二章电磁辐射与地物光谱特征ppt课件

l太阳光照射在物体上，物体对太阳光进太阳光照射在物体上，物体对太阳光进展反射，而且不同物体对光的反射才干展反射，而且不同物体对光的反射才干是不一样的。是不一样的。l遥感正是利用物体的这一性质，用传感遥感正是利用物体的这一性质，用传感器接纳物体反射回来的电磁波，不同物器接纳物体反射回来的电磁波，不同物体反射情况不一样，反映在图象上即构体反射情况不一样，反映在图象上即构成不同的外形和颜色，以此来进展地物成不同的外形和颜色，以此来进展地物的识别。的识别。l一、电磁波谱与电磁辐射一、电磁波谱与电磁辐射l一电磁波谱一电磁波谱l振动在空气中的传播构成波。振动在空气中的传播构成波。l1、电磁波、电磁波当电磁震荡进入空间，变当电磁震荡进入空间，变化着的磁场可以在它的周围激起电场，化着的磁场可以在它的周围激起电场，变化的电场又会在它的周围激发磁场，变化的电场又会在它的周围激发磁场，变化的电场和磁场交替产生。由近及远变化的电场和磁场交替产生。由近及远地向周围空间的传播就叫电磁波。地向周围空间的传播就叫电磁波。l实验证明，电磁波与光波性质一样，因实验证明，电磁波与光波性质一样，因此光波和电磁波一致同来，光波也叫电此光波和电磁波一致同来，光波也叫电磁波。磁波。l电磁波的种类：无线电波、红外线、可电磁波的种类：无线电波、红外线、可见光、紫外线、见光、紫外线、x射线、射线、r射线。射线。l这些不同的电磁波又具有各自的特性，这些不同的电磁波又具有各自的特性，这是由于产生的波源不同，因此他们的这是由于产生的波源不同，因此他们的波长和频率也不一样。波长和频率也不一样。l2、电磁波谱、电磁波谱l按照电磁波在真空中的波长或频率按照电磁波在真空中的波长或频率加以陈列构成一个谱表就叫电磁波谱。加以陈列构成一个谱表就叫电磁波谱。l电磁波谱电磁波谱波段波段波长波长长波长波大于大于3000m中波和短波中波和短波103000m超短波超短波110m微波微波1mm1m红红外外波波段段超远红外超远红外151000m远红外远红外615 m中红外中红外36 m近红外近红外0.763 m波段 波长可见光红0.380.760.620.76 m橙0.590.62 m黄0.560.59 m绿0.500.56 m青0.470.50 m兰0.430.47 m紫0.380.43 m紫外线10-3 3.8*10-1 mX射线 10-610-3 m射线小于10-6 ml3、遥感上运用的电磁波、遥感上运用的电磁波l1紫外线紫外线0.01 m0.38 ml高温物体可发射紫外线，太阳光中也含高温物体可发射紫外线，太阳光中也含有紫外线，但是太阳光在经过大气层时有紫外线，但是太阳光在经过大气层时波长小于波长小于0.3 m的几乎全部吸收，所以的几乎全部吸收，所以太阳光中到达地面的只需太阳光中到达地面的只需0.3 m0.4 m，能量很少，但是可使溴化银底片感，能量很少，但是可使溴化银底片感光，所以可用摄影或扫描方式获得地物光，所以可用摄影或扫描方式获得地物紫外波段的影象。紫外波段的影象。l2可见光可见光0.380.76 ml在电磁波谱中，可见光只占很小一个空在电磁波谱中，可见光只占很小一个空间，但是其能量却占到太阳辐射总量的间，但是其能量却占到太阳辐射总量的一半。而且人眼对可见光敏感，不仅对一半。而且人眼对可见光敏感，不仅对全色光，而且对不同波段的单色光都有全色光，而且对不同波段的单色光都有敏锐的分辨才干。所以可见光是遥感技敏锐的分辨才干。所以可见光是遥感技术运用最多的一个波段，普通用光学摄术运用最多的一个波段，普通用光学摄影和光电扫描来获得遥感影象。影和光电扫描来获得遥感影象。l3红外线红外线0.76 m1000 ml近红外近红外0.76 m3.0 m光红外，性质光红外，性质与可见光类似，主要反映地物对太阳光的反射，与可见光类似，主要反映地物对太阳光的反射，不反映地物的热辐射，采用摄影和扫描方式。不反映地物的热辐射，采用摄影和扫描方式。l中红外中红外3.0 m6.0 ml远红外远红外6.0 m15.0 m 热红外热红外l超远红外超远红外15 m1000 ml热红外是产生热感的缘由。