第二章：電磁波與地物波譜

1、1遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜2遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜3遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)4遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)波長范圍為波長范圍為0.010.38m，太陽光譜中，太陽光譜中，只有只有0.30.38m波長的光到達(dá)地面，對(duì)油污染波長的光到達(dá)地面，對(duì)油污染敏感，但探測高度在敏感，但探測高度在2000 m以下。以下。波長范圍：波長范圍：0.380.76m，人眼對(duì)可見，人眼對(duì)可見光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。一一. .電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜5遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)波長

2、范圍為波長范圍為0.761000m，根據(jù)性質(zhì)分，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。波長范圍為波長范圍為1 mm1 m，穿透性好，不受，穿透性好，不受云霧的影響云霧的影響一一. .電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜6遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜7遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .太陽輻射太陽輻射4M8遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .太陽輻射太陽輻射9遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .太陽輻射太陽輻射m10遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .太陽輻射太陽輻射11遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .太陽輻射太陽輻射12遙遙 感感

3、技技 術(shù)術(shù)一一. .太陽輻射太陽輻射13遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .太陽輻射太陽輻射14遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一一. .太陽輻射太陽輻射15遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)二二. . 大氣結(jié)構(gòu)與成分大氣結(jié)構(gòu)與成分從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對(duì)流層：對(duì)流層：高度在高度在712 km,溫度隨高度而降低，天氣變化溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：平流層：高度在高度在1250 km，底部為同溫層（航空遙感活，底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭

4、氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。收而逐漸升高。電離層：電離層：高度在高度在501 000 km，大氣中的，大氣中的O2、N2受紫外受紫外線照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)線照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。空間。大氣外層：大氣外層：80035 000 km ,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒有影響。沒有影響。 16遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)17遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)二二. . 大氣結(jié)構(gòu)與成分大氣結(jié)構(gòu)與成分大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。滴等組成。 氣體：氣體：N2，O2，H2O，CO2，

5、CO，CH4，O3 懸浮微粒：懸浮微粒：塵埃塵埃18遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)三三. . 太陽輻射與大氣的作用太陽輻射與大氣的作用太陽輻射太陽輻射大大 氣氣 層層吸收吸收散射散射大氣窗口大氣窗口折射折射反射反射反射反射19遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)三三. . 大氣吸收作用大氣吸收作用大氣中的各種成分對(duì)太陽輻射有選擇性吸收，大氣中的各種成分對(duì)太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如形成太陽輻射的大氣吸收帶（如P28圖圖2.14）。）。O2吸收帶吸收帶u 發(fā)生原因：大氣中存在微粒（煙、塵埃、云霧等）發(fā)生原因：大氣中存在微粒（煙、塵埃、云霧等）u 散射能量：與波長無關(guān)散射能量：與波長無關(guān)u 對(duì)各波

6、段輻射的影響：對(duì)各波段輻射的影響： 因?yàn)榭梢姽獠ㄩL較短，有小水滴時(shí)，由于小水滴的直因?yàn)榭梢姽獠ㄩL較短，有小水滴時(shí)，由于小水滴的直徑遠(yuǎn)大于可見光波長，因此在有云霧時(shí)可見光被散射。但徑遠(yuǎn)大于可見光波長，因此在有云霧時(shí)可見光被散射。但是由于散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，所以對(duì)可見光各波段的反射是由于散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，所以對(duì)可見光各波段的反射強(qiáng)度都一樣，因此我們看到的云霧天氣是白色的，而且無強(qiáng)度都一樣，因此我們看到的云霧天氣是白色的，而且無論是在云霧下面看還是在上面看都顯示白色。論是在云霧下面看還是在上面看都顯示白色。25遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)四四. . 大氣窗口大氣窗口概念：概念：由于大氣層的反射、散射和吸

7、收作用，使由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的強(qiáng)度不同，因而得太陽輻射的各波段受到衰減的強(qiáng)度不同，因而各波段的透射率也各不相同。我們就把受到大氣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衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口大氣窗口波段波段透射率透射率/%/%應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例紫外可見光紫外可見光近紅外近紅外0.30.31.3 m1.3 m9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近紅外近紅外1.51.51.8 m1.8 m8080TM5TM5近近- -中紅外中紅外2.02.03.5 m3.5 m8080TM7TM

8、7中紅外中紅外3.53.55.5 m5.5 mNOAANOAA的的AVHRRAVHRR遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外8 814 m14 m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatRadarsat26遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 太陽輻射到達(dá)地表后，太陽輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：一部分透射，即： 到達(dá)地面的太陽輻射能到達(dá)地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量量反射能量吸收能量透射能量透射能量 E=E透透E吸吸E反反傳感器傳感器EE反反E吸吸E透透地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。地表反射的太陽輻射成為遙

