电磁辐射与地物光谱特征

岩浆岩的发射率
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
三． 地球的辐射与地物波谱
3. 地物反射波谱特征
概述
到达地表面的太阳辐射能量
=反射能量+吸收能量+透射能量
黑色物体对太阳光的吸收能力较强 绝大多数物体对可见光不具备透射能力 水体对0.45-0.56m的蓝绿光波段有较强的透射能 力：一般水体10-20m；混浊水体1-2m；清澈水体 100m
华北地区几种侵入岩的反射波谱曲线
斯忒藩-玻尔兹曼定律
M= M=
∫ Mλ (λ)dλ
0
∞
∫
∞
2 hc2 π
0
M = ρT 4
λ
5
1 e
hc/ λkT
1
dλ
σ：斯忒藩-玻尔兹曼常数， σ =5.67×10-8Wm-2K-4
维恩位移定律
λmaxT = b
b为常数,b =2.898×10-3mK
绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系
遥感大气窗口
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
一．电磁波谱与电磁辐射 二．太阳辐射及大气对辐射的影响 三．地球的辐射与地物波谱
1. 2. 3. 4. 太阳辐射与地表的相互作用 地表自身热辐射 地物反射波谱特征 地物波谱特性的测量
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
三．地球的辐射与地物波谱
1. 太阳辐射与地表的相互作用
不同植被反射波谱曲线的比较
植被病虫害对其反射波谱曲线的影响
水分含量对玉米叶子反射率的影响
土壤的反射波谱曲线
土质越细反射率越高 有机质含量越高反射率越低 含水量越高反射率越低 因土类和肥力状况的不同而不同 不同波谱段的遥感影像上区别不明显
不同土壤的反射波谱曲线
土壤湿度对反射率的影响
水体的反射波谱曲线
几种反射类型的对比
实际物体反射
多数实际物体的反射处于镜面反射与漫反射中间， 即属于方向反射。 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。 入射辅照度相同时，反射辐射亮度的大小即与入 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。 从空间对地面观察时，对于平坦地区，并且物体 均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地 面结构复杂的地区，为方向反射。
可根据维恩-位移定律计算不同温度绝对黑体的最大辐射所 对应的波长长度。 自然界一般物体不是黑体,但在某一确定温度T时,物体最强 辐射所对应的波长也可以用维恩位移公式进行近似计算。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
3. 黑体辐射
绝对黑体 黑体辐射规律 实际物体的辐射
地物的发射率 基尔霍夫定律
地物的发射率
水体的反射主要在蓝绿波段,其他波段吸收 很强，特别是在近红外波段更强。 水中含泥沙时，由于泥沙的散射，可见光 波段的反射率增加，峰值出现在黄红区。 水中含叶绿素时，近红外波段明显被抬升。
水的混浊度对其反射波谱曲线的影响
不同叶绿素浓度的海水反射波谱曲线
岩石的反射波谱曲线
矿物成分 矿物含量 风化程度 含水量 颗粒大小 表面光滑度 色泽
电磁波的分类及其在遥感中的应用
电磁波分类 Υ射线 [小于10-6m] x 射线[10-6-10-3] 紫外线[0.01-0.38m] 紫[0.38-0.43m] 蓝[0.43-0.47m] 可见光 [0.38-0.76m] 青[0.47-0.50m] 绿[0.50-0.56m] 黄[0.56-0.60m] 橙[0.60-0.63m] 红[0.63-0.76m] 近红外[0.76-3.0m] 红外线 [0.76-1000m] 中红外[3.0-6.0m] 远红外[6.0-15.0m] 超远红外[15.0-1000m] 毫米波[1-10mm] 微波 无线电波 厘米波[1-10cm] 分米波[1-10dm] 1mm-1m 0.76-14m 热红外 光红外 0.38- 0.76m 0.3-0.38m 萤石和石油有强反射 可用波谱段 说明
植被的反射波谱曲线
共性
可见光波段形成绿反射峰（0.55m）及其两侧的蓝 （0.45 m ）、红（0.67 m ）两个吸收带 近红外0.74-1.3 m处形成高反射区 近红外1.35-2.5 m处形成分别以1.45 m、1.95 m和 2.7 m为中心的三个水吸收带
差异性
种类 季节 病虫害 含水量
绿色植物主要波谱响应特征
结合发射率的定义，可进一步推导出ε=α，即 地物的发射率等于吸收率。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二．太阳辐射及大气对辐射的影响
1. 太阳辐射
太阳常数：是指不受大气影响，在距太阳一个天文单位 内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积、单位时间黑 体所接受的太阳辐射能量。 太阳光谱：太阳的光谱通常指光球产生的光谱，光球发 射的能量集中在可见光波段。