普通自然界的任何热红外是产生热感的缘由。普通自然界的任何物体，当温度大于绝对温度物体，当温度大于绝对温度0 k-273C 时，时，能发射红外线，发射才干的大小由其温度来决能发射红外线，发射才干的大小由其温度来决议，温度越高，发射才干越强。议，温度越高，发射才干越强。l在常温范围内物体发射的波长多在在常温范围内物体发射的波长多在340 m之间，而之间，而15 m以上的超远红外绝大以上的超远红外绝大部分被吸收，所以遥感技术在红外线波部分被吸收，所以遥感技术在红外线波段主要是利用了段主要是利用了315 m波段，也就是波段，也就是中红外和远红外。中红外和远红外。l热红外采用的是热感应方式，其主要传热红外采用的是热感应方式，其主要传感器是辐射计。感器是辐射计。l4微波微波l无线电波的一种，常用波段为无线电波的一种，常用波段为3cm、5cm、10cm，为自动式遥感。，为自动式遥感。l二电磁辐射二电磁辐射l任何物体都是辐射源，不仅可以吸收其任何物体都是辐射源，不仅可以吸收其它物体对它的辐射，也可以向外辐射。它物体对它的辐射，也可以向外辐射。因此对辐射源的认识不仅限于太阳、炉因此对辐射源的认识不仅限于太阳、炉子等发热发光的物体，能发出紫外线、子等发热发光的物体，能发出紫外线、x射线、射线、射线、微波等的物体也是辐射源，射线、微波等的物体也是辐射源，只是辐射强度和波长不同而已。只是辐射强度和波长不同而已。l电磁波传送就是电磁能量的传送，遥感电磁波传送就是电磁能量的传送，遥感对电磁波的探测实践上是对物体辐射能对电磁波的探测实践上是对物体辐射能量的测定。量的测定。l二、太阳辐射与大气窗口二、太阳辐射与大气窗口l一太阳辐射一太阳辐射l太阳辐射的电磁波到达地球外表大约需求太阳辐射的电磁波到达地球外表大约需求8分分钟，地球周围存在着很厚的大气层，太阳光照钟，地球周围存在着很厚的大气层，太阳光照射到地球外表之前，必需穿过大气层。这样太射到地球外表之前，必需穿过大气层。这样太阳光在大气层中遇到各种气体分子、水滴和尘阳光在大气层中遇到各种气体分子、水滴和尘埃时会遭到干扰，一部分光被反射回宇宙空间，埃时会遭到干扰，一部分光被反射回宇宙空间，一部分光被吸收，一部分光被散射，因此到达一部分光被吸收，一部分光被散射，因此到达地球外表的太阳辐射仅占地球外表的太阳辐射仅占31%，再除掉被植物，再除掉被植物光协作用耗费的能量，遥感接受和记录的就是光协作用耗费的能量，遥感接受和记录的就是剩下的这部分能量。剩下的这部分能量。l二大气对太阳辐射的影响二大气对太阳辐射的影响l1、大气层的反射作用、大气层的反射作用l太阳光进入到大气层以前，它的波长范太阳光进入到大气层以前，它的波长范围很广，从零到无穷大，但主要波长范围很广，从零到无穷大，但主要波长范围集中在围集中在0.154 m之间，约占之间，约占99%，其中可见光其中可见光50%，红外，红外43%，紫外，紫外7%。l地球被大气圈所包围，普通以为大气厚地球被大气圈所包围，普通以为大气厚度约为度约为1000km，且在垂直方向自下而上，且在垂直方向自下而上分为对流层、平流层、中气层、热层等。分为对流层、平流层、中气层、热层等。对太阳辐射影响最大的是对流层和平流对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层。层。l大气中主要成分有气体分子氮气大气中主要成分有气体分子氮气 和和 氧氧气约占气约占99%，其他，其他1%是臭氧是臭氧、二氧化碳、二氧化碳 和水分子和微粒烟、尘埃、小水滴和水分子和微粒烟、尘埃、小水滴等，水滴、尘埃单个来说其反射才干等，水滴、尘埃单个来说其反射才干不强，但由尘埃和水滴组成的云的反射不强，但由尘埃和水滴组成的云的反射才干很大，假设云层很厚，其反射回的才干很大，假设云层很厚，其反射回的能量越多，因此遥感摄影要选择晴朗无能量越多，因此遥感摄影要选择晴朗无云的好天。云的好天。