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1、第二章 遥感技术的物理基础电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气对遥感的影响第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱vv电磁波及其特性电磁波及其特性vv电磁波谱电磁波谱遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波的反射或发射辐射特征。一、电磁波及其特性一、电磁波及其特性1.波的概念：波是振动在空间的传播。波是振动在空间的传播。波是振动在空间的传播。波是振动在空间的传播。2.机械波：声波、水波和地震波3.电磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源发出的电磁振荡在空气中传播。是通过电场
2、和磁场之间相互联系传播的4.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。5.电磁波的特性1)电磁波是横波2)在真空中以光速传播3)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。v波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。描述电磁波特性的指标 波长、频率
3、、振幅、位相等 传播速度为3108 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。二、电磁波谱二、电磁波谱1.电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。 依次为： 射线射线xx射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微波微波无无线电波线电波 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。波长最短的是射线 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。各电磁波段主要特性紫外线：紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面，对碳酸盐岩分布、油污染敏感，但探测高度在2000
4、 m以下。可见光：可见光：波长范围：0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大无线电波：无线电波：波长范围10-3 104m之间，主要用于广播、通信等方面。红外线的划分近红外：近红外：0.763.0m，与可见光相似。中红外：中红外：3.06.0m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：远红外：6.015.0m，地面常温下的辐射波长
5、，有热感，又叫热红外。超远红外超远红外：15.01000m，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。第二节第二节 地物的光谱特性地物的光谱特性 任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。 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。（指入射的全部电磁波被完全吸收，既无反射也没有透射的物体。）自然界并不存在。自然界存在着灰体，即一部分能量吸收，一部分自然界并不存在。自然界存在着灰体，即一部分能量吸收，一部
6、分能量反射。灰体辐射的规律接近黑体。能量反射。灰体辐射的规律接近黑体。1.1.黑体辐射黑体辐射(Black Body Radiation )定义：定义：是指黑体的热辐射，它是在是指黑体的热辐射，它是在一切一切方向上都均等方向上都均等的辐射。的辐射。它在一定的温度下，比其它任何它在一定的温度下，比其它任何物质的辐射能量都要大，因此也物质的辐射能量都要大，因此也叫叫完全辐射体完全辐射体。黑体辐射定律（Black Body Radiation )(1)普朗克普朗克 （Planks Planks lawlaw）热辐射定律 表示出了黑体辐射通量与温度的关系以及按波长分布的规律。黑体辐射的三个特性A.辐射
7、通量随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。B.温度越高，辐射通量越大，不同温度的曲线不同。C.随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。 (2) (2)史蒂芬史蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 Stefan-Boltzmanns law 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。是红外装置测定温度的理论基础。叫做史蒂芬叫做史蒂芬玻尔兹曼常数，其值为玻尔兹曼常数，其值为 5.6705.6701010-8-8瓦瓦米米-2-2开开-4-4(W(Wm m-2-2K K-4-4) ) 温度温度3005001000200030004000500060007000波长波长9.
8、665.802.901.450.970.720.580.480.41(3)(3)维恩位移定律维恩位移定律：Wiens displacement law 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。是选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段的依据是选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段的依据2.地物的发射率 发射率发射率(Emissivity )：地地物的辐射出射度（单位物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通面积上发出的辐射总通量）量）W W与同温下的黑体辐与同温下的黑体辐射出射度射出射度W W黑黑的比值。它的比值。它也是遥感探测的基础和也是遥感探测的基础和出发点
9、。出发点。按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体(grey body)：发射率小于1，常数选择性辐射体：发射率小于1，且随波长而变化。地物的发射光谱发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。2. 太阳辐射太阳辐射 （1 1）太阳常数：）太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。 太阳辐射太阳辐射是可见光和近红外的主要辐射源；
