第二章电磁辐射与地物波谱特征ppt课件.ppt

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1、第二章 电磁辐射与地物光谱特征,遥感的理论基础就是物体的电磁辐射，电磁辐射是能量传播的一种形式。被动遥感系统中的主要辐射源是太阳，太阳辐射出的电磁波能量穿过大气层达到地表，被地物吸收、透射，一部分被反射后又经大气吸收、散射到达传感器，被记录成遥感资料和图象。此外，所有温度高于绝对零度的物体也都向外发射电磁辐射。所以电磁辐射是传感器与远距离物体之间联系的环节。遥感技术得以实现的基础就是不同地物具有不同的吸收、反射和发射电磁辐射能力。,第二章 电磁辐射与地物光谱特征,本章主要内容电磁波谱与电磁辐射太阳辐射及大气对辐射的影响地球的辐射与地物波谱,第一节 电磁波谱与电磁辐射,电磁波及其特性电磁波谱电磁

2、辐射的度量黑体辐射,一、电磁波及其特性,波的概念：波是振动在空间的传播。,机械波：声波、水波和地震波电磁波（ElectroMagnetic Spectrum)由振源发出的电磁振荡在空中传播。,演示,电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理电磁辐射:电磁能量随电磁波的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。其传播表现为光子（或称为量子）组成的粒子流的运动。,一、电磁波及其特性,电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播,电磁波在介质中的传播速度 V 为：,C 为光速 3108 米/秒,可见，电磁波在介质中的传播速度V总是小于在真空中的传播速度C,3）电磁波具有波粒二象性：电磁波

3、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。波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待，用波长、频率、振幅等来描述。粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子-光子，其能量大小用频率来描述。光是电磁波的一个特例 光的波动性-表现在光的干涉、衍射、偏振和色散等现象中；光的粒子性-表现在光电效应、黑体辐射等现象中。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。,电磁辐射-波动性,1干涉（interference）一列波在空间传播时，将引起空间各点的振动；两列（或多列）波在同一空间传播时，空间各点

4、的振动是各列波在该点产生的振动的叠加合成。这种波的叠加合成不是简单的代数和，而是矢量和。,光的干涉,同振幅、频率和初位相（具固定位相关系）的两列（或多列）波（相干波）的叠加合成而引起振动强度重新分布的现象称为“干涉现象”。干涉现象中，在波的交叠区有的地方振幅增加，有的地方振幅减小，振动强度（取决于程差与波长的关系）在空间出现强弱相间的固定分布，形成干涉条纹。干涉滤光片、透镜组、干涉雷达天线等，均应用了波的干涉原理。,小孔的衍射,波在传播过程中遇到障碍物时，在障碍物的边缘一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的“阴影区”的现象称为“衍射现象”。这是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化，导致波在空间上振

5、幅或强度重新分布的现象。如 光通过小孔，在孔后的屏上出现的不是一个亮点，而是一个亮斑。其亮斑周围有逐渐减弱的明暗相间的圆环。其亮斑的大小（衍射角）与小孔的直径 d 成反比，与波长成正比，即,遥感中部分光谱仪的分光器件-衍射光栅等，正是运用多缝衍射原理。,2衍射（diffraction）,偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波作为一种横波，其相互垂直的电场和磁场的振动方向是与传播方向垂直的。传播方向确定后其振动方向并不是唯一的。它可以是垂直于传播方向的任何方向。它可以是不变的，也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转，即 出现偏振现象（微波中称为“极化”）。通常把电场振动方向的平面称为偏振面

6、。若偏振面方向固定，不随时间而改变，则为线性偏振（线性极化或平面极化）。沿一个固定方向振动的光为偏振光，一些人造“光源”（如激光和无线电、雷达发射）常有明确的极化状态；太阳光是非偏振光（所有方向的振幅相等，无一优势方向）；介于两者之间的为部分偏振光-许多散射光、反射光、透射光均属此类。电磁波在反射、折射、吸收、散射过程中，不仅其强度发生变化，其偏振状态也往往发生变化。这种偏振状态的改变也是一种可以利用的遥感信息。,3偏振（Polarization）,线性极化类型,任一振动方向的电磁波总可以分解为两个特定的偏振（极化）方向。电矢量E的振动面垂直入射面的线偏振称为水平极化，平行入射面的线偏振称为垂

