第二章 电磁辐射与地物光谱特征

2020 4 6 1 南京大学地理与海洋科学学院 第二章电磁辐射与地物光谱特征 电磁波谱与电磁辐射地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响 2020 4 6 2 南京大学地理与海洋科学学院 第一节电磁波与电磁波谱 电磁波及其特性电磁波谱电磁辐射源 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 3 一 电磁波及其特性 1 波的概念振动的传播称为波 波动是各质点在平衡位置振动而能量向前传播的现象 如果质点的振动方向与波的传播方向相同 称纵波 如振动弹簧一端 使振动传向弹簧另一端 若质点振动方向与波的传播方向垂直 称横波 如上述绳子抖动产生的波 电磁波就是典型的横波 简谐波 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 4 一 电磁波及其特性 演示 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 5 一 电磁波及其特性 2 机械波 声波 水波和地震波3 电磁波 ElectromagneticSpectrum 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磁场 使电磁振荡在空间传播 这就是电磁波 其方向是由电磁振荡向各个不同方向传播的 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 6 一 电磁波及其特性 4 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的 原理5 电磁辐射 这种电磁能量的传递过程 包括辐射 吸收 反射和透射 称为电磁辐射 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 7 一 电磁波及其特性 6 电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播电磁波具有波粒二象性 电磁波在传播过程中 主要表现为波动性 在与物质相互作用时 主要表现为粒子性 这就是电磁波的波粒二象性 波动性 电磁波是以波动的形式在空间传播的 因此具有波动性粒子性 它是由密集的光子微粒组成的 电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动 电磁波的粒子性 使得电磁辐射的能量具有统计性 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 8 一 电磁波及其特性 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关 波长愈短 辐射的粒子性愈明显 波长愈长 辐射的波动特性愈明显 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 9 二 电磁波谱 1 电磁波谱 将各种电磁波在真空中的波长按其长短 依次排列制成的图表 在电磁波谱中 波长最长的是无线电波 其按波长可分为长波 中波 短波和微波 波长最短的是 射线 电磁波的波长不同 是因为产生它的波源不同 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 10 二 电磁波谱 在电磁波谱中 各种类型的电磁波 由于波长或频率的不同 它们的性质就有很大的差别 如在传播的方向性 穿透性 可见性和颜色等方面的差别 它们的共性 1 各种类型电磁波在真空 或空气 中传播的速度相同 都等于光速 c 3 108m s 2 遵守同一的反射 折射 干涉 衍射及偏振定律 目前 遥感技术所使用的电磁波集中在紫外线 可见光 红外线到微波的光谱段 各谱段划分界线在不同资料上采用光谱段的范围略有差异 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 11 二 电磁波谱 电磁波谱 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 12 二 电磁波谱 电磁波谱 续表 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 13 二 电磁波谱 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分 可见光谱没有精确的范围 一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间 在整个电子波普范围能 人所能感知的波长范围极其有限 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 14 二 电磁波谱 无线电波的波长最长 而伽马射线波长最短 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 15 二 电磁波谱 EarthSpectrum IncomingfromSun Highenergy shortwavelength OutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength 0 5mm 10mm 20mm 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 16 二 电磁波谱 ElectromagneticSpectrum 17 二 电磁波谱 紫外线 UV 0 01 0 4 m 碳酸盐岩分布 水面油污染 可见光 0 4 0 76 m 鉴别物质特征的主要波段 是遥感最常用的波段 红外线 0 76 1000 m 近红外0 76 3 0 m 中红外3 0 6 0 m 远红外6 0 15 0 m 超远红外15 1000 m 近红外又称光红外或反射红外 中红外和远红外又称热红外 微波 1mm 1m 全天候遥感 有主动与被动之分 具有穿透能力 发展潜力大 2 遥感常用的电磁波波段的特性 