第二章电磁波谱与地物波谱特征.

池州学院资源环境与旅游系本章提要2.1电磁波与电磁波谱2.2太阳辐射及大气对辐射的影响2.3地球的辐射与地物波谱第二章电磁辐射与地物光谱特征本章主要介绍遥感的物理基础，包括电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、地物反射波谱特征与测量。池州学院资源环境与旅游系2.1电磁波与电磁波谱2.1.1电磁波2.1.2电磁波谱2.1.3遥感应用电磁波段2.1.4黑体辐射池州学院资源环境与旅游系2.1.1电磁波•波：振动的传播成为波。•电磁波：电磁振动的传播。•描述电磁波特性的指标：波长、频率、振幅等。池州学院资源环境与旅游系2.1.1电磁波电磁波的特性•电磁波是横波；•在真空中以光速传播，速度为3×108m/s；•在传播过程中伴有反射、折射、吸收、透射和散射等现象。池州学院资源环境与旅游系电磁波谱示图2.1.2电磁波谱电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减依次排列制成的图表叫电磁波谱。该波谱以频率从高到低排列，可划分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波。在遥感中较多使用的是可见光、红外和微波波段。池州学院资源环境与旅游系池州学院资源环境与旅游系遥感应用各电磁波波长2.1.3遥感应用电磁波段池州学院资源环境与旅游系2.1.3遥感应用电磁波段互补光：如果某两种相对应颜色的光按一定比例混合，可以成为白光，那么这两种色光就称为互补色光。色环图中直径两端的颜色为互补色。池州学院资源环境与旅游系紫外线波长范围为0.01-0.4μm。太阳辐射含有紫外线，通过大气层时，波长短于0.3μm的能量几乎都被吸收，只有0.3-0.4μm波长到达地面。紫外线强烈作用于皮肤时，皮肤上出现红斑、痒、水疱、水肿、眼痛等，使皮肤老化产生皱纹、斑点，严重的还可引起皮肤癌。只要不接收过量的紫外线，对人体是有益无害的，还可以帮助身体促进钙的吸收，在日常生活中对灭虫杀菌有一定的作用。2.1.3遥感应用电磁波段池州学院资源环境与旅游系2.1.3遥感应用电磁波段池州学院资源环境与旅游系波长范围从0.38-0.76μm。它由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光有敏锐的感觉，不仅对可见光的全色光，而且对不同波段的单色光，也都具有敏锐的分辨能力，其中对0.55μm最敏感，所以可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。2.1.3遥感应用电磁波段可见光池州学院资源环境与旅游系2.1.3遥感应用电磁波段池州学院资源环境与旅游系波长范围为0.76—1000μm，分为：•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）近红外在性质上与可见光相似，所以又称为光红外。中红外、远红外和超远红外是产生热感的原因，所以又称为热红外。应用实例：红外线夜视仪，监控设备，宾馆的房门卡，汽车、电视机的遥控器、洗手池的红外感应，饭店门前的感应门等。2.1.3遥感应用电磁波段红外线池州学院资源环境与旅游系微波的波长范围1mm-lm。微波遥感是借助微波散射现象来探测地物的性质。穿透性好，基本不受云雾影响。微波2.1.3遥感应用电磁波段微波遥感特性：•能全天候、全天时工作；•对某些地物具有特殊的波谱特征；•对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力；•对海洋遥感具有特殊意义；•分辨率较低，但特征明显。这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。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。主要是由于其波长较长，衍射现象显著的缘故。对干沙可以穿透几十米，对冰层能穿透100m左右池州学院资源环境与旅游系2.1.3遥感应用电磁波段•雷达是有源传感器（自己提供照射）并不依赖于日光。•在汶川地震遥感监测中，高分辨率SAR发挥了重要作用。•在5月13日至5月15日，灾区一直是阴雨天，光学遥感（卫星和航空）都无法得到图像，通讯也基本中断，5月13日日本方面ALOSPALSAR首先获得ScanSAR模式的图像，但是分辨率为100m，无法应用；意大利的COSMOSkyMed首先得到都江堰3m和1m分辨率的SAR图像；5月14日我国的遥感1号得到分辨率为5m的灾区SAR图像。