l2、大气层的吸收作用、大气层的吸收作用l大气层中的气体分子、水滴和尘埃等粒大气层中的气体分子、水滴和尘埃等粒子，除了对太阳光产生反射作用外，还子，除了对太阳光产生反射作用外，还有选择性的吸收作用。各种气体分子和有选择性的吸收作用。各种气体分子和粒子对太阳辐射波长的吸收特性不同，粒子对太阳辐射波长的吸收特性不同，因此有些波段范围能透过大气层到达地因此有些波段范围能透过大气层到达地球外表，有些那么全部被吸收，不能到球外表，有些那么全部被吸收，不能到达地球外表，因此了解这些知识对我们达地球外表，因此了解这些知识对我们研制传感器有重要意义为什么。研制传感器有重要意义为什么。l详细吸收情况见详细吸收情况见P28页。页。l3、大气层的散射作用、大气层的散射作用l散射作用不像质点的吸收作用那样把太散射作用不像质点的吸收作用那样把太阳能转换为本身内能，而是只改动太阳阳能转换为本身内能，而是只改动太阳辐射的方向，使其围绕质点向周围传射，辐射的方向，使其围绕质点向周围传射，因此这部分散射光和地物的反射光一同因此这部分散射光和地物的反射光一同进入传感器，对影象呵斥影响。进入传感器，对影象呵斥影响。l普通情况下，太阳辐射光的散射作用同普通情况下，太阳辐射光的散射作用同散射介质的质点大小有亲密关系，并分散射介质的质点大小有亲密关系，并分为三种情况：为三种情况：l1瑞利散射瑞利散射散射质点的直径小于辐散射质点的直径小于辐射波长时发生的散射，这种散射主要由射波长时发生的散射，这种散射主要由大气层中的气体分子如大气层中的气体分子如N2、CO2、O3等等引起。引起。l特点：散射强度与波长的四次方成反比。特点：散射强度与波长的四次方成反比。即波长越长，散射越弱。即波长越长，散射越弱。l瑞利散射对可见光影响很大，无云的晴瑞利散射对可见光影响很大，无云的晴空呈现兰色就是由于蓝光波长短，散射空呈现兰色就是由于蓝光波长短，散射强度较大，使天空呈现蔚蓝色。强度较大，使天空呈现蔚蓝色。l2米氏散射米氏散射散射质点的直径与辐射散射质点的直径与辐射波长相当时发生的散射。主要由大气中波长相当时发生的散射。主要由大气中的烟、尘埃和小水滴引起。的烟、尘埃和小水滴引起。l散射特点：散射强度与波长的二次方成散射特点：散射强度与波长的二次方成反比，且散射在光线向前方向比向后方反比，且散射在光线向前方向比向后方向更强，具有明显的方向性。向更强，具有明显的方向性。l如云雾的粒子大小与红外线波长接近，如云雾的粒子大小与红外线波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。射。l3无选择性散射无选择性散射l散射质点的直径比波长大得多时发生的散射质点的直径比波长大得多时发生的散射。散射。l散射特点：散射强度与波长无关，即在散射特点：散射强度与波长无关，即在符合无选择性散射条件的波段中，任何符合无选择性散射条件的波段中，任何波长的散射强度都一样。波长的散射强度都一样。l如云雾粒子直径比可见光波长大很多，如云雾粒子直径比可见光波长大很多，因此对可见光各波长的光散射强度一样，因此对可见光各波长的光散射强度一样，所以人们看到云雾呈白色。所以人们看到云雾呈白色。l三大气透射窗口三大气透射窗口l太阳辐射光照射到地球外表的过程中，由于大太阳辐射光照射到地球外表的过程中，由于大气层的反射、吸收和散射作用，绝大部分能量气层的反射、吸收和散射作用，绝大部分能量消逝掉了，只需一部分大气散射和透射能量透消逝掉了，只需一部分大气散射和透射能量透过大气层到达地球外表。过大气层到达地球外表。l大气透射窗口：通常把太阳辐射光经过大气层大气透射窗口：通常把太阳辐射光经过大气层时没有或较少被反射、吸收和散射的那些透过时没有或较少被反射、吸收和散射的那些透过率高的波段称为大气透射窗口。率高的波段称为大气透射窗口。l对遥感传感器而言，只能选择大气透射窗口才对遥感传感器而言，只能选择大气透射窗口才对观测有意义。对观测有意义。l1、0.31.3 m紫外、可见光、近红外紫外、可见光、近红外这一波段是摄影成像的最正确波段，也这一波段是摄影成像的最正确波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。