第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ)2.1電磁波譜與黑體輻射2.2太陽輻射和地球輻射2.3地球大氣及其對太陽輻射的影響2.4地面物體反射光譜

本章主要介紹遙感的物理基礎(chǔ)，包括地物的電磁波特性、輻射基本定律、太陽輻射、大氣和地面與太陽輻射的相互作用、大氣窗口的概念、地物反射太陽光譜的特性、三種遙感模型等。上章內(nèi)容復(fù)習(xí)遙感是20世紀(jì)60年代興起的對地觀測技術(shù)，原理：

利用對電磁波敏感的儀器，接收地物反射或發(fā)射的電磁波，因不同物的波譜特性不同，故能識別地物及地物某些特征。理論上遙感可識別萬物及萬物的細(xì)微差別，但由于種種原因，遙感影像對地物及地物參數(shù)的定量判斷，常帶有較大錯誤。優(yōu)點(diǎn)：從高處觀察地球，具宏觀性、同步準(zhǔn)同步性，可重復(fù)觀測性，經(jīng)濟(jì)性等，極大地改變了人類獲取地表及地表以下一定深度信息的方式。遙感技術(shù)由多種技術(shù)支持，其具體系統(tǒng)組成：傳感器、平臺、中繼衛(wèi)星、地面站、用戶。目前已應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。遙感技術(shù)的發(fā)展簡史和未來趨勢：相機(jī)，飛機(jī)，衛(wèi)星，新式傳感器，海洋、陸地、氣象衛(wèi)星，高中低軌道、大中小衛(wèi)星，純民用衛(wèi)星，各國競爭，軍用和民用各展天地§1電磁波譜與黑體輻射電磁波是電磁振動的傳播。通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的。這種電磁能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射）稱為電磁輻射。一、電磁波與電磁波的傳輸特性電磁波的性質(zhì)電磁波譜：按電磁波在真空中傳播的頻率或波長排列形成依次排列形成的譜帶。電磁波譜各電磁波段主要特性紫外線：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(dá)地面，對油污染敏感，但探測高度在2000m以下?？梢姽猓翰ㄩL范圍：0.38～0.76μm，人眼對可見光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。紅外線：波長范圍為0.76～1000μm，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。微波：波長范圍為1mm～1m，穿透性好，不受云霧的影響。無線電波：波長范圍10-3～104m之間，主要用于廣播、通信等方面。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(yuǎn)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(yuǎn)紅外：15.0～1000μm，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測。紅外線的劃分圖2.4電磁波譜P29圖2.4電磁波譜P29電磁輻射測量遙感探測實(shí)際上是輻射量的測定輻射能量：電磁輻射的能量輻射能量：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量。輻射能量是波長的函數(shù)，總輻射能量應(yīng)該是各波段輻射能量之和或輻射能量的積分值輻射能量密度：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量輻照度：被輻照的物體表面單位面積上的輻射能量輻射出射度：溫度為T的輻射源物體表面單位面積上的輻射能量遙感接收的電磁波源？

自然源（太陽、地球）、人工源實(shí)際地物的電磁波發(fā)射規(guī)律?太陽輻射的能量主要集中在可見光和近紅外，其中0.38-0.76μm的可見光能量占太陽輻射總能量的43.5%，最大輻射強(qiáng)度位于波長0.47μm左右；到達(dá)地面的太陽輻射主要集中在0.3-3.0μm波段，經(jīng)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。地球的電磁輻射：小于2.5μm的波長主要是太陽輻射的能量；大于6μm的波長，主要是地物本身的熱輻射；2.5-6μm之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。微波輻射源：0.8-30cm遙感接收的電磁波源？

自然源、人工源實(shí)際地物的電磁波發(fā)射規(guī)律?人們常從現(xiàn)象的極端態(tài)理想態(tài)開始研究，然后再根據(jù)實(shí)際情況做修正，以此為基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)來研究實(shí)際物體….黑體§1電磁波譜與黑體輻射二、黑體輻射和實(shí)際物體輻射

