电磁辐射与地物光谱特征课件

资源环境工程学院,第二章电磁辐射与地物光谱特征,ElectromagneticRadiationandSpectralCharacteristicsofRS,资源环境工程学院2012.02.22,资源环境工程学院,第二章电磁辐射与地物光谱特征,本章主要内容电磁波与电磁波谱ElectromagneticWave单位：W/m2,资源环境工程学院,辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，记为：I=d/ds;单位：W/m2,资源环境工程学院,辐照度（I)与辐射出射度（M)都是辐射通量密度的概念，不过I为物体接收的辐射，M为物体发出的辐射，两者都与波长有关。,资源环境工程学院,三、电磁波谱ElectromagneticSpectrum,电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短或者按频率的大小，依次排列一个连续的谱带。依次为：射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。,资源环境工程学院,实验证明，射线、射线、紫外线（Ultraviolet=UV）、可见光（visiblelight）、红外线（infrared=IR）、微波（microwave)、无线电波(radiowave)等都是电磁波，只是波源不同，波长（频率）也各不相同。,资源环境工程学院,电磁波谱,资源环境工程学院,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。,资源环境工程学院,电磁波谱,资源环境工程学院,TheElectromagneticSpectrum,资源环境工程学院,Wavelength,ThedistancefromonewavecresttothenextRadiowaveshavelongestwavelengthandGammarayshaveshortest!,资源环境工程学院,WavelengthUnits,MetersMorecommonlyinnanometers(1nm=10-9meters)AngstromsstillusedNamedforSwedishAstronomerwhofirstnamedthesewavelengths1nanometer=10Ao,资源环境工程学院,Speedoflight=wavelength(l)xfrequency=3x108m/sinvacuumWavenumber=1/wavelength(cm-1)FrequencyinGHz(1Hz=sec1),LanguageoftheEnergyCycle:TheElectromagneticSpectrum,资源环境工程学院,SolarSpectrum=Shortwavespectrum=visiblespectrum:,资源环境工程学院,TerrestrialSpectrum=LongwaveSpectrum=InfraredSpectrum=ThermalSpectrum:SaharaDesertonNimbus4Satellite,资源环境工程学院,EarthSpectrum,资源环境工程学院,ElectromagneticSpectrum,资源环境工程学院,资源环境工程学院,遥感技术中较多使用的是可见光、红外和微波波谱区间。可见光是使用最广泛的光谱；红外在于探测不可见的信息，远红外探测热辐射，扩大了遥感的应用；微波可以全天候观测，应用前景广泛。,资源环境工程学院,2、遥感应用的电磁波波谱段,紫外线：0.010.4m，太阳辐射含有紫外线，只有0.3-0.4m波长的紫外线部分能够穿过大气层，且能量很小。主要用于探测碳酸盐岩的分布和油污染的监测。碳酸盐岩在0.4m以下的短波区域对紫外线的反射比其它类型的岩石强。水面漂浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈。由于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收和散射作用，通常探测高度在2000米以下。,资源环境工程学院,可见光：是遥感中最常用的波段。尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用，它仍是遥感成像所使用的主要波段之一。在此波段大部分地物都具有良好的亮度反差特性，不同地物在此波段的图象易于区分。,资源环境工程学院,红外线：0.761000m。在遥感中主要利用315m波段，更多的是利用35m和814m。红外遥感是采用热感应方式探测地物本身的辐射（如热污染、火山、森林火灾等），所以不仅白天可以进行，夜间也可进行，能进行全天时遥感。,资源环境工程学院,微波:1mm1m。分为：毫米波、厘米波和分米波。微波辐射和红外辐射都具有热辐射性质。由于微波的波长比可见光、红外线要长，能穿透云、雾而不受天气影响，所以能进行全天时全天候的遥感探测。微波遥感可以采用主动或被动方式成像，另外，微波对某些物质具有一定的穿透能力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物。,资源环境工程学院,四、电磁辐射源,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。,资源环境工程学院,太阳辐射照度分布曲线,资源环境工程学院,太阳与地球辐射的电磁波谱,资源环境工程学院,人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。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。,资源环境工程学院,遥感探测离不开电磁辐射，包括自然辐射源和人工辐射源。自然辐射源主要是太阳辐射，特别是可见光、红外波段，其次是地球自身作为辐射源，主要是探测其红外波段。太阳、地球这些自然体具有复杂性，对其研究常常从理想状态进行，然后根据物体实际情况进行修正。因此，对辐射源辐射规律的研究首先从绝对黑体这一理想模型开始。,资源环境工程学院,绝对黑体BlackBody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%）的物体。或者说如果一个物体对任何波长的电磁辐射都全部吸收，这个物体就是绝对黑体。黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。,五、黑体物体辐射和实际物体辐射,资源环境工程学院,自然界中并不存在绝对的黑体，实用的黑体是由人工方法制成的，它只是一种理想的黑体模型，基本结构是能保持恒定温度的空腔。