•在2008春节期间我国南方地区的冰雪灾害过程中，在历次洪涝灾害过程中，在我国南方地区农作物生长的关键时刻，经常是阴云密布，或大雨滂沱，只有SAR能够工作得到遥感图像。池州学院资源环境与旅游系绝对黑体（blackbody）如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，即吸收率α=1，则这种物体称为绝对黑体，或简称黑体。一般物体收到辐射时，对辐射能量总是有吸收、反射。吸收部分占总能量的份额称为吸收率，其值在0-1之间。黑颜色的物体吸收能力大于白颜色的物体，吸收系数也比较大。如黑色的煤烟，其吸收系数接近99%，被认为是最接近绝对黑体的自然物质。恒星和太阳的辐射也被看做是接近黑体辐射的辐射源。但实际上自然界并不存在绝对黑体。2.1.4黑体辐射池州学院资源环境与旅游系2.2太阳辐射及大气对辐射的影响2.2.1太阳辐射2.2.2大气吸收2.2.3大气散射2.2.4大气窗口池州学院资源环境与旅游系太阳是被动遥感最主要的辐射源。2.2.1太阳辐射0太阳光谱曲线池州学院资源环境与旅游系从太阳光谱曲线可看出：•到达地面的太阳辐射包括近紫外、可见光和红外；•太阳辐射的光谱是连续光谱；•太阳辐射的能量主要集中在可见光；•最大辐射强度位于波长0.47µm左右；•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。2.2.1太阳辐射池州学院资源环境与旅游系太阳常数：指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。I=1.360×103W/m2根据日地距离计算出太阳的总辐射通量为：Φ=太阳常数*4πr2=3.826×1026W2.2.1太阳辐射池州学院资源环境与旅游系2.2.1太阳辐射池州学院资源环境与旅游系1、大气垂直结构•对流层•平流层•电离层•外大气层2.2.2大气吸收散逸层热层中间层池州学院资源环境与旅游系2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系为大气的底层，对流层中空气作垂直运动而形成对流，热量的传递产生天气现象。其高度在7~12km，温度随高度的增加而降低，高度每增加1km，温度下降6℃，气象变化强，是现代航空遥感主要活动的区域。在对流层内，由于大气层的吸收作用，使电磁波传播受到衰减。对流层2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系其高度在12~80km，层内气流比较稳定，没有明显对流，几乎没有天气现象。在25km以下气温一般保持恒温约为-55ºC，25-80km以上气温随高度递增（臭氧吸收了太阳紫外光），平流层的上部又称中间层，中间层内温度随高度增加而递减。平流层2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系其高度在80~1000km，大气十分稀薄，下部称为热层，上部称为散逸层。大气中的O2、N2受紫外线照射处于电离状态，热层的空气分子和粒子直接吸收太阳辐射能量，使气温升高，温度随高度增加而递增。对可见光、红外直至微波的影响较小，是人造地球卫星绕地球运行的主要空间层。电离层2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系该位于离地面1000km高度以上直至几万公里，该层空气极为稀薄，该层对卫星运行基本上没有影响。800km以上高度的空气极为稀薄，已对遥感产生不了影响，因此真正对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层。外大气层2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系2、大气成分2.2.2大气吸收大气主要成分为分子和悬浮微粒。分子：N2和O2占99%，其余为O3、CO2、H2O等。悬浮微粒：烟、尘埃、雾霾、水滴及气溶胶。气溶胶是一种固体、液体的悬浮物，有固体的核心，如尘埃，花粉，微生物，海水的盐粒等，在核心外包有液体。池州学院资源环境与旅游系2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系3、大气对辐射的吸收作用太阳辐射在通过大气层时，约有30％被云层和其它大气成分反射回宇宙空间，17％被大气吸收，22％被大气散射，仅有31％的太阳辐射直射到地面。