地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。黑體：在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體。如果一個物體對照射其上的任何波長的電磁輻射，都全部吸收，沒有反射，則該物體是黑體，也叫絕對黑體。黑體模型黑體模型黑體吸收率1，反射率？自然界存在黑體嗎？黑色煙煤的吸收系數(shù)可達(dá)99%，被認(rèn)為是最接近黑體的自然物質(zhì)。太陽也被看作是接近黑體輻射的輻射源。2.黑體輻射(BlackBodyRadiation)：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。黑體輻射定律普朗克熱輻射定律黑體輻射出射度與溫度的關(guān)系以及按波長分布的規(guī)律輻射出射度：輻射源物體表面在單位時間內(nèi)，從單位面積上輻射出的輻射能量黑體輻射的三個特性?輻射出射度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。溫度越高，輻射出射度越大，不同溫度的曲線是不相交的。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長向短波方向移動。輻射出射度斯忒藩-玻耳茲曼定律黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。輻射通量：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量總輻射通量：各波段輻射通量之和或輻射通量的積分值溫度3005001000200030004000500060007000波長9.665.802.901.450.970.720.580.480.41維恩位移定律

隨著溫度的升高，輻射最大值對應(yīng)的峰值波長向短波方向移動。b=2897±0.4m·k維恩位移定律：最強(qiáng)輻射對應(yīng)波長λmax與黑體絕對溫度T成反比，滿足公式：溫度30050010002000300040005000？K波長9.665.802.901.450.970.720.580.47只要測出物體的最大輻射對應(yīng)的波長，即可算出物體的溫度b=2897±0.4m·k藍(lán)火焰比紅火焰溫度高實(shí)際物體的輻射地物發(fā)射率的定義：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。這是遙感探測的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。影響地物發(fā)射率的因素：

地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。灰體(greybody)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長而變化?；鶢柣舴蚨桑?/p>

在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率α之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W黑。紅外遙感的理論依據(jù)物體的吸收本領(lǐng)越大，即α越接近1，它的發(fā)射本領(lǐng)就越大，即越接近黑體輻射。所以吸收系數(shù)α又可叫發(fā)射率ε。表2.2自然物體的發(fā)射率表2.2自然物體的發(fā)射率常溫下多數(shù)物體的比輻射率在0.8以上，水為0.96，幾乎是自然界中發(fā)射率最高的自然物金屬一般較低，光滑金屬面尤低。粗鋼板為0.82，鑄鐵為0.21，光滑鋁面為0.042.2太陽輻射和地球輻射太陽：相當(dāng)于6150k的黑體，最大輻射對應(yīng)波長0.47um。在地球大氣頂端接受的太陽能量為每平方厘米每分鐘1.95卡近紫外、可見光、近紅外和中紅外，占太陽輻射總能量的84.62%，強(qiáng)且穩(wěn)定，強(qiáng)度變化小，遙感最常用太陽輻射光譜及大氣的作用

太陽輻射能量分布波長/μm波段名稱能量比例/%小于10－3X、γ射線0.0210－3～0.2遠(yuǎn)紫外0.20～0.31中紫外1.950.31～0.38近紫外5.320.38～0.76可見光43.500.76～1.5近紅外36.801.5～5.6中紅外12.005.6～1000遠(yuǎn)紅外0.41大于1000微波（一）太陽輻射和地球輻射的分段性0.3-2.5um：太陽的電磁輻射集中區(qū)（紫外、可見光到近紅外區(qū)段），此波段區(qū)只反映地物對太陽輻射的反射，基本不反映地物本身熱輻射的高低，夜間沒有太陽輻射，故該波段只能在白天成像。2.5-6um：中紅外波段，太陽是主要輻射光源，但地球熱輻射也不能忽略（二者之比10:1）。此波段晝夜均可成像，但白天影像難解譯該波段主要用于探究地面高溫物體（火或其他高熱源）？6um以上的熱紅外波段，主要為地物熱輻射，地物反射太陽能量可忽略不計（二）地球自身熱輻射地球大約相當(dāng)于300K的黑體，最大輻射對應(yīng)的波長為9.66um，能量主要集中在8－14um，不論白天黑夜，始終向外輻射能量。由于大氣中的水、二氧化碳、臭氧等對輻射的吸收，實(shí)際的輻射曲線呈不平滑的折線。衛(wèi)星上接收到的地球輻射與相應(yīng)的黑體輻射對比根據(jù)基爾霍夫定律，地表物體的自身熱輻射由比輻射率(發(fā)射率)、溫度、波長三個因素決定。常用地面遙感波段有：0.01-1.3um，1.5-1.8um,2.0-2.5um，3.5-5.5um，8-14um，0.8-30cm，請回答以下問題：1、主要反映太陽輻射的波段：2、主要反映地物輻射能量的波段：3、太陽和地物輻射均不能忽視的波段：4、只能在白天工作的波段：5、白天夜間均能工作的波段：遙感有三個遙感源：地物反射太陽光、地物自身有溫發(fā)射源、人為發(fā)射微波源。太陽光相當(dāng)于？Ｋ的黑體、地球相當(dāng)于？Ｋ的黑體，兩者輻射的主要波長不同，太陽在可見光到短波紅外，地球在長波紅外，兩者輻射的分段性：０.３－３，３－６，６。為什么我們能用紅外裝置測量地物溫度？2000年8月7日早上9：30影像TM6：10.40-12.50um

