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1、环境遥感环境遥感田静毅第二章电磁辐射与地物光谱特征第二章电磁辐射与地物光谱特征 本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。电磁波电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为电磁波是横波，传播速度为3 310108 8 m/s m/s，不需要，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射
2、、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律透射、散射等，并遵循同一规律。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按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。叫电磁波谱。依次为：射线射线X X射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外红外线线微波微波无线电波。无线电波。1 遥感的电磁波原理宇宇宙宙射射线线 射射线线 X X射射线线 紫紫外外线线 可可见见光光红红外外线线微波微波毫毫米米波波厘厘米米波波分分米米波波超超短短波波短短波波中中波波长长波波无无 线线 电电 波波12101010410210210410610)c(m221031610314103121034103)
3、Hz(v紫外线：紫外线：波长范围为波长范围为0.010.010.38m0.38m，太阳光谱中，只，太阳光谱中，只有有0.30.30.38m0.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在探测高度在2000 m2000 m以下。以下。v可见光：可见光：波长范围：波长范围：0.380.380.76m0.76m，人眼对可见光有，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。敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。v红外线：红外线：波长范围为波长范围为0.760.761000m1000m，根据性质分为近，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。红外
4、、中红外、远红外和超远红外。v微波：微波：波长范围为波长范围为1 mm1 mm1 m1 m，穿透性好，不受云雾的，穿透性好，不受云雾的影响影响。遥感应用的电磁波波谱段太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线。从太阳光谱曲线可以看出：2 太阳辐射太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.38 0.76 0.76 mm的可见光能量占太阳辐射总能量的可见光能量占太阳辐射总能量的的46%46%，最大辐射强度位于波长，最大辐射强度位于波长0.47 0.47 mm左右；左右；太阳光谱相当于太阳光谱相当于6000 K600
5、0 K的黑体辐射；的黑体辐射；到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 0.3 3.0 3.0 mm波波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。地物反射光谱的特征地物反射光谱的特征地物的反射率地物的反射率地物的反射光谱地物的反射光谱典型地物的光谱曲线典型地物的光谱曲线 3 地物的光谱特征 太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：分透射，即：到达地面的太
6、阳辐射能量反射能量吸收能量透到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量射能量 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，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则透射能力较强，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是特别是0.45-0.56m0.45-0.56m的蓝绿光波段。一般水体的透射的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达深度可达10-20 m10-20 m，清澈水体可达，清澈水体可达100 m100 m的深度。的深度。地表吸收太阳辐
7、射后具有约地表吸收太阳辐射后具有约300 K300 K的温度，从而形成自的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为身的热辐射，其峰值波长为9.66m9.66m，主要集中在长波，主要集中在长波，即即6m6m以上的热红外区段。以上的热红外区段。太阳辐射与地表的相互作用太阳辐射与地表的相互作用地物的反射率地物的反射率地物在不同波段的反射率是不同的。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以测定的。反射率是可以测定的。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。地物
8、的反射光谱地物的反射光谱 地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做地物的反射光谱地物的反射光谱。按地物的反射率与波长之间的关系绘成的曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物的反射光谱曲线地物的反射光谱曲线.v在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于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
9、过的部分，即：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到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量透射能量v一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，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，而有些物体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对特别是对0.45 0.45 0.56m0.56m的蓝绿光波段，一般水体的的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达透射深度可达10-20 m10-20 m，清澈水体可达，清澈水体可达100 m100 m的深度。的深度。v对于一般不能透过可见光的地面物体，波长对于一般不能透过可见光
10、的地面物体，波长5 cm5 cm的电磁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。过地面岩石和土壤。地物波谱特征 地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律 不同类型的地物，其电磁波响应特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础 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各典型地物的光谱曲线水体的反射光谱特性 水体的反射率，除镜面反射方向外，在各个波段内都较低，一般在3%左右。清水的反射率一般在可见光部分为4-5%，在0.6（橙光）处下降至2-3%，到0.75以后的近红外波段，
11、水成了吸收体。混浊水的反射波谱曲线随着悬浮泥沙浓度的增加而增高。水体的光谱曲线植被的反射光谱特性 植被是地面分布最广的地物之一，植物对自然环境的依赖性又大，所有植物由于叶绿素含量和植物细胞结构的不同，各自具有特殊的光谱效应，因而植被在遥感图象上较易识别，并且成为指示自然环境（如气候，水分等）的最好标志.可见光波段：在 0.45 微米附近区间（兰色波段）有一个吸收谷，在 0.55 微米附近区间（绿色波段）有一个反射峰，在 0.67 微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷 近红外波段：从 0.76 微米处反射率迅速增大，形成一个爬升的的陡坡,至 1.1微米附近有一峰值，反射率最大可达 50%，形成植
12、被的独有特征 中红外波段：在1.5 一 1.9微米光谱区反射率增大，1.45 微米,1.95 微米和2.7微米 为中心的附近区间，受绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。植物的光谱曲线不同植物类型光谱反射率常见地物的光谱曲线比较常见地物的光谱曲线比较病虫害对植物光谱反射率的影响土壤的波谱特征 不同质地的土壤，其波谱反射率是不同的。a.粉砂的反射波谱曲线整体都高。b.腐植土最低，反射率在0.1（10%）左右。c.基岩上风化残积物因颗粒较细，反射波谱特征与基岩相似，干燥的残积物的反射率要比基岩高；较湿润的残积物，其反射率比湿润的基岩还要低，说明反射率与含水分的多少密切相关。d.土壤中波谱的亮
13、度系数还与土壤的理化参数（盐分类型、含量、碱化度等）有关。土壤的光谱曲线 不同含水量对土壤反射光谱率的影响 土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4,1.9 和 2.7 微米处附近区间），反射率的下降尤为明显粉砂土壤不同含水量情况下的光谱反射率曲线图岩浆岩的波谱特性和色调 超基性、基性岩浆岩的反射系数低，在航片上色调呈深灰色至黑色；中性岩浆岩反射系数中等，在像片上呈灰色调；酸性岩浆岩反射系数偏高，在航片上呈浅灰至灰白色调。随着化学成分、矿物成分和结构构造的变化，其反射系数也有所不同岩石的反射光谱特性A 大多数岩石是一种以上矿物的集合体，岩石在可见光波段和近红外波段的波谱特
14、性十分复杂，难于直接用它来鉴别岩石。但岩石的波谱特征却能反映它的基本物质成分和结构特点，是识别和区分岩类的重要依据。B 沉积岩的波谱特性和色调 沉积岩的反射率都不高，反射率随岩石本色的加深而降低，而岩石本色主要与杂质成分（Fe2+，Fe3+，C有机质等）的含量有关。C 变质岩的波谱特性和色调 一般情况下，正变质岩（岩浆岩变质形成）的波谱特性和色调与岩浆岩相近，副变质岩（沉积岩变质形成）的波谱特性和色调与沉积岩相近。但决定变质岩波谱特性的主要是矿物成分。由浅色矿物组成的岩石，如石英岩，大理岩，混合花岗岩等，反射率偏高，在航片上色调较浅；暗色矿物含量较高的岩石如黑云母片麻岩，斜长角闪片岩，反射率偏低，在航片上色调较深。岩石的光谱曲线常见地物的光谱曲线比较