9、感記錄的主要輻射能量。27遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見光都不具備透射一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長的電磁波則能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是透射能力較強(qiáng)，特別是0. 450. 56m的藍(lán)綠光波的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)段。一般水體的透射深度可達(dá)1020 m，清澈水，清澈水體可達(dá)體可達(dá)100 m的深度。的深度。地表吸收太陽輻射后具有約地表吸收太陽輻射后具有約300 K的溫度，從而的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為形成自身的熱輻射，其峰值波長為9.66 m，主要，主要集中在長波，即集中

10、在長波，即6m以上的熱紅外區(qū)段。以上的熱紅外區(qū)段。28遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)地物對(duì)太陽輻射的反射地物對(duì)太陽輻射的反射 遙感數(shù)據(jù)實(shí)際上記錄的是地物對(duì)輻射的反遙感數(shù)據(jù)實(shí)際上記錄的是地物對(duì)輻射的反射能量。所以地物對(duì)太陽輻射的反射對(duì)遙感來說射能量。所以地物對(duì)太陽輻射的反射對(duì)遙感來說是至關(guān)重要的。是至關(guān)重要的。 E反反=EE透透E吸吸 地物反射特性可以通過測量反射率來定量化。地物反射特性可以通過測量反射率來定量化。29遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)12條件：光滑的反射面條件：光滑的反射面特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、 入射角等于反射角；入射角等于反射角； 2、具有方向性，只有在反射方向才能檢測到。、具有方向性，只有在反射方向

11、才能檢測到。 30遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)條件：粗糙的反射面條件：粗糙的反射面特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、 無論入射方向如無論入射方向如 何，反射總是向四面八方。何，反射總是向四面八方。 2、任意方向可以觀察到反射面。、任意方向可以觀察到反射面。 3、各方向探測到的輻射亮度相同。、各方向探測到的輻射亮度相同。 31遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)32遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)33遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)34遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)35遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)36遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)37遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)38遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)波段名稱波段名稱波長（波長（cm）K0.751.13K1.131.67Ku1.672.42X2

12、.423.75C3.757.5S7.515L1530P3010039遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)40遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)41遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)地面微波遙感地面微波遙感航空微波遙感航空微波遙感航天微波遙感航天微波遙感主動(dòng)微波遙感主動(dòng)微波遙感被動(dòng)微波遙感被動(dòng)微波遙感42遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)43遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)44遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)45遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)t1t2 由于電磁波在空氣中傳播速度是一個(gè)常數(shù)由于電磁波在空氣中傳播速度是一個(gè)常數(shù)（3 3108m/s），雷達(dá)在時(shí)間），雷達(dá)在時(shí)間t t1 1發(fā)射脈沖，在時(shí)發(fā)射脈沖，在時(shí)間間t t2 2接收到回波，接收到回波，t t2 2-t-t1

13、1就是微波從發(fā)射到接收所就是微波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。需要的時(shí)間。cttR2)(1246遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)47遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)2tcR48遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)波束寬度波束寬度方位方向方位方向距離方向距離方向天線天線強(qiáng)度強(qiáng)度時(shí)間時(shí)間樹樹山山河河樹樹遙感平臺(tái)以一定速度向前飛行，在平臺(tái)的側(cè)面發(fā)出微遙感平臺(tái)以一定速度向前飛行，在平臺(tái)的側(cè)面發(fā)出微波信號(hào)，天線發(fā)射和接收交替進(jìn)行；在波束范圍內(nèi)，波信號(hào)，天線發(fā)射和接收交替進(jìn)行；在波束范圍內(nèi)，地面不同的地物由于距離不同而在不同的時(shí)間反射回地面不同的地物由于距離不同而在不同的時(shí)間反射回波，回波信號(hào)記錄為一條圖像掃描線。如果地形起伏，波，回波信號(hào)記

14、錄為一條圖像掃描線。如果地形起伏，面向天線的一面在圖像上顯示高亮度，背面則顯示暗面向天線的一面在圖像上顯示高亮度，背面則顯示暗色。色。49遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 50遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)rPraRhhsin2crp51遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)rPraRhh52遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)rPrRhhRrha53遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù)2tcR54遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 植被光譜曲線植被光譜曲線 土壤光譜曲線土壤光譜曲線 水體光譜曲線水體光譜曲線 巖石光譜曲線巖石光譜曲線 常見地物比較光譜曲線常見地物比較光譜曲線55遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 一一. . 地物反射光譜曲線地物反射光譜曲線 地物反射光譜曲線就

