐射和自身的热辐射地表物体自身热辐射为主地 球 表 面 与 大 气 电 磁 辐 射 的 总 和 称 为 地 球 辐射 。 5 地 物 的 热 辐 射 在 电 磁 波 谱 中 ， 波 长 在 1mm 1m范 围 的 波 称 微 波 。（ 微 波 波 段 划 分 ） 微 波 遥 感 特 性 ：v 能全天候、全天时工作()；v 对某些地物具有特殊的波

13、谱特征；v 对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力()；v 对海洋遥感具有特殊意义()；v 分辨率较低，但特征明显()。 6 微 波 与 地 物 的 作 用由于微波的波长较长，因而散射相对较小，在大气中衰减少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本不受烟、云、雨的限制。对于热带雨林地区更有意义。 微 波 传 感 器 的 波 长 分 辨 率 比 较 低 ， 是 由 于 其波 长 较 长 ， 衍 射 现 象 显 著 的 缘 故 。 同 时 ， 观 察 精度 和 取 样 速 度 往 往 不 能 协 调 。 这 一 特 性 可 以 用 来 探 测 隐 藏 在 林 下 的 地 形 、 地 质 构 造 、 军

14、事目 标 以 及 埋 藏 在 地 下 的 工 程 、 矿 藏 、 地 下 水 等 。 电 磁 波 通 过 介 质 时 ， 部 分 被 吸 收 ， 强 度 要 衰 减 。 故 将 电 磁 波振 幅 减 少 1/e倍 （ 37%） 的 穿 透 深 度 定 义 为 趋 肤 深 度 H: H=(5.310 -3 1/2)/式 中 ： 为 地 物 的 介 电 常 数 ； 为 地 物 的 导 电 率 。 微 波 对 于 海 水 特 别 敏 感 ， 其 波 长 很 适 合 于 海面 动 态 情 况 （ 海 面 风 、 海 浪 等 ） 的 观 测 。 g 植 被 光 谱 曲 线g 土 壤 光 谱 曲 线g 水

15、 体 光 谱 曲 线g 岩 石 光 谱 曲 线 常 见 地 物 比 较 光 谱 曲 线 7 各 典 型 地 物 的 光 谱 曲 线地 物 的 电 磁 波 响 应 特 征 随 电 磁 波 长 改 变 而 改 变 的 规 律不 同 类 型 的 地 物 ， 其 电 磁 波 响 应 特 性 不 同 ， 因 此 地 物 波谱 特 征 是 遥 感 识 别 地 物 的 基 础 。 近 红 外 ： 0.763.0 m， 与 可 见 光 相 似 。 中 红 外 ： 3.06.0 m， 地 面 常 温 下 的 辐 射波 长 ， 有 热 感 ， 又 叫 热 红 外 。 远 红 外 ： 6.015.0 m， 地 面

16、常 温 下 的 辐 射波 长 ， 有 热 感 ， 又 叫 热 红 外 。 超 远 红 外 ： 15.01000 m， 多 被 大 气 吸 收 ，遥 感 探 测 器 一 般 无 法 探 测 。红 外 线 的 划 分 太 阳 辐 射 （ 1） 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 太 阳 辐 射 （ 2） v 在 可 见 光 与 近 红 外 波 段 ， 地 表 物 体 自 身 的 辐 射 几 乎 等 于 零 。 地 物发 出 的 波 谱 主 要 以 反 射 太 阳 辐 射 为 主 。 太 阳 辐 射 到 达 地 面 之 后 ，物 体 除 了 反 射 作 用

17、 外 ， 还 有 对 电 磁 辐 射 的 吸 收 作 用 。 电 磁 辐 射 未被 吸 收 和 反 射 的 其 余 部 分 则 是 透 过 的 部 分 ， 即 ： 到 达 地 面 的 太 阳 辐 射 能 量 反 射 能 量 吸 收 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 些 物体 如 水 ， 对 一 定 波 长 的 电 磁 波 透 射 能 力 较 强 ， 特 别 是 对 0. 450. 56 m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 1

18、00 m的 深 度 。v 对 于 一 般 不 能 透 过 可 见 光 的 地 面 物 体 ， 波 长 5cm的 电 磁 波 却 有 透射 能 力 ， 如 超 长 波 的 透 射 能 力 就 很 强 ， 可 以 透 过 地 面 岩 石 和 土 壤 。地 物 波 谱 特 征 大 气 结 构从 地 面 到 大 气 上 界 ， 大 气 的 结 构 分 层 为 ： 对 流 层 ： 高 度 在 712 km,温 度 随 高 度 而 降 低 ， 天 气 变 化 频 繁 ，航 空 遥 感 主 要 在 该 层 内 。 平 流 层 ： 高 度 在 1250 km， 底 部 为 同 温 层 （ 航 空 遥 感 活

