电磁辐射与地物光谱特征.ppt

电磁辐射与地物光谱特征,提纲1 电磁波和电磁波谱,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。因此遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理之上的。要深入学习遥感技术，首先要学习和掌握电磁波以及电磁波谱的性质。,遥感物理基础,电磁波和电磁波谱电磁波辐射源太阳辐射和大气对太阳辐射的作用地球辐射与地物波谱特征,1 电磁波和电磁波谱,1.1 电磁波电磁波的概念,波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波、电磁波。,机械波：振动的是弹性媒质中质点的位移矢量。如声波、地震波,电磁波：根据麦克斯韦电磁场假设理论，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一变化的磁场又在铰远的区域内引起新的变化电场，并在更远的区域内引起新的变化磁场。这种变化的电场和磁场交互产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。我们平常所听到的射线、x射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。这一理论由1889年赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波而得到证实。,H 磁场矢量E 电场矢量,电磁波的性质,横波（质点振动方向和传播方向一致）在真空以光速传播满足：f=C；E=h f（E为能量，h为普朗克常熟）具有波粒二象性（波长越长波性越强，波长越短粒子性越强）传播到气体、液体、固体介质，会发生反射、折射、吸收、投射等现象。若碰到粒子还会发生散射现象。,1.2 电磁波谱,定义：按照电磁波的波长长短（或频率的大小），依次排列，就构成了电磁波谱。,遥感较多应用的电磁波波谱段,可见光：波长范围为0.380.76m，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。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：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。,可见光,波长范围大约为0.38m(紫色)0.76m(红色)，可见光谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间：红：0.620.76 m 橙：0.590.62 m 黄：0.560.59 m 绿：0.500.56 m 青：0.470.50 m 蓝：0.430.47 m 紫：0.380.43 m,返回,红外波段,波长范围0.7300m，可进一步划分为如下波段：,NIR和SWIR也称为反射红外，因为在地球表面反射的太阳辐射中，主要的红外成分为NIR和SWIR。MWIR和LWIR也称为热红外。地面常温下的辐射波长，有热感。FIR多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。,近红外(NIR)：0.761.5m短波红外(SWIR)：1.53 m中波红外(MWIR)：36 m 长波红外(LWIR)：615 m远红外(FIR)：15m1000 m,返回,微波,波长范围1mm到1m，可进一步划分为若干不同频率(波长)的波段：(1GHz=109Hz),P波段：0.31GHz(30100 cm)L波段：12GHz(1530 cm)S波段：24GHz(7.515 cm)C波段：48GHz(3.87.5 cm)X波段：812.5GHz(2.43.8 cm)Ku波段：12.518Ghz(1.72.4 cm)K波段：1826.5Ghz(1.11.7 cm)Ka波段：26.540Ghz(0.751.1 cm),1.3 电磁波的度量,辐射源 任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射。因此对辐射源的认识不仅限于太阳、炉子等发光发热的物体。能发出紫外辐射、X射线、微波辐射等的物体也是辐射源，只是辐射强度和波长不同而已。电磁波传递就是电磁能量的传递。因此遥感探测实际上是辐射能量的测定。,辐射量测,辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：焦耳J；辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dW/dt，单位是W；辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该是各谱段辐射通量之和或辐射通亮的积分值。辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，E=d/Ds，单位是W/M2，S为面积。辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，I=d/Ds，单位是W/M2，S为面积。辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=d/Ds，单位是W/M2，S为面积。辐照度与辐射出射度都是辐射通亮密度的概念，不过I为物体接收的辐射，M为物体发出的辐射。它们都与波长有关。,辐射亮度（L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则L定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即朗伯源：辐射亮度L与观察角无关的辐射源，称为朗伯源。太阳通常近似地被看作朗伯源。严格地说，只有绝对黑体才是朗伯源。,2 电磁波辐射源,2.1 黑体辐射,2.2 黑体辐射定律,2.3 一般辐射体和发射率,2.4 基尔霍夫定律,宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、一定厚度的大气层、人造飞行器、地球及地球上各种生物、非生物都是热辐射源。为了便于讨论一般物体的热辐射性质，需要有一个理想的标准热辐射体作为参照源，这个参照源就是绝对黑体。,2.1 黑体辐射,黑体：也叫绝对黑体,即对任何波长的电磁辐射都全部吸收,而反射率和透射率都等于0。