第二章電磁輻射與地物光譜特征

第二章遙感原理

本章提要(…)

§1

電磁波與電磁輻射

§2

太陽輻射及大氣對太陽輻射的影響§3

地物的熱輻射與地物波譜

本章主要介紹遙感的物理基礎，包括地物的電磁波特性、太陽輻射、大氣對太陽輻射的影響、大氣窗口的概念、地物反射太陽光譜的特性、地物的熱輻射、地物與微波的作用機理。

返回下一章電磁波

交互變化的電磁場在空間的傳播。描述電磁波特性的指標

波長、頻率、振幅、位相等。電磁波的特性

電磁波是橫波，傳播速度為3×108

m/s，不需要媒質也能傳播，與物質發生作用時會有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規律。

§1遙感的電磁波原理Tobecontinued…

電磁波譜

按電磁波波長的長短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。

依次為：

γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。

電磁波譜示圖

Tobecontinued…§1遙感的電磁波原理紫外線：波長范圍為0.01～0.38μm，太陽光譜中，只有0.3～0.38μm波長的光到達地面，對油污染敏感，但探測高度在2000m以下。可見光：波長范圍：0.38～0.76μm，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術應用中的重要波段。紅外線：波長范圍為0.76～1000μm，根據性質分為近紅外、中紅外、遠紅外和超遠紅外。微波：波長范圍為1mm～1m，穿透性好，不受云霧的影響。遙感應用的電磁波波譜段本節結束返回下一節太陽輻射：太陽是遙感主要的輻射源，又叫太陽光，在大氣上界和海平面測得的太陽輻射曲線如圖所示。從太陽光譜曲線可以看出(…)：§2太陽輻射及大氣影響太陽光譜相當于6000K的黑體輻射；太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38～0.76μm的可見光能量占太陽輻射總能量的46%，最大輻射強度位于波長0.47μm左右；到達地面的太陽輻射主要集中在0.3～

3.0μm波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；經過大氣層的太陽輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的。本節結束

返回下一節§2太陽輻射及大氣影響

一、大氣結構

二、大氣成分

三、大氣吸收作用

四、大氣散射作用

五、大氣窗口本節結束返回下一節太陽輻射與地表的相互作用(…)地物的反射率(…)漫反射(…)鏡面反射(…)§2太陽輻射及大氣影響太陽輻射到達地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：

到達地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。一般而言，絕大多數物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強，特別是0.45~0.56μm的藍綠光波段。一般水體的透射深度可達10～20m，清澈水體可達100m的深度。地表吸收太陽輻射后具有約300K的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為9.66μm，主要集中在長波，即6μm以上的熱紅外區段。

反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P

0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關。地物的反射光譜曲線：反射率隨波長變化的曲線。

不論入射方向如何，其反射出來的能量在各個方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個方向反射的能量大小不同。

物體的反射滿足反射定律，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測到電磁波，水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時很亮，有時很暗，就是這個原因造成的。溫度一定時，物體的熱輻射遵循基爾霍夫定律。地物的發射率隨波長變化的曲線叫發射光譜曲線。地物的發射率與地表的粗糙度、顏色和溫度有關。表面粗糙、顏色暗，發射率高，反之發射率低。地物的輻射能量與溫度的四次方成正比，比熱、熱慣性大的地物，發射率大。如水體夜晚發射率大，白天就小。探測地物的熱輻射特性的熱紅外遙感在夜間和白天進行的結果是不同的。熱紅外遙感探測的地物熱輻射量用亮度溫度表示，它不同于地面溫度，是接收的熱輻射能量的轉換值，圖像上表示為亮度。§3地物的熱輻射與地物波譜本節結束返回下一節在電磁波譜中，波長在1mm～1m范圍的波稱微波。（微波波段劃分）微波遙感特性：能全天候、全天時工作(…)；對某些地物具有特殊的波譜特征；對冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力(…)；對海洋遙感具有特殊意義(…)；分辨率較低，但特征明顯(…)。§3地物的熱輻射與地物波譜由于微波的波長較長，因而散射相對較小，在大氣中衰減少，對云層、雨區的穿透能力較強，基本不受煙、云、雨的限制。對于熱帶雨林地區更有意義。微波傳感器的波長分辨率比較低，是由于其波長較長，衍射現象顯著的緣故。同時，觀察精度和取樣速度往往不能協調。

這一特性可以用來探測隱藏在林下的地形、地質構造、軍事目標以及埋藏在地下的工程、礦藏、地下水等。電磁波通過介質時，部分被吸收，強度要衰減。故將電磁波振幅減少1/e倍（37%）的穿透深度定義為趨膚深度H:

H=(5.3×10-3ε1/2)/δ式中：ε為地物的介電常數；δ為地物的導電率。微波對于海水特別敏感，其波長很適合于海面動態情況（海面風、海浪等）的觀測。本節結束

植被光譜曲線

土壤光譜曲線

水體光譜曲線

巖石光譜曲線

常見地物比較光譜曲線§3地物的熱輻射與地物波譜本節結束本章結束返回下一章近紅外：0.76～3.0μm，與可見光相似。中紅外：3.0～6.0μm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。遠紅外：6.0～15.0μm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。超遠紅外：15.0～1000μm，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測。紅外線的劃分BACK太陽輻射（1）P34,圖2.20地面太陽輻射波長(nm)大氣上界太陽輻照度海平面太陽輻照度太陽光譜輻照度太陽輻射（2）BACK在可見光與近紅外波段，地表物體自身的輻射幾乎等于零。地物發出的波譜主要以反射太陽輻射為主。太陽輻射到達地面之后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸收作用。電磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過的部分，即：到達地面的太陽輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量一般而言，絕大多數物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波透射能力較強，特別是對0.45~0.56μm的藍綠光波段，一般水體的透射深度可達10~20m，清澈水體可達100m的深度。對于一般不能透過可見光的地面物體，波長5cm的電磁波卻有透射能力，如超長波的透射能力就很強，可以透過地面巖石和土壤。地物波譜特征BACK大氣結構從地面到大氣上界，大氣的結構分層為：對流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內。平流層：高度在12～50km，底部為同溫層（航空遙感活動層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的強吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對遙感波段是透明的，是陸地衛星活動空間。大氣外層：800～35000km,空氣極稀薄，對衛星基本上沒有影響。BACK

大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。

氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3

懸浮微粒：塵埃大氣成分BACK大氣的吸收作用：

大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）。大氣的吸收作用O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm塵埃吸收量很小BACK大氣的散射作用不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉變為內能。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數據的質量，造成圖像模糊不清。散射主要發生在可見光區。大氣發生的散射主要有三種：瑞利散射：d<<λ米氏散射：d

≈λ非選擇性散射：d>>λBACK大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。大氣窗口波段透射率/%應用舉例紫外可見光近紅外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.5～1.8μm80TM5近-中紅外2.0～3.5μm80TM7中紅外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR遠紅外8～14μm60～70TM6