电磁辐射与地物光谱特性

为什么微波的穿透能力强？
太阳的电磁波辐射包括了各个波段，因此在大气状况 相同的情况下，同时会出现各种类型的散射。 大气分子，原子引起的瑞利散射发生在可见光和近红 外波段。 大气微粒引起的米氏散射对近紫外和红外波段均匀影 响。 大气云层中的小水滴对可见光有非选择性散射发生。 对于微波波段而言，波长比小水滴大得多，属于瑞利 散射类型，散射强度与波长四次方成反比，波长越长， 散射强度越小，所以微波具有最小的散射，穿透力强。
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§6 微波与地物的作用

在电磁波谱中，波长在1mm～1m范围的波称微波。 微波遥感特性：
能全天候、全天时工作(…)； 对某些地物具有特殊的波谱特征； 对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力 (…)； 由于微波的波长较长，因而散射相对较小， 在大气中衰减少，对云层、雨区的穿透能力较强， 对海洋遥感具有特殊意义 (…)； 基本不受烟、云、雨的限制。对于热带雨林地区 这一特性可以用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事 分辨率较低，但特征明显 (…)。
气体分子：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 悬浮微粒：烟，尘埃，小水滴，气溶胶…
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大气的吸收作用
大气的吸收作用： 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收， 形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。
O2吸收带 O3吸收带 H2O吸收带 <0.2μm，0.155 μm最强 0.2～0.32 μm，0.6 μm 2.5～3.0 μm , 0.95～2.85 μm，5～ 7μm,24μm以上 1.35～2.85 μm, 2.7 μm,4.3 μm,14.5 μm 吸收量很小，不起主导作用
§2 太阳辐射
在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。
太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光， 太阳常数：不受大气影响，在距离太阳一个天文单
位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时 间内黑体接受的太阳辐射能量。
太阳光谱：太阳光球产生的光谱。
§2 太阳辐射
从太阳光谱曲线可以看出(…)：
§1 遥感的电磁波原理
电磁波谱
按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表 叫电磁波谱。 依次为： γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外 线—微波—无线电波。 电磁波谱示图
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电磁波谱
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遥感应用的电磁波波谱段

紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只 有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但 探测高度在2000 m以下。 可见光：波长范围为0.38～0.76μm，人眼对可见光有 敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。 红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近 红外、中红外、远红外和超远红外。 微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾的 影响。 无线电波：波长范围10-3m～ 105m之间，主要用于广播、 通信等方面。 返回 下一节 本节结束
第二章 遥感原理
本章提要(…) §1 遥感的电磁波原理 本章主要介绍遥 感的物理基础，包 § 2 太阳辐射 括地物的电磁波特 性、太阳辐射、大 §3 太阳辐射与大气的作用 气对太阳辐射的影 §4 太阳辐射与地物的作用 响、大气窗口的概 念、地物反射太阳 §5 地物的热辐射 光谱的特性、地物 §6 微波与地物的作用 的热辐射、地物与 微波的作用机理。 §7 各典型地物的光谱曲线
§3 太阳辐射与大气的作用
一、大气结构 二、大气成分
三、大气吸收作用
四、大气散射作用
五、大气窗口
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§4 太阳辐射与地物的作用
太阳辐射与地表的相互作用(…) 地物的反射率 (…) 太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部 分散射，一部分透射，即： 反射率（ ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比， 漫反射 (…) 太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋散射能量 +透射能 即 量 ρ=(Pρ/ P 0)×100%。 不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是 镜面反射 (…) 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。 地物在不同波段的反射率是不同的。
§7 各典型地物的光谱曲线
植被光谱曲线 土壤光谱曲线 水体光谱曲线 岩石光谱曲线 常见地物比较光谱曲线
本节结束
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红外线的划分
近红外：0.76～3.0 µm，与可见光相似。 中红外：3.0～6.0 µm，地面常温下的辐射 波长，有热感，又叫热红外。 远红外：6.0～15.0 µm，地面常温下的辐射 波长，有热感，又叫热红外。 超远红外：15.0～1 000 µm，多被大气吸收， 遥感探测器一般无法探测。
BAห้องสมุดไป่ตู้K
CO2吸收带
尘埃
大气的散射作用
大气散射：太阳辐射在传播过程中，遇到大气
中的小微粒而使其改变传播方向，并向各个方向 散开，称为散射。
大气散射减弱了原传播方向上的辐射强度，而增加了 其它方向上的辐射强度。
实质：电磁波在传播过程中遇到大气微粒而产生
的一种衍射现象。
大气的散射作用
不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成 图像模糊不清。 散射主要发生在可见光区。 研究发现，根据对大气中微粒的直径与辐射波长比较， 把大气发生的散射分为三种： 瑞利散射：d <<λ 米氏散射：d ≈λ 非选择性散射：d >>λ
大气窗口
大气折射
折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大。 折射只改变太阳辐射的方向，不改变强度。
大气反射
大气反射主要发生在两种介质的交界面（云层顶 部），也取决于云量和各波段的影响。
大气窗口
概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各
波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。 我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。
大气窗口
波段
透射率/%
应用举例 TM1-4、SPOT的 HRV TM5 TM7 NOAA的AVHRR TM6 Radarsat
紫外可见光 0.3～1.3 μm 近红外 近红外 近-中红外 中红外 远红外 微波 1.5～1.8 μm 2.0～3.5 μm 3.5～5.5 μm 8～14 μm 0.8～2.5cm
§1 遥感的电磁波原理
电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。 描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅等。 电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为3×108 m/s，不需要 媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、折射、 吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。
To be continued…
电磁波传播示意图
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地物波谱特征
在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物
发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后， 物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。电磁辐射未 被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即： 到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量 一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物 体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对0. 45 ~ 0. 56μm的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达10~20 m，清澈 水体可达100 m的深度。 对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5 cm的电磁波却有 透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土 壤。
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太阳辐射（1）
地面太阳辐射
P34, 图 2.20
太阳光谱辐照度
大气上界太阳辐照度 海平面太阳辐照度
波长(nm)
To be
太阳辐射（2）
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大气结构
从地面到大气上界，大气的结构分层为：
对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，
航空遥感主要在该层内。 等温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。
更有意义。 目标以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。 微波对于海水特别敏感，其波长很适合于海 电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波 振幅减少 1/e倍（37%）的穿透深度定义为趋肤深度H: 面动态情况（海面风、海浪等）的观测。 微波传感器的波长分辨率比较低，是由于其 H=(5.3×10-3ε1/2)/δ 本节结束 波长较长，衍射现象显著的缘故。同时，观察精 式中：ε为地物的介电常数；δ为地物的导电率。 返回 下一节 度和取样速度往往不能协调。
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植物的光谱曲线
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土壤的光谱曲线
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水体的光谱曲线
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岩石的光谱曲线
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常见地物的光谱曲线比较
To be
常见地物的光谱曲线比较
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一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反射的 一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力， 能量大小不同。 物体的反射满足反射定律，入射角等于反射角。只有 反射率是可以测定的。 而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强， 在反射波射出的方向才能探测到电磁波，水面是近似的镜 特别是 0. 45~0. 56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度 反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。 面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这 可达10～20 m，清澈水体可达100 m的深度。 个原因造成的。 地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。 地表吸收太阳辐射后具有约 300 K的温度，从而形成自身 的热辐射，其峰值波长为9.66 μm，主要集中在长波，即 返回 下一节 6μm以上的热红外区段。
§5 地物的热辐射
温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。 地物的反射率随波长变化的曲线叫反射光谱曲线。