主讲教师:秦其明主讲教师:秦其明北京大学地球与空间科学学院北京大学地球与空间科学学院第二章第二章电磁波谱与地物波谱特征电磁波谱与地物波谱特征
《遥感概论》课程本节主要内容本节主要内容
? 电磁波与电磁辐射电磁波与电磁辐射
? 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响
? 地球的辐射及地物波谱地球的辐射及地物波谱电磁波电磁波
? 电磁波电磁波
:当电磁振荡进入空间,变化的磁场当电磁振荡进入空间,变化的磁场激发了涡旋电场,变化的电场又激发了涡旋激发了涡旋电场,变化的电场又激发了涡旋磁场,使电磁振荡在空间传播磁场,使电磁振荡在空间传播
? 电磁波在传播中遵循波的反射,折射,衍射,
电磁波在传播中遵循波的反射,折射,衍射,
干涉,吸收,散射等传播规律干涉,吸收,散射等传播规律电磁波电磁波
? 横波横波
,在真空以光速传播在真空以光速传播
? 满足方程:
满足方程:
? 描述物理量:
描述物理量:


频率频率


相位相位


能量能量


极化极化
f vc
Ehf
=
=?
电磁波谱电磁波谱
? 按电磁波在真空中传播的波长或频率,
按电磁波在真空中传播的波长或频率,
递增或递减排列,则构成了电磁波谱递增或递减排列,则构成了电磁波谱波段波段 波长波长长波长波中波和短波中波和短波超短波超短波
>3000m
10-3000m
1-10m
微波微波 1mm-1m
红红外外波波段段超远红外超远红外远红外远红外中红外中红外近红外近红外
15-1000μμ m
6-15μμ m
3-6μμ m
0.76-3μμ m
可见光可见光 0.38-0.76μμ m
紫外线紫外线 10
-3
-3.8×× 10
-3
μμ m
X射线射线 10
-6
-10
-3
μμ m
γγ 射线射线 < 10
-6
μμ m
电磁波的度量电磁波的度量
? 遥感信息是从遥感器定量记录的地表物遥感信息是从遥感器定量记录的地表物体电磁辐射数据中提取的体电磁辐射数据中提取的


辐射测量(
辐射测量(
radiometry)



光度测量(
光度测量(
photometry)



比辐射率比辐射率


亮温亮温太阳辐射太阳辐射
? 太阳发出的电磁波辐射太阳发出的电磁波辐射
? 太阳辐射在从近紫外到中红外这一波段内能量最太阳辐射在从近紫外到中红外这一波段内能量最集中而且相对来说最稳定,太阳强度变化最小集中而且相对来说最稳定,太阳强度变化最小
Exoatmospheric solar irradiance F
0
(λ)
Solar irradiance reaching the surface F(λ)
021
Wavelength (μm)
3
200
0
Irradian
ce (W m
-2
μm
-1
)
150
0
100
0
500
0
太阳辐照度分布曲线太阳辐照度分布曲线大气成分大气成分
? 大气成分主要有:
大气成分主要有:


气体分子(氮气气体分子(氮气
\氧气氧气
\二氧化碳)
二氧化碳)


其它微粒其它微粒
(水汽水汽
\气溶胶气溶胶
\其他粒子等其他粒子等
)
? 它们对电磁辐射具有吸收与散射作它们对电磁辐射具有吸收与散射作用用大气吸收作用大气吸收作用
? 太阳辐射穿过大气层时,大气分子对电磁波的某些波太阳辐射穿过大气层时,大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用,引起这些波段的太阳辐射强度衰减段有吸收作用,引起这些波段的太阳辐射强度衰减大气散射作用大气散射作用
? 电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向传播方向瑞丽散射
180°
90°
270°

45°135°
225°315°
米散射
180°
135°
225°
90°
270°

45°
315°
大气窗口大气窗口
? 电磁波通过大气层时较少被反射、
电磁波通过大气层时较少被反射、
吸收和散射的,透过率较高的波段吸收和散射的,透过率较高的波段辐射传输辐射传输
? 辐射传输是电磁辐射与不同介质相辐射传输是电磁辐射与不同介质相互作用的复杂过程互作用的复杂过程地球辐射地球辐射
? 地球表面和大气电磁辐射的总称地球表面和大气电磁辐射的总称地球辐射的分段特性地球辐射的分段特性
? 0.3-2.5微米波段(主要在可见光与近红微米波段(主要在可见光与近红外波段),地表以反射太阳辐射为主,
外波段),地表以反射太阳辐射为主,
地球自身的辐射可以忽略地球自身的辐射可以忽略
? 2.5-6.0微米波段(主要在中红外波段),
微米波段(主要在中红外波段),
地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源均为被动遥感的辐射源
? 6.0微米以上的热红外波段,地球自身的微米以上的热红外波段,地球自身的热辐射为主,地表反射太阳辐射可以忽热辐射为主,地表反射太阳辐射可以忽略不计略不计地物波谱地物波谱
? 地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律的规律
? 不同类型的地物,其电磁波响应特性不同,因不同类型的地物,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此地物波谱特征是遥感识别地物的基础不同地物的波谱特性不同不同电磁波段中地物波谱特性电磁波段中地物波谱特性
? 可见光和近红外波段可见光和近红外波段


