1、 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系本章提要 2.1 電磁波與電磁波譜2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響2.3 地球的輻射與地物波譜第二章第二章 電磁輻射與地物光譜特征電磁輻射與地物光譜特征本章主要介紹遙感的物理基礎，包括電磁波特性、太陽輻射、大氣對太陽輻射的影響、地物反射波譜特征與測量。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.1 電磁波與電磁波譜2.1.1 電磁波2.1.2 電磁波譜2.1.3 遙感應用電磁波段2.1.4 黑體輻射 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.1.1 電磁波 波：振動的傳播成為波。 電磁波：電磁振動的傳播。 描述電磁波

2、特性的指標：波長、頻率、振幅等。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.1.1 電磁波l電磁波的特性 電磁波是橫波； 在真空中以光速傳播，速度為3108 m/s； 在傳播過程中伴有反射、折射、吸收、透射和散射等現象。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系電磁波譜示圖電磁波譜示圖 2.1.2 電磁波譜電磁波譜：按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減依次排列制成的圖表叫電磁波譜。該波譜以頻率從高到低排列，可劃分為射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波。在遙感中較多使用的是可見光、紅外和微波波段。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系

3、池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系遙感應用各電磁波波長遙感應用各電磁波波長2.1.3 遙感應用電磁波段 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.1.3 遙感應用電磁波段互補光：如果某兩種相對應顏色的光按一定比例混合，可以成為白光，那么這兩種色光就稱為互補色光。色環圖中直徑兩端的顏色為互補色。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l 紫外線波長范圍為0.01-0.4m。太陽輻射含有紫外線，通過大氣層時，波長短于0.3m的能量幾乎都被吸收，只有0.3-0.4m波長到達地面。紫外線強烈作用于皮膚時，皮膚上出現紅斑、癢、水皰、水腫、眼痛等，使皮膚老化產生皺紋

4、、斑點，嚴重的還可引起皮膚癌。只要不接收過量的紫外線，對人體是有益無害的，還可以幫助身體促進鈣的吸收，在日常生活中對滅蟲殺菌有一定的作用。2.1.3 遙感應用電磁波段 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.1.3 遙感應用電磁波段 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系波長范圍從0.38-0.76m。它由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫色光組成。人眼對可見光有敏銳的感覺，不僅對可見光的全色光，而且對不同波段的單色光，也都具有敏銳的分辨能力，其中對0.55 m最敏感，所以可見光是作為鑒別物質特征的主要波段。2.1.3 遙感應用電磁波段l 可見光 池州學院池州學院 資源環境與

5、旅游系資源環境與旅游系2.1.3 遙感應用電磁波段 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系波長范圍為0.761000m ，分為： 近紅外（0.76-3.0m ） 中紅外（3.0-6.0m ） 遠紅外（6.0-15.0m ） 超遠紅外（15-1000m ）近紅外在性質上與可見光相似，所以又稱為光紅外。中紅外、遠紅外和超遠紅外是產生熱感的原因，所以又稱為熱紅外。 應用實例：紅外線夜視儀，監控設備，賓館的房門卡，汽車、電視機的遙控器、洗手池的紅外感應，飯店門前的感應門等。2.1.3 遙感應用電磁波段l 紅外線 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系微波的波長范圍1mm-lm。

6、微波遙感是借助微波散射現象來探測地物的性質。穿透性好，基本不受云霧影響。l微波2.1.3 遙感應用電磁波段微波遙感特性：能全天候、全天時工作；對某些地物具有特殊的波譜特征；對冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力；對海洋遙感具有特殊意義；分辨率較低，但特征明顯。這一特性可以用來探測隱藏在林下的地形、地質構造、軍事目標以及埋藏在地下的工程、礦藏、地下水等。微波對于海水特別敏感，其波長很適合于海面動態情況（海面風、海浪等）的觀測。主要是由于其波長較長，衍射現象顯著的緣故。對干沙可以穿透幾十米，對冰層能穿透100m左右 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.1.3 遙感應用電磁波段雷達