漫反射
整个表面都均匀地反射入射光称为漫反射。反射 波方向与入射波方向无关，且从任何角度观察 反 射面，其反射辐射亮度为一常数时。 漫反射的反射面称为朗伯面。 当入射照度一定时，从任何角度观察反射面，其 反射亮度是一个常数，这种反射面称朗伯面。
方向反射
介于漫反射和镜面反射之间。 在各个方向都有反射，但其反射亮度不是 常数，而在某一个方向上的反射比其它方 向强。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二． 太阳辐射及大气对辐射的影响
4. 大气散射
米氏散射
当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。 散射强度与波长的二次方成反比。 具有明显的方向性。 主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。 对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外波段都有影响，当进 入红外波段后米氏散射的影响超过瑞利散射。
太阳辐射各波段的百分比
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二．太阳辐射及大气对辐射的影响
2. 大气层次与成分
大气层次 对流层 平流层 电离层 外大气层 大气成分 分子：N2和O2，约占99%；其余1%则是O3、CO2、 H2O、N2O、CH4、NH3 其他微粒：烟、尘埃、雾霾、小水滴、气溶胶
大 气 垂 直 分 层
方向反射因子
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
三． 地球的辐射与地物波谱
3. 地物反射波谱特征
概述 反射率与反射波谱 地物反射波谱曲线
概念 植被 土壤 水体 岩石
反射波谱曲线
反射波谱：地物的反射波谱指地物反射率 随波长的变化规律。 反射波谱曲线：以二维直角坐标系表示反 射波谱的曲线，横坐标表示波长，纵坐标 表示反射率。 不同地物的反射曲线不同以外，同种地物 在不同情况下其反射波谱曲线也是不同。
地物的发射率与地物的性质、表面状况（如粗糙度、颜色） 有关，且是温度和波长的函数。 依据发射率与波长的关系，将地物分为三种类型：黑体、灰 体、选择性发射体。
基尔霍夫定律
在任一给定温度下，辐射通量密度（M）与吸收 率（α）之比对任何材料都是一个常数，并等于 该温度下黑体的辐射通量密度（M黑）。
M
α
= M黑
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二． 太阳辐射及大气对辐射的影响
4. 大气散射
无选择性散射
当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射。 符合条件的波段中，任何波长的散射强度相同。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二． 太阳辐射及大气对辐射的影响
5. 大气折射
电磁波穿过大气层时，还出现传播方向的改变，即发生折射。 大气密度越小折射率越小，离地面越高空气密度越小，折射率 也越小。
自然界中黑体辐射是不存在，一般地物辐射能量总要比黑 体辐射能量小。如果利用黑体辐射有关公式，则需要增加 一个因子，那就是发射率（比辐射率）。 发射率ε是指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的 辐射总通量）M与同温度的黑体辐射出射度（即黑体单位面 积发出的辐射总通量）M黑的比值。
ε
M = M黑
地物的发射率（续）
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
一．电磁波谱与电磁辐射
2. 电磁辐射的度量
辐射源 辐射测量 辐射能量（W） 辐射通量（Φ=dW/dt） 辐射通量密度（E=dΦ/ds） 辐照度（I=dΦ/ds） 辐射出射度（M=dΦ/ds）
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
辐射亮度：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。
Φ L= ( Acosθ )
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
3. 黑体辐射
绝对黑体
对于任何波长的电磁波都全部吸收。 恒星和太阳的辐射接近黑体辐射。
黑体辐射规律
普朗克公式 斯忒藩-玻尔兹曼定律 维恩位移定律
普郎克公式
Mλ (λ,T) = 2πhc2
λ
5
1 ehc/ λkT 1
c：真空中的光速 k：玻尔兹曼常数， K=1.38×10-23J/K h:普朗克常数,h=6.63×10-34Js Mλ(λ,T):辐射出射度
