1、第二章 遥感的理论基础电磁辐射与物体波谱特性,第一节 电磁辐射与物体波谱特性RS的理论基础主要是物理学，也涉及天文、大气、地理、地质、数学和计算机等学科。迄今为止，在各部门中应用的遥感技术大多是电磁波RS。因此可以说，RS的理论基础是物理学，其核心是电磁波理论。 1.电磁波与电磁辐射 （1）波：振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等都是振源发出的振动在弹性媒介中的传播，称为机械波。 （2）电磁波：由振源发出的电磁振动在空间的传播。振动的是空间电场矢量E和磁场矢量B。电磁波是通过电场和磁场间的 相互联系和转化传播的。变化的电场能够在它周围空间产生磁场。交变电场周围会产生交变磁场。交变磁场周围会
2、产生交变电场，它们互相套环，沿直线迅速向远方传播。即：交变电场和交变磁场迅速向远方传播的过程叫做电磁波。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,图2-1 电磁震荡的传播,图3-2 电磁波,电磁波性质： 电场矢量E和磁场矢量B互相垂直，且都垂直于电磁波传播方向V，因此，电磁波是横波。（声波是典型的纵波） 在真空中以光速传播 电磁波的几个主要参量：周期（T），频率（f），波长（），C=f=/T其中，C为真空中的光速，C=31010cm/s 电磁波具有波粒二象性,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,（3）波段：两个波长之间的全体波长的集合。 （4）辐射：电磁波在空间中的传播叫做电磁
3、辐射，简称辐射。分为入射、发射、反射、透射、散射、吸收。 （5）辐射源：任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其它物体对它的辐射，也能够向外辐射。 （6）辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dW/dt，单位为W（瓦）。 （7）辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，E= d /Ds，单位为W/m2。 （8）辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量， I= d /Ds （9）辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M= d /Ds。辐照度与辐射出射度都是辐射通量密度的概念，但I为物体接收的辐射，M是物体发出的辐射，都与波长有关。,第二章 遥感的理论基
4、础电磁辐射与地物光谱特性,（10）黑体：绝对黑体，指能够将外来辐射能量全部吸收的物体。 （11）发射率：地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同面积黑体发射能量M黑之比值。即：=M/M黑 （12）反射率：地物的反射能量与入射总能量之比，其数值用百分数表示。 （13）透射率：地物的透射度与其表面的辐照度之比。 （14）吸收率：地物的吸收度与其表面的辐照度之比。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,2.电磁波谱 （1）定义：按照波长的长短顺序将各种电磁波排列制成的一张图表叫做电磁波谱。在电磁波谱中，从左到右，波长逐渐增大。从左到右依次是宇宙射线、射线、X射线、紫外线、可见光、红外线
5、、微波、以及其它无线电波等。,图2-3 电磁波谱,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,（2）遥感中常用的电磁波段：可见光、红外线、微波是RS中常用的三大波段。紫外线（UV）：波长范围是0.01 m0.38m（1 m=10-6m），其中波长0.3 m的能量被大气层吸收，只有0.30.38 m。由于紫外线在大气中传输时受到很大衰减，在RS中很少被应用。一般只用来探测海面石油污染的范围和油膜厚度，以及测定碳酸盐岩分布。紫外线从空中可探测的高度2000m，对高空遥感不适用。可见光（VI）：波长范围是0.38 m0.76 m，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成，是摄影方式常用的遥感波段。可以
6、粗分为蓝、绿、红三色：蓝：0.38 m0.50 m；绿：0.50 m0.60 m；红：0.60 m0.76 m。 可见光是RS中最早和最常使用的波段。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,红外线（IR）：波长是0.76 m1000m，可分为4个光谱段：近红外（NIR）：0.76m3m，在性质上与可见光相似，在RS技术中采用摄影和扫描方式，可接收和记录光红外反射。中红外（MIR）：3m6m，远红外（FIR）： 6m15m， 热红外（产生热感的原因）超远红外（MIR）：15m1000m，红外线也是RS中常用的波段之一，使用率仅次于可见光。红外RS采用热感应方式探测地物本身的热辐射。红外线
7、在云、雾、雨中传播时，受到严重的衰减，因此红外RS不是全天候RS，不能在云、雾、雨中进行，但不受日照条件的限制。微波：1mm1m的无线电波。微波和红外两者的特征相似，都属于热辐射性质。微波能穿透云雾、小雨，是全天候遥感，昼夜均可进行。微波对植被、冰雪、干沙、干土均有较强的穿透力，常被用来探测被冰雪、植被、沙土所遮掩的地物。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,RS技术使用电磁波段分类名称和波长范围,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,3.大气窗口：电磁波在进入地球之前必须通过大气层，在通过大气层时，约有30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间，约有17%被大气吸收，22%被
