第二章-电磁辐射的基本原理PPT课件

.,1,第二章电磁辐射的基本原理,2.1电磁波的基本特征2.2电磁辐射源2.3地球大气对电磁辐射传输的影响2.4地物波谱特征2.5色度学,.,2,2.1电磁波的基本特性,电磁波是交变电磁场在空间的传播，它是物质运动、能量传递的一种特殊形式。基本特征：1.是一种横波2.在真空以光速传播3.具有波粒二象性：电磁辐射：电磁波能量的传递过程。电磁波在传递过程中遵循波的发射、吸收、反射、透射等传播规律。,.,3,电磁波谱,将各种电磁波按其波长（或频率）的大小,依次排列画成的图表。,.,4,紫外波段0.010.38m紫0.380.43m蓝0.430.47m青0.470.50m可见光波段0.380.76m绿0.500.56m黄0.560.59m橙0.590.62m红0.620.76m近红外0.763.0m红外波段0.761000m中红外3.06.0m远红外6.015.0m超远红外15.01000m毫米波110mm微波波段1mm1m厘米波110cm分米波10cm1m,.,5,.,6,.,7,2.2电磁辐射源,物体的热辐射热辐射：任何温度高于0K(273.16)的物体，其原子、分子都在不停地热运动（旋转和振动，带电粒子不停地发生能级的跃迁，从而放出或吸收能量），从而辐射出中、远红外的电磁辐射。辐射能的强弱及其随波长的分布取决于物体性质与温度的电磁辐射-热辐射（温度辐射）特点:不需通过介质,就能以光速将热从一物体传给其它物体。,.,8,绝对黑体（黑体）,在任何温度下，对任何波长的入射辐射的吸收系数恒等于1的物体（.T)1黑体是具有最大辐射能力的物体。发射率(比辐射率)物M物M黑（目标物的辐射量(辐射出射度)与同温度下的黑体辐射之比）,.,9,基尔霍夫定律,在同一温度下，任何物体发射某一波长电磁波的能力，与它对该波长电磁波的吸收能力成正比。即：良好的吸收体亦是良好的发射体。,.,10,物体按发射辐射特性的分类,1.黑体(Blackbody)1在任何温度条件下,对任何波长的电磁波的吸收率恒等于1,并可将吸收的电磁辐射全部辐射出去的物体。2.灰体(Graybody)1在任何温度条件下,对电磁波的吸收率都小于1,且不随波长变化的物体。3.选择性辐射体(吸收体)1吸收率(发射率)小于1,但随波长的变化而变化的物体.,.,11,太阳辐射和大地辐射,（一）太阳辐射.太阳光谱是连续的，其能量分布也是连续的；.太阳辐射的能量主要集中在可见光波段，约占太阳总光谱能量的46，其次是红外波段；.峰值波长为0.47m。,.,12,.,13,（二）大地辐射,大地辐射的能量来源主要为：太阳的短波辐射和地球内部的热能。而与大地辐射直接相关联的则是：地表的热平衡一方面：因太阳辐射引起地表增温，热能从地表向地壳一定深度传导；另一方面：地球内部的热能也要通过地壳向地表传递。两者在地下一定深度达到热量平衡,.,14,大地的长波辐射主要由太阳短波辐射转化而来-吸收可见光、近红外，发射中、远红外。大地辐射的能量分布：近红外至微波峰值波长9.7m大部分集中在814m(50)35m(1.0以下)1430m(30)平衡线在地球各处的深度不同,局部地区地内热对流使地表温度激增,形成热异常区。可用热红外遥感研究地热。,.,15,2.3地球大气对电磁辐射传输的影响,2.3.1大气基本组成1.不变成分:分子为主N2、O2约占99Ar、CO2、Ne、He、CH4、N2O共占1,.,16,2.可变成分:悬浮微粒为主烟、尘埃、雾霾、O3、水(固态、液态)、气溶胶（一种固体、液体的悬浮物）,.,17,2.3.2大气对电磁辐射传输的影响,1.大气吸收大气中气体分子对电磁波的吸收具有选择性O3:0.20.3m0.6m9.6mH2O:2.53.0m57m0.94,1.13,1.38,1.86,3.24mCO2:2.8m4.3m14.5m使太阳发射的连续光谱中的某些波段不能传播到地面-到达地面的太阳光谱成分发生改变。使地物的电磁波信息被减弱了强度或改变了成分-干扰了地物影像的真实色调。,.,18,2.大气散射-主要是各种微粒引起,比例因子q：表示散射的性质和强度与微粒半径r及波长之间的关系q2r/r:微粒半径(m)；:入射波长(m),.,19,（1）瑞利(Rayleigh)散射-分子散射,q1即r一般在r0.1m发生特点:.散射强度I散1/4.有方向性既有向前又有向后.散射光波长与入射光波长一致对遥感的影响:难以进行紫外遥感蓝光波段虽用，但影像反差小：晴朗的天空为蓝色，出现蓝色蒙雾,.,20,（2）米氏(Mie)散射-悬浮微粒散射,q3r由半径与波长相近的烟、尘、气溶胶等引起特点:散射强度I散01散射方向向前散射向后散射云雾对红外线的散射，主要是米氏散射（云、雾等的悬浮粒子的直径和0.7615m的红外线波长差不多）潮湿天气米氏散射影响较大,.,21,（3）无选择性散射,q3r散射强度与波长无关如:云层中水滴的散射,使云雾呈白色,.,22,散射对遥感信息的传输影响极大:,减小太阳辐射的直射强度;引起漫入射的天空光,使遥感器接受到的地面辐射强度减弱;增加大气散射引起的天空辐射,降低遥感影像的反差。