第二章_电磁辐射与地物光谱特征

二、电磁波谱
按电磁波波长的长短（或频率的大小）， 依次排列制成的图表称电磁波谱。
三、遥感应用电磁波段
紫外线、可见光、红外线、微波
遥感应用各电磁波波长
紫外线
波长范围为0.01-0.4μm。太阳辐射含有紫外线， 通过大气层时，波长短于 0.3μm的能量几乎都被 吸收，只有0.3- 0.4μm波长到达地面。 主要用于测定碳酸盐岩分布，碳酸盐岩对紫外线 的反射比其它类型的岩石要强。另外，紫外线对 水面飘浮的油膜比周围的水面反射强烈，因此可 以用于油污染的监测。
黑体：
绝对黑体，指能够将外来辐射能量全部吸收的物体。
发射率：地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同 面积黑体发射能量M黑之比值。即：ε=M/M黑
反射率：地物的反射能量与入射总能量之比。
透射率：地物的透射度与其表面的辐照度之比。 吸收率：地物的吸收度与其表面的辐照度之比。
一、热辐射基本定律
1.3-2.5μm：
近红外波段的中段。仍属于地物反射光谱，但不 能用胶片摄影，仅能用光谱仪和扫描仪来记录地 物的电磁波信息。透射率都接近80％。
目前近红外窗口应用不多，但在某些波段对区分 蚀变岩石有较好的效果，因此在遥感地质应用方 面很有潜力。TM设有1.55-1.75μm和2.082.35μm两个波段。
2）大气的散射作用
大气散射集中于可见光区，是太阳辐射能衰减的 主要原因。散射的强弱可用散射系数表示：
ϕ为波长的指数，它由微粒直径（d）的大小决定。
根据波长与散射微粒的大小之间的关系，散射可 分为三种：
瑞利散射
当大气微粒的直径（d）比辐射波长（λ）小得多 时，即：当d＜λ/10时，ϕ＝4，发生的散射称瑞 利散射。
任何地物当温度高于绝对温度0K时，就存在着分子运 动，不断地向外发射电磁波。实际上，世界上任何物体的 温度都高于0K（0K=273.15℃）。所以，任何物体都有热 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。 物体根据吸收率的大小分为：黑体、灰体、选择性辐射体。 黑体：其ελ＝ε=1，不随波长变化。 灰体：其ελ ＝ε=常数＜1(因而吸收率α＜1，ε不随波 长变化。 选择性辐射体：其ελ随波长而变化，而且ελ ＜1（因 而吸收率a也随波长变化，并且a＜1。
一、 地物的反射光谱特征
二、 地物的发射光谱特征
一、地物反射光谱特征
辐射能量入射到任何地物表面上，一部分被反射； 一部分被吸收，还有一部分透射穿过地物。根据 能量守恒定律可得：
Pλ=Pρ+Pα+Pτ
Pλ总能量；Pρ反射能量；Pα吸收能量；Pτ透射能量。
除以Pλ，则有：
ρ+α+τ=1
ρ、α、τ分别为反射率、吸收率、透射率
二、大气层对电磁辐射的影响
1 大气层结构
在垂直方向上分： 对流层 平流层 电离层 大气外层
对流层
为大气的底层，顶部平均位于12km 。高度每 增加1km ，温度下降6.5 K ，气象变化强，是 现代航空遥感主要活动的区域。 在对流层内，由于大气层的吸收作用，使电 磁波传播受到衰减。
平流层
平流层顶部平均高度80km，层内气流比较稳定，
0.8-25cm：
微波窗口，属于发射光谱范围。不受大气干扰， 透射率可达100％，是全天候的遥感波段。
2.3 地物光谱特征
地物的光谱特性是遥感技术的重要理论依据，它 既为传感器工作波段的选择提供依据，又是遥感 数据正确分析和判读的理论基础，同时也可作为 利用计算机进行数字图像处理和分类时的参考标 准。
可见光
波长范围从0.38-0.76μm。它由红、橙、黄、绿、 青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光有敏锐的感 觉，不仅对可见光的全色光，而且对不同波段的 单色光，也都具有敏锐的分辨能力，所以可见光 是作为鉴别物质特征的主要波段。
在遥感技术中是以光学摄影方式和扫描方式接收 和记录地物对可见光的反射特征。
臭氧（O3）：
对太阳辐射能量吸收很强。 在0.2-0.36μm 和 0.6μm附近有两个吸收带，臭氧主要分布在30km 高度附近，因而对高度小于10km的航空遥感影响 不大，而对航天遥感则有影响。
水（H2O）：
它是吸收太阳辐射能量最强的介质。从可见光、红 外直至微波波段，都有水汽的吸收带。主要吸收带 是处于红外线和可见光中的红光波段内，其中红外 部分吸收最强。在0.5-0.9μm有四个窄吸收带，在 0.95-2.85μm有5个宽吸收此外，在6.25μm附近有 一个强吸收带。
3.5-4.2μm：
中红外波段。包括地物反射光谱、发射光谱，属 于混合光谱范围。中红外窗口应用很少，目前多 用于航空多光谱扫描方式成象。
8-14μm：
远红外波段，热辐射光谱。透射率约为60—70％。 是地物在常温下热辐射能量最集中的波段，在遥 感地质、环境遥感中应用较多。利用扫描仪和热 辐射计来获得地物发射的电磁波信息。
二氧化碳（CO2）：