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。,人工制造的接近黑体的吸收体,不透明的物体：对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用，吸收率(,T)+反射率（，T）=1。一般物体：系数都与波长和温度有关。绝对黑体：吸收率(,T)1,反射率（,T）0；绝对白体：反射率（,T）1，吸收率(,T)0，与温度和波长无关。最接近黑体辐射的辐射源：恒星和太阳。,2.2 黑体辐射的定律,2.2.1 普朗克公式,2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律,2.2.3 维恩位移定律,（Stephen Boltzmann Law）,（Wiens Displacement Law）,描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。,2.2.1 普朗克公式,h:普朗克常数,6.6260755*10-34 Ws2,k:玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK-1,c:光速;:波长（m）;T:绝对温度（K）,M：为辐射出射度,变化特点：(1)辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2)温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3)随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。,普朗克公式图示：,波长,辐射通量密度,返回,2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律,对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。温度越高，幅射能力就越强。,:斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4,红外装置测试温度的理论根据。,M,返回,2.2.3 维恩位移定律,b:常数，2897.80.4 m K,高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66m）,针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。,利用普朗克公式还可导出维恩位移定律，黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度T成反比。,2.3 一般辐射体和发射率,对于一般物体而言，需要引入发射率（即热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。,非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。,发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：,1）黑体：吸收率最大，发射率最大，均为1，反射率为0；,2）灰体:没有显著的选择吸收，吸收率随小于1，单基本不随波长变化；,3）选择性辐射体：选择性地吸收、反射和发射。,MM0,2.4 基尔霍夫定律,给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与吸收率之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。,发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。,3 太阳辐射及大气对太阳辐射的影响,太阳是被动遥感最主要的辐射源,3.1 太阳辐射源,3.2 大气成分组成,3.3 大气垂直分层,3.4 大气对太阳辐射的衰减,3.5 大气窗口（人类可用的电磁波谱范围）,太阳辐射及其能量分布,1）接近于5800K的黑体辐射。2）短波辐射（太阳辐射总能量的40集中于0.40.76um的可见光范围内，51在红外部分）,3.1 太阳辐射源,3.2 大气垂直分层,电离层：距地面85km直到几百千米的范围均为热电离层，热电离层的温度范围为500K到2000K。在电离层中，由于太阳紫外辐射和高能宇宙射线的轰击而使空气电离成离子，因而在热电离层中空气以稀薄的等离子体的形式存在。平流层：在平流层最下面直到20km的高度之内，温度几乎为常数，在其之上直到大约50km高度的范围之内，温度随高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流层之中。对流层：厚约为10km，其特点为温度随高度的增加而降低，1000m-6.5C。所有天气活动均发生在对流层层中。在大气层接近地球表面大约2km的厚度，存在着一层气溶胶粒子，气溶胶的浓度随高度的增加呈指数衰减。,3.3 大气成分组成,永久气体：在大气层中这些气体的浓度几乎是保持恒定不变的。氮(N2)：78.084%氧(O2)：20.948%氩(Ar)：0.934%二氧化碳(CO2)：0.033%其他惰性气体(Ne,He,Kr,Xe)氢(H2)甲烷(CH4)一氧化二氮(N2O)一氧化碳(CO),浓度可变的气体：其浓度可以随空间和时间发生很大的变化。水蒸汽(H2O)臭氧(O3)二氧化硫(SO2)二氧化氮(NO2)氨(NH3)一氧化氮(NO)硫化氢(H2S)硝酸蒸汽(HNO3),固体和液体微粒：如烟雾、水滴和冰晶体，这些粒子可以聚集在一起形成云和霾。,其中，：太阳辐射通过的大气路程，与太阳高度角有关：衰减因子，：大气对太阳辐射的吸收率和散射率，是电磁波波长（频率）的函数。,3.4 大气对太阳辐射的衰减,太阳辐射衰减的原因：散射，吸收、反射,太阳辐射的衰减率就等于通过大气之后的太阳辐射能量与大气上界太阳幅射能量之比，与太阳高度角、衰减因子，电磁波波长有关。,3.4.1 吸收作用,大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。1）水：分为气态水和液态水 水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波，都有水汽的吸收带。