，地物自身的熱輻射量與？有關(guān)大氣中有大氣分子、煙、塵埃、霧霾、小水滴和氣溶膠等，對電磁波有折射、反射、吸收、散射和透射作用2.3地球大氣及其對電磁輻射的影響大氣吸收：是造成遙感誤差的最重要因素，削弱或完全削弱，且不同天氣，其影響不同大氣散射：電磁波碰到大氣粒子，被其改變方向，向四面八方散去的現(xiàn)象。原傳播方向上的強(qiáng)度減弱，其他方向的輻射增加。

結(jié)果：一方面減少了電磁波上行下行的強(qiáng)度，一方面又增加了進(jìn)入傳感器的電磁波來源。

大氣散射主要對太陽輻射產(chǎn)生影響考慮到大氣散射影響，進(jìn)入傳感器鏡頭的電磁波源有哪些？1.地物直接反射的太陽輻射2.周邊地物的反射信息，被大氣散射改變方向，進(jìn)入傳感器3.太陽光沒有到達(dá)地面就直接進(jìn)入傳感器的部分－－大氣散射的背景光，又叫程輻射或路徑輻射，這部分信息降低了遙感圖像的對比度。三種大氣散射：瑞利散射：粒子直徑遠(yuǎn)小于電磁波波長米氏散射：粒子直徑與電磁波波長相當(dāng)無選擇性散射：粒子直徑遠(yuǎn)大于電磁波波長原子／分子／塵埃／小水滴／氣溶膠紫外／可見光／紅外／微波瑞利散射：散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比，隨著波長的增加，散射強(qiáng)度急?。吭雍头肿?，直徑遠(yuǎn)小于可見光紅外等波長，微波？部分傳感器不使用藍(lán)光波段的原因米氏散射：粒子直徑和波長差不多。煙云塵埃小水滴氣溶膠等，與可見光紅外線的波長大致相當(dāng)散射強(qiáng)度與波長的二次方成反比，對可見光及紅外有影響。天氣陰濕污時，該種散射較重要。大氣散射的總結(jié)：瑞利散射主要對可見光及近紅外，波長超過1um以后，米氏散射的影響就超過瑞利散射。陰天時，米氏散射作用較強(qiáng)，再加上水汽氣溶膠的吸收，電磁波衰減明顯，圖像較灰暗。云層較厚時，反射、散射，可見光及紅外波段幾乎完全不可用。對微波而言，大氣粒子的直徑均比微波波長小得多，屬于？散射，？大氣窗口：電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射，透過率較高的波段，可以實(shí)現(xiàn)對地表的觀測。非大氣窗口：？要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。

地面遙感常用的電磁波波段0.01-0.38μm：紫外線,吸收和散射嚴(yán)重，少使用，0.3－0.4um，通常在2000m以下接收。大多數(shù)地物在此波段的反差小，用以探測碳酸鹽巖分布、水面油污染。0.38-1.3μm：可見光、近紅外波段，遙感最常用的最佳波段，大多數(shù)地物都具有很好的亮度反差，易于區(qū)分，是遙感最常用的波段。TM1-4，SPOT-HRV50%-60%1.5-1.8um,2.0-3.5um：近、近中紅外波段。TM5、7波段用它來探測植物含水量50%-60%3.5-5.5um：中紅外波段，也叫熱紅外波段，白天夜間均可成像？用以探察地面高溫?zé)嵩?-14um：熱紅外波段。分辨地物及測溫。0.8-30cm：微波。60%-80%80%100%有多少太陽光能到達(dá)地表（大氣透射）：大氣頂層的太陽輻射，3%被臭氧吸收，25%被云層反射散射，19%被塵埃氣體吸收散射，53%到達(dá)地表（有文獻(xiàn)認(rèn)為是31%），其中45%被地表吸收，僅8%被地表反射。具體地點(diǎn)和具體時期其吸收散射量不同，要看有無云層，有多少水蒸汽和懸浮顆粒物等2.4地面物體反射光譜P47反射率：主要取決于物體本身的性質(zhì)和地表的粗糙程度漫反射：地表均勻粗糙，向四方反射強(qiáng)度相等鏡面反射：平靜無波的水體實(shí)際地物的方向性反射：既非均勻粗糙，又非平鏡，向四方均有反射，但強(qiáng)度不一，有一主強(qiáng)度方向。一、地物的反射率ρ=(Pρ/P