表现为反射与吸收表现为反射与吸收
? 远红外波段远红外波段


表现为地物热辐射表现为地物热辐射
? 微波波段微波波段


主动遥感:表现为地物后向散射主动遥感:表现为地物后向散射


被动遥感:表现为地物微波辐射被动遥感:表现为地物微波辐射地物的反射地物的反射
? 镜面反射射
? 漫反射漫反射
? 实际地物反射物反射常见的几种地物类型波谱特征常见的几种地物类型波谱特征
? 植被植被
? 水体水体
? 土壤土壤
? 岩石岩石植被的波谱特征植被的波谱特征
? 可见光波段:在可见光波段:在 0.45微米附近区间(兰色波段)有一个微米附近区间(兰色波段)有一个吸收谷,在吸收谷,在
0.55微米附近区间(绿色波段)有一个反射微米附近区间(绿色波段)有一个反射峰,在峰,在
0.67微米附近区间(红色波段)有一个吸收谷微米附近区间(红色波段)有一个吸收谷
? 近红外波段:从近红外波段:从
0.76μ
μ
m处反射率迅速增大,形成一个处反射率迅速增大,形成一个爬升的的爬升的的


陡坡陡坡


,至
,至
1.1μ
μ
m附近有一峰值,反射率最附近有一峰值,反射率最大可达大可达
50%,形成植被的独有特征
,形成植被的独有特征
? 中红外波段,1.5-1.9微米光谱区反射率增大,在
1.45μ
μ
m,

1.95μ
μ
m和和
2.7μ
μ
m为中心的附近区间受到绿色为中心的附近区间受到绿色植物含水量的影响,反射率下降,形成低谷植物含水量的影响,反射率下降,形成低谷影响植被波谱特征的主要因素影响植被波谱特征的主要因素
? 植物类型植物类型
? 植被生长季节植被生长季节
? 植被生长状态(病虫害影响)
植被生长状态(病虫害影响)
不同植被类型的光谱反射率病虫害对于植物光谱反射率的影响土壤的波谱特征土壤的波谱特征
?自然状态下土壤表面反射曲线呈比较平滑的特自然状态下土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征征


没有明显的没有明显的反射反射峰和峰和吸收吸收谷谷
? 在干燥条件下,土壤的波谱特征主要与成土矿在干燥条件下,土壤的波谱特征主要与成土矿物(原生矿物和次生矿物)和土壤有机质有关物(原生矿物和次生矿物)和土壤有机质有关三种不同类型土壤在干燥环境下的反射光谱曲线三种不同类型土壤在干燥环境下的反射光谱曲线不同含水量不同含水量对土壤对土壤反射光谱率的影响反射光谱率的影响
? 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(
的各个吸收带(
1.4,

1.9和和
2.7微米处附近区微米处附近区间),反射率的下降尤为明显间),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粉砂土壤不同含水量情况下的光谱反射率曲线图水体水体的波谱特征的波谱特征
? 纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段,可见纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段,可见光其它波段反射很低,在近红外和中红外波段 纯净的光其它波段反射很低,在近红外和中红外波段 纯净的自然水体的反射率很低,几乎趋近于零自然水体的反射率很低,几乎趋近于零水体的波谱反射率曲线水体的波谱反射率曲线不同不同叶绿素叶绿素含量含量时水体的波谱曲线时水体的波谱曲线岩石矿物的波谱曲线岩石矿物的波谱曲线


矿物成分矿物成分


矿物含量矿物含量


物质结构物质结构岩石的光谱反射率岩石的光谱反射率影响岩石矿物波谱曲线的因素影响岩石矿物波谱曲线的因素
? 岩石风化程度岩石风化程度
? 岩石含水状况岩石含水状况
? 矿物颗粒大小矿物颗粒大小
? 岩石表面光滑程度岩石表面光滑程度
? 岩石色泽岩石色泽
Image References
C.Mayhew & R,Simmon (NASA/GSPC),NOAA/ NGDC,DMSP
Digital Archive
Dousset,B.,and F,Gourmelon,2003,Satellite multi-sensor data
analysis of urban surface temperatures and landcover,ISPRS
Journal of Photogrammetry & Remote Sensing,58:43-54.
Stila,U.,U,Soergel,and U,Thoennessen,2003,Potential and
limits of InSAR data for building reconstruction in built-up areas,
ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing,58:113-123.
Chen,C.-M.,G.F,Hepner,and R.R,Forster,2003,Fusion of
hyperspectral and radar data using the HIS transformation to
enhance urban surface features,ISPRS Journal of Photogrammetry
& Remote Sensing,58:19-30.