7、直极化。,电磁波的“粒子性”是指电磁辐射除了它的连续波动状态外，还能以离散形式存在，其离散单元称为 光子 或 量子。大量实验证明，光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。光电子的能量与光的强度、光照的时间的长短无关，而仅与入射光的频率有关。光电倍增管、电视摄象管等光电器件，正是运用光电效应原理制作的。光电效应现象用光的波动性是无法解释的。普朗克用模型来说明光电效应，并指出电磁辐射能量Q 的大小直接与电磁辐射的频率 成正比，可表示为：（h 为普朗克常数，取值为6.62610-34 焦耳秒）已知，则可得：可见，辐射能量 Q 与它的波长成反比。即电磁辐射波长越长,其辐射能量越低。这对遥感是有重要意义

8、的，如地表的微波发射要比热红外辐射低（更难感应）。,电磁辐射-粒子性,二、电磁波谱,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。在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其次是红外线、可见光、紫外线、X射线；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。无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生的红外线是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的.可见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的 X射线是原子内层电子受激发产生的射线是原子核受激发产生的,The Electromagnetic Spectrum,More than meets the eye!,Languag

9、e of the Energy Cycle:The Electromagnetic Spectrum,常用电磁波分类名称和波长范围,1.紫外线 波长范围为0.010.4微米。太阳辐射中的紫外线通过大气层时，波长小于0.3微米紫外线几乎都被吸收，只有0.30.4微米波长的紫外线部分能够穿过大气层到达地面，能量很少，并能使溴化银感光。紫外线在遥感中主要用于探测碳酸盐分布和油污染的监测等。由于紫外线从空中可探测的高度大致在2000m以下，因此紫外线对高空遥感不宜采用。,2、遥感常用的电磁波波段的特性,2、遥感常用的电磁波波段的特性,2.可见光波长范围为0.380.76微米，由红、橙、黄、绿、青、蓝、

10、紫色光组成。人眼对可见光的全色光和单色光都可直接感觉，因此可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。,2、遥感常用的电磁波波段的特性,波长范围为0.761000微米近红外（0.763微米）主要是地面反射太阳的红外辐射，在遥感技术中可以采用摄影方式和扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红外反射，但由于目前技术的限制，目前只能感测0.761.3微米的波长范围。中红外（36微米），远红外（615微米）和超远红外（151000微米）是产生热感的原因，所以又称热红外。在遥感技术中主要利用316微米波段，具有全天时的特性。,3.红外线,4.微波,波长范围为1mm1m。微波又可分为：毫米波、厘米波和分米波。微波也

11、具有热辐射特性，可以穿透云、雾不受天气影响，所以微波能进行全天候全天时遥感。微波遥感可以采用主动和被动方式成像，对某些物质如植被、冰雪、土壤等表层覆盖物具有一定的穿透能力。因此它也是遥感中最有发展潜力的波段。,2、遥感常用的电磁波波段的特性,辐射能量 W,电磁辐射是具有能量的，它表现在：使被辐照的物体温度升高 改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动,辐射能量（W）的单位是焦耳（J）,1/11,三、电磁辐射的度量,辐射通量(radiant flux),在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量：=W/t,辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）,2/11,三、电磁辐射的度量,辐射通量密度(

12、irradiance)E、(radiant exitance)M,单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：E辐照度=/A M辐射出射度=/A,辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）,法向,3/11,三、电磁辐射的度量,指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，即点辐射源(O)在某一方向上(、)单位立体角(d)内发出的辐射通量，单位为 瓦/球面度(w sr-1)，表达为：,辐射强度 I,（radiant intensity）,(极坐标中)微小立体角元：d=dA/R2=sindd,三、电磁辐射的度量,辐射亮度 L：,辐射亮度，简称辐亮度，指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂

13、直于辐射方向单位面积（法向面积）上辐射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量，如右图所示，单位为 瓦/米2 球面度（w m-2 sr-1），表达为：,A cos,A,辐射亮度,（radiance）,遥感观测的是辐射亮度值 L。,三、电磁辐射的度量,小 结,辐 射 度 量 一 览 表,7/11,四、黑体辐射,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。黑体辐射(Black Body Radiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。,Power Source:Bl

14、ackbody Radiation,Plancks Law:The amount and spectrum of radiation emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperature,Max Planck(1858 1947)Nobel Prize 1918,Emission from warm bodies peak at short wavelengths,wavelength,3、黑体辐射定律,(1)普朗克热辐射定律 表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。,M,四、黑体辐射,黑体辐射的三个