,人工制造的接近黑体的吸收体,黑色的烟煤，太阳辐射可以看作黑体辐射。,绝对黑体可以达到最大的吸收和最大的辐射。,资源环境工程学院,实验证明：黑体在某一单位波长间隔（+）的辐射出射度M与波长的关系曲线如下图。,2.黑体辐射规律,资源环境工程学院,不同温度的黑体辐射,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。,资源环境工程学院,(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。,h:普朗克常数6.6260755*10-34Ws2k:玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23WsK-1c:光速;:波长（m）;T:绝对温度（K）,资源环境工程学院,PowerSource:BlackbodyRadiation,PlancksLaw:Theamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperature,MaxPlanck(18581947)NobelPrize1918,Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengths,wavelength,资源环境工程学院,（2)斯忒藩玻尔兹曼定律Stefan-Boltzmannslaw整个电磁波谱的总辐射出射度为某一单位波长的辐射出射度M对波长的积分，得到斯蒂藩玻尔兹曼定律。,资源环境工程学院,斯忒藩波尔兹曼定律,用普朗克公式对波长积分即可导出斯忒藩波尔兹曼定律。,辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。,:斯蒂藩玻尔兹曼常数，5.67108Wm-2K-4,资源环境工程学院,（3）维恩位移定律Wiensdisplacementlaw,b:常数，2898*10-3mK,黑体温度越高，曲线的顶峰就越往左移，即往波长短的方向移动。,黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。,资源环境工程学院,如果一个物体，它的辐射最大值落在可见光波段，物体的颜色是会被看到的。随着温度的升高，最大辐射对应的波长逐渐变短，颜色由红外到红色再逐渐变蓝变紫。,加热后max的范围在0.5-0.7的铁棒一般来说，火焰中蓝色区域部分的温度要高于黄色区域部分.,资源环境工程学院,高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。,辐射最强部分波长,资源环境工程学院,辐射最强部分波长,常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66m）,资源环境工程学院,辐射最强部分波长,地球表面（27）为max9.7um,属于热红外波段（TIR);太阳表面（60000K)max范围为0.4um-0.7um,属于可见光部分。,资源环境工程学院,不同温度的黑体辐射,资源环境工程学院,3.实际物体的辐射,基尔霍夫定律Kirchhoffslawofradiation：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W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W黑。,资源环境工程学院,基尔霍夫定律解释,假设有一封闭的空腔，腔内为真空，腔内能量交换不可能通过传导和对流进行，只能以辐射方式进行。其次，腔内保持恒温不变，因此，每个物体向外辐射和吸收的能量必然相等。,资源环境工程学院,对于B1：B1=a1*I1,M1/a1=I1对于B2:B2=a2*I2,M2/a2=I2,吉尔霍夫证明：I0=I1=I2=I,仅与波长和温度有关，而与物体本身性质无关。,设M为辐射出射度，ai为吸收系数，Ii为辐照度。对于空腔内每个物体有Mi/ai=Ii；其中：i=0,1,n。,资源环境工程学院,假设B0为黑体，则a0=1，故有：,M1/a1=M2/a2=M0=I基尔霍夫定律,资源环境工程学院,基尔霍夫定量表现了实际物体的辐射出射度M与同一温度和同一波长区域的绝对黑体的辐射出射度的关系，ai是此条件下的吸收系数。,（2）实际物体的辐射,资源环境工程学院,对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。,发射率（热辐射率、比辐射率）：指实际物体的辐射出射度与同一温度下黑体辐射出射度的比值。基尔霍夫定律也可如下表示：,发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。,资源环境工程学院,按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体BlackBody：发射率为1，常数。灰体(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。,资源环境工程学院,一般辐射体和发射率,资源环境工程学院,P32-P33内容实际物体都可以看做辐射源，如果物体吸收本领越大，他的辐发射本领也越大，越接近于黑体。,资源环境工程学院,2.1太阳辐射,1、太阳常数：是指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直与太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。,第二节太阳辐射与地球辐射,资源环境工程学院,2、太阳光谱：通常指光球产生的光谱，光球发射的能量大部分集中于可见光波段。,资源环境工程学院,太阳光谱,资源环境工程学院,太阳辐照度分布曲线,资源环境工程学院,太阳光谱特性,大气层外太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致。,太阳辐射能量主要集中在近紫外到中红外，这波段范围能量最集中，变化最小；其他波段区间能量小，变化大。,遥感技术进行探测时，主要应用可见光、红外等稳定辐射，微波多用于主动遥感。,资源环境工程学院,海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很大的不同，其差异主要是地球大气引起的。由于大气中的水、氧、臭氧、二氧化碳等分子对太阳辐射的吸收作用，加之大气的散射使得太阳辐射产生很大的衰减，图中衰减最大的区间就是大气分子吸收最强的区间。,太阳光谱特性,资源环境工程学院,太阳辐照度在一年内由于时间、季节以及地理纬度的差异而经常变化。