8、大气散射。仅有31%的太阳辐射直射到地面。 大气吸收：太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段由吸收作用，引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气，从而形成了在太阳辐射到达地面时电磁波的某些缺失带。 大气散射：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，称为散射。散射造成太阳辐射的衰减，散射的强度与波长密切相关。 对于大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段；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，特别是对 红外波段的影响；大气云层中，对可见光只有无选择性散射，云层越厚，散射越强，而对微波来说，则属于瑞利散射，
9、波长越长散射强度越小。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,大气折射：电磁波穿过大气层时，还会出现折射。大气的折射与大气密度有关，密度越大。折射率越大，离地面越高，折射率越小。折射改变了太阳辐射的方向，但不改变太阳辐射的强度。 大气反射：电磁波传播过程中，若通过两种介质的交界面，还会发生反射现象。反射主要发生在云层顶部。由于反射的存在，削弱了电磁波到达地面的强度。大气窗口的定义：电磁波在大气中传输时，通过大气层未被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段范围，称为大气窗口。目前，遥感技术选用的大气窗口，多为下表所列光谱段。在这六个光谱段内各种地物的反射和发射光谱可以很明显地区别开来。,第
10、二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,遥感常用大气窗口,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,图2-4 遥感种常用的大气窗口,4.地物的光谱特性 （1）意义：地物的光谱特性是RS技术的重要理论基础。因为它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是RS数据正确分析和判读的理论基础，同时也可作为利用电子计算机进行数字图象处理和分类时的参考标准。 （2）含义：自然界中的任何地物都具有本身的特有规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；具有发射红外线、微波的特性（都能进行热辐射）；少数地物具有透射电磁波的特性。地物的反射光谱特性：反射率大小与入射光的波长、入射
11、角大小及地物表面粗糙度等有关。其中，地物的反射率随入射波长变化的规律是地物反射光谱特性的主要反映。一般地，反射率大，传感器记录的亮度值大，在象片上呈现的色调浅；反之，反射率小，传感器记录的亮度值小，在象片上呈现的色调深。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性, 地物的反射率：地物的反射能量与入射的总能量之比。辐射能量入射到任何地物表面上，会出现三种过程：反射、吸收、透射。根据能量守恒定律：P=P+P+P 其中：P为入射总能量；P为地物的反射能量；P为地物的吸收能量； P为地物的透射能量。由式可得：1= P/P+ P/P+ P/P设： =P/P100%， =P/P 100%， =P/P
12、100%，因此1=+，对于不透明的地物=0，则=1 式表明：反射率高的地物，吸收率低。地物的反射率可以测定，吸收率通过反射率推求。 地物的反射光谱曲线：地物的反射率随入射波长变化的规律。以波长为横坐标，反射率为纵坐标，绘成的曲线图称为地物反射光谱曲线。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,水：一般地，水的反射率很低，小于10%。纯净水反射率在蓝光谱段最高。 雪：在可见光的大部分区域（0.380.70m）内，雪的反射率都很高。 云：与雪接近（在可见光到近红外短波段）。在近红外中波段（1.551.75m）和长波段（2.102.35m），云的反
13、射率远远大于雪的反射率。 植物：在蓝光波段（0.380.50m）反射率低，绿光波段（0.500.60m）的中点0.55m左右，形成一个反射率小峰，这就是植物叶子呈绿光的原因。在红光波段（0.600.76m），起先反射率甚低，在0.65m附近达到一个低谷，随后又上升，在0.700.80 m反射率陡峭上升，到0.80m附近达到最高峰。,图2-5 典型地物的光谱反射特征,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,图2-6 植物反射光谱曲线,影响植物反射率的主要因素包括叶色、细胞结构和含水量等。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,不同颜色叶子的植物反射光谱曲线,不同类型的植物反射光谱曲
