第二章：电磁波与地物波谱

12.1遥感的电磁波原理第二章电磁波与地物波谱遥感技术电磁波交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为3×108m/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。一.电磁波与电磁波谱22.1遥感的电磁波原理第二章电磁波与地物波谱遥感技术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：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。电磁波谱示图一.电磁波与电磁波谱3电磁波谱图遥感技术42.1遥感的电磁波原理第二章电磁波与地物波谱遥感技术遥感应用的电磁波谱紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。可见光：波长范围：0.38～0.76μm，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。一.电磁波与电磁波谱52.1遥感的电磁波原理第二章电磁波与地物波谱遥感技术遥感应用的电磁波谱红外线：波长范围为0.76～1000μm，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1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。一.电磁波与电磁波谱62.1遥感的电磁波原理第二章电磁波与地物波谱遥感技术近红外：0.76～3.0µm，与可见光相似。中红外：3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。一.电磁波与电磁波谱72.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术一.太阳辐射绝对零度以上的所有物体都能向外发出电磁辐射，地球和太阳都向外辐射出电磁波。物体辐射能量是此物体表面温度函数。服从玻尔兹曼定律：4M82.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术一.太阳辐射M——物体表面总的辐射出射度Wm-2（瓦平方米）——波尔磁曼常数，5.6697×10-8Wm-2K-4T——物体的绝对温度，K92.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术一.太阳辐射玻尔兹曼定律说明物体发射的总能量随温度而变化。事实上发射能量的光谱分布也随温度而变化（图）。曲线下方包围的面积等于辐射出射度M，即辐射温度越高，辐射能量越大。曲线同时显示随着温度升高，辐射分布的峰值向短波方向移动。即最大辐射能量对应的波长随着温度升高向短波方向移动服从维恩位移定律：m102.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术一.太阳辐射λm——最大辐射能量对应的波长，µmA——2898µmKT——温度，K112.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术一.太阳辐射122.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术一.太阳辐射太阳辐射是遥感中最常用的电磁辐射。被动遥感中通常记录的是太阳辐射经过地物反射后的能量。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：太阳光谱相当于6000K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47µm左右；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3～3.0µm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；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。132.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术一.太阳辐射14太阳辐射第二章电磁波与地物波谱遥感技术一.太阳辐射152.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术二.大气结构与成分从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层：高度在7～12km,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12～50km，底部为同温层（航空遥感活动层），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50～1000km，大气中的O2、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：800～35000km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。16第二章电磁波与地物波谱遥感技术172.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术二.大气结构与成分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，O3悬浮微粒：尘埃182.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术三.太阳辐射与大气的作用太阳辐射大气层吸收散射大气窗口折射反射反射192.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术三.大气吸收作用大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如P28图2.14）。O2吸收带0.2μm，0.155μm最强O3吸收带0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收带2.5～3.0μm,5～7μmCO2吸收带2.7μm,4.3μm,14.5μm尘埃吸收量很小202.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术三.大气散射作用散射—太阳辐射与大气中的分子和颗粒多次作用而改变方向并向各个方向散开。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，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。