液态水的吸收更强，主要在长波方向。2）二氧化碳 主要在红外区。1.352.85m 之间有3个弱吸收带，2.7，4.3，14.5 m 为强吸收带。3）臭氧 紫外线4）其它吸收电磁波的物质 氧气主要吸收波长小于0.2m的，尘埃吸收作用很少。,3.4.2 散射作用,太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子的散射和大气中固体、微粒、液体的散射。,散射强度随波长减小而逐渐增强,1 瑞利（Rayleigh）散射,质点的直径 d(电磁波波长)时，一般认为（d/10）,大气中的气体分子;晴朗的天空为蓝色；出现蓝色蒙雾，紫外区不适于进行遥感（书上P29）,I:散射强度：波长,I,质点直径和电磁波波长差不多时（d）,主要是大其中的气溶胶引起的散射。云、雾等的悬浮粒子的直径和0.7615 um之间的红外线波长差不多，需要注意,云雾天气对红外遥感的影响比较大，产生的红外像片的效果也就很差。（书上P30）,I,1 米氏散射,3 非选择性散射,当质点直径大于电磁波波长时（d）,散射率与波长没有关系,人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果，对可见光中各个波长的光散射轻度相同。（书上P30）,I,3.4.3 反射作用,主要是大气中的云层，大的尘埃。云量越多、云层越厚，反射越强。,大气对太阳辐射的衰减总体规律：大气吸收15，散射和反射42，其余43 太阳辐射到达地面。又一说：大气吸收17，散射22，反射30，其余31 太阳辐射到达地面。,太阳辐射经大气衰减图,3.5 大气窗口,大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。,要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。,常用大气窗口,1）0.31.3m：包括全部可见光（95），部分紫外光（70），部分近红外光（80）。是航空摄影成像和卫星传感器扫描成像方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息的最佳波段，如Landsat的TM Band14。2）1.51.8m和2.03.5m：近、中红外波段。是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如TM Band5，7，用以探测植物含水量以及云、雪，或地质制图等。3）3.55.5m：中红外窗口，该波段除了地面发射外，地面物体本身也可以发射该波段的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.553.93m探测海面温度，获得昼夜云图。4）814 m：远红外窗口，主要来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。5）1.4300mm：微波窗口，由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。,太阳辐射主要集中在可见光到近红外区段，当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而，来自地球自身的辐射几乎可以忽略不计。地球自身的辐射主要集中在长波，即6m以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只需考虑地表物体自身的热辐射。,4 地球辐射与地物波谱,4.1太阳辐射与地表的相互作用,地球辐射包括地球反射的太阳辐射和地球本身的热辐射两部分。,太阳电磁辐射：太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.32.5微米波段之间，即可见光到近红外波段区。地球自身热辐射：地球近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0微米以上的波段，即红外、微波波段。,地球辐射的分段特性,地球辐射分段特性的遥感意义可见光与近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性；中红外波段遥感图像上既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射信息。热红外波段遥感图像上的信息来自地物本身的热辐射特性,可见光近红外波段遥感图像：记录各类地物对可见光的反射情况,热红外波段遥感图像:夜间成像，全球热分布图像,概念：地物波谱（地物光谱）:地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律。是各种地物具有的地磁波特性（即反射率、发射率、透射率随波长变化的规律）。地物波谱特性：电磁辐射与地物相互作用的表现特征。遥感意义：不同类型的地物，其电磁波响应特性不同。因此可以根据地物波谱特征来：设计遥感器；图象判读和分析以识别地物的基础。,4.2地物波谱特征,不同电磁波段中地物波谱特性,可见光和近红外波段中地物波谱特性表现为发射和吸收红外波段中地物波谱特性表现为地物热辐射微波波段中主动遥感：地物波谱特性表现为地物后向散射被动遥感：地物波谱特性表现为地物微波辐射。,热红外遥感,白天，水体相比于陆地的热容量较大，热辐射较小，所以呈现暗色调；晚上，水体的热辐射较大，所以呈亮色调。,白天成像,夜间成像,地物波谱：,4.2.1 地物的发射波谱,4.2.2 地物的透射波谱,4.2.3 地物的反射波谱4.2.4 遥感器接收到的电磁辐射,4.3 地物的发射波谱（地表自身热辐射）红外波段地物波谱特性,MM0,M为实际物体辐射出射度；M0为黑体辐射出射度为物体的比辐射率或发射率,M（，T）（，T）M0（，T）,当温度一定时，物体的比辐射率随着波长变化而变化，得出比辐射率波谱曲线（也叫发射率波谱曲线）。该曲线的形态特征可以反映地面物体本身的特性，包括物体本身的组成、温度、表面粗糙度等物理特性（见书上P36图2.22）。特别是曲线形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体，尤其在夜间，太阳辐射消失后，地面发出的能量以发射光谱为主，探测其红外辐射计微波辐射并与同温度条件下的比辐射率（发射率）曲线比较，是识别地物的重要方法之一。