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 18 三 电磁辐射源 1 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5900的黑体辐射来模拟 其辐射波长范围极大 辐射能量集中 短波辐射 大气层对太阳辐射的吸收 反射和散射 地球的电磁辐射 小于3 m的波长主要是太阳辐射的能量 大于6 m的波长 主要是地物本身的热辐射 3 6 m之间 太阳和地球的热辐射都要考虑 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 19 三 电磁辐射源 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 20 三 电磁辐射源 太阳辐射照度分布曲线 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 21 三 电磁辐射源 太阳与地球辐射的电磁波谱 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 22 三 电磁辐射源 2 人工辐射源 主动式遥感的辐射源 雷达探测 分为微波雷达 Radar 和激光雷达 Lidar 微波辐射源 采用0 8 30cm的无线电波为探测手段激光辐射源 工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达 激光雷达 测定卫星的位置 高度 速度 测量地形等 2020 4 6 南京大学地理与海洋科学学院 23 三 电磁辐射源 2020 4 6 24 南京大学地理与海洋科学学院 第二节地物的光谱特性 地物的反射光谱特性地物的发射光谱特性 2020 4 6 25 南京大学地理与海洋科学学院 第二节地物的光谱特性 任何地物都有自身的电磁辐射规律 如反射 发射 吸收电磁波的特性 少数还有透射电磁波的特性 地物的这种特性称为 地物的光谱特性 2020 4 6 26 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 地物的反射率 反射系数或亮度系数 地物对某一波段的反射能量与入射能量之比 反射率随入射波长而变化 影响地物反射率大小的因素 入射电磁波的波长入射角的大小地表颜色与粗糙度 2020 4 6 27 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 地物的反射光谱 地物的反射率随入射波长变化的规律 地物反射光谱曲线是根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线 地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理 不同地物在不同波段反射率存在差异 雪 沙漠 湿地 小麦的光谱曲线 2020 4 6 28 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 2020 4 6 29 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 同类地物的反射光谱具有相似性 但也有差异性 如 不同植物 植物病虫害地物的光谱特性具有时间特性和空间特性 时间特性空间特性 2020 4 6 30 一 地物的反射光谱特性 不同植物光谱曲线比较 2020 4 6 31 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 2020 4 6 32 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 时间特征 2020 4 6 33 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 各典型地物的光谱曲线植被光谱曲线土壤光谱曲线水体光谱曲线岩石光谱曲线 2020 4 6 34 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 植物的光谱曲线可见光波段 0 45 m附近区间 蓝色波段 有一个吸收谷 0 55 m附近区间 绿色波段 有一个反射峰 0 67 m附近区间 红色波段 有一个吸收谷 这一特征是由于叶绿素对蓝光和红光的吸收作用强 而对绿光反射作用强 近红外波段 从0 76 m处反射率迅速增大 形成一个爬升的 陡坡 至1 1 m附近有一峰值 反射率最大可达50 形成植被的独有特征 这一特征是由于植被叶细胞结构形成的高反射造成的 2020 4 6 35 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 植物的光谱曲线 2020 4 6 36 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 土壤的光谱曲线 自然状态下土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征 没有明显的反射峰和吸收谷 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 2020 4 6 37 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 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 m 1 9 m 2 7 m 反射率的下降尤为明显 2020 4 6 38 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 水体的光谱曲线可见光 纯净水体的反射主要在蓝绿波段 其它波段反射率很低 近红外和中红外 纯净的自然水体的反射率很低 几乎趋近于零 水中含有泥沙 可见光波段反射率会增加 峰值出现在黄红区 水中含有水生植物叶绿素时 近红外波段反射明显抬高 2020 4 6 39 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 水体判读水体在卫星图像上要较其他地物容易判读 