15、特性,辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。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。,波长(m)不同温度下的黑体辐射,(2)斯特藩玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmanns law 即黑体总辐射出射度随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。,3、黑体辐射定律,(3)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（即黑体的峰值波长与温度成反比）。,3、黑体辐

16、射定律,4、地物的发射率和基尔霍夫定律,发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）M与同温下的黑体辐射出射度M黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。,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。,4、地物的发射率和基尔霍夫定律,基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量密度M和吸收率之比，对于任何

17、物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量密度M 黑。,在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。,地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。,M,第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响,一、太阳辐射(被动遥感最主要的辐射源）1.太阳常数,2.太阳光谱,太阳发射的电磁辐射在地球大气顶层随波长的分布称为太阳光谱。,极大值位于0.47m，维恩位移定律maxT=2.897810-3mK，色温Tsun?,8/11,Wiens displacement law,夫琅和费(Fraun

18、hofer)吸收线,2.太阳光谱,太阳的辐射波谱（x 射线 无线电波），是个综合波谱。太阳辐射的大部分能量集中于近紫外中红外（0.315.6m）区内，占全部能量的 97.5%。其强度随时间、地点而变化,太阳辐射能各谱段的百分比,第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响,大气的成分和结构大气对太阳辐射的吸收与散射大气窗口及透射,二、大气对太阳辐射的影响,（一）、大气的成分,大气的主要成分,*a concentration near the earths surface,（一）大气的成分,（一）大气的成分,气溶胶,（二）、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：上

19、界往往随纬度、季节等因素而变化（7-19km）。它集中了主要的大气现象。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：（至50km）包括底部的“同温层”（至20km）和随高度上升温度缓慢上升的“暖层”。层内除季节性的风外，几乎没有什么天气现象。对电磁波传输表现较为微弱。3.中气层：（至80km）介于上下两个暖层之间，又称“冷层”，温度随高度增加而递减，大约在 80 km处降到最低点约178 K（-95），也是整个大气最低点。4.热层：又称增温层，电离层。层内空气稀薄，温度很高.可达1500 K。无线电波在该层发生全反射现象.而对遥感使用的可见光、红外直至微波的影响较小，基本

20、上是透明的。卫星的运行空间。5.大气外层：1000公里以外的星际空间。对卫星的运行基本上没有影响。,（三）、大气对太阳辐射的影响,太阳辐射的衰减过程：30%被云层和其他大气成分反射回宇宙空间；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。,大气的吸收作用（总结）,大气中的氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内氧气：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。臭氧：数量极少（0.01%-0.1%)，但吸收很强。在(0.2-0.3 m）处于强吸收带，此外在0.6 m、9.6 m处吸收也很强；对高度10km的航空遥感

21、影响不大。水：吸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。而水汽的含量随时间、地点而变化。二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。特别是在以14.5 m为中心，形成了一个1317 m强吸收波段，由于CO2的相对含量近似恒定，该吸收波段用以遥测大气温度垂直分布的主要手段。尘埃：有一定的吸收作用，量少。,Absorption,大气的选择性吸收，对遥感系统影响很大，不仅能使气温升高、能量衰减，而且使太阳发射的连续光谱中的某些波段不能传播到地球表面。,Absorption of EM energy by the atmospher

22、e,2.大气的散射作用,大气中各种成分对太阳辐射吸收的显著特点，是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了。散射不同于吸收，它不会使大气中各质点把辐射能变成自身的内能，而是改变传播方向。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 atmosp

23、here,大气散射（Atmospheric scattering）,大气散射强度依赖于微粒大小、含量、波长和大气厚度。大气中的主要散射微粒：,气体分子（gas molecules）(约 10-8 cm)固态气溶胶（solid aerosols）(0.1 to 1.0 m)云中小水滴（cloud water droplets）(1 to 10 m)云中冰晶（cloud ice crystals）(1 to 100 m)冰雹（hail）(约 10 cm),(1)。瑞利散射（Rayleigh）:当 d 1 m时，瑞利散射可以忽略不计。（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

24、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。它多在910 km的晴朗高空发生(“兰天”正是瑞利散射的一种表现)。,三种散射作用,Relationship between path length of EM radiation and the level of atmospheric scatter,(2).米氏散射（Mie）:,当 d 时出现。主要是由大气中的气溶胶引起。对近紫外红外波段的影响都存在。云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对红外线的米氏散射不可忽视。米氏散射多在大气低层 05 km，其强度受气候影响较大。它叠加于瑞利散射之上，使天空变得