,4.4 地物的透射光谱（水体、植被）,透明物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。,透射率()：入射光透过物体的能量与入射总能量之比。,举例：1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10-20米。2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长决定。,4.5 地物的反射光谱（可见光近红外波段地物波谱特性）,太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生吸收、透射和反射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接受除水体、植被等物体，多数地物透射率几乎为0，可以忽略不计。,地物对电磁波谱的反射能力用反射率来表示；反射率定义：地面物体反射的能量占入射总能量的百分比；地物反射率计算公式为：,4.3.1 地物反射率,4.3.2 物体反射分类,判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则：,根据物体表面的粗糙程度，反射分为：,1）镜面反射,2）漫反射（朗伯反射）,3）有向反射,4）混合反射,反射分类图示,(a)镜面反射,(b)漫反射（朗伯反射）,(c)有向反射,(d)混合反射,1)镜面反射,当目标物的表面粗糙高度大大低于电磁波的波长时，那么目标物对电磁波的反射作用遵循反射定律。,2)朗伯反射,朗伯定律：反射辐射亮度（单位面积单位立体角内的辐射通量）和观察方向与表面法线夹角的余弦成正比。,当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的散射辐射亮度在以目标物的中心的2空间中呈常数，即散射辐射亮度不随观测角度而变，称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。严格讲自然界中只存在近似意义下的朗伯体。只有黑体才是真正的朗伯体。,3)有向反射,一部分镜面反射，一部分朗伯反射。,有向反射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函数。,有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向有关，在航空遥感中具有重要意义。,4)混合反射,了解物体反射类型的意义,遥感器获取的辐射亮度与物体反射类型密切关联。辐射亮度既与辐射入射方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角与天顶角有关。在遥感器成像时间选择上，应避免中午成像，防止在遥感图像上形成镜面反射。,定义：可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。,4.3.3 地物的反射波谱曲线,表示方法：一般采用二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。,4.3.4 常见地物的反射波谱特征曲线,植被水体土壤岩石,植被在可见光波段的波谱特征,可见光波段：在0.45微米附近区间（蓝色波段）有一个吸收谷，在0.55微米附近区间（绿色波段）有一个反射峰，在0.67微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷；,植被在近、中红外波段波谱特征,近红外波段：从0.76m处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”，至1.1m附近有一峰值，反射率最大可达50，形成植被的独有特征。中红外波段：1.51.9m光谱区反射率增大，在1.45m，1.95m和2.7m为中心的附近区间受到绿色植物含水量的影响，是水的吸收带，反射率下降，形成低谷。,植被的波谱特征曲线,影响植被波谱特征的主要因素,植物类型植被生长季节病虫害影响植被波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被种类、生长状态等。,不同植被类型的波谱反射率,不同健康状态松树的反射光谱曲线,土壤波谱特征,自然状态下土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和次生矿物）和土壤有机质有关。,三种不同类型土壤在干燥环境下的反射光谱曲线,含水量对土壤反射光谱曲线的影响,土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4，1.9和2.7微米处附近区间），反射率的下降尤为明显。,粉砂土壤不同含水量情况下的光谱反射率曲线图,纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，可见光其他波段反射很低；近红外和中红外波段纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零。如图,水体的波谱特征,水中含有泥沙，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区（0.560.76m）,如图；水中含有水生植物叶绿素时近红外波段反射明显抬高，如图。,水中其他物质对波谱特征的影响,清水和混水的波谱,叶绿素不同含量时水体的波谱曲线,岩石反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽和物质结构等决定。,岩石的波谱特征,物体波谱曲线的形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器获得的数据相对照，可以识别遥感影像中同类地物。,地物波谱曲线的作用,绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的曲带。地物存在着“同物异谱”与“异物同谱”的现象。,应用地物波谱特征需要注意的问题,遥感器接受到的太阳辐射 Bs：太阳辐射经地面目标反射后到达遥感器的辐射能。BA：太阳辐射经大气散射到遥感器的辐射能。,4.6 遥感器接收到的电磁辐射,到达地面的太阳辐射直接辐射：太阳辐射经大气衰减后到达地面的部分。天空辐射：太阳辐射经过大气散射后辐射到地面的部分。,忽略大气散射到地物又被反射到遥感器的部分,