15、是描述地球表面物體對(duì)地物反射光譜曲線就是描述地球表面物體對(duì)光譜的反射率隨波長變化規(guī)律的曲線。光譜的反射率隨波長變化規(guī)律的曲線。 在多光譜圖像中，同一像元在不同小波長的在多光譜圖像中，同一像元在不同小波長的圖像中會(huì)有不同的亮度值（反射率）。以波長為圖像中會(huì)有不同的亮度值（反射率）。以波長為橫坐標(biāo)，亮度值為縱坐標(biāo)，把不同波長下的亮度橫坐標(biāo)，亮度值為縱坐標(biāo)，把不同波長下的亮度描繪出來就會(huì)得到一條連續(xù)的曲線，這條曲線就描繪出來就會(huì)得到一條連續(xù)的曲線，這條曲線就是該像元對(duì)應(yīng)的地物的反射光譜曲線。是該像元對(duì)應(yīng)的地物的反射光譜曲線。56遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 一一. . 地物反射光譜曲線地物反射光譜曲線 演

16、示：啟動(dòng)演示：啟動(dòng)ERDASERDAS打開一幅多光譜圖像打開一幅多光譜圖像（exampleHyperspectral .imgexampleHyperspectral .img）, , 并把圖像放并把圖像放大大在菜單條中單擊在菜單條中單擊Raster|Profile Tool|Raster|Profile Tool|Select Profile ToolSelect Profile Tool命令，打開命令，打開Select Profile Select Profile ToolTool對(duì)話框?qū)υ捒蜻x擇選擇SpectralSpectral，點(diǎn)擊，點(diǎn)擊OKOK，彈出，彈出Spectral Prof

17、ileSpectral Profile對(duì)話框，在工具條中單擊對(duì)話框，在工具條中單擊“+ +圖圖標(biāo)標(biāo)” ” 在圖像窗口中選定某一像元，單擊左鍵，在圖像窗口中選定某一像元，單擊左鍵，在在Spectral ProfileSpectral Profile窗口中自動(dòng)生成光譜曲線。窗口中自動(dòng)生成光譜曲線。57遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 二二. . 植物反射光譜曲線植物反射光譜曲線 藍(lán)藍(lán)綠綠紅紅58遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 二二. . 植物反射光譜曲線植物反射光譜曲線 特征：特征：第一段：第一段：.4.40.76m。由于葉綠素的。由于葉綠素的影響，葉綠素影響，葉綠素A和葉綠素和葉綠素B分別對(duì)藍(lán)光（分別對(duì)藍(lán)光（0.

18、430.47 m ）和紅光（）和紅光（0.620.76 m ）有很強(qiáng)的吸）有很強(qiáng)的吸收，而對(duì)綠光（收，而對(duì)綠光（0.50.56 m ）有強(qiáng)烈的反射，）有強(qiáng)烈的反射，因此在可見光范圍的綠色光處內(nèi)有一小反射峰，因此在可見光范圍的綠色光處內(nèi)有一小反射峰，而在兩側(cè)藍(lán)光和紅光處有各有一吸收谷。而在兩側(cè)藍(lán)光和紅光處有各有一吸收谷。 59遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 二二. . 植物反射光譜曲線植物反射光譜曲線 特征：特征：2 2第二段：近紅外第二段：近紅外.76.761.3m1.3m。由于葉。由于葉子葉肉細(xì)胞和胞間層的多重反射形成高的反射率子葉肉細(xì)胞和胞間層的多重反射形成高的反射率，因此在反射曲線上從，因此在反

19、射曲線上從.70 m.70 m處反射率急劇增處反射率急劇增大，至大，至1.1m1.1m處出現(xiàn)一反射峰值，至處出現(xiàn)一反射峰值，至1.3m處急處急劇下降。劇下降。60遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 二二. . 植物反射光譜曲線植物反射光譜曲線 特征：特征：3 3第三段：近紅外第三段：近紅外1.31.32.5m2.5m。由于葉子。由于葉子內(nèi)水分的影響，水對(duì)內(nèi)水分的影響，水對(duì)1.451.45、1.951.95和和2.62.62.72.7mm的的近紅外光產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收近紅外光產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收, ,形成幾個(gè)吸收谷。但是由形成幾個(gè)吸收谷。但是由于這向個(gè)吸收谷均不在大氣窗口內(nèi)，所以不是遙于這向個(gè)吸收谷均不在大氣窗口內(nèi)，所以