10、是可见光和近红外的主要辐射源；I=135.3 mW/m2 （是美国水手（是美国水手6、7号航天器号航天器1969年用空腔年用空腔辐射计测定的数值，计算误差为辐射计测定的数值，计算误差为 1.0 mW/m2）太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量（2 2）太阳辐射的光谱太阳辐射的光谱在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的光谱在大气上界测得的太阳辐射光谱曲线为平滑的连续的光谱曲线，它近似于曲线，它近似于6000K6000K的黑体辐射曲线。的黑体辐射曲线。 太太阳阳辐辐射射光光谱谱及及大大气气的的作作用用 太阳辐射的光谱是太阳辐射的光谱是连续的连续的
11、；相当于；相当于6000 K6000 K的黑体辐的黑体辐射；射；它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致 ；v太阳辐射的能量主要太阳辐射的能量主要集中在可见光集中在可见光，其中，其中0.38 0.38 0.76 0.76 m m的可见光能量占太阳辐射总能量的的可见光能量占太阳辐射总能量的46%46%，最最大辐射强度位于波长大辐射强度位于波长0.47 0.47 m m左右；左右；v大气层对太阳辐射产生的吸收、反射和散射。经过大气层对太阳辐射产生的吸收、反射和散射。经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不
12、均衡的不均衡的v到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在0.30.33.0 3.0 m m波段，波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；包括近紫外、可见光、近红外和中红外；从从近紫外到中红外（近紫外到中红外（0.3-6m0.3-6m）这一波段区间能量这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定；最集中而且相对来说较稳定；被动遥感主要利用可被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射见光、红外等稳定辐射 大地辐射的电磁波谱地表物体的温度一地表物体的温度一般在般在+400C -400C,平均平均270C，相当于，相当于300K，辐射峰值在辐射峰值在9.26-12.43 m波段范围。波段范围
13、。地物的反射率、吸收率和透射率地物的反射率、吸收率和透射率对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。镜面反射镜面反射 漫反射漫反射实际地面反射实际地面反射1.地物的反射率地物的反射率（反射系数或亮度系数）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。反射率随入射波长而变化。影响地物反射率大小的因素：l入射电磁波的波长l入射角的大小l地表颜色与粗糙度地物在不同波段的反射率是不同的反射率是可以测定的。2.地物的反射光谱：地物的反射光谱：地物的反射率随入射地物的反射率随入射波长变化的规律。波长变化的规律。1)地物反射光谱曲线地物反射光谱
14、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。2)2)不同地物在不同波段反射率存在差异：不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、雪、 沙漠、湿地、小麦的光谱曲线沙漠、湿地、小麦的光谱曲线传感器探测波段的设计，是通过分析传感器探测波段的设计，是通过分析比较地物光谱数据而确定的。比较地物光谱数据而确定的。多光谱扫描仪（多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：）的波段设计： MSS1(0.5-0.6 m) MSS2(0.6-0.7 m) MSS3(0.7-0.8 m) MSS4(0.8-1.1 m) 3)同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。不
15、同植物；植物病虫害4)地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。q时间特性q空间特性455, 550, 680,780, 980, 1090, 1200, 1285, 1468, 1685, 2200植被的反射光谱植被的反射光谱植被的反射光谱植被的反射光谱不同施氮水平下小麦冠层高光谱反射率不同施氮水平下小麦冠层高光谱反射率不同施氮水平下小麦冠层高光谱反射率不同施氮水平下小麦冠层高光谱反射率小麦冠层高光谱反射率随生育期的变化小麦冠层高光谱反射率随生育期的变化 拔节、孕穗、开花及花后拔节、孕穗、开花及花后7d、14d、21d、28d、40d可见光可见光，孕穗期最低；近红外反射平台，孕穗期最低；近红外反
16、射平台，开花期最大，开花期最大地物光谱仪地物光谱仪：测量以太阳为辐射源的地物地物光谱仪：测量以太阳为辐射源的地物反射反射光谱的仪器光谱的仪器 冠层光谱反射率采用美国冠层光谱反射率采用美国冠层光谱反射率采用美国冠层光谱反射率采用美国CROPSCANCROPSCAN公司生产的公司生产的公司生产的公司生产的MSR-16MSR-16型便携式型便携式型便携式型便携式多光谱辐射仪和美国多光谱辐射仪和美国多光谱辐射仪和美国多光谱辐射仪和美国ASDASD公司生产的公司生产的公司生产的公司生产的 FieldSpecFieldSpec Pro FR Pro FR光谱仪进行测量。光谱仪进行测量。光谱仪进行测量。光谱
17、仪进行测量。 波段范围为波段范围为波段范围为波段范围为4601650nm4601650nm，1616波段，视场角为波段，视场角为波段，视场角为波段，视场角为31.1 31.1 波段范围波段范围波段范围波段范围 350-2500nm350-2500nm，视场角，视场角，视场角，视场角2525 采样间隔采样间隔采样间隔采样间隔1.4nm350-1050nm, 2nm10001.4nm350-1050nm, 2nm10002500nm2500nm， 光谱分辨率光谱分辨率光谱分辨率光谱分辨率 3nm350-1050nm, 10nm1000-2500nm3nm350-1050nm, 10nm1000-2
18、500nm第三节 大气对太阳辐射的影响大气的结构和成分大气的结构和成分大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响大气窗口大气窗口1 大气的结构大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外层。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.平流层：较为微弱。3.中气层：温度随高度增加而递减。4.热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。5.大气外层：1000公里以外的星际空间。2 大气的成分大气的传输特性：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。大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲
19、烷、氧化氮、氢（这些气体再80km以下的相对比例保持不变，称不变成分）、臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变，称为可变成分）等。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。3 大气对太阳辐射的影响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。大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。（一）大气的吸收作用A.氧气：小于0.2 m；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。B.臭氧：数量极少，但吸收很强。主要吸收0.3 m 以下紫外；对航空遥感影响不大。C.水：吸
20、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。D.二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。Absorption of EM energy by the atmosphere（二）大气的散射作用 散射作用：太阳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。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。 大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。Scattering of EM energy by the atmosphereN
21、on-Selective scatter of EM radiation by a cloud三种散射作用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。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。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。多波段中不使用蓝紫光的原因：颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0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
22、色？2.米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。空气污染严重的地区天空显示为灰色。3.无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色？四、大气窗口1、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。大气窗口概念：概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰
23、减的作用轻重不同，因而各波阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，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较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。n透射率%近红外近红外可见光可见光主要大气窗口与遥感应用 大气窗口大气窗口波段波段透射率透射率/%/%应用用举例例紫外可紫外可见光近光近红外外0 03 31.3m1.3m大于大于9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近近红外外1.51.51.8m1.8m8080TM5TM5近中近中红外外2.02.03.5m3.5m8080TM7TM7中中红外外3.53
24、.55.5m5.5mNOAANOAA的的AVHRRAVHRR远红外（外（热红外）外）8 814m14m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatRadarsat大气校正概念：为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射概念：为消除由大气的吸收、散射等引起失真的辐射校正，称作校正，称作大气校正大气校正。 大气对遥感图像的影响与波长、时间、地点、大气条大气对遥感图像的影响与波长、时间、地点、大气条件、大气厚度、太阳高度角等因素有关。件、大气厚度、太阳高度角等因素有关。按照校正的过程，可以分为间接大气校正方法和直接按照校正的过程，可以分为间接大气校正
25、方法和直接大气校正方法。大气校正方法。直接大气校正直接大气校正是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气影响。是指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气影响。间接大气校正间接大气校正指对一些遥感常用函数，如指对一些遥感常用函数，如NDVI 进行重新定义，形成新的函数形进行重新定义，形成新的函数形式，以减少对大气的依赖。式，以减少对大气的依赖。三种遥感模式依据传感器探测能量的波长和研究需要，一般有三种基本的遥感模式： 可见光/近红外遥感 热红外遥感主动遥感传感器记录地球表面反射太阳辐射的能量，传感器记录地球表面反射太阳辐射的能量，此类遥感主要集中在可见光和近红外波段此类遥感主
26、要集中在可见光和近红外波段 传感器记录地表自身所发射的辐射能量，传感器记录地表自身所发射的辐射能量，此类遥感主要集中在热红外波段此类遥感主要集中在热红外波段 传感器自身发射出能量，然后探测传感器自身发射出能量，然后探测并记录地表对该能量的反射并记录地表对该能量的反射 常见地物的光谱曲线植物光谱曲线 可可见见光光波波段段（0.4-0.76um）有有一一个个小小的的反反射射峰峰，位位置置在在0.55um（绿绿）处处，两两侧侧0.45um（蓝蓝）和和0.67um（红红）则则有有两两个个吸吸收收带带。这这一一特特征征是是由由于于叶叶绿绿素素的的影影响响，叶叶绿绿素素对对蓝蓝光光和和红红光吸收作用强，而
27、对绿光反射作用强。光吸收作用强，而对绿光反射作用强。 在在近近红红外外波波段段（0.7-0.8um）有有一一反反射射的的“陡陡坡坡”，至至1.1um附附近近有有一一峰峰值值，形形成成植植被被的的独独有有特特征征。这这是是由由于于植植被被叶叶细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。 在在中中红红外外波波段段(1.3-2.5um)受受到到绿绿色色植植物物含含水水量量的的影影响响，吸吸收收率率大大增增，反反射射率率大大大大下下降降，特特别别地地，以以1.45um、1.95um和和2.7um为中心是水的吸收带，形成低谷。为中心是水的吸收带，形成低谷。 植植物物波波谱谱在在上上述述基基本本特特征征下下仍仍有有细细部部差差别别，这这种种差差别别与与植植物物种种类类、季季节节、病病虫虫害害影影响响、含含水水量量多多少少等等有有关关系系。为为了了区区分分植被种类，需要对植被波谱进行研究。植被种类，需要对植被波谱进行研究。反反射射率率(%)波长波长(um)0.551.10.670.451.4511.952.7植物光谱曲线常见地物的光谱曲线常见地物的光谱曲线水体光谱曲线常见地物的光谱曲线土壤光谱曲线常见地物的光谱曲线岩石光谱曲线