尤其在近红外波段的影像上 由于水体对近红外的强烈吸收 水体为黑色 与周围地物的界限很清楚 湖 河 海以其外部形态 很容易区别 水中的泥沙含量等状况 在可见光短波影像上有显示 一般水浅或含沙量大的色调浅 水体明显易判的特点 常作为其他地物定点定位的标志 2020 4 6 40 南京大学地理与海洋科学学院 一 地物的反射光谱特性 岩石的光谱曲线岩石反射波谱与下列因素相关 矿物成分矿物含量物质结构等 2020 4 6 41 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 地物的发射率 任何地物当温度高于绝对温度时 组成物质的原子 分子等微粒 在不停地做热运动 都有向周围空间辐射红外线和微波的能力 通常地物的发射电磁辐射的能力是以发射率作为衡量标准 地物的发射率是以黑体辐射作为基准 2020 4 6 42 二 地物的发射光谱特性 黑体辐射1860年基尔霍夫 Kirchhoff 提出用黑体这个词来说明能全部吸收入射辐射能量的地物 黑体是指一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收 则该物体是绝对黑体 因此 黑体是一个理想的辐射体 黑体 在任何温度下 对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1 100 黑体辐射 BlackBodyRadiation 黑体的热辐射称为黑体辐射 2020 4 6 43 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 黑体辐射定律 1 普朗克热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律 2020 4 6 44 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 黑体辐射的三个特性 辐射通量密度随波长连续变化 每条曲线只有一个最大值 温度越高 辐射通量密度越大 不同温度的曲线不同 随着温度的升高 辐射最大值所对应的波长向短波方向移动 2020 4 6 45 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 2 斯忒藩 玻耳 尔 兹曼定律Stefan Boltzmann slaw即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加 它与温度的四次方成正比 因此 温度的微小变化 就会引起辐射通量密度很大的变化 是红外装置测定温度的理论基础 2020 4 6 46 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 3 维恩位移定律 Wien sdisplacementlaw随着温度的升高 辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动 2020 4 6 47 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 地物发射率 自然界中 黑体辐射是不存在的 一般地物辐射能量总要比黑体辐射能量小 如果利用黑体辐射公式 则需要增加一个因子 这个因子就是发射率 比辐射率 发射率是指地物的辐射出射度与同温度的黑体的辐射出射度的比值 常用表示 2020 4 6 48 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 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 greybody 发射率小于1 常数选择性辐射体 发射率小于1 且随波长而变化 二 地物的发射光谱特性 基尔霍夫定律 在一定温度下 地物单位面积上的辐射通量M和吸收率之比 对于任何物体都是一个常数 并等于该温度下同面积黑体辐射通量M黑 在给定的温度下 物体的发射率 吸收率 同一波段 吸收率越大 发射率也越大 2020 4 6 50 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 斯忒藩 波尔兹曼定律 发射率定义 基尔霍夫定律 地物的热辐射强度与温度的四次方成正比 所以 地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量较明显变化 红外遥感的理论依据 2020 4 6 51 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 黑体的微波辐射 任何物体在一定的温度下 不仅向外发射红外辐射 也发射微波辐射 二者基本相似 但微波是地物低温状态下的重要辐射特性 温度越低 微波辐射越明显 微波辐射比红外辐射弱得多 但技术上可以经过处理来接收 2020 4 6 52 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 瑞里 金斯公式黑体辐射的微波功率与温度成正比 与波长的平方成反比 微波波段与红外波段发射率的比较 不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多 因此 在可见光和红外波段中不易识别的地物 在微波波段中则容易识别 Nextslide 2020 4 6 53 南京大学地理与海洋科学学院 二 地物的发射光谱特性 54 二 地物的发射光谱特性 地物发射光谱地物的发射率随波长变化的规律 称为地物的发射光谱 按地物发射率与波长间的关系绘成的曲线 称为地物发射光谱曲线 若干种岩浆岩的发射光谱 典型地物的比辐射率曲线 2020 4 6 55 南京大学地理与海洋科学学院 第三节大气和环境对遥感的影响 大气对太阳辐射的影响大气窗口环境对地物光谱特性的影响 2020 4 6 56 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 太阳是被动遥感的主要辐射源 太阳光通过地球大气照射到地面 经过地面物体反射又返回 再经过大气到达传感器 传感器获取的能量经历入射和反射后两次受到大气的影响 2020 4 6 57 