太阳辐射近似于温度为6000K的黑体辐射，最大 辐射对应波长为为0.48m。 地球辐射近似于温度为300K的黑体辐射,最大辐 射对应波长为9.66 m。
太阳与地表辐射的电磁波谱
地球辐射的分段特性
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
三． 地球的辐射与地物波谱
2. 地表自身热辐射
M = εM0
M(λ,T) = ε (λ,T) M0 (λ,T)
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
三． 地球的辐射与地物波谱
3. 地物反射波谱特征
概述 反射率与反射波谱
反射率 ① 物体反射的辐射能量占总入射能量的百分比。
ρ=
②
P ρ P 0
×100%
反射率取决于物体本身的性质（表面状况）、电磁波的 波长、入射角度等
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
三． 地球的辐射与地物波谱
遥感概论
任课教师：巴雅尔
yaogan@126.com
课程性质：专业必修 授课学时：68学时
内蒙古师范大学地理科学学院
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
一．电磁波谱与电磁辐射
1. 电磁波谱
波：振动的传播 电磁波：电磁振动的传播 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，则构成电磁波谱。 电磁波性质 横波 在真空以光速传播 波粒二象性
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二． 太阳辐射及大气对辐射的影响
6. 大气反射
反射现象主要发生在云层顶部。 应尽量选择无云的天气接收遥感信号。
7.
大气窗口
概念：通常电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的， 投射率较高的波段。 主要波谱段
遥感大气窗口
0.3-1.3m，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段， 也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫星的TM的1-4 波段，SPOT卫星的HRV波段等。 1.5-1.8m，2.0-3.5m，即近、短波、中红外波段，在白天日照条件好的时 候扫描成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、 雪或用于地质制图等。 3.5-5.5m，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射 光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。如NOAA卫星的 AVHRR传感器用3.55-3.93m探测海面温度，获得昼夜云图。 8-14m，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量 探测目标的地物温度。 0.8-2.5cm至更长, 即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全 天候工作。而且工作方式为主动遥感。其常用的波段为0.8cm，3cm，5cm， 10cm等等, 有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm波段。
3. 地物反射波谱特征
概述 反射率与反射波谱
反射率 反射类型 ① 镜面反射 ② 漫反射 ③ 方向反射 实际物体反射
镜面反射
光射到任何物体的表 面上都会反射。平滑 的表面，如镜面、刨 光的金属表面、平静Βιβλιοθήκη Baidu的水面等，能使平行 的入射光线反射后仍 是平行光线。这种反 射叫做镜面反射 镜面反射。 镜面反射
对反射辐射成分的改变 改变传感器所接受的电磁波信息
大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二． 太阳辐射及大气对辐射的影响
4. 大气散射
瑞利散射
当大气中粒子的直径比波长小得多时发生。 散射强度与波长的四次方成反比，即波长越长，散射越弱。 主要发生在可见光和近红外波段。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二． 太阳辐射及大气对辐射的影响
3. 大气吸收：太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太 阳辐射产生选择性的吸收，即把部分太阳辐射能转换为本身 内能，使温度升高。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二． 太阳辐射及大气对辐射的影响
4. 大气散射
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。 散射对遥感数据的影响