19、动 层 ） ，同 温 层 以 上 ， 温 度 由 于 臭 氧 层 对 紫 外 线 的 强 吸 收 而 逐 渐 升 高 。 电 离 层 ： 高 度 在 501 000 km， 大 气 中 的 O 2、 N2受 紫 外 线 照 射 而电 离 ， 对 遥 感 波 段 是 透 明 的 ， 是 陆 地 卫 星 活 动 空 间 。 大 气 外 层 ： 80035 000 km ,空 气 极 稀 薄 ， 对 卫 星 基 本 上 没 有 影响 。 大 气 主 要 由 气 体 分 子 、 悬 浮 的 微 粒 、 水 蒸 气 、水 滴 等 组 成 。 气 体 ： N2， O2， H2O， CO2， CO， CH4

20、， O3 悬 浮 微 粒 ： 尘 埃 大 气 成 分 大 气 的 吸 收 作 用O2吸收带0.2m，0.155 m最强O3吸收带0.20.36 m，0.6 mH2O吸收带0.50.9 m , 0.952.85 m，6.25 mCO 2吸收带1.352.85 m, 2.7 m,4.3 m,14.5 m尘埃吸收量很小 大 气 的 散 射 作 用 不 同 于 吸 收 作 用 ， 只 改 变 传 播 方 向 ， 不 能 转 变 为 内 能 。 大 气 的 散 射 是 太 阳 辐 射 衰 减 的 主 要 原 因 。 对 遥 感 图 像 来 说 ， 降 低 了 传 感 器 接 收 数 据 的 质 量 ，

21、造 成图 像 模 糊 不 清 。 散 射 主 要 发 生 在 可 见 光 区 。 大 气 发 生 的 散 射 主 要 有 三 种 ： 瑞 利 散 射 ： d 大 气 窗 口概 念 ：大 气 窗 口 波 段 透 射 率 /% 应 用 举 例紫 外 可 见 光近 红 外 0.3 1.3 m 90 TM1-4、 SPOT的HRV近 红 外 1.5 1.8 m 80 TM5近 -中 红 外 2.0 3.5 m 80 TM7中 红 外 3.5 5.5 m NOAA的 AVHRR远 红 外 8 14 m 60 70 TM6微 波 0.8 2.5cm 100 Radarsat 微 波 的 波 段 划 分波段

22、名称波长/cmKKKuXCSLP 0.751.131.131.671.672.422.423.753.757.57.515153030100 植 物 的 光 谱 曲 线由 于 植 物 均 进 行 光 合 作 用 ， 所 以 各 类 绿 色 植 物 具 有 很 相 似 的 反 射 波 谱 特 性 ， 其 特征 是 ： 在 可 见 光 波 段 0.55 m（ 绿 光 ） 附 近 有 反 射 率 为 10%20%的 一 个 波 峰 ， 两侧 0.45 m（ 蓝 ） 和 0.67 m（ 红 ） 则 有 两 个 吸 收 带 。 这 一 特 征 是 由 于 叶 绿 素 的 影响 造 成 的 ， 叶 绿 素

23、 对 蓝 光 和 红 光 吸 收 作 用 强 ， 而 对 绿 色 反 射 作 用 强 。 在 近 红 外 波 段 0.8 m1.0 m间 有 一 个 反 射 的 陡 坡 ， 至 1.1 m附 近 有 一 峰 值 ， 形 成 植 被 的 独有 特 征 。 这 是 由 于 植 被 叶 的 细 胞 结 构 的 影 响 ， 除 了 吸 收 和 透 射 的 部 分 ， 形 成 的 高反 射 率 。 在 中 红 外 波 段 （ 1.32.5 m） 受 到 绿 色 植 物 含 水 量 的 影 响 ， 吸 收 率 大增 ， 反 射 率 大 大 下 降 ， 特 别 是 以 1.45 m、 1.95 m和 2.7

24、 m为 中 心 是 水 的 吸 收 带 ，形 成 低 谷 。 土 壤 的 光 谱 曲 线 土 壤 反 射 波 谱 曲 线 呈 比 较 平 滑 的 持 征 ， 所 以 在 不 同 光 谱 段 的 遥 感 影 像 上 ， 土 壤 的 亮 度 区 别 不 明 显 。 水 体 的 光 谱 曲 线 水 体 的 反 射 主 要 在 蓝 绿光 波 段 ， 其 他 波 段 吸 收都 很 强 ， 特 别 到 了 近 红外 波 段 ， 吸 收 就 更 强 (如右 图 )。 因 此 ， 在 遥 感 影像 上 ， 特 别 处 近 红 外 影像 上 ， 水 体 一 般 呈 黑 色 。水 中 含 泥 沙 时 ， 由 于

25、泥沙 散 射 ， 可 见 光 波 段 反射 率 会 增 加 ， 峰 值 出 现在 黄 红 区 。 水 中 含 叶 绿素 时 ， 近 红 外 波 段 明 显抬 升 ， 这 些 都 成 为 影 像 分 析 的 重 要 依 据 。 岩 石 的 光 谱 曲 线 常 见 地 物 的 光 谱 曲 线 比 较 常 见 地 物 的 光 谱 曲 线 比 较 各种物体，由于其结构和组成成分不同，反射光谱特性是不同的。即：各种物体的反射特性曲线的形状是不一样的，即便是在某波段相似，甚至一样，但在另外的波段还是有很大的区别的。不同波段地物反射率木同，这就便人们很容易想到用多波段进行地物探测。正因为不同地物在石同波段有不同的反射率这一特征，物体的反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。