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 太阳辐射 太阳是遥感主要的辐射源 在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示 2020 4 6 58 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 太阳光谱相当于6000K的黑体辐射 太阳辐射的能量主要集中在可见光 其中0 38 0 76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46 最大辐射强度位于波长0 47 m左右 到达地面的太阳辐射主要集中在0 3 3 0 m波段 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 各波段的衰减是不均衡的 从太阳光谱曲线可以看出 2020 4 6 59 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 大气对太阳辐射的影响大气成分大气结构大气吸收作用大气散射作用 2020 4 6 60 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 1 大气成分与层次 结构 1 大气成分大气中的气体主要包括N2 O2 H2O CO CO2 N2O CH4及O3 表2 3 此外 悬浮在大气中的微粒有尘埃 冰晶 水滴等 这些弥散在大气中的悬浮物统称为气溶胶 形成霾 雾和云 2020 4 6 61 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 2020 4 6 62 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 2 大气层次 结构 大气层是围绕着地球的一层空气 它可分作四层 对流层 平流层 中间层和热层 增温层 2020 4 6 63 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 遥感所涉及到的空间范围包括地球的大气层和大气层外的宇宙空间 对流层在该层内经常发生气象变化 是现代航空遥感主要活动的区域 由于大气条件及气溶胶的吸收作用 使电磁波传输受到减弱 因此 在遥感中侧重研究电磁波在该层内的传输特性 平流层在该层内电磁波的传输特性与对流层内的传输特性是一样的 只不过电磁波传输表现较为微弱 不同的是在该层内 没有明显的上下混合作用 2020 4 6 64 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 中间层在该层内气温随高度增加而递减 大约在80km处气温降到最低点 约170K 是整个大气圈的最低气温 热层也称为增温层 该层内气温随高度增加而急剧递增 该层对遥感使用的可见光 红外直至微波波段的影响较小 该层中大气十分稀薄 处于电离状态 故称为电离层 它使得无线电波才能绕地球作远距离传递 热层受太阳活动影响较大 它是人造地球卫星绕地球运行的主要空间 大气外层离地面1000公里以上直至扩展到几万公里 与星际空间融合为一体 2020 4 6 65 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 氧气 小于0 2 m 0 155为峰值 高空遥感很少使用紫外波段的原因 臭氧 数量极少 但吸收很强 两个吸收带 对航空遥感影响不大 水 吸收太阳辐射能量最强的介质 到处都是吸收带 主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分 因此 水对红外遥感有极大的影响 二氧化碳 量少 吸收作用主要在红外区内 可以忽略不计 一 大气的吸收作用 2020 4 6 66 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 2020 4 6 67 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 2020 4 6 68 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 二 大气的散射作用 散射作用 太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变 并向各个方向散开 改变了电磁波的传播方向 干扰传感器的接收 降低了遥感数据的质量 影像模糊 影响判读 大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区 因此 散射是太阳辐射衰减的主要原因 2020 4 6 69 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 三种散射作用 瑞利散射 当微粒的直径比辐射波长小得多时 此时的散射称为瑞利散射 散射率与波长的四次方成反比 因此 瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大 紫外线是红光散射的30倍 0 4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍 瑞利散射对可见光的影响较大 对红外辐射的影响很小 对微波的影响可以不计 多波段中不使用蓝紫光的原因 2020 4 6 70 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 2020 4 6 71 南京大学地理与海洋科学学院 一 大气对太阳辐射的影响 米氏散射 当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射 云 雾的粒子大小与红外线的波长接近 所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视 无选择性散射 当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射 符合无选择性散射条件的波段中 任何波段的