其中，大气层中H2O、O2、CO2、O3对太阳辐射产生选择性吸收，由于各种气体对太阳辐射波长吸收特性不同，使有些波段范围通过大气层到达地面，而另一些波段则全部被吸收不能到达地面。2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系水（H2O）它是吸收太阳辐射能量最强的介质。从可见光、红外直至微波波段，都有水汽的吸收带。主要有2.5-3.0μm，5-7μm,0.94μm,1.13μm,1.38μm,3.24μm及24μm以上对微波的强吸收带。2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系氧（O2）对太阳辐射能量吸收很强。在0.2-0.32μm附近有很强的吸收带，此外0.6μm和9.6μm的吸收也很强。在波长0.155μm处吸收最强。在低层大气内几乎观测不到小于0.2μm的太阳辐射，在0.6μm和0.76μm附近，各有一个窄吸收带。臭氧（O3）2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系它的吸收主要在红外区内，吸收峰主要是2.8μm、4.3μm与14.5μm。它对太阳辐射也有一定的吸收作用，但吸收量很少。当有沙暴、烟雾和火山爆发等现象发生时，大气中尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较显著。二氧化碳（CO2）尘埃2.2.2大气吸收池州学院资源环境与旅游系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，成为散射。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他方向的辐射，主要发生在可见光区。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量。2.2.3大气散射散射现象是实质是电磁波在传输中遇到大气颗粒而产生的一种衍射现象。池州学院资源环境与旅游系2.2.3大气散射衍射：指电磁波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。池州学院资源环境与旅游系根据波长与散射微粒大小之间的关系，大气散射有三种情况：瑞利散射米氏散射无选择性散射2.2.3大气散射池州学院资源环境与旅游系瑞利散射当大气微粒的直径（d）比辐射波长（λ）小得多时发生的散射（dλ）。最大特点：波长越长，散射越弱。I∞1/λ4瑞利散射对可见光的影响很大，无云的天空呈现蓝色，就是因为蓝色波长短，散射强度大，因此蓝光向四面八方散射，使整个天空蔚蓝。对于红外和微波，由于其波长较长，散射强度较弱，几乎不受影响。2.2.3大气散射池州学院资源环境与旅游系思考：1、为何晴朗的天空呈蓝色，而不是紫色？2、为何朝霞和夕阳都偏橘红色？2.2.3大气散射池州学院资源环境与旅游系2.2.3大气散射这是因为在日出和日落时太阳高度角偏小，阳光斜射向地面，通过的大气层比阳光直射时要厚得多。在过长的传播过程中，蓝光波长最短，几乎被散射殆尽，波长次短的绿光散射强度也居其次，大部分被散射掉了。只剩下波长最长的红光，散射最弱，因此透过大气最多。再加上剩余的少量绿光，最后合成呈现橘红色。为何朝霞和夕阳都偏橘红色？池州学院资源环境与旅游系太阳高度角：指太阳的入射方向和地平面之间的夹角。即太阳光线与通过该点与地心相连的地表切线的夹角，简称高度角。2.2.3大气散射池州学院资源环境与旅游系米氏散射当大气中微粒的直径与辐射波长相近时发生的散射（d≈λ）。其散射强度与波长的二次方成反比，即：I=1/λ2它主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。潮湿天气米氏散射影响较大。2.2.3大气散射池州学院资源环境与旅游系非选择性散射当微粒的直径比波长大得多时发生的散射（dλ）。这种散射的特点是散射强度与波长无关，即任何波长散射强度相同。如大气中的水滴、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐射，常常会出现这种散射。2.2.3大气散射池州学院资源环境与旅游系2.2.4大气窗口1、大气折射电磁波穿过大气层时，除发生吸收和散射外，还会出现传播方向的变化，即折射。大气的折射率与大气密度相关，密度