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第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ) 本章提要 1電磁波譜 2輻射基本定律 3太陽輻射 4太陽輻射與大氣的相互作用 5太陽輻射與地面的相互作用 6三種遙感模式 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 1電磁波譜 波的概念 波是振動在空間的傳播 機(jī)械波 聲波 水波和地震波電磁波 ElectroMagneticSpectrum 由振源發(fā)出的電磁振蕩在空氣中傳播 不需要媒質(zhì)也能傳播 與物質(zhì)發(fā)生作用時會有反射 吸收 透射 散射等 并遵循同一規(guī)律 演示 電磁波是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的電磁輻射 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 電磁波的特性電磁波是橫波在真空中以光速傳播電磁波具有波粒二象性 電磁波在傳播過程中 主要表現(xiàn)為波動性 在與物質(zhì)相互作用時 主要表現(xiàn)為粒子性 這就是電磁波的波粒二象性 波動性 電磁波是以波動的形式在空間傳播的 因此具有波動性粒子性 它是由密集的光子微粒組成的 電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動 電磁波的粒子性 使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計(jì)性 波粒二象性的程度與電磁波的波長有關(guān) 波長愈短 輻射的粒子性愈明顯 波長愈長 輻射的波動特性愈明顯 電磁波譜 電磁波譜 將各種電磁波在真空中的波長按其長短 依次排列制成的圖表 在電磁波譜中 波長最長的是無線電波 其按波長可分為長波 中波 短波和微波 波長最短的是 射線電磁波的波長不同 是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同 電磁波的來源 電磁波譜 各電磁波段主要特性 紫外線 波長范圍為0 01 0 38 m 太陽光譜中 只有0 3 0 38 m波長的光到達(dá)地面 對油污染敏感 但探測高度在2000m以下 可見光 波長范圍 0 38 0 76 m 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 1000 m 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 0 m 與可見光相似 中紅外 3 0 6 0 m 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 0 m 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 1000 m 多被大氣吸收 遙感探測器一般無法探測 紅外線的劃分 2輻射基本定律 黑體輻射普朗克輻射 Planck 定律斯特潘 玻耳茲曼 Stefan Boltzmann 定律基爾霍夫 Kirchhoff 輻射定律維恩 Wien 位移定律 輻射通量通常 把以電磁波形式傳播的能量稱為輻射能 用Q表示 單位為焦耳 h是普朗克常數(shù) 是光的頻率 與光速c 波長 之間都是可換算的 輻射能即可以表示輻射源發(fā)出的電磁波的能量 也可以表示被輻射表面接收到的電磁波的能量 在單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能 稱為通過該面積的輻射通量 符號 單位為W 如果是某個波長的輻射通量 則記為 黑體輻射 黑體是絕對黑體的簡稱 指在任何溫度下 對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)恒等于1 100 的物體 黑體的熱輻射稱為黑體輻射 黑體模型 普朗克定理 波長 光學(xué)遙感中一般單位用 m或nm 波數(shù)v 1 單位一般為cm 1 頻率f c0 單位為1 s 其中c0為光速 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 黑體輻射 黑體的熱輻射稱為黑體輻射 黑體輻射定律 普朗克定律黑體輻射的能量是由溫度決定的 MaxPlanck 1858 1947 NobelPrize1918 黑體溫度越高 輻射最大值對應(yīng)的波長越短 黑色的煤煙 吸收系數(shù)接近99 接近絕對黑體 黑體輻射定律 1 普朗克熱輻射定律表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及按波長分布的規(guī)律 