2.3 地球的辐射与地物波谱

1

2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱2.3.1 、太阳辐射与地表的相互作用

2

2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱2.3.1 、太阳辐射与地表的相互作用

波段名称可见光与近红外

中红外远红外

波长 0.3-2.5μm 2.5-6 μm >6 μm

辐射特性地表反射太阳辐射为主

地表反射太阳辐射和自身热辐射

地表物体自身热辐射为主

地球辐射的分段特性

3

2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱2.3.2 、地表自身热辐射

地表物体的辐射遵循基尔霍夫定律：

),(),(),( 0 TMTTM

地球辐射接近于 300K 黑体辐射，但由于大气影响（主要是吸收），实际的辐射曲线未不平滑的折线。

4

2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱2.3.2 、地表自身热辐射

发射波谱曲线：温度一定时，物体的比辐射率随波长变化，表示这种变化的曲线称物体的发射波谱曲线。

发射波谱曲线，是识别地物的重要方法之一。

5

2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱2.3.3 、地物反射波谱特征

• 研究地物反射光谱的意义： – 被动遥感在遥感探测中占重要地位，主要为反射太阳

辐射– 可准确识别地面目标

• 到达地面的太阳辐射能量（ I ）可分为三部分：反射（ R ）、吸收（ A ）、透射（ T ）

• 绝大多数物体对可见光不具备透射能力。有些物体对特定波长电磁波具有透射能力。

6


反射率：反射能量与总入射能量的百分比

= （ P/P0 ） *100%

反射率大小与物体本身的性质和表面状况、波长、入射角等有关

三种反射状况：镜面反射、漫反射、方向反射

朗伯面：对于漫反射面，当入射照度一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面称朗伯面

实际物体多数为方向反射，介于镜面和朗伯面间

8

Perfect Specular Reflector Near-Perfect Specular Reflector

Perfect Diffuse Reflector A Lambertian Surface

Specular Versus Diffuse Reflectance

d.

Angle of Incidence

Angle of Exitance

Angle of Incidence

Angle of Exitance

a. c.

smooth water

Near-Perfect Diffuse Reflector

b.

Perfect Specular Reflector Near-Perfect Specular Reflector

Perfect Diffuse Reflector A Lambertian Surface

Specular Versus Diffuse Reflectance

d.

Angle of Incidence

Angle of Exitance

Angle of Incidence

Angle of Exitance

a. c.

smooth water

Near-Perfect Diffuse Reflector

b.

9


实际物体的反射，介于镜面反射和漫反射之间。在入射辐照度相同时，反射辐射亮度的大小既与入射方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角与天顶角有关。

)(

)(),('

iii

rrrrrii I

L

入射辐照度 Ii 由两部分组成，一部分是太阳的直接辐射，其辐照度大小与太阳天顶角 θi 和日地距离 D 有关；另一部分是太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地面的部分，其辐照度与入射角无关。

),(),()( ' DIL iirriirrr Drr I)("

10


反射波谱：研究地物反射率随波长的变化规律

识别地物

地物反射曲线的形态相差很大，表明反射率随波长变化的规律不同

图：植被、水体、干的土壤

11


12


植被的光谱曲线：

可分为三段：0.4-0.76m: 有一个小的反射峰，位于绿色波段（ 0.55 m ），两边（蓝、红）为吸收带（凹谷）

0.76-1.3 m: 高反射，在 0.7 m 处反射率迅速增大，至 1.1 处有峰值

1.3-2.5 m: 受植物含水量影响，吸收率增加，反射率下降，形成几个低谷

13

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

14


土壤：没有明显的波峰波谷土质越细反射率越高，有机质含量越高含水量越高，反射率越低

15


水体：反射主要在蓝绿波段，其它波段吸收都很强，近红外吸收更强。水中含泥沙时，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时，近红外波段明显抬升。

16


不同叶绿素含量时水体的波谱曲线

17


岩石：形态各异，没有统一的变化规律

18岩石的光谱反射率

岩石的反射波谱曲线受：

矿物成分

矿物含量

风化程度

含水状况

颗粒大小

表面光滑程度

色泽等影响

20

2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱2.3.4 、地物波谱特性的测量—测量理论

（ 1 ）双向反射分布函数 BRDF( bidirectional reflectance distribution function)

);(

); ;( ); , ;,(

iii

rriirrriir dI

dLf

意义：引起反射的增量 / 入射有一微增量

七十年代初 Nicodemus 给出了二向性反射分布函数的迄今最完善的定义

入射辐射天顶角；入射辐射天顶角；入射辐射方位角；入射辐射方位角；

反射辐射天顶角；反射辐射天顶角；反射辐射方位角；反射辐射方位角；

分子分母均为两个无穷小量，实际测量中很少采用。

21

2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱2.3.4 、地物波谱特性的测量—测量理论

（ 2 ）二向反射因子（ BRF ）BRFBRF ：在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一定的辐：在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一定的辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件的标准参考面（理想朗伯反射面）的反照度和观测条件的标准参考面（理想朗伯反射面）的反射辐射通量之比。射辐射通量之比。

);(

);(

rp

rT

dL

dLR

22

2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱2.3.4 、地物波谱特性的测量—测量方法

（ 1 ）样品的实验室测量，常用分光光度计，应用不广泛。

（ 2 ）野外测量，采用比较法。

23

辐射传输模型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：（ 1）地物直接反射的太阳辐射 IS ；（ 2 ）漫入射辐射射入地面，又反射到大气中，再进入传感器 ID ；（ 3 ）由于大气散射没有到达地面就直接进入传感器的部分 IO （程辐射）。

24


1 ）垂直测量：使所得数据能与航空、航天传感器所获得的数据进行比较。认为实际目标与标准板的测量值之比就是反射率之比。

没有考虑入射角度变化时造成的反射辐射值的变化，对实际地物在一定程度上取近似朗伯体。

)(

)(

)(

)(

SS V

V

：被测物体的反射率；：标准板的反射率；：分别为测量物体和标准板的仪器测量值。

)()( S

)(\)( SVV

25

2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱2.3.4 、地物波谱特性的测量—测量方法2 ）非垂直测量：测量不同角度的方向反射比因子。因为辐射到地物的光线由来自太阳的直射光（近似定向入射）和天空的散射光（近似半球入射），方向反射比因子取两者的加权和。

)(/

)(/)(

)(),(),(

2

1

21

iiD

iiiiS

rrDrriiSrrii

IIK

IIK

RKRKR

26


27

实验（地物波谱测量）

ISI921VF 野外地物光谱辐射计

地物测量

软件制图

28

实验步骤实验步骤

（ 1 ）地物光谱辐射计充电

（ 2 ）安装光谱辐射计

（ 3 ）测量地物光谱（ 4 ）安装软件

（ 6 ）数据分析、写实验报告（ 5 ）数据传输

29

实验安排实验安排

时间：时间： 99 月月 1818日（周一）早上日（周一）早上 88：： 0000

地点：地点： 1212号楼前面路边草坪（号楼前面路边草坪（ 88：： 0000 前在前在1212号楼前集合）号楼前集合）

人数：人数： 4040 人，共分人，共分 88组（每组组（每组 55 人）人）

上机：上机： 99 月月 1818日（周一）上午日（周一）上午 1010：： 00~1200~12 ：：0000在在 3S3S实验室（实验室（ 331331机房）机房）

2.3 地球的辐射与地物波谱

Documents