,太阳光谱特性,资源环境工程学院,当太阳倾斜入射时，与太阳垂直入射时的辐照度测量值不同，如果太阳倾斜入射，则辐照度必然产生变化并与太阳入射光线及地平面产生夹角，即与太阳高度角有关。,太阳辐照度与高度角的关系,资源环境工程学院,太阳辐照度与高度角的关系,面积S,资源环境工程学院,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：到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透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。,2.2地球辐射,资源环境工程学院,一、太阳辐射与地球辐射的分段性,太阳辐射近似于6000K的黑体辐射，最大辐射对应波长为0.47微米。地球辐射则接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射对应波长为9.66微米。,分段性：0.3-2.5um,地球辐射主要是反射太阳辐射；6um，地球辐射主要是热红外区段；2.5-6um,中红外波段，地球辐射既有太阳辐射的辐射也有自身的热辐射。,资源环境工程学院,资源环境工程学院,二、地表自身的热辐射,地球上不同物体的辐射由基尔霍夫定律决定，根据黑体辐射规律及描述黑体与实际物体辐射之间的关系的基尔霍夫定律：,地面物体的自身热辐射由比辐射率、温度、波长三个因素决定。,资源环境工程学院,地物的热辐射,温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱（特性)曲线。地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是不同的。热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。,资源环境工程学院,第三节大气及其对太阳辐射的影响,资源环境工程学院,一、大气的成分,大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分有关。大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。,资源环境工程学院,二、大气的结构,大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外层。对流层：航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。平流层：较为微弱。中气层：温度随高度增加而递减。热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。大气外层：1000公里以外的星际空间。,资源环境工程学院,三、大气对太阳辐射的影响,太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。,资源环境工程学院,资源环境工程学院,资源环境工程学院,（一）大气的折射现象,电磁波穿过大气层时，会产生传播方向的改变，也就是会产生折射现象。,大气密度越大，折射率越大；离地面高度越大，客气越稀薄，折射率也越小。,资源环境工程学院,（一）大气的反射作用,电磁波传播过程中的反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，而且波段不同其影响不同，削弱了电磁波的强度。,资源环境工程学院,（一）大气的吸收作用,大气对电磁波的吸收作用严重的影响传感器对电磁辐射的探测，导致太阳辐射强度衰减；吸收作用强的波段，辐射强度衰减越大，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气层；在太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些吸收带。,资源环境工程学院,大气对太阳辐射的吸收谱,资源环境工程学院,吸收带,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，包括2.5-3.0,5-7,0.94,7.13,1.38,1.86,3.24以及24u以上对微波的强烈吸收。因此，水对红外遥感有极大的影响。,资源环境工程学院,吸收带,二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。吸收峰主要在2.8u和4.3u。可以忽略不计。,资源环境工程学院,吸收带,臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带臭氧：数量极少，但吸收很强。0.2-0.32um，0.6um吸收带；对航空遥感影响不大。,资源环境工程学院,吸收带,氧气：小于0.2m；0.155为峰值。,资源环境工程学院,Absorption,Incontrasttoscatter,atmosphericabsorptionresultsintheeffectivelossofenergytoatmosphericconstituents.Thisnormallyinvolvesabsorptionofenergyatagivenwavelength.Themostefficientabsorbersofsolarradiationinthisregardare:WaterVapourCarbonDioxideOzone,资源环境工程学院,AbsorptionofEMenergybytheatmosphere,资源环境工程学院,传感器波段的选择,传感器的波段多设置在大气通过率比较高的区间，以避免大气吸收的影响。,资源环境工程学院,（四）大气的散射作用,散射作用：太阳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。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。,资源环境工程学院,三种散射作用,瑞利散射：由大气中原子和分子、如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起的。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。,资源环境工程学院,瑞利散射的特点,散射率与波长的四次方成反比；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。,资源环境工程学院,瑞利散射强度与波长的关系,资源环境工程学院,无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？