如如Landsat1-4波段波段lTM10.450.52 蓝光波段蓝光波段lTM20.520.60绿光波段绿光波段lTM30.630.69 红光波段红光波段lTM40.760.90 近红外波段近红外波段l这一光谱段属于反射光谱，只能白天成这一光谱段属于反射光谱，只能白天成像，且要求日照条件良好。像，且要求日照条件良好。l2、1.51.8 m和和2.03.5 m近红外近红外lTM51.551.75 mlTM71.752.08 ml这一波段用以探测植物含水量以及云、这一波段用以探测植物含水量以及云、雪、地质探矿等。雪、地质探矿等。l也属于反射光谱，只能白天成像。也属于反射光谱，只能白天成像。l3、3.55.5 m中红外中红外l属于混合光谱，既有太阳光反射，也有属于混合光谱，既有太阳光反射，也有地表热辐射，这一光谱段主要采用红外地表热辐射，这一光谱段主要采用红外扫描仪得到红外扫描相片，可昼夜成像。扫描仪得到红外扫描相片，可昼夜成像。如气候卫星如气候卫星NOAA的的AVHRR甚高分辨甚高分辨率辐射计用于探测海面温度。率辐射计用于探测海面温度。l4、814 m远红外波段可昼夜成像，远红外波段可昼夜成像，尤以夜间成像为好夜间太阳辐射消逝，尤以夜间成像为好夜间太阳辐射消逝，地面发出的能量以发射光谱为主地面发出的能量以发射光谱为主l5、0.825cm微波微波l0.5cm、3cm、5cm、10cml可全天侯任务。可全天侯任务。l三、地球的辐射与地物波谱三、地球的辐射与地物波谱l一太阳辐射与地表的相互作用一太阳辐射与地表的相互作用l地表接受太阳光照射后向外反射，同时地表接受太阳光照射后向外反射，同时地表本身又存在热辐射。这两种情况同地表本身又存在热辐射。这两种情况同时存在，只不过在不同的波段范围情况时存在，只不过在不同的波段范围情况不同。不同。l1、在短波区、在短波区0.32.5 m即紫外、可即紫外、可见光、近红外波段，地表反射的太阳光见光、近红外波段，地表反射的太阳光成为地表的主要辐射来源，而来自地球成为地表的主要辐射来源，而来自地球本身的辐射，几乎可以忽略不计。本身的辐射，几乎可以忽略不计。l2、在长波区、在长波区6 m即远红外，该区即远红外，该区段主要是地球本身的热辐射，太阳辐射段主要是地球本身的热辐射，太阳辐射可以忽略不计。可以忽略不计。l3、2.56 m，即中红外，地球对太阳，即中红外，地球对太阳辐射的反射和地表物体本身的热辐射均辐射的反射和地表物体本身的热辐射均不能忽略。不能忽略。l地球辐射的分段特性地球辐射的分段特性波段名称波段名称可见光与可见光与近红外近红外中红外中红外远红外远红外波长波长0.32.5 m2.56 m6 m辐射特性辐射特性地表反射太地表反射太阳辐射为主阳辐射为主地表反射太地表反射太阳辐射和自阳辐射和自身的热辐射身的热辐射地表物体地表物体自身热辐自身热辐射为主射为主l二地物的反射光谱特性二地物的反射光谱特性l当太阳辐射经过大气的吸收、反射和散当太阳辐射经过大气的吸收、反射和散射最终到达地球外表时，在地球外表又射最终到达地球外表时，在地球外表又出现三种情况：出现三种情况：l一部分入射能被地物反射一部分入射能被地物反射P反反l一部分入射能被地物吸收一部分入射能被地物吸收P吸吸l一部分入射能被地物透射一部分入射能被地物透射P透透lP入入=P反反+P吸吸+P透透 P入入入射总能入射总能量量l1=P反反/P入入+P吸吸/P入入+P透透/P入入l令令 P反反/P入入*100%=反射率反射率l P吸吸/P入入*100%=吸收率吸收率l P透透/P入入*100%=透射率透射率l普通情况下，只需水和冰具有透射一定普通情况下，只需水和冰具有透射一定波长电磁波的才干波长电磁波的才干0.450.56 m 的蓝的蓝绿光波段，绝大多数地物都没有透射绿光波段，绝大多数地物都没有透射电磁波的才干。微波对地物具有明显的电磁波的才干。