20、不是遙感關(guān)注的區(qū)間。感關(guān)注的區(qū)間。61遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 二二. . 植物反射光譜曲線植物反射光譜曲線 特征：特征：上述三個(gè)波段反映的反射光譜特征是植物共上述三個(gè)波段反映的反射光譜特征是植物共有的特征。但是隨著植物種類、季節(jié)、病蟲害、有的特征。但是隨著植物種類、季節(jié)、病蟲害、生長狀況、含水量的不同，反射光譜曲線的形態(tài)生長狀況、含水量的不同，反射光譜曲線的形態(tài)也不同。也不同。62遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 三三. . 土壤反射光譜曲線土壤反射光譜曲線63遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 三三. . 土壤反射光譜曲線土壤反射光譜曲線 特征：特征：自然狀態(tài)下，土壤反射光譜曲線沒有明顯的自然狀態(tài)下，土壤反射光譜

21、曲線沒有明顯的峰值和谷值。但是土壤光譜反射率受土壤質(zhì)地、峰值和谷值。但是土壤光譜反射率受土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土壤顏色的影響。一般質(zhì)地越粘，有機(jī)質(zhì)含量、土壤顏色的影響。一般質(zhì)地越粘，反射率越高；有機(jī)質(zhì)和水分含量越高，反射率越反射率越高；有機(jī)質(zhì)和水分含量越高，反射率越低；土壤顏色越深，反射率越低。低；土壤顏色越深，反射率越低。64遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 四四. . 水體反射光譜曲線水體反射光譜曲線65遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 四四. . 水體反射光譜曲線水體反射光譜曲線 特征：特征：水體主要反射比綠色光短的波段，其它波段水體主要反射比綠色光短的波段，其它波段吸收都很強(qiáng)，特別對(duì)比近紅外更長的波段吸收

22、更吸收都很強(qiáng)，特別對(duì)比近紅外更長的波段吸收更強(qiáng)。盡管在強(qiáng)反射的藍(lán)綠光波段，其反射率也很強(qiáng)。盡管在強(qiáng)反射的藍(lán)綠光波段，其反射率也很低，因此在影像上水體往往呈現(xiàn)深色調(diào)，甚至呈低，因此在影像上水體往往呈現(xiàn)深色調(diào)，甚至呈黑色。黑色。66遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 四四. . 水體反射光譜曲線水體反射光譜曲線 水體反射光譜曲線受水中雜質(zhì)的影響。水體反射光譜曲線受水中雜質(zhì)的影響。 1 1有泥沙時(shí)，由于泥沙的散射，可見光波有泥沙時(shí)，由于泥沙的散射，可見光波段反射會(huì)增強(qiáng)，反射峰出現(xiàn)在黃紅光區(qū)；段反射會(huì)增強(qiáng)，反射峰出現(xiàn)在黃紅光區(qū)； 2 2有葉綠素時(shí)，近紅外光波段明顯抬高；有葉綠素時(shí)，近紅外光波段明顯抬高； 3 3其

23、它污染物也會(huì)引起光譜曲線變化。其它污染物也會(huì)引起光譜曲線變化。67遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 五五. . 巖石反射光譜曲線巖石反射光譜曲線68遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 五五. . 巖石反射光譜曲線巖石反射光譜曲線 巖石反射光譜曲線沒有共同的特征。曲線形巖石反射光譜曲線沒有共同的特征。曲線形態(tài)受到礦物組成、礦物含量、風(fēng)化程度、含水量態(tài)受到礦物組成、礦物含量、風(fēng)化程度、含水量顆粒大小、表面光滑度、色澤等因素的影響。顆粒大小、表面光滑度、色澤等因素的影響。69遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 六六. . 常見地物反射光譜曲線比較常見地物反射光譜曲線比較70遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 六六. . 常見地物反射光譜曲線比較

24、常見地物反射光譜曲線比較 由曲線圖可見，小麥的曲線符合植被反射光由曲線圖可見，小麥的曲線符合植被反射光譜曲線反映的一般規(guī)律；濕地含水量高，在各波譜曲線反映的一般規(guī)律；濕地含水量高，在各波段反射率都低；沙漠的反射曲線與土壤明顯不同，段反射率都低；沙漠的反射曲線與土壤明顯不同，有其獨(dú)特的特點(diǎn)；雪的反射率在可見光波段最高。有其獨(dú)特的特點(diǎn)；雪的反射率在可見光波段最高。71遙遙 感感 技技 術(shù)術(shù) 六六. . 常見地物反射光譜曲線比較常見地物反射光譜曲線比較 如果遙感器分為四個(gè)波段，分別為如果遙感器分為四個(gè)波段，分別為.4.40.6m0.6m、 .7.70.9m0.9m、 .4.40.76m0.76m、 0.9m0.9m。在。在0.9 m0.9 m以下波段，由于地物反射率不以下波段，由于地物反射率不同，在不同波段影像上的亮度也不同，比如同，在不同