7、是有源傳感器（自己提供照射）并不依賴于日光。在汶川地震遙感監測中，高分辨率SAR發揮了重要作用。在5月13日至5月15日，災區一直是陰雨天，光學遙感（衛星和航空）都無法得到圖像，通訊也基本中斷，5月13日日本方面ALOS PALSAR首先獲得ScanSAR模式的圖像，但是分辨率為100m，無法應用；意大利的COSMO SkyMed首先得到都江堰3m和1m分辨率的SAR圖像；5月14日我國的遙感1號得到分辨率為5m的災區SAR圖像。在2008春節期間我國南方地區的冰雪災害過程中，在歷次洪澇災害過程中，在我國南方地區農作物生長的關鍵時刻，經常是陰云密布，或大雨滂沱，只有SAR能夠工作得到遙感圖像。

8、 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l 絕對黑體（black body）如果一個物體對于任何波長的電磁輻射都全部吸收，即吸收率=1，則這種物體稱為絕對黑體，或簡稱黑體。一般物體收到輻射時，對輻射能量總是有吸收、反射。吸收部分占總能量的份額稱為吸收率，其值在0-1之間。黑顏色的物體吸收能力大于白顏色的物體，吸收系數也比較大。如黑色的煤煙，其吸收系數接近99%，被認為是最接近絕對黑體的自然物質。恒星和太陽的輻射也被看做是接近黑體輻射的輻射源。但實際上自然界并不存在絕對黑體。 2.1.4 黑體輻射 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響2

9、.2.1 太陽輻射2.2.2 大氣吸收2.2.3 大氣散射2.2.4 大氣窗口 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l 太陽是被動遙感最主要的輻射源。2.2.1 太陽輻射0太陽光譜曲線 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l 從太陽光譜曲線可看出： 到達地面的太陽輻射包括近紫外、可見光和紅外； 太陽輻射的光譜是連續光譜； 太陽輻射的能量主要集中在可見光； 最大輻射強度位于波長0.47m左右； 經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。2.2.1 太陽輻射 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l 太陽常數：指不受大氣影響，在距太陽一個天

10、文單位內，垂直于太陽光輻射方向上，單位面積單位時間黑體所接收的太陽輻射能量。I = 1.360 103 W/m2根據日地距離計算出太陽的總輻射通量為： = 太陽常數* 4r2 =3.826 1026W 2.2.1 太陽輻射 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.1 太陽輻射 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系1、大氣垂直結構 對流層 平流層 電離層 外大氣層2.2.2 大氣吸收散逸層散逸層熱熱層層中間層中間層 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系為大氣的底層，對流層中空氣作

11、垂直運動而形成對流，熱量的傳遞產生天氣現象。其高度在712km，溫度隨高度的增加而降低，高度每增加1km，溫度下降6，氣象變化強，是現代航空遙感主要活動的區域。在對流層內，由于大氣層的吸收作用，使電磁波傳播受到衰減。l對流層對流層2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系其高度在1280km，層內氣流比較穩定，沒有明顯對流，幾乎沒有天氣現象。在25km以下氣溫一般保持恒溫約為-55C，25-80km以上氣溫隨高度遞增（臭氧吸收了太陽紫外光），平流層的上部又稱中間層，中間層內溫度隨高度增加而遞減。l平流層平流層2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系

12、資源環境與旅游系其高度在801000km，大氣十分稀薄，下部稱為熱層，上部稱為散逸層。大氣中的O2、N2受紫外線照射處于電離狀態，熱層的空氣分子和粒子直接吸收太陽輻射能量，使氣溫升高，溫度隨高度增加而遞增。對可見光、紅外直至微波的影響較小，是人造地球衛星繞地球運行的主要空間層。l電離層電離層2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系該位于離地面1000km高度以上直至幾萬公里，該層空氣極為稀薄，該層對衛星運行基本上沒有影響。800km以上高度的空氣極為稀薄，已對遙感產生不了影響，因此真正對太陽輻射影響最大的是對流層和平流層。l外大氣層外大氣層2.2.2 大氣吸收

