遥感重点第二章.docx
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遥感重点第二章
2电磁辐射与地物光谱特征
Ø电磁波谱和黑体的概念
Ø太阳辐射和地球辐射特征
Ø大气对电磁辐射的影响
Ø地物反射波谱特征与测量
目的：
1.理解地物反射对遥感数据产生的影响和利用遥感数据反演地物特征的原理
2.理解大气吸收、散射、透射特征，大气窗口形成原因及遥感数据校正的必要性
2.1电磁波谱与电磁辐射
一.电磁波
波的概念：
波是振动在空间的传播。
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。
电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的
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。
电磁波的特点
1）不需要传播介质
2）横波
3）在真空中以光速传播
4）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。
v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
v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
电磁波的电（E）、磁（H）向量
波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失位相信息。
全息摄影中，同时记录了振幅信息和位相信息。
电磁波的有关参数
•波长（Wavelength）：
指波在一个振动周期内传播的距离。
即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点（如波峰或波谷）间的距离。
用表示，单位为厘米（cm）、毫米（mm）、微米（m）、纳米（nm）等．1m=1000nm。
•周期：
波前进一个波长那样距离所需的时间（T）
•频率（frequency）：
指单位时间内，完成振动或振荡的次数或周期（T）.用V示。
单位为赫兹（Hz）、千赫（KHz）、兆赫（MHz）、吉赫（GHz）等。
•振幅（Amplitude）：
表示电场振动的强度。
它被定义为振动物理量偏离平衡位置的最大位移。
即每个波峰的高度。
单位为瓦特／米2·厘米
•电磁波的波长、频率、及速度间有如下关系：
＝V
电磁波在真空中以光速C＝2.998×108米／秒（m／s）传播，在大气中小于光速但接近于光速传播。
一般可用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。
在可见光一红外遥感中多用波长，如m、nm等：
在微波遥感中多用频率，如MHz、GHz等
二.电磁波谱
定义：
按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列成的图表，称为电磁波谱。
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。
可见光
波长范围大约为400nm（紫色）~700nm（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：
610~700nm
橙：
590~610nm
黄：
570~590nm
绿：
500~570nm
青：
450~500nm
蓝：
430~450nm
紫：
400~430nm
红外波段
波长范围0.7~300μm，可进一步划分为如下波段：
近红外（NIR）：
0.7~1.5μm
短波红外（SWIR）：
1.5~3μm
中波红外（MWIR）：
3~8μm
长波红外（LWIR）：
8~15μm
远红外（FIR）：
大于15μm
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。
而MWIR和LWIR也称为热红外。
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：
0.3~1GHz（30~100cm）
L波段：
1~2GHz（15~30cm）
S波段：
2~4GHz（7.5~15cm）
C波段：
4~8GHz（3.8~7.5cm）
X波段：
8~12.5GHz（2.4~3.8cm）
Ku波段：
12.5~18Ghz（1.7~2.4cm）
K波段：
18~26.5Ghz（1.1~1.7cm）
Ka波段：
26.5~40Ghz（0.75~1.1cm）
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
三.电磁辐射源
自然辐射源
Ø太阳辐射：
是可见光和近红外的主要辐射源；常用5900的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。
大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。
Ø地球的电磁辐射：
小于3μm的波长主要是太阳辐射的能量；大于6μm的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6μm之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。
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%）。
太阳
大气
位置
温度
厚度
辐射特点
辐射的光谱
光球层
内
4300-7500
500km
连续辐射
可见光和红外
色球层
中
四五千度升高到几万度
7000-8000km
线状辐射
无线厘米波
日冕层
外
100万以上
形状多变，厚度不定，一般太阳直径的几倍到十几倍
连续辐射
米波
太阳辐射及其能量分布
1）5900K的黑体辐射。
2）短波辐射（太阳辐射总能量的40％集中于0.4－0.76um的可见光范围内，51％在红外部分）
太阳常数
太阳常数：
当太阳至地球的距离处于平均距离时（一个天文距离,大约为15,000万公里），太阳在单位时间内投射到大气层顶部，垂直于射线方向的单位面积上的辐射能量。
（1.95W/cm2·min）
在世纪时标内，变化小于百分之一，只有千分之一和二的水平。