212.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术三.大气散射作用大气发生的散射主要有三种：瑞利散射：dλ米氏散射：d≈λ非选择性散射：dλ222.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术三.大气散射作用瑞利散射发生条件：dλ发生原因：大气中存在原子与分子散射强度：I∝λ-4瑞利散射对各波段辐射的影响：散射强度随波长的增加而减弱；对可见光有明显散射；对红外和微波散射极弱；232.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术三.大气散射作用米氏散射：发生条件：d≈λ发生原因：大气中存在微粒散射强度：I∝λ-2向前散射强于向后散射因为云雾的粒径≈红外线波长，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。242.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术三.大气散射作用非选择性散射：发生条件：dλ发生原因：大气中存在微粒（烟、尘埃、云雾等）散射能量：与波长无关对各波段辐射的影响：因为可见光波长较短，有小水滴时，由于小水滴的直径远大于可见光波长，因此在有云雾时可见光被散射。但是由于散射强度与波长无关，所以对可见光各波段的反射强度都一样，因此我们看到的云雾天气是白色的，而且无论是在云雾下面看还是在上面看都显示白色。252.2太阳辐射与大气的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术四.大气窗口概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的强度不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat262.3太阳辐射与地物的作用第二章电磁波与地物波谱遥感技术太阳辐射到达地表后，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E=E透＋E吸＋E反传感器EE反E吸E透地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。27第二章电磁波与地物波谱遥感技术一般而言，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0.45~0.56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m的深度。地表吸收太阳辐射后具有约300K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。2.3太阳辐射与地物的作用28第二章电磁波与地物波谱遥感技术地物对太阳辐射的反射遥感数据实际上记录的是地物对辐射的反射能量。所以地物对太阳辐射的反射对遥感来说是至关重要的。E反=E－E透－E吸地物反射特性可以通过测量反射率来定量化。反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。2.3太阳辐射与地物的作用29第二章电磁波与地物波谱遥感技术地物对太阳辐射的反射由于地物表面的粗糙度不同，地物的反射分为镜面反射和漫（朗白）反射。镜面反射：在平坦而且类似于镜面的光滑平面上产生的入射角等于反射角的一种反射。θ1θ2条件：光滑的反射面特点：1、入射角等于反射角；2、具有方向性，只有在反射方向才能检测到。2.3太阳辐射与地物的作用30第二章电磁波与地物波谱遥感技术地物对太阳辐射的反射漫（朗白）反射：在粗糙表面发生的，把入射能量等量地反射到各个方向的一种反射。条件：粗糙的反射面特点：1、无论入射方向如何，反射总是向四面八方。2、任意方向可以观察到反射面。3、各方向探测到的辐射亮度相同。2.3太阳辐射与地物的作用31第二章电磁波与地物波谱遥感技术地物对太阳辐射的反射实际物体的反射：介于镜面反射和漫反射之间，近似于漫反射，但是各方向上反射的能量不同。2.3太阳辐射与地物的作用32第二章电磁波与地物波谱遥感技术不同地物对同一波长辐射的反射率是不同的。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。2.3太阳辐射与地物的作用33第二章电磁波与地物波谱遥感技术地物热辐射地物热辐射的概念地球表面大约是300K（２7℃），根据维恩位移定律，地球表面产生最大辐射能量对应的波长为9.7µm，，由于这种辐射与地表热有关，所以称之为“热红外”。地物热辐射的特点：1.温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。2.４地物的热辐射34第二章电磁波与地物波谱遥感技术地物热辐射的特点：2.地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。3.地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。2.４地物的热辐射35第二章电磁波与地物波谱遥感技术探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是不同的。热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。2.４地物的热辐射36第二章电磁波与地物波谱遥感技术微波的概念微波就是指波长在１ｍｍ—１ｍ的电磁波。最长微波波长比最短的可见光波长要长约250万倍。微波辐射的特征1.波长长。2.经过大气时很少被散射，在各种天气条件下均能穿透大气层。2.5微波与地物的作用37第二章电磁波与地物波谱遥感技术微波辐射的特征3.对地面穿透力强。土壤湿度越大，微波穿透力越强；对金属和良导体几乎没有穿透力。4.具有一此独特的探测能力。对海水敏感，随着海面风流变化，微波回波发生明显变化，因此很适合于海面动态探测。2.5微波与地物的作用38第二章电磁波与地物波谱遥感技术微波的波段划分2.5微波与地物的作用波段名称波长（cm）Kα0.75~1.13K1.13~1.67Ku1.67~2.42X2.42~3.75C3.75~7.5S7.5~15L15~30P30~10039第二章电磁波与地物波谱遥感技术地物对微波的反射地物对微波的反射，与微波的波长、地物介电常数、地物表面状况、地物大小均有关系。2.5微波与地物的作用1．微波波长越短，反射越强；2．金属与良导体对微波具有强反射；3．植被、土壤、水体较弱；4．地物光滑的表面反射强；5．大地物反射强，小的地物（＜１ｍ）反射弱。40第二章电磁波与地物波谱遥感技术大气对