遥感原理及应用 2电磁辐射及地物光谱特征.ppt

贵州师范大学地理与环境科学学院 第二章电磁辐射与地物光谱特征 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。 2.1 电磁波谱与电磁辐射 电磁波 变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。 表征电磁波的物理量 波长、频率、振幅、位相等 电磁波性质 横波 在真空以光速传播 满足：f·λ=c；E=h·f 具有波粒二象性，与物质发生作用时会发生反射、吸收、透射、散射等现象 电磁波谱 按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，就构成了电磁波谱。 波长由短到长依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。 电磁辐射的度量 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。 辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位J。 辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量。 辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量。 辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量（即被辐射物体表面单位时间通过单位面积的辐射能量）。 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。 辐射亮度（L）：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。 黑体辐射 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。 恒星和太阳 黑体辐射三个性质： 物体温度不同，辐射出射度曲线也不相同，虽然形状相似却都不相交。 绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。（斯忒藩-玻尔兹曼定律） 黑体温度越高，其曲线峰值就越往波长短的方向移动。（维恩位移定律） 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响 太阳辐射 太阳是被动遥感最主要的辐射源。 太阳常数：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，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：I⊙=135.3 mW/m2 太阳光谱：指光球产生的光谱。 太阳光谱是连续光谱，相当于6000 K的黑体辐射； 太阳辐射的能量大部分集中在可见光波段； 由于大气中水、氧、臭氧、二氧化碳等分子对太阳辐射的吸收作用，加之大气的散射，使得经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 各波段的衰减是不均衡的； 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 ~ 3.0 μm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外； 到达地面的辐射强度还与太阳高度角有关。 大气结构 大气的成分 大气分子：N2和O2，约占99%；还有O3、CO2、H2O及其他分子。 微粒：烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶。 大气对辐射的吸收作用 大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用。 大气吸收造成相应波段的遥感影像暗淡。 主要影响范围：紫外、红外、微波区 主要成分： 水 H2O 二氧化碳 CO2 臭氧 O3 氧气 O2 大气散射 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，称散射。 散射只改变辐射传播的方向，增加了信号中噪声的成分，造成遥感图像质量下降。 大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：d λ （ N2、CO2、O3、O2等对可见光的散射） 米氏散射：d ≈λ （如云雾对红外线的散射） 非选择性散射：d λ （如云雾对可见光的散射） 大气窗口 对于传感器而言，只能选择透过率高的波段才有意义。 通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的透过率较高的波段称为大气窗口。 2.3 地球的辐射与地物波谱 太阳辐射与地表的相互作用 传感器接收的能量包括：地物目标反射出来的辐射能量、地物的发射光谱能量、大气散射和辐射能量。 地物反射波谱特征 太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即： 到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量 地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。 物体的反射 实际物体的反射方式：介于镜面反射和漫反射之间。 反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/ P 0)×100%。 表观反射率：真实反射率同一些未知的由地形或阴影造成的增益系数的乘积。 地物反射波谱曲线：是指地物反射率随波长变化的规律，即以波长λ为横坐标，反射率ρ为纵坐标的曲线图，从中可以得到遥感数据与对应地物的识别规律。 植被 同一作物不同生长阶段的波谱特性 病虫害对植物光谱特征的影响 土壤 不同含水量对土壤光谱特征的影响 水体 岩石 影响地物光谱反射率变化的因素 太阳位置：高度角、方位角 传感器位置：观测角、方位角 地理位置 地形 季节 气候变化 地面湿度变