14、线,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,遭受不同程度损害的植物反射光谱曲线,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,水分含量对玉米叶子反射率的影响,地物的发射光谱特性：任何地物当温度高于绝对温度0K时，就存在着分子运动，不断地向外发射电磁波。实际上，世界上任何物体的温度都高于0K（0K=273.15）。所以，任何物体都有热辐射。 黑体热辐射定律：黑体辐射通量密度，可以用普朗克公式表示：式中，c为真空中的光速；k为玻尔兹蔓常数，k=1.3810-23 J/K；h为普朗克常数，h=6.63 10-34 Js；M为辐射出射度。单位为w cm2 m1,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地
15、物光谱特性,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,不同温度的黑体辐射的光谱能量分布,辐射通量密度随波 长连续变化，曲线只有一个最大值；温度愈高，辐射通量密度也愈大，不同温度的曲线不相交；随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。由普朗克公式可以导出黑体辐射的两个定律：史蒂芬玻尔兹曼辐射定律 维恩位移定律 以及一般地物的辐射定律基尔霍夫定律。, 史蒂芬玻尔兹曼辐射定律：将普朗克公式对波长在0到范围内作定积分，可以得到：黑体在温度T下的总发射度：M黑(T)=T4 其中：为常数，=5.670108瓦米2开4(w m2 K4)表明：黑体总辐射度与温度的4次方成正比。 维恩位移定律：对
16、普朗克公式中求导，可以得到以下公式：max T=b， 其中：b为常数，b=2.898 103 m K说明：黑体辐射峰值波长与绝对温度成反比，温度升高时，峰值波长变短，即向短波方向移动。 基尔霍夫定律：在任何一个给定的温度T下，任何一个物体的发射度M(T)与其吸收率(T)之比都等于同一温度下的黑体的发射度M黑(T)，即：M(T) /(T)= M黑(T)，即 (T) = (T)，发射率=吸收率，或者： (T)= M(T) / M黑(T) 。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性, 三类发射体：按发射率（恒等于吸收率）的大小及其与波长的关系，可以把物体分为： 绝对黑体：任何温度下对任何波长的
17、电磁波的光谱发射率恒等于1的物体； 灰体：任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率都小于1，且不随波长而变化的物体。其光谱发射率是一个与波长无关的常数。 选择性发射体：光谱发射率随波长而变化的物体。此外，如果一个物体的光谱发射率和光谱透射率恒等于0，而反射率恒等于1，称为绝对白体（简称白体）。 地物的发射波谱特性：地物的发射率与地物表面的粗糙度、颜色和温度等有关。地物表面粗糙或颜色发暗，其发射率就高，反之则低；比热大的、热惯性大的以及有保湿作用的地物，其发射率就大；反之就小。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,光谱发射率,波长,黑体,灰体,选择性发射体,几种地物在红外波段和微波波段
18、中的光谱发射率（%）,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,地物的透射光谱特性：入射电磁波穿透物体的能量与入射总能量的比值为透射率。如水、冰、玻璃能称为透明物。如水体对0.450.56m的蓝绿光波段具有一定的透射能力，波长大于1mm的微波对冰体具有透射能力。 一般地： 可见光对大多数地物都没有透射能力 红外线只对半导体地物有一定的透射能力。 微波对云、雾、冰、雪、干沙、干土和植被等具有较强的穿透能力，对岩石也能穿透一定深度，但不能穿透金属和水体。微波的波长越长，其透射率越大，透射深度也越深。,第二章 遥感的理论基础电磁辐射与地物光谱特性,第一章 电磁波及遥感物理基础,内容提纲,概述 物
19、体的发射辐射 地物的反射辐射 地物波谱特性的测定,1.1 概述,电磁波、机械波（声波）、重力场、地磁场等都可以用作遥感，但一般而言，RS指的是电磁波遥感。 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征。,1.1.1 电磁波,麦克斯韦电磁场理论 电磁波是一种横波,几个重要性质,单色波可以用波函数来描述，是一个时空周期性函数，振幅、相位、波长一般成像：记录振幅全息成像：记录振幅和相位 干涉 衍射 偏振,干涉,凡是单色波都是相干波。 微波遥感中的雷达也是应用了干涉原理成像的,其影像上会出现颗粒状或
20、斑点状的特征，这是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。 INSAR利用干涉原理成像。,衍射,光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象称为光的衍射。 研究电磁波的衍射现象对设计遥感传感器和提高遥感图像的几何分辨率具有重要意义。,偏振,横波在垂直于波的传播方向上，其振动矢量偏于某些方向的现象。 偏振在微波技术中称为“极化”，一般有四种极化方式。 遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。,1.1.2 电磁波波谱,遥感信息获取，一般指收集、探测、记录地物的电磁波特征，即地物的发射、辐射或反射电磁波特性。由于电磁波传播的是能量，实际上也是记录辐射能量的过程。
21、电磁波具有不同的频率和波长，因而具有不同的特性。,遥感应用的光谱范围,遥感应用的光谱范围,电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的射线到最长的无线电波，波长之比高达10的22次方 遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到微波波段 遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性，选择相应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱的发射或反射能量而成像的。,1.2 物体的发射辐射,黑体辐射 太阳辐射 大气对辐射的影响 一般物体的发射辐射,1.2.1 黑体辐射,1860年基尔霍夫：好的吸收体也是好的辐射体 绝对黑体任何波长的电磁辐射全部吸收 一个不透明的物体，对入射到它上面的电磁波只有光谱吸收率(,T)和光谱反射率(,T)