13、池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2、大氣成分2.2.2 大氣吸收大氣主要成分為分子和懸浮微粒。分子：N2和O2占99%，其余為O3、CO2 、H2O等。懸浮微粒：煙、塵埃、霧霾、水滴及氣溶膠。氣溶膠是一種固體、液體的懸浮物，有固體的核心，如塵埃，花粉，微生物，海水的鹽粒等，在核心外包有液體。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系3、大氣對輻射的吸收作用太陽輻射在通過大氣層時，約有30被云層和其它大氣成分反射回宇宙空間，17被大氣吸收，22被大氣散射，僅有31的太陽輻射直射到地面。其中，大氣層

14、中H2O、O2、CO2、O3對太陽輻射產生選擇性吸收，由于各種氣體對太陽輻射波長吸收特性不同，使有些波段范圍通過大氣層到達地面，而另一些波段則全部被吸收不能到達地面。2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l 水（H2O）它是吸收太陽輻射能量最強的介質。從可見光、紅外直至微波波段，都有水汽的吸收帶。主要有2.5-3.0m，5-7m, 0.94m, 1.13m, 1.38m,3.24m及24m以上對微波的強吸收帶。2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l 氧（

15、O2）對太陽輻射能量吸收很強。在0.2-0.32m附近有很強的吸收帶，此外0.6m和9.6m的吸收也很強。在波長0.155m處吸收最強。在低層大氣內幾乎觀測不到小于0.2m的太陽輻射，在0.6m和0.76m附近，各有一個窄吸收帶。l臭氧（O3）2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系它的吸收主要在紅外區內，吸收峰主要是2.8m、4.3m與14.5m。它對太陽輻射也有一定的吸收作用，但吸收量很少。當有沙暴、煙霧和火山爆發等現象發生時，大氣中塵埃急劇增加，這時它的吸收作用才比較顯著。l 二氧化碳（CO2）l塵埃2.2.2 大氣吸收 池州學院池州學院 資源環境與旅游系

16、資源環境與旅游系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，成為散射。散射使原傳播方向的輻射強度減弱，而增加向其他方向的輻射，主要發生在可見光區。對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數據的質量。2.2.3 大氣散射散射現象是實質是電磁波在傳輸中遇到大氣顆粒而產生的一種衍射現象。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.3 大氣散射衍射：指電磁波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系根據波長與散射微粒大小之間的關系，大氣散射有三種情況：l 瑞利散射l 米氏散射l 無選擇性散射2.2.3 大氣散射 池州學院池州學

17、院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l 瑞利散射當大氣微粒的直徑（d）比輻射波長（）小得多時發生的散射（d） 。這種散射的特點是散射強度與波長無關，即任何波長散射強度相同。如大氣中的水滴、霧、煙、塵埃等氣溶膠對太陽輻射，常常會出現這種散射。2.2.3 大氣散射 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.4 大氣窗口1、大氣折射電磁波穿過大氣層時，除發生吸收和散射外，還會出現傳播方向的變化，即折射。大氣的折射率與大氣密度相關，密度越大折射率越大。離地面越高，空氣越稀薄，折射也越小。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.4 大氣窗口2、大氣反射太陽輻射穿過大氣

18、時，被大氣中的云層和較大塵埃將其一部分反射到宇宙空間去，從而削弱到達地面的太陽輻射，稱為大氣反射。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.4 大氣窗口3、大氣逆輻射大氣吸收地面長波輻射的同時，又以輻射的方式向地面放射能量。太陽輻射太陽輻射經過大氣的削弱作用（吸收、反射、散射），到達地面，轉為地面輻射地面輻射，地面輻射返還給大氣，轉為大氣輻射大氣輻射，大氣輻射一部分射向宇宙空間，另一部分返還給地面，稱為大氣逆輻射大氣逆輻射。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.4 大氣窗口4、大氣窗口大氣層的反射、吸收和散射作用，削弱了太陽輻射的能量。剩余部分即為透過的