0)×100%遙感圖像上記錄的輻射亮度，既與輻射入射方位角和天頂角有關(guān)，也與反射方向的方位角和天頂角有關(guān)。由于鏡面反射會造成太陽光直接進(jìn)入遙感器，在成像時間選擇上，應(yīng)避免中午成像，防止形成鏡面反射。否則水體會形成非常亮的耀斑，周圍地物的反射信息有受到干擾和削弱。了解物體表面性質(zhì)對反射影響的意義？思考！地物反射波譜：是研究可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示反射率。地物反射波譜同一物體的反射率曲線形態(tài)，反映出不同波段的反射率不同，研究不同波段的反射率并以此與遙感傳感器的相同波段和角度接收的輻射數(shù)據(jù)相對照，可以得出遙感影像數(shù)據(jù)和對應(yīng)地物的識別規(guī)律，因此地物反射率曲線的研究非常重要。研究地物反射率曲線的意義？思考！一般來說，地物反射率隨波長的變化有規(guī)律可循，從而為遙感影像的判讀提供依據(jù)。0.4-0.76、0.76-1.3、1.3-2.5傳感器波段的設(shè)計，通過分析比較地物光譜特點(diǎn)而確定二、地物反射波譜曲線（一）植被不同植被的反射光譜曲線影響植被波譜特征的主要因素植物類型植物生長季節(jié)病蟲害影響等植被波譜特征大同小異，根據(jù)這些差異可以區(qū)分植被類型、生長狀態(tài)等。不同健康狀態(tài)松樹的反射光譜曲線2.09-2.35um1.55-1.75um0.77-0.90um0.63-0.69um0.52-0.61um0.52-0.45um（二）巖石巖石的反射波譜主要由礦物成分、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等決定。影響巖石礦物波譜曲線的因素包括巖石風(fēng)化程度、巖石含水狀況、礦物顆粒大小、巖石表面光滑程度、巖石色澤等。（三）土壤自然狀態(tài)下呈光滑曲線，沒有明顯反射峰或吸收谷在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和此生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。土壤含水量增加，土壤的反射率就會下降，在水的各個吸收帶（1.4um、1.9um、2.7um處附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。受所含雜質(zhì)影響：泥沙、葉綠素或其他污染物（四）水體純凈水體的反射主要在可見光中的藍(lán)綠光波段，在可見光其它波段的反射率很低。近紅外和中紅外純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于0。水中含有泥沙，在可見光波段的反射率會增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含有水生植物葉綠素時，近紅外波段反射率明顯抬高。比較說明幾種不同地物的波譜曲線的差異?應(yīng)用?應(yīng)用地物波譜特征需要注意的問題絕大部分地物的波譜值具有一定的變幅，它們的波譜特征不是一條曲線，而是具有一定寬度的曲帶。地物存在“同物異譜”和“異物同譜”現(xiàn)象?！巴锂愖V”是指兩個類型的個體地物，在某個波段上波譜特征不同；“異物同譜”是指不同類型的地物具有相同的波譜特征。為了準(zhǔn)確地在遙感影像上識別地物，首先必須了解什么地物具有什么光譜特征規(guī)律，以便和圖像上表現(xiàn)的亮度特征比較。地物波譜特性測量的重要性：遙感研究的基礎(chǔ)A、需要知道地物的波譜特性，才能在遙感影像中識別它們；B、地物發(fā)出的電磁波會受到大氣等許多因素的干擾，想要將誤差消除，需要對地面物體進(jìn)行光譜特性的測量，以便建立地面物體和航空航天遙感數(shù)據(jù)之間的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對地物的精確辨識。C、實(shí)際地物的復(fù)雜性、地域性，要求測量三、地物波譜特性的測量可見光和近紅外波段是研究地表的主要波段?？梢姽夂徒t外地物光譜測試的作用：（1）傳感器波段的選擇、驗(yàn)證、評價；（2）建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的定量關(guān)系；（3）地物光譜數(shù)據(jù)與地物特征的相關(guān)分析。反射光譜特性的測量方法（1）樣品的實(shí)驗(yàn)室測量（分光光度計）（2）野外測量（光譜輻射計）野外光譜測量理論基礎(chǔ)BRDF(BidirectionalReflectanceDistributionFunction)雙向反射分布模型/函數(shù)反射依賴于入射