在近日点垂直于大气上界的太阳辐射强度比太阳常数大3.4％；而在远日点则比太阳常数小3.5％。
太阳常数的数值，由于观测年代不同，以及观测方法和推算方法的不同，在不同的书籍和资料中，其数值常不一致，变动幅度在1.90-2.90W/cm2·min之间。
1957年国际地球物理年决定采用1.98W/cm2·min。
近年来，在宇航事业取得新资料的情况下，经过大量观测和分析，测得新的太阳常数为1.95W/cm2·min。
据研究，太阳常数也有周期性的变化，这可能与太阳黑子的活动周期有关。
人工辐射源：
主动式遥感的辐射源。
雷达探测。
分为微波雷达和激光雷达。
•微波辐射源：
0.8-30cm
•激光辐射源：
激光雷达—测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。
几个辐射度量概念
辐射能量Ｗ：
电磁辐射的能量，单位为焦耳（J）。
辐射通量（Radiantflux）Φ：
单位时间内通过某一面的辐射能量，单位是瓦（W），表示为：
=dｗ/dt
立体角（Solidangle）：
为锥体所拦截的球面积σ与半径r的平方之比，表示为：
=/r2
立体角的单位用球面度（Steradian，简写为Sr）表示，面积为4πr2的球，其立体角为4π球面度。
辐射照度E（Irradiance）：
单位面积上所接收的辐射通量，单位是瓦/米2（W/m2）。
表示为E=d/dS
辐射出射度M（Radiantemittance）：
单位面积上辐射出的辐射通量，单位是瓦/米2（W/m2）。
表示为M=d/dS
辐射亮度（Radiance）L：
辐射亮度L确定面辐射源的辐射强度。
L具有方向性，指辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量，单位是瓦/米2·球面度（W/m2·Sr）。
表示为L（）=d2/d（dAcos）
通常情况下，面元的L（θ）随观测的角度θ而改变。
当某一辐射源的L（θ）与θ无关时，这种辐射源被称为朗伯（Lambert）源。
严格地说，只有绝对黑体（Blackbody）才是朗伯源。
◆黑体辐射
◆黑体辐射定律
◆一般辐射体和发射率
◆基尔霍夫定律
黑体：
对任何波长的辐射，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。
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。
黑体辐射（BlackBodyRadiation）：
黑体的热辐射称为黑体辐射。
黑体辐射三大定律
•普朗克定律（Planck’sLaw）
•斯蒂芬－玻尔兹曼定律（StephenBoltzmannLaw）
•维恩位移定律（Wien’sDisplacementLaw）
描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
h:
普朗克常数,6.6260755*10-34W·s2
k:
玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23W·s·K-1
c:
光速;λ:
波长（μm）;T:
绝对温度（K）
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
斯蒂芬－玻尔兹曼定律（StephenBoltzmannLaw）
对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬－玻尔兹曼定律。
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。
因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。
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。
σ:
斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.6697＋－0.00297）×10－12Wcm-2K-4
红外装置测试温度的理论根据。
维恩位移定律b:
常数，2897.8＋－0.4μm·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9.66μm）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。
针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。
一般辐射体和发射率
对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。
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。
影响地物发射率的因素：
地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：
比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。
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，辐射源可以分为：
Ø黑体或绝对黑体：
发射率为1，常数。
Ø灰体（greybody）：
发射率小于1，常数
Ø选择性辐射体：
反射率小于1，且随波长而变化。
基尔霍夫定律：
在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W黑。
在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。
地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。
这种特征构成了红外遥感的理论基础。
亮度温度：
衡量地物辐射特征的重要指标。
指当物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。
Thetemperatureoftheblackbodywhichradiatesthesameradiantenergyasanobservedobjectiscalledthebrightnesstemperatureoftheobject.