22、，二者之和恒等于1。 绝对黑体： (,T)=1， (,T)=0 绝对白体： (,T)=0， (,T)=1,普朗克定律,1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律 黑体辐射通量密度与温度、波长的关系满足普朗克定律：,W() 分谱辐射通量密度，单位W（cm2m）； 波长，单位是m； h 普朗克常数(6.625610-34Js)； c 光速(31010cm/s)； k 玻耳兹曼常数(1.3810-23JK)； T 绝对温度，单位是K。,黑体辐射特性（1）,与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加。总辐射通量密度W可在从零到无穷大的波长范围内。 对普朗克公式进行积分，可得到从1
23、cm2面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密度的表达式为： 为斯忒藩玻耳兹曼常数，T为绝对黑体的绝对温度（K）。,从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩玻耳兹曼公式。 对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度（T）。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。,黑体辐射特性（2）,分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。可微分普朗克公式，并求极值。,称维恩位移定律。它表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。
24、在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。,黑体辐射特性（3）,每根曲线彼此不相交，故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。 在波长大于1mm的微波波段，hvkT, 近似得出：在微波波段，黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。,1.2.2 太阳辐射,太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波。 地球系统的能量绝大多数（99）来源于太阳太阳辐射:5% 紫外线 45% 可见光 50% 红外线,辐射源,自然辐射源： 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源； 常用5900K的黑体辐射来模拟。 大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。
25、 地球的电磁辐射：近似300K的黑体辐射。小于3m的波长主要是太阳辐射的能量；大于6m的波长主要是地物本身的热辐射；3-6m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。 人工辐射源： 微波辐射源：0.8-30cm 激光辐射源：激光雷达(测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等)。,太阳辐射照度分布曲线,太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：I=135.3 mW/m2 太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致。,被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射，因而太阳的活动对遥感的影响没有太大影响可以忽略。,太
26、阳辐射的特点,太阳光谱是连续的。 辐射特性与黑体基本一致。 紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。 主要利用可见光、红外波段等稳定辐射。 海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外的曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。,1.2.3 大气对辐射的影响,(1)大气的垂直分布,(2)大气对太阳辐射的吸收,在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收 主要成分：氧气、臭氧、水、二氧化碳 大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。 大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段中很少使用紫外线波段。,(2)大气对太阳辐射的散射,在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散