25、阴暗。散射系数与波长的负二次方成正比,(3)无选择性散射,当 d 时，出现无选择性散射，其散射强度与波长无关。大气中云、雾、水滴、尘埃(一般直径 5100 m)的散射属此类。它大约同等的散射所有可见光、近红外波段。因而，云、雾呈白色、灰白色。（小结，小雨滴对微波的散射 P30）,Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud,大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向；削弱了到达地面或地面向外的辐射。它是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。大气散射产生天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”；使人们有可能在阴影处得到物

26、体的部分信息；并使暗色物体表现得比它自身的要亮，使亮物体表现得比它自身的要暗。它降低了遥感影像的反差（对比度），降低了图像的质量（清晰度）及图像上空间信息的表达能力（灵敏度）。因此，遥感器常利用滤光片，阻止兰紫散射光透过。散射对低层大气（约低于3 km）尤为重要。这是与大气粒子的粒径、含量及有效性的增加密切相关的。,结论,太阳辐射衰减的原因是什么？在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？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色？微波为什么具有极强的穿透云层的作用？为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？,（四）,(四)、大气窗口,1、大气窗口：通过

27、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。常见的大气窗口：,大气透射的定量分析,第三节：地球的辐射与地物波谱,主要内容：,地球辐射地球辐射的分阶段特征地物的波谱特性（反射、发射、透射）地物反射类型常见地物的反射波谱特征,Earth Spectrum,Incoming from Sun:High energy,short wavelength,Outgoing from EarthLow energyLong wavelength,0.5 mm,10 mm,20 mm,0.32.5m（主要在可见光与近红外波段，短波辐射）-以地表反射太阳辐射为主

28、，地球自身的热辐射可忽略不计；2.5 6m（中红外辐射）-地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均是被动遥感的信息源，不能忽略。6 m 以上（长波辐射）-只考虑地表物体自身的热辐射，而地表反射太阳辐射的影响极小。,地球辐射的分波段特性,EI()=ER()+EA()+ET(),太阳光通过大气层，照射到地球表面，地物会发生吸收、反射和透射，反射后的短波辐射一部分为遥感器接收。,一、地物的反射光谱特性,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。,地物波谱,地物的反射,地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。它是波长的函数，又称为光谱反射率，被定义为：以百分

29、数表示,其值在01之间，为无量纲的量.,1 地物的反射率（反射系数或亮度系数）：,影响地物反射率大小的因素：地表颜色与粗糙度入射电磁波的波长入射角的大小根据地表目标物体表面性质的不同，物体对电磁波的反射有三种形式：镜面反射、漫反射、方向反射。,地物波谱,式中，h 为第一平面以上的高度度量（以波长计）；为波长 为入射角。,任一表面的反射特性是由其表面几何形态粗糙度支配的，而粗糙度是相对于入射波长而言的，也就是依据表面几何形态与辐射波长的关系而定的。表面粗糙度是入射波长的函数。关于表面粗糙度的瑞利判别准则是：若 为光滑表面；反之，为粗糙表面。,镜面反射,定义：发生在光滑表面的一种反射。特点：入射能

30、量全部或几乎全部在同一平面内按相反方向反射，且反射角等于入射角。对可见光而言，在镜面、光滑金属表面、平静水体表面均可发生镜面反射；而对微波而言，由于波长较长，故马路面也符合镜面反射规律。,（1）镜面反射-specular reflection,（2）漫反射-diffuse reflection,定义：发生在非常粗糙的表面上的一种反射现象 特点：入射能量在所有方向均匀反射，即入射能量以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向同性的反射能量。又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。一个完全的漫射体称为朗伯体。如对可见光而言，土石路面、均一的草地表面均属漫射体,漫反射,漫反射面按朗伯余弦定

31、律反射，可表达式为：,式中，为观测方向与法线的夹角；I()为方向的辐射强度；I0为法线方向的辐射强度.,（3）方向反射-Directional reflection(实际物体的反射）,定义：介于镜面和朗伯面（漫反射面）之间的一种反射。自然界中绝大多数地物都属于这种类型的反射，又称非朗伯面反射。特点：对太阳短波辐射的反射具有各向异性。即：实际物体表面在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。反射辐射亮度的大小既与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。（镜面反射也可认为是方向反射的一个特例。）,方向反射,实际物体反射 设i、i分别为入射方向的方位角和天顶角，r、r分别为某一