黑體輻射的三個特性 輻射通量密度隨波長連續(xù)變化 每條曲線只有一個最大值 溫度越高 輻射通量密度越大 不同溫度的曲線不同 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 斯特潘 玻耳茲曼 Stefan Boltzmann 定律 對普朗克定律在全波段內(nèi)積分 得到斯蒂芬 玻爾茲曼定律 輻射通量密度隨溫度增加而迅速增加 與溫度的4次方成正比 斯蒂芬 玻爾茲曼常數(shù) 5 6697 0 00297 10 12Wcm 2K 4 紅外裝置測試溫度的理論根據(jù) 地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律 發(fā)射率 Emissivity 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 它也是遙感探測的基礎(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 發(fā)射率小于1 且隨波長而變化 基爾霍夫定律 在一定溫度下 地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比 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 在給定的溫度下 物體的發(fā)射率 吸收率 同一波段 吸收率越大 發(fā)射率也越大 地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比 所以 地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化 這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ) 維恩 Wien 位移定律 黑體輻射的峰值波長 max與絕對溫度T的乘積是常量 即 b 常數(shù) 2897 8 0 4 m K 黑體溫度增加時 其輻射曲線的峰值波長向短波方向移動 3太陽輻射 在大氣上界測得的太陽輻射光譜曲線為平滑的連續(xù)的光譜曲線 它近似于6000K的黑體輻射曲線 太陽輻射光譜及大氣的作用 太陽輻射能量分布 太陽光譜曲線 太陽光譜相當(dāng)于6000K的黑體輻射 太陽輻射的能量主要集中在可見光 其中0 38 0 76 m的可見光能量占太陽輻射總能量的46 最大輻射強(qiáng)度位于波長0 47 m左右 到達(dá)地面的太陽輻射主要集中在0 3 3 0 m波段 包括近紫外 可見光 近紅外和中紅外 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 4太陽輻射與大氣的相互作用 大氣概況大氣的吸收作用大氣的散射作用大氣窗口大氣校正 大氣結(jié)構(gòu) 從地面到大氣上界 大氣的結(jié)構(gòu)分層為 對流層 高度在7 12km 溫度隨高度而降低 天氣變化頻繁 航空遙感主要在該層內(nèi) 平流層 高度在12 50km 底部為同溫層 航空遙感活動層 同溫層以上 溫度由于臭氧層對紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高 中間層 高度在50 80km 溫度隨高度增加而降低電離層 高度在50 1000km 大氣中的O2 N2受紫外線照射而電離 對遙感波段是透明的 是陸地衛(wèi)星活動空間 大氣外層 800 35000km 空氣極稀薄 對衛(wèi)星基本上沒有影響 大氣成分 大氣主要由氣體分子 懸浮的微粒 水蒸氣 水滴等組成 大氣密度和壓力隨高度上升均按指數(shù)率下降 氣體 N2 O2 H2O CO2 CO CH4 O3懸浮微粒 塵埃 冰晶 水滴 太陽輻射的衰減過程 30 被云層反射回 17 被大氣吸收 22 被大氣散射 31 到達(dá)地面 AbsorptionofEMenergybytheatmosphere 吸收 大氣的吸收作用 大氣的吸收作用 大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性吸收 形成太陽輻射的大氣吸收帶 氧氣 小于0 2 m 0 155為峰值 高空遙感很少使用紫外波段的原因 臭氧 數(shù)量極少 但吸收很強(qiáng) 兩個吸收帶 對航空遙感影響不大 水 吸收太陽輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì) 到處都是吸收帶 主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分 因此 水對紅外遙感有極大的影響 二氧化碳 量少 吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi) 可以忽略不計(jì) ScatteringofEMenergybytheatmosphere 散射 散射作用 太陽輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變 并向各個方向散開 大氣的散射作用 不同于吸收作用 只改變傳播方向 不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能 散射主要發(fā)生在可見光區(qū) 對遙感圖像來說 降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量 造成圖像模糊不清 大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因 大氣發(fā)生的散射主要有三種 瑞利散射 d 瑞利散射 由于氣體分子的尺度遠(yuǎn)小于光波的波長時發(fā)生的散射 屬小顆粒散射 小顆粒散射的特征 1 散射光強(qiáng)度與波長4次方成反比 由此可以解釋天空為什么呈藍(lán)色 2 主要發(fā)生在距地面9 10公里的大氣 3 當(dāng)波長大于1微米時 瑞利散射基本上可以忽略不計(jì) 紅外線 微波可以不考慮瑞利散射的影響 對可見光來說 由于波長較短 瑞利散射影響較大 米氏散射 大氣中的氣溶膠顆粒 云滴 雨云滴等的直徑與入射光的波長可以比擬或大于入射光的波長時發(fā)生的散射 米氏散射的特征 1 米氏散射影響的波長范圍包括可見光和近紅外 紅外 2 米氏散射主要發(fā)生在近地面0 5km的大氣中 非選擇散射 大氣粒子的直徑比波長大得多時發(fā)生的散射 散射強(qiáng)度與波長無關(guān) 在符合無選擇散射的條件的波段中 任何波長的散射強(qiáng)度相同 大氣窗口 概念 由于大氣層的反射 散射和吸收作用 使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同 因而各波段的透射率也各不相同 我們就把受到大氣衰減作用較輕 透射率較高的波段叫大氣窗口 可見光 中紅外 遠(yuǎn)紅外 近紅外 透過率 主要大氣窗口與遙感應(yīng)用 大氣校正 概念 為消除由大氣的吸收 散射等引起失真的輻射校正 稱作大氣校正 大氣對遙感圖像的影響與波長 時間 地點(diǎn) 大氣條件 大氣厚度 太陽高度角等因素有關(guān) 按照校正的過程 可以分為間接大氣校正方法和直接大氣校正方法 直接大氣校正是指根據(jù)大氣狀況對遙感圖像測量值進(jìn)行調(diào)整 以消除大氣影響 間接大氣校正指對一些遙感常用函數(shù) 如NDVI進(jìn)行重新定義 形成新的函數(shù)形式 以減少對大氣的依賴 5太陽輻射與地面的相互作用 反射作用反射率的概念反射光譜曲線常見地物的光譜曲線吸收作用透射作用 地物波譜 地物的電磁波響應(yīng)特性隨電磁波長改變而變化的規(guī)律 稱為地表物體波譜 簡稱地物波譜 地物波譜特性是電磁輻射與地物相互作用的一種表現(xiàn) 地物波譜的作用 不同類型的地物 其電磁波響應(yīng)的特性不同 因此地物波譜特征是遙感識別地物的基礎(chǔ) 地物波譜的特性地物波譜 不同電磁波段中地物波譜特性 可見光和近紅外波段 主要表現(xiàn)地物反射作用和地物的吸收作用 樹葉蒼翠欲滴 水下溫度 熱紅外波段 主要表現(xiàn)地物熱輻射作用 熱紅外靈敏遙感器夜間成像河流為亮色條帶 但熱紅外白天成像河流為暗色條帶 微波波段 主動遙感利用地物后向散射 被動遙感利用地物微波輻射 可見光和近紅外波段地物波譜特征 地物反射波譜特征 太陽輻射到達(dá)地表后 一部分反射 一部分吸收 一部分透射 即 到達(dá)地面的太陽輻射能量 反射能量 吸收能量 透射能量 一般而言 絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力 而有些物體如水 對一定波長的電磁波則透射能力較強(qiáng) 特別是0 45 0 56 m的藍(lán)綠光波段 一般水體的透射深度可達(dá)10 20m 清澈水體可達(dá)100m的深度 地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量 地物反射 地物的反射類型 根據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同 物體反射大體上可以分為3種類型 即鏡面反射 漫反射 實(shí)際物體的反射 1 鏡面反射 發(fā)生在光滑物體表面的一種反射 物體的反射滿足反射定律 反射波和入射波在同一平面內(nèi) 入射角等于反射角 只有在反射波射出的方向才能探測到電磁波 例子 水面是近似的鏡面反射 在遙感圖像上水面有時很亮 