27、射引起的衰减。 太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光。这二次影响增加了信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。 散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变, 主要有米氏(Mie)散射、均匀散射、瑞利（Rayleigh）散射等。,气溶胶,气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径千分之一微米到一百微米的固体、液体位子。 大气中的气溶胶粒子的自然来源主要是海洋、土壤和生物园以及火山等。 气溶胶大多集中在底层大气0-4km范围内。 由于地球重力作用，气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对光
28、的散射作用属于米氏散射。,气溶胶图,散射类型,介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级时，发生米氏散射 介质中不均匀颗粒的直径a入射波长时，发生均匀散射 介质中不均匀颗粒的直径a小于入射波长的十分之一时，发生瑞利散射,散射强度与波长的关系,蓝光散射较强 红光散射较弱,(2)大气对太阳辐射的反射,由于大气中有云层，当电磁波到达云层时，就象到达其他物体界面一样，不可避免的要产生反射现象，这种反射同样满足反射定律。 各波段受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的程度。因此应尽量选择无云的天气接收遥感信号。,四川省江油市,(3)大气窗口,太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的
29、方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分。 不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因而遥感所能够使用的电磁波是有限的。有些大气中电磁波透过率很小，甚至完全无法透过电磁波。这些区域就难于或不能被遥感所使用，称为“大气屏障”； 反之，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为“大气窗口”。 研究和选择有利的大气窗口、最大限度地接收有用信息是遥感技术的重要课题之一。,可以用作遥感的大气窗口,0.30 1.15m大气窗口：这个窗口包括全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波段，是遥感技术应用最主要
30、的窗口之一。 1.32.5m大气窗口：属于近红外波段。 3.55.0m大气窗口：属于中红外波段。 814m热红外窗口：热红外窗口，透射率为80%左右，属于地物的发射波谱。 1.0mm1m微波窗口。,(4)辐射传输方程,传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括： 太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量 地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器 大气散射和辐射的能量等,(4)辐射传输方程,电磁波辐射与大气相互作用的复杂性，从遥感应用角度需要简化 假设1：忽略大气折射、湍流和偏振 假设2：天空为均匀朗伯体，各向同性辐射；地表为均质朗伯体，各向同性反射。
31、,(4)辐射传输方程,传感器入瞳辐射亮度,地面辐射亮度,向上大气光谱辐射亮度,地表反射率,大气层外太阳辐射照度,太阳天顶角,光学厚度（介质厚度和折射率的乘积 ）,大气向地面散射辐射照度,传感器观测角,大气透过率,1.2.4 一般物体的发射辐射,自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。 不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。 我们用发射率来表示它们之间的关系：= W/ W。发射率就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。,发射率,按照发射率与波长的关系，把地物分为： 黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。 灰体：发射率小于1，常数。 选择性
32、辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。 理想反射体：反射率等于0。 影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物一般发射率大，反之发射率就小。,主要地物发射率,等效黑体温度,实际测定物体的光谱辐射通量密度曲线并不像描绘的黑体光谱辐射通量密度曲线那么光滑 常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度）,基尔霍夫定律,在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率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。,任何材料的发射率等于其吸收率,基尔霍夫定律,根据能量守恒
33、定理，入射在地表面的辐射功率等于吸收功率、透射功率和反射功率三个分量之和。对于不透射电磁波的物体,1.3 地物的反射辐射,地物的反射类别 光谱反射率以及地物的反射光谱特性 影响地物光谱反射率变化的因素,1.3.1 地物的反射类型,镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。当发生镜面反射时，对于不透明物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。 漫反射：如果入射电磁波波长不变，表面粗糙度h逐渐增加，直到h与同数量级，这时整个表面均匀反射入射电磁波，入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射。 方向反射：实际地物表面由于地形起伏，在某个方向