32、反射方向的方位角和天顶角。那么方向反射因子可以表示为：,Ii为某一方向入射辐射的照度；Lr为观察方向的反射亮度。这些物理量均与方位角和天顶角有关，只有当朗伯体时才都成为与角度无关的量。,实际物体反射 入射辐照度Ii应该由两部分组成:太阳的直接辐射，是由太阳辐射来的平行光束穿过大气直接照射地面，其辐照度大小与太阳天顶角和日地距离有关；太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地面的部分，因为是从四面八方射入，其辐照度大小与入射角度无关。,不同地物的反射率,0.6,植被的病虫害,土壤反射波谱曲线,自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土质越细反射率越高，有机质含量越高和含水量越高反射率越低

33、，此外土类和肥力也会对反射率产生影响。由于土壤反射波谱曲线呈比较平滑的特征，所以在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。,岩石反射波谱曲线,岩石的反射波谱曲线无统一的特征，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、色泽等都会对曲线形态产生影响。,几种岩石的反射波谱曲线,发射光谱：温度一定时，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。岩石的发射光谱分析（图2-12）,地物波谱,二、地物的发射光谱特性,右图显示：随着各种岩浆岩中sio2含量的降低，岩石发射光谱曲线的谷值向长波方向移动。,地物波谱,典型地物的热特性,一般地物白天受

34、太阳辐射影响，温度较高、呈暖色调；夜间物质散热，温度较低，呈冷色调。土壤、岩石尤为明显。水体：比热大、热惯性大、对红外几乎全吸收、自身辐射发射率高，以及水体内部以热对流方式传递温度等特点，使水体表面温度较均一，昼夜温度变化慢而小。因而白天水热容量大，升温慢，比周围土壤岩石温度低，呈冷色调（暗色调）；夜晚，水的贮热能力强，热量不易很快散失，比周围土壤、岩石温度高，呈暖色调（浅色调）。因此，任何水体的热标记可作为判断热红外成像时间的可靠指标（水体周围为冰雪覆盖的例外）。湿地：昼夜均比干燥地面冷，这是因为水分蒸发时的冷却效应。,地物波谱,绿色林地（树）：辐射温度较高，夜间图像具暖标记，而白天虽受阳光

35、照射，但因水分蒸腾作用降低叶的温度，升温不甚明显，使植被较周围土壤温度低。（不过针叶林有些例外，这是因为其树冠针叶丛束的合成发射率高。）农作物覆盖区：由于作物覆盖隔开了地面土壤，使之保持一定热量，从而造成农作区夜间也呈暖色，与裸露土壤的冷色调相对照。人工铺设区如街道、停车场，白天比周围区域加热得温度更高，而夜里因散热较慢，仍保持比周围土壤温度高些。研究岩石、植被、土壤和水体的热红外特性，红外辐射温度的日变化特性等，是热图像判读的基础，也是建立各种热模型（如土壤水分的热惯量模型等），反演地表相关参数的必要条件。,地物波谱,居民区-夜间热图像（航片）,白-红 表征“热点”,地物波谱,水体与 陆地的

36、航空热红外图像（冬季）,a.清晨 6点（空气温度9）；b.上午8点；c.午后14点（空气温度2）；d.第二天上午11点（空气温度4）,透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。（如：水体对0.45-0.56um的蓝绿光具有一定的透射能力，较浑浊水体的透射深度为12m，一般水体的透射深度可达1020m。可见光、红外、微波的透射能力。一般情况下，绝大多数地物对可见光都没有透射能力，红外线只对具有半导体特征的地物才有一定的透射能力，微波对地物具有明显的透射能力，这种透射能力主要由入射波的波长而定。,三、地物的透射光谱特性,地物波谱特性的影响因素,地

37、物波谱特性是复杂的，它是受多种因素控制的，本身也是因时因地在变化着。以植物波谱为例，植物冠层的组分、形状结构（与叶的类型、植物生长阶段等有关）；植物背景-主指土壤（土壤湿度、土壤有机质含量等）；辐照及观测方向（包括地形起伏改变辐照方向）；大气状况、气候变化、大气透过率等。可见，地物波谱特性是随时间、地点、环境背景等的变化而变化,影响因素很多，是一种综合作用的结果。正是地物波谱的复杂性构成了遥感影像解译具有一定的不确定性.由于难以将这些干扰因素逐项加以定量消除，因而定量遥感研究中需要通过大量地面样本分析建立先验知识，确定遥感模型的约束条件，以便提高定量遥感的精度。,上海技物所,地物波谱是遥感识别