19、部分。通常把太陽輻射通過大氣層時，較少被反射、吸收和散射的，透射率較高的波段稱為大氣窗口。大氣窗口的光譜波段主要有： 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.2.4 大氣窗口大氣窗口波段透射率/%應用舉例紫外、可見光、近紅外0.31.3 m90TM1-4、SPOT的HRV近、中紅外1.51.8 m2.03.5 m80TM5、TM7中紅外3.55.5 mNOAA的AVHRR遠紅外814 m6070TM6微波0.82.5cm100Radarsat 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系地物的光譜特性是遙感技術的重要理論依據，它既為傳感器工作波段的選擇提供依據，又是遙感數據

20、正確分析和判讀的理論基礎，同時也可作為利用計算機進行數字圖像處理和分類時的參考標準。2.3.1 地物反射光譜特征2.3.2 常見地物的光譜曲線2.3.3 常見地物的光譜曲線比較2.3 地球的輻射與地物波譜 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系輻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，還有一部分透射穿過地物。根據能量守恒定律可得：到達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，特別是0. 450. 56m的藍綠光波段。一般水體的透射深度可達1020m，渾濁水體則為12m，

21、清澈水體可達100m的深度。2.3.1 地物反射光譜特征 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系不同地物對入射光的反射能力是不一樣的，通常采用反射率（或反射系數）來表示。反射率等于地物的反射能量與入射總能量的比值，通常用百分數表示。=P/P0*100%1、地物反射率2.3.1 地物反射光譜特征地物在不同波段的反射率是不同的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系根據物體的表面狀況，將反射分為三種：鏡面反射、漫反射和實際物體反射。2、物體的反射2.3.1 地物反射光譜特征 鏡面反射：即物體的反射面是光滑的，如鏡子，平靜的水面

22、等。 漫反射：是投射在粗糙表面上的光向各個方向反射的現象。 實際地物反射：介于鏡面和漫反射面之間的反射。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系地物的反射波譜指地物反射率隨波長的變化規律。地物反射率與入射光波長密切相關，這種函數關系稱之為地物反射光譜特征，可用曲線表示，稱為地物反射光譜曲線。地物反射波譜曲線除隨不同地物不同外，同種地物在不同內部結構和外部條件下形態表現也不同。3、地物反射光譜特征2.3.1 地物反射光譜特征 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l植物的光譜曲線2.3.2 常見地物的光譜曲線 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l土壤的光譜

23、曲線2.3.2 常見地物的光譜曲線土質越細反射率土質越細反射率越高，有機質含越高，有機質含量越高和含水量量越高和含水量越高反射率越低。越高反射率越低。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l水體的光譜曲線2.3.2 常見地物的光譜曲線整體反射率非常低，藍整體反射率非常低，藍綠光波段相對較高，其綠光波段相對較高，其他波段吸收都很強，特他波段吸收都很強，特別到了近紅外波段幾乎別到了近紅外波段幾乎為零。因此，在遙感影為零。因此，在遙感影像上，水體呈黑色。像上，水體呈黑色。 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系l巖石的光譜曲線2.3.2 常見地物的光譜曲線 池州學院池州學院

24、 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.3.3 常見地物的光譜曲線比較 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.3.3 常見地物的光譜曲線比較 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.3.3 常見地物的光譜曲線比較 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2.3.3 常見地物的光譜曲線比較水等地物表面溫度的晝夜變化水等地物表面溫度的晝夜變化 池州學院池州學院 資源環境與旅游系資源環境與旅游系2、晴朗的天空呈現蔚藍色，是由于太陽光穿過、晴朗的天空呈現蔚藍色，是由于太陽光穿過大氣層時（大氣層時（ ）A. 直接到達地面的藍光比重大 B. 空氣分子使藍光發生散射作用C. 高層大氣分子大量吸收藍色光 D. 到達地面的藍色光又完全被