它的吸收作用主要在红外区内。在1.35-2.85μm有3 个宽弱吸收带。另外在2.7μm、4.3μm与14.5μm为 强吸收带。由于太阳辐射在红外区能量很少，这一 吸收带可忽略不计。
尘埃：
它对太阳辐射也有一定的吸收作用，但吸收量很少。 当有沙暴、烟雾和火山爆发等现象发生时，大气中 尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较显著。
非选择性散射
当微粒的直径比波长大得多时，即d＞λ，ϕ＝0， γ＝1，所发生的散射称为非选择性散射。 这种散射与波长无关，即任何波长散射强度相同。 如大气中的水滴、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳 辐射，常常会出现这种散射。 云或雾之所以看起来是白色，是因为它对各种波 长的电磁波的散射是一样的。
三、大气窗口
γ∞1/λ4
可见光对瑞利散射的影响较大。 常见雨过天睛后，晴朗天空呈碧蓝色，大气中的粗 粒物质被雨水带走，大气中的气体分子粒径较小， 把波长较短的蓝光散射到天空中的缘故。
米氏散射
当大气中微粒的直径与辐射波长相近时，即d≈λ， ϕ=2 ，发生的散射称为米氏散射。 γ=1/λ2 它是由大气中气溶胶所引起的散射。云雾等悬浮 粒子的大小与0.76-15μm的红外线的波长差不多， 因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。
1 地物反射率
不同地物对入射光的反射能力是不一样的，通常采用反射 率（或反射系数）来表示。反射率等于地物的反射能量与 入射的总能量的比值，通常用百分数表示。 ρ= Pρ/Pλ* 100%
2 地物反射光谱特征
地物反射率与入射光波波长密切相关，地物反射率是入射 电磁波波长的函数，这种函数关系称之为地物反射光谱特 征。可以用曲线表示，称之为地物反射光谱曲线。
植被的光谱特征
土壤光谱特征
水体光谱特征
岩石光谱特征
植物反射光谱曲线
不同地物，反射率不同。 同一物质，不同存在形态，反射率不同。 同一类地物，反射光谱曲线相似，但又存在差异。 反射率与影像色调：反射率高，色调浅。
3 影响反射率的因素
表面的粗糙程度； 表面的风化程度； 含水性； 光照度；阴坡、阳坡； 植被发育程度。
1） 大气的吸收作用 太阳辐射通过大气层时，大气层中H2O、O2、 CO2、O3对太阳辐射产生选择性吸收，由于各 种气体对太阳辐射波长吸收的特性不同，使 有些波段范围通过大气层到达地面，而另一 些波段则全部被吸收不能到达地面。因此， 造成了许多不同波段的大气吸收带。
氧（O2）：
在波长0.155μm处吸收最强。在低层大气内几乎 观测不到小于0.2μm的太阳辐射，在0.69μm 和.76μm附近，各有一个窄吸收带。
大气外层
该位于离地面1000km高度以上直至几万公里，
该层空气极为稀薄。并不断向星际空间散逸。
该层对卫星运行基本上没有影响。
2 大气成分
由气体、水蒸气和悬浮的微粒混合组成。 气体：N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4、O3。 悬浮微粒：尘埃、冰晶、盐晶、水滴等，统称为 气溶胶，形成霾、雾和云。 在80km以下的大气中，除H2、O2、O3等少数可变 气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变， 又为均匀层。在该层中大气物质与太阳辐射相互 作用，是使太阳辐射能衰减的主要原因。
红外线
波长范围为0.76—1000μm 。 分为：近红外（ 0.76-3.0 μm ）、中红外（3.06.0μm ）、远红外（6.0-15.0μm ）和超远红外 （15 -1000 μm ）。 近红外在性质上与可见光相似，所以又称为光红外。 在遥感技术中采用摄影方式和扫描方式，接收和记 录地物对太阳辐射的光红外反射。中红外、远红外 和超远红外是产生热感的原因，所以又称为热红外。
大气层的反射、吸收和散射作用，削弱了太阳辐 射的能量。把太阳辐射通过大气层时，反射、吸 收和散射比较低，即透射率高的波段范围，称为 大气窗口。
主要的大气窗口：
0.3-1.3μm：
包括部分紫外（0.3-0.38μm）、可见光（0.40.76μm）和部分近红外波段（0.76-1.3μm）， 属于地物的反射光谱。对电磁波的透射率达90%以 上。可以采用摄影方式、扫描方式成像，胶卷感 光的波谱区间在0.32-1.32μm范围，超出这个波 谱范围则不能采用摄影方式成像。
一、 太阳辐射 二、 大气层对电磁辐射的影响 三、 大气窗口
一、太阳辐射
太阳辐射是地球及大气电磁辐射的能源，也是被 动式遥感系统中主要的辐射源。 太阳表面温度约有6000 K。与5800K的理想黑体所 产生的光谱曲线很相似。 太阳辐射能主要集中在0.3--3.0μm。 最大辐射强度位于波长0.47μm左右。 太阳辐射总能量的46％集中在0.4一0.76μm间的 可见光波段。
没有垂直对流。在25km以下气温一般保持恒温约
为-55º C。在25-315km以上气温随高度递增（臭
氧吸收了太阳紫外光），在该层内电磁波的传播