,资源环境工程学院,米氏散射：大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的。当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。,资源环境工程学院,米氏散射特点,米氏散射强度与波长的二次方成反比；散射光向前方向比向后方向散射强度更强，方向性比较明显。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。,资源环境工程学院,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，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色？,资源环境工程学院,Scattering,Atmosphericscatteringistheunpredictablediffusionofradiationbyparticlesintheatmosphere.Threetypesofscatteringcanbedistinguished,dependingontherelationshipbetweenthediameterofthescatteringparticle(a)andthewavelengthoftheradiation().,资源环境工程学院,RayleighScatter,aNon-selectivescatterismoreofaproblem,andoccurswhenthediameteroftheparticlescausingscatteraremuchlargerthanthewavelengthsbeingsensed.Waterdroplets,thatcommonlyhavediametersofbetween5and100mm,cancausesuchscatter,andcanaffectallvisibleandnear-to-mid-IRwavelengthsequally.Consequently,thisscatteringis“non-selective”withrespecttowavelength.Inthevisiblewavelengths,equalquantitiesofbluegreenandredlightarescattered.,资源环境工程学院,Non-SelectivescatterofEMradiationbyacloud,资源环境工程学院,四、大气窗口,由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。就遥感传感器来讲，只能选择透过率比较高的波段，遥感观测才有意义。,资源环境工程学院,大气窗口概念,把电磁波透过大气层时较少被反射、吸收或散射的透射率较高的波段叫大气窗口。,资源环境工程学院,大气窗口,BACK,资源环境工程学院,1）0.31.3um：以可见光为主体的窗口，是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。陆地资源卫星的1-4波段，SPOT的HRV波段。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。,大气窗口的主要光谱段,资源环境工程学院,2）1.51.8,2.0-3.5um：近、中红外窗口，6095，扫描成像，白天记录；TM的5-7波段等用以探测植物含水量以及云雪或者用以地质制图。,大气窗口的主要光谱段,资源环境工程学院,3）3.55.5um：中红外窗口，6070，物体的热辐射比较强；除了反射太阳辐射外，地面物体也有自身辐射。白天夜间，扫描成像记录；NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93波段探测海面温度，获得昼夜云图。,大气窗口的主要光谱段,资源环境工程学院,4）814um：远红外窗口，超过80，主要来自物体热辐射能量，适于夜间成像，探测物体的地物温度。,大气窗口的主要光谱段,资源环境工程学院,5）0.82.5cm：微波窗口，由于具有穿云透雾能力，可以全天候工作。常用波段为0.8cm,3cm,5cm,10cm,有时扩展为0.05-300cm波段。,大气窗口的主要光谱段,资源环境工程学院,AtmosphericWindows,Somesensors,especiallythoseonmeteorologicalsatellites,seektodirectlymeasureabsorptionphenomenasuchasthoseassociatedwithCO2andothergaseousmolecules.NotethattheatmosphereisnearlyopaquetoEMradiationinthemidandfarIRInthemicrowaveregion,bycontrast,mostoftheEMradiationmovesthroughunimpeded-sothatradaratcommonlyusedwavelengthswillnearlyallreachtheEarthsurfaceunimpeded-althoughspecificwavelengthsarescatteredbyraindrops.,资源环境工程学院,第四节地面物体的反射光谱,遥感探测中很大部分被动遥感，传感器是可见光与近红外波段的探测器，这一波段地物发出的波谱主要是反射太阳辐射为主。,资源环境工程学院,1、地物的反射率（reflectivity）：（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,一、地物的反射率,资源环境工程学院,2、物体的反射,资源环境工程学院,资源环境工程学院,资源环境工程学院,资源环境工程学院,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：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。,资源环境工程学院,2）研究反射率随波长的变化规律，区分不同的物体。,资源环境工程学院,二、地物的辐射波谱曲线,同一物体的反射率曲线形态，反映出不同波段的反射率不同，研究不同波段的反射率并以此与传感器的相同波段和角度接收的辐射数据进行比较，可以得到遥感影像数据和对应地物的识别规律。,资源环境工程学院,（1）植被植被的反射波谱曲线规律性明显而独特，主要分三段：可见光波段有一个小的反射峰，位置在0.55m处;近