亮度温度与实地温度的关系：
总小于实地温度。
黑体的微波辐射
1）任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。
二者基本相似。
但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。
2）微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。
瑞里—金斯公式
黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。
微波波段与红外波段发射率的比较：
不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。
2.2大气对太阳辐射的衰减
大气成分组成
大气垂直分层
大气对太阳辐射的衰减
大气窗口
●大气成分组成
●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。
●大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。
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，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-6.5ºC。
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。
1.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。
2.电离层:
卫星的运行空间。
3.大气外层：
1000公里以外的星际空间。
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：
透射率与路程、大气的吸收、散射有关。
大气的吸收作用
Ø氧气：
小于0.2μm；0.155为峰值。
高空遥感很少使用紫外波段的原因。
Ø臭氧：
数量极少，但吸收很强。
两个吸收带；对航空遥感影响不大。
Ø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。
Ø二氧化碳：
量少；主要在红外区。
1.35－2.85um之间有3个弱吸收带，2.7，4.3，14.5um为强吸收带。
可以忽略不计。
大气的散射作用
太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。
1.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。
Ø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。
Ø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。
Ø多波段中不使用蓝紫光的原因：
质点的直径d<<λ（电磁波波长）时，
一般认为（d<λ/10）
2米散射
质点直径和电磁波波长差不多时（dλ）
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0.76－15um之间的红外线波长差不多，需要注意。
3非选择性散射
当质点直径大于电磁波波长时（d>λ）,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
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。
讨论
⏹太阳辐射衰减的原因是什么？
⏹在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？
⏹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？
⏹微波为什么具有极强的穿透云层的作用？
⏹为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？
大气窗口
大气窗口：
通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段。
•大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。
•常见的大气窗口：
常用大气窗口
1）0.3－1.4um：
包括全部可见光（95％），部分紫外光（70％），部分近红外光（80％）。
摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。
2）1.4－2.5um：
近红外窗口，60％－95％，扫描成像，白天记录
3）3.5－5.5um：
中红外窗口，60％－70％，白天夜间，扫描成像记录
4）8－14um：
远红外窗口，超过80％，白天夜间，扫描记录
5）1.4－300mm：
微波窗口，白天夜间，扫描记录。
2.3地物波谱特征
概念：
地物波谱（地物光谱）:
各种地物具有的地磁波特性（反射率、发射率、透射率同波长的变化规律）
意义：
设计遥感器；
图象判读和分析的基础。
举例：
美国的地物波谱研究，7－8年
中国的地物波谱研究，
1、地物的反射光谱特征
•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。
反照率（albedo）：
以太阳光作为入射光的反射率，即自然物体的反射率。
物体的光谱反射率随波长变化的曲线称为光谱反射率曲线，它的形状反映了地物的波谱特征。