有時很暗 就是這個原因造成的 物體表面性質(zhì)對反射的影響 2 漫反射 發(fā)生在非常粗糙的表面上的一種反射現(xiàn)象 不論入射方向如何 其反射出來的能量在各個方向是一致的 即當(dāng)入射輻照度I一定時 從任何角度觀察反射面 其反射輻照亮度是一個常數(shù) 這種反射面又叫朗伯面 3 實(shí)際物體反射 介于鏡面和朗伯面 漫反射 之間的一種反射 自然界種絕大多數(shù)地物的反射都屬于這種類型的反射 又叫非朗伯面反射 對太陽短波輻射的反射具有各向異性 即實(shí)際物體面在有入射波時各個方向都有反射能量 但大小不同 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 反射率的概念 反射率 地物的反射能量與入射總能量的比 即 P P0 100 地物在不同波段的反射率是不同的 反射率是可以測定的 反射率也與地物的表面顏色 粗糙度和濕度等有關(guān) 地物在不同波段的反射率是不同的 利用地物反射率的差別 可以判斷地物的屬性 反射光譜曲線 地物反射率隨波長是變化的 我們以波長作為橫坐標(biāo) 反射率作為縱坐標(biāo) 將地物反射率隨波長的變化繪制成曲線 即地物的反射率隨波長變化的曲線 叫地物的反射光譜曲線 不同地物的該曲線是不同的 植被土壤水體巖石 常見地物的光譜曲線 植被光譜曲線 在0 45um附近 藍(lán)色波段 有一個吸收谷 在0 55um附近 綠色波段 有一個反射峰 在0 67um附近 紅色波段 有一個吸收谷 在可見光波段 在近紅外波段 從0 76um處反射率迅速增大 形成一個爬升的 陡坡 至1 1um附近有一個峰值 反射率最大可達(dá)50 形成植被的獨(dú)有特征 1 5 1 9um光譜區(qū)反射率增大 以1 45um 1 95um 2 70um為中心是水的吸收帶 其附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響 反射率下降 形成低谷 所有植物的反射光譜曲線呈明顯的雙峰雙谷的特點(diǎn) 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 水體光譜曲線 水體的反射率總體很低 小于10 遠(yuǎn)低于大多數(shù)地物 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 土壤光譜曲線 自然狀態(tài)下土壤表面的反射曲線呈比較平滑的特征 沒有明顯的反射峰和吸收谷 在干燥條件下 土壤的波譜特征主要與成土礦物 原生礦物和次生礦物 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 巖石的光譜曲線 不同類型巖石的反射光譜曲線都較平緩 沒有明顯的波段起伏 但反射率的值相差很大 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 地物波譜曲線的作用 物體波譜曲線形態(tài) 反映出該地物類型在不同波段的反射率 通過測量該地物類型在不同波段的反射率 并以此與遙感傳感器所獲得的數(shù)據(jù)相對照 可以識別遙感影像中的同類地物 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 同物異譜 是指兩個相同類型的個體地物 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 吸收作用 太陽輻射到達(dá)地面 一部分能量被地物吸收并且轉(zhuǎn)換成熱能 使地表具有一定溫度再發(fā)射 被稱為 熱輻射 地表的輻射發(fā)射率是地物的輻射能量與相同溫度下黑體輻射能量之比 又叫比輻射率 影響發(fā)射率的因素溫度一定時 地物的發(fā)射率隨波長變化的曲線 叫地物的發(fā)射光譜曲線 地表的輻射溫度 也叫亮度溫度或表征溫度 是指能輻射出與觀測地物相等輻射能量的黑體溫度 常見地物的發(fā)射率 趙英時 2003 back 各類巖漿巖的發(fā)射率 梅安新等 2001 back 透射作用 太陽輻射到達(dá)地面時 能穿透地面一定深度 這種現(xiàn)象叫透射 自然界絕大多數(shù)地物對可見光沒有透射能力 紅外線只對具有半導(dǎo)體特性的地物 才有一定的透射能力 微波對地物具有明顯的透射能力 其透射深度由入射微波的波長決定 水體對可見光波段的電磁波透射能力較強(qiáng) 6三種遙感模式 依據(jù)傳感器探測能量的波長和研究需要 一般有三種基本的遙感模式 可見光 近紅外遙感熱紅外遙感主動遙感 傳感器記錄地球表面反射太陽輻射的能量 此類遙感主要集中在可見光和近紅外波段 傳感器記錄地表自身所發(fā)射的輻射能量 此類遙感主要集中在熱紅外波段 傳感器自身發(fā)射出能量 然后探測并記錄地表對該能量的反射