微波对地物具有明显的透射才干，可以透过地面岩石、土壤，透射才干，可以透过地面岩石、土壤，在不破坏地面物体的情况下探测到地层在不破坏地面物体的情况下探测到地层下面的情况，在勘测石油时有重要作用。下面的情况，在勘测石油时有重要作用。l所以普通情况下所以普通情况下=0l上式可写为上式可写为=1-l这阐明：地物的吸收率越高，反射率就这阐明：地物的吸收率越高，反射率就越低。反之地物的吸收率越低，反射率越低。反之地物的吸收率越低，反射率就越高。就越高。l1、地物的反射率、地物的反射率l1定义：地物的反射量与入射总能量之定义：地物的反射量与入射总能量之比。又叫反射系数、亮度系数。比。又叫反射系数、亮度系数。l不同地物，即使同一地物对入射太阳光不同地物，即使同一地物对入射太阳光的反射才干是不一样的。的反射才干是不一样的。l2影响反射率的要素影响反射率的要素l太阳辐射光的波长太阳辐射光的波长l入射角的大小入射角的大小l地表颜色、粗糙度地表颜色、粗糙度l普通来说，地物反射率大，反射入射光普通来说，地物反射率大，反射入射光才干强，传感器记录的亮度值大，颜色才干强，传感器记录的亮度值大，颜色浅；反之，地物反射率小，反射才干弱，浅；反之，地物反射率小，反射才干弱，传感器记录的亮度值小，颜色深。这些传感器记录的亮度值小，颜色深。这些颜色的差别就成为我们进展目视判读的颜色的差别就成为我们进展目视判读的主要根据。主要根据。l2、地物的反射光谱、地物的反射光谱l1定义：地物的反射率随入射光波长变定义：地物的反射率随入射光波长变化的规律。化的规律。l将地物的反射率与入射光波长用直角坐将地物的反射率与入射光波长用直角坐标系表示，用横轴表示波长，纵轴表示标系表示，用横轴表示波长，纵轴表示反射率，绘成的曲线就叫地物的反射光反射率，绘成的曲线就叫地物的反射光谱曲线。谱曲线。l2不同地物的反射光谱曲线不同地物的反射光谱曲线l雪：在雪：在0.4-0.6 m 可见光附近有一强可见光附近有一强反射峰，因此雪看上去是白色，随着波反射峰，因此雪看上去是白色，随着波长的添加，反射率逐渐降低。长的添加，反射率逐渐降低。l沙漠：在橙光沙漠：在橙光0.6 m 附近有一强反射峰，因此附近有一强反射峰，因此沙漠看起来呈黄色。沙漠看起来呈黄色。l湿地：在整个波长范围内反射率均较低，特别湿地：在整个波长范围内反射率均较低，特别在近红外波段吸收更强，因此在影象上呈黑色。在近红外波段吸收更强，因此在影象上呈黑色。l小麦：在小麦：在0.55 m绿光波段处有一个小的绿光波段处有一个小的反射峰，因此呈绿色。在反射峰，因此呈绿色。在0.45 m 兰和兰和0.67 m 红有两个吸收带这是由于植物红有两个吸收带这是由于植物中的叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，对绿光中的叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，对绿光反射作用强，在近红外波段有一强反射峰反射作用强，在近红外波段有一强反射峰这是由于叶子的海绵组织对近红外的剧烈反这是由于叶子的海绵组织对近红外的剧烈反射。射。l这是绿色植物独有的特征，以后在中红外波段，这是绿色植物独有的特征，以后在中红外波段，反射率又大大下降。反射率又大大下降。l但是不同的植物其曲线的峰、谷又不同。但是不同的植物其曲线的峰、谷又不同。l土壤：土壤外表的反射率没有明显的峰值和谷土壤：土壤外表的反射率没有明显的峰值和谷值。普通来讲，土壤的含水量高，有机质含量值。普通来讲，土壤的含水量高，有机质含量越高，那么反射率越低；土质越细，反射率越越高，那么反射率越低；土质越细，反射率越高。高。l由于土壤的反射波谱曲线比较平滑，在不同波由于土壤的反射波谱曲线比较平滑，在不同波段反射率差别不大，因此在不同光谱段的遥感段反射率差别不大，因此在不同光谱段的遥感影象上，土壤的亮度区别不明显。影象上，土壤的亮度区别不明显。l不同地物具有不同的反射光谱曲线，这正是遥不同地物具有不同的反射光谱曲线，这正是遥感的物理根底和判读的根本根据。感的物理根底和判读的根本根据。