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
•地物表面颜色与粗糙度
根据物体表面的粗糙程度，反射分为：
（a）镜面反射
（b）漫反射（朗伯反射）
（c）有向反射
（d）混合反射
镜面反射
当目标物的表面粗糙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可由Snell反射，折射定理所描述。
朗伯反射
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标物的中心的2π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。
有向反射
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。
混合反射
一部分镜面反射，一部分朗伯反射。
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
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
几种典型地物的光谱特性
矿物的光谱特性
在0.4～1.3µm的光谱特性主要取决于矿物晶格结构中存在的铁、铜、镍、锰等过渡性金属元素的电子跃迁；
1.3～2.5µm的光谱特性是由矿物组成中的碳酸根（CO32−）、羟基（OH−）及可能存在的水分子（H2O）决定的；
3～5µm的光谱特性是由Si-O，Al-O等分子键的振动模式决定的。
土壤反射光谱特征
影响土壤光谱的主要因素:
土壤中的原生矿物和次生矿物：
原生矿物：
石英、长石、白云母、少量的角闪石、辉石、磷灰石、赤铁矿、黄铁矿等。
次生矿物：
简单的盐类（如碳酸盐、硫酸盐和氯化物等）；
含水的氧化物（如氧化铁、氧化铝、氧化硅等）；
次生层状铝硅酸盐（如高岭石、蒙脱石和水化云母类等）。
土壤水分
土壤水分是土壤的重要组成部分，当土壤的含水量增加时，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带处（1.4，1.9和2.7um），反射率的下降尤为明显。
对于植物和土壤，造成这种现象显然是同一种原因，即入射辐射在水的特定吸收带处被水强烈吸收所致。
土壤有机质
土壤有机质是指土壤中那些生物来源（主要是植物和微生物）的物质，其中腐殖质是土壤有机质的主体，腐殖质可分为胡敏酸和富里酸。
胡敏酸的反射能力特别低，几乎在整个波段为一条平直线，呈黑色。
富里酸则在黄红光部分开始强反射，呈棕色。
有机质的影响主要是在可见光和近红外波段，而影响最大的是在0.6～0.8um之间。
一般来说，随土壤有机质的增加，土壤的光谱反射率减小。
除有机质含量外，土壤腐殖质中胡敏酸和富里酸的比值（H／F）是影响土壤光谱反射特性的另一个重要因素。
此外，不同地带的土壤，尽管其有机质含量相同，但由于H／F的比值不同，土壤的光谱反射特性也会不同。
因此，不仅有机质的含量影响土壤光谱反射特性，而且其不同的组成也同样有显著的影响。
铁
铁在土壤中的存在形式主要是氧化铁，氧化铁是影响土壤光谱反射特性的重要土壤成分，其含量的增加会使反射率减小。
一般来说，土壤的氧化铁含量与反射率之间是存在一定的负相关，但在波段0.5～0.7的相关性却不明显。
土壤氧化铁含量增加时，可见光与近红外部分吸收增强，而在0.5～0.7波段的吸收增强幅度不很大，因此土壤出现黄红色。
在旱作土壤中，氧化铁随结晶水的多少不同而表现出不同颜色。
当土壤处于还原状态时，土壤呈现出蓝绿、灰蓝等色，当土壤处于氧化状态时，土壤呈现出红、黄等颜色。
铁的影响主要也在可见光和近红外波段，由于土壤中有机质与氧化铁对土壤的光谱反射特性影响都很大，故定量区分有机质和氧化铁对光谱反射率的贡献难度较大，因此精确地估算土壤氧化铁含量难度很大。
土壤质地
土壤质地是指土壤中各种粒径的颗粒所占的相对比例它对土壤光谱反射特性的影响，主要表现在两个方面：
一是影响土壤持水能力，进而影响土壤光谱反射率；
二是土壤颗粒大小本身也对土壤的反射率有很大影响．
对于土壤粒径较小的粘粒部分，由于其很强的吸湿作用，它在1.4，1.9，2.7um等处的水吸收带异常明显。
随土壤颗粒变小，颗粒间的空隙减少，比表面积增大，表面更趋平滑，使土壤中粉砂粒的反射率比砂粒高，但当颗粒细至粘粒时，又使土壤持水能力增加，反而降低了反射率。
此外，土壤质地影响反射特性的因素不仅是粒径组合及其表面状况，还与不同粒径组合物质的化学组成密切有关。
地表较纯洁的自然水体对0.4～2.5um波段的电磁波吸收明显高于绝大多数其它地物。
在光谱的可见光波段内，水体中的能量-物质相互作用比较复杂，光谱反射特性可能包括来自三方面的贡献：
水的表面反射、水体底部物质的反射和水中悬浮物质的反射。
光谱吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关，而且还明显地受到水中各种不同类型和大小的物质——有机物和无机物的影响。
在光谱的近红外和中红外波段，水几乎吸收了其全部的能量，即纯净的自然水体在近红外波段更近似于一个“黑体”，因此，在1.1～2.5波段，较纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零。
2、地物的发射光谱特征
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。
黑体辐射（BlackBodyRadiation）：
黑体的热辐射称为黑体辐射。
发射光谱：
地物的发射率随波长变化的规律。
发射
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