34、上反射最强烈，这种现象称为方向反射。是镜面反射和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续增大的情况下，这种反射没有规律可寻。 从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，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。,1.3.2光谱反射率以及地物反射光谱特性,反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比，这个反射率是在理想漫反射体的情况下，整个电磁波长的反射率,实际上由于物体固有的结构特点，物体对于不同波长的电磁波会有选择的反射。,光谱反射率：是物体在特定波长上的反射辐射通量与入射辐射通量之比。,绿,红,紫外,红外,反射波谱,反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波
35、长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。 物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。,反射波谱,正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特性，物体的反射波谱特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。,水体,植被,土壤,建筑,地物的反射辐射,典型地物的反射波谱特性曲线,植被的反射波谱特性曲线,植被的反射波谱特性曲线,红外波段,绿波段,植被的反射波谱特性曲线,植被的光谱反射特性 蓝、红波段为吸收带 绿波段为弱反射带 近红外波段有强反射带,但含水量造成反射吸收,水体的反射波谱特性曲线,水体的反射波谱特性曲线
36、,红外波段,绿波段,水体的反射波谱特性曲线,水体的光谱反射特性 蓝、绿波段为反射带 近、中红外波段为完全吸收带,植被和水体的反射波谱特性曲线比较,近红外波段,红波段,绿波段,城市道路、建筑物的反射波谱特性曲线,在城市遥感影像中，通常看到建筑物的顶部、部分建筑物的侧面、无植被覆盖的道路 建筑材料各不相同,城市道路、建筑物的反射波谱特性曲线,城市道路、建筑物的光谱反射特性 红外波段较可见光波段反射强 石棉瓦较其他材料反射强 沥青较其他材料反射弱,土壤的反射波谱特性曲线,土壤的反射波谱特性曲线,土壤的光谱反射特性 自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值 。 土壤的反射波谱特性曲线与土壤质地组
37、成有关 土壤反射波谱特性曲线较平滑，因此在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。,植被、水体、土壤的反射波谱特性曲线,1.3.3 影响地物光谱反射率变化的因素,太阳高度（日期、时间）,大气条件,地形（阴影）,地形（坡度）,气候、植物的病变,环境状况,1.4地物波谱特性的测定,地物波谱特性的概念 地物波谱特性的测定原理 地物波谱特性的测定步骤,1.4.1 地物波谱特性的概念,地物波谱也称地物光谱。 地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）。 测量地物的反射波谱特性曲线主要作用： 它是选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据 在外业测量中，它是选择合适的飞行时间的基础
38、资料 它是有效地进行遥感图像数字处理的前提之一，是用户判读、识别、分析遥感影像的基础。,1.4.2 地物波谱特性的测定原理,对于不透明的物体，其发射率与反射率有下列关系：()=1-() 各种地物发射辐射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射辐射电磁波的特性得到。 地物波谱特征（反射波谱）测定的原理是：用光谱测定仪器（置于不同波长或波谱段）分别探测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段的反射率，其反射率的变化规律即为该地物的波谱特性。,测定地物反射波谱特性的仪器,分光光度计，光谱仪，摄谱仪 仪器由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成。 收集器的作用是收集来自物体或标准板的反射辐射
39、能量。它一般由物镜、反射镜、光栏（或狭缝）组成； 分光器的作用是将收集器传递过来的复色光进行分光（色散），它可选用棱镜、光栅或滤光片； 探测器的类型有光电管、硅光电二极管、摄影负片等； 显示或记录器是将探测器上输出信号显示或记录下来，或驱动XY绘图仪直接绘成曲线。,测量的原理,分别测量地物和标准板的反射辐射通量密度经光电管转变为电流强度在电表上指示读数 电流强度相比,1.4.3 地物波谱特性的测定步骤,架设好光谱仪，接通电源并进行预热； 安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝宽度； 将照准器分别照准地物和标准板，并测量和记录地物、标准板在波长1 ，2，n处的观测值I和I0； 按照（1-38）式计算1 ，2，n处的； 根据所测结果，以为纵坐标轴，为横坐标轴画出地物反射波谱特性曲线。,本章结束,