38、目标的前提，对它的研究与测试，是遥感重要的基础性研究工作；地物波谱是遥感定量化的依据，是联系遥感基础研究与遥感应用的桥梁，是研究遥感成像机理、选择遥感仪器最佳探测波段、研制遥感仪器，以及遥感图像分析、数字图像处理中最佳波段选择、专题信息提取、提高遥感精度等的重要依据，也是遥感应用分析的基础；地物波谱库是空间信息基础设施建设的重要组成部分。,第四节：地物波谱特征的测量,电磁波谱中，可见光和近红外波段（0.32.5m）是地表反射的主要波段，多数传感器使用这一区间。地物波谱特征测量的作用传感器波段选择、验证、评价的依据建立地面、航空和航天遥感数据的关系 将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析并建立

39、应用模型,地物波谱特征的测量,地物反射波谱测量理论双向反射分布函数（BRDF）对于地物表面dA，入射时辐照度为dIi(i,i)，在r和r方向上，由dIi产生的反射亮度为dLr，随着入射方向和反射方向的不同，产生一个函数fr，称双向反射分布函数，简称BRDF，表示为：,地物波谱特征的测量,地物反射波谱测量理论双向反射分布函数（BRDF）对于给定的入射角和反射角，这一函数值表示在给定方向上每单位立体角内的反射率。fr还是波长的函数。BRDF完全描述了反射空间分布特性的规律。但是由于BRDF函数值本身是两个无穷小量的比，且实际想要测量dIi也十分困难，因此实际测量中很少采用。,地物波谱特征的测量,地

40、物反射波谱测量理论双向反射比因子R（BRF）这一函数比较容易测量，其定义是，在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一定辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件下的标准参考面的反射辐射通量之比。而这一标准参考面即为前面讲过的朗伯反射面。,地物波谱特征的测量,地物光谱测量方法样品的实验室测量 实验室测量常用分光光度计，仪器由微机控制，测量数据也直接传给计算机。分光光度计的测量条件是一定方向的光照射，半球接收，因此获得的反射率与野外测定有区别。室内测量时要有严格的样品采集和处理过程。例如，植被样品要有代表性，采集后迅速冷藏保鲜，并在12h内送实验室测定；土壤和岩矿应按专业要求并

41、制备成粉或块。由于实验室的测量条件高，应用不够广泛。,地物波谱特征的测量,地物光谱测量方法野外测量 垂直测量：为使所有数据能与航空、航天传感器所获得的数据进行比较，一般情况下测量仪器均用垂直向下测量的方法，以便与多数传感器采集数据的方向一致。由于实地情况非常复杂，测量时常将周围环境的变化忽略，认为实际目标与标准板的测量值之比就是反射率之比。,垂直测量所用标准板通常用硫酸钡或氧化镁制成，在反射天顶角45o时，接近朗伯体，并且经过计量部门标定，其反射率为已知值。因没有考虑入射角度变化时造成的反射辐射值的变化（对实际地物在一定程度上取近似朗伯体），其测量值也有一定的适用范围。,地物波谱特征的测量,地

42、物光谱测量方法野外测量 非垂直测量：在野外更精确的测量是测量不同角度的方向反射比因子，考虑到辐射到地物的光线由来自太阳的直射光（近似定向入射）和天空的散射光（近似半球入射），因此方向反射比因子取两者的加权和。,1.太阳 2.光谱辐射计 3.标准白板,地物波谱特征的测量,地物光谱测量方法野外测量非垂直测量步骤自然光照射时测量一次为I值；用挡板遮住太阳光使阴影盖过标准板，再测一次为ID；自然条件下选择太阳方向和观测角在同一地面位置分别迅速测量标准板的辐射值和地物的辐射值，计算野外测量出的方向反射比因子R；用黑挡板遮住太阳直射光，在只有天空漫入射光时分别迅速测量标准板和地物的辐射值，计算比值得到漫入射的半球一定向反射比系数RD；由公式计算出直射光照射下双向反射比因子RS。测量时可以保持方位角始终为0o,小麦野外测量的RD和RS及室内测量的Rs曲线,野外光谱测量,多角度数据采集,芦苇,河水波谱测试,沙地,树叶为什么是绿色的？,水为什么是蓝色的？,