,.,23,3.大气反射,大气顶界云层顶面反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量，且各波段均受到不同程度的影响，削弱了到达地面的太阳辐射的强度。,.,24,2.3.3大气窗口与遥感波谱通道,1.大气窗口(AtmosphericWindow)指地球大气对电磁波传输不产生强烈吸收作用的一些特定的电磁波段，即大气吸收相对弱的波段。或:能通过大气传输大部分电磁辐射的波长间隔大气对电磁波衰减较小，电磁波透过率较高的波段。,.,25,.可摄影窗口0.31.3m(摄影紫外可见光摄影红外).近红外窗口1.52.5m(1.51.72.02.5).中红外窗口35m(344.55).远(热)红外窗口814m.微波窗口0.8100.0cmX:2.43.8cm3cmL:15.030.0cm23.5cm,2.常用大气窗口与遥感波谱通道,.,26,2.4地物波谱特征,指物体辐射、反射的电磁波强度按波长分布的特性。即地物的辐射能量随波长改变而改变的特性地物的波谱特性。物体对不同波长，其反射、吸收、透射和发射电磁辐射的能力不同不同种类物体：颜色、物质成分、结构、物理性质、化学性质等不同，反(发)射电磁波波长、能量不同同类物体：在不同的自然条件下，因入射波波长、能量不同，反(发)射电磁波的本领也可能不同据此探测和识别地物遥感理论基础,.,27,地物波谱是以下工作的依据：.遥感识别地物(目视解译);.选择遥感器最佳工作波段;.校正大气传输过程中遥感信息的失真;.指导数字图像识别与处理。遥感技术重要的基础研究内容,.,28,2.4.1反射波谱,.定义:物体的反射率随波长变化的规律。.表示方法波谱曲线为便于对比研究，常将多种地物的波谱曲线绘于一图。曲线可表示：.地物对不同波长电磁波的反射率及反射率随波长的变化;.不同地物波谱曲线形态不同,同类地物波谱曲线形态相似。,.,29,.反射波谱曲线分析方法1.曲线位置高反射率高影像色调浅低反射率低影像色调深2.曲线形态波峰、波谷对应的波长峰、谷的高(深)度、宽度、对称度、斜率3.不同地物曲线之间的关系(交与离)实例：水体和植被的反射波谱曲线分析结论:不同类物体对同一波段反射率不同同类物体对不同波段反射率不同,.,30,不同地物波谱曲线形态不同,.,31,同类地物波谱曲线形态相似,.,32,.地物反射波谱测试地表反射主要波段:0.32.5m测试仪器:分光光度计光谱辐射计等测试方法:()V()/Vs()s()s()：标准板的反射率；V()、Vs()：被测物体、标准板的仪器测量值样品实验室测定野外实测与空中同步测试,.,33,2.4.2发射波谱,用曲线表示物体的辐射发射率随波长变化的规律。主要在：35m814m物体间的极小温差就会造成发射辐射能量的较大差异（MT4），所以实际应用中往往采用测量温度或发射辐射能量（热），来区分地物间的温差热红外图像识别地物的依据。亮度温度（TB）是发射率()与实际温度(T)的乘积TBT故可用辐射温度计测量TBTB/T,.,34,2.4.3地物波谱的时间效应和空间效应,1.时间效应指同一地点的相同地物,其波谱特性会随时间而产生一定的变化。这种由时间推移而导致的地物波谱特性的变化，称地物波谱的时间效应。多时相遥感的依据,.,35,2.空间效应在同一时刻,同一类地物,由于其所处的地理位置不同,其波谱特性可能会存在一定差异。这种由于所处空间位置不同导致的同类地物间波谱特性的变化，称为地物波谱的空间效应。,.,36,2.5色度学,物体按颜色分类：消色体：对入射光中各种波长的单色光进行非选择性吸收与反射的物体（黑、白、灰）彩色体：对入射光中各种波长的单色光进行选择性吸收与反射的的物体日光下，物体反射什么色光就呈什么颜色颜色的双重含义：物理量客观光谱具有特定波长感觉量主观颜色人眼的视觉感受,.,37,彩色三要素,1.色调(色别、色相)Hue:彼此相区分的彩色类别色彩给予人的视觉上某种特定的色彩感觉物体的色调取决于:.物体的反射光谱特性物体只具有对不同波长光波固定的吸收、反射和透射的光学特性，而没有固定的颜色。.光源的光谱成分,.,38,2.明度(明亮度)Lightness颜色在视觉上引起的亮暗感觉将判断物体表面反射率大小的感觉属性量化后得到的数值消色暗亮顺序：黑、浅黑、淡黑、深灰、灰、浅灰、灰白、白不同色别明度顺序：白100黄78.9橙69.85绿30.33红橙27.73纯红4.93青4.93暗红0.80紫0.13黑0.00同色别明度颜色深浅：明绿绿暗绿,.,39,3.饱和度(彩度纯度)Saturation色彩的纯洁程度决定于物体表面反射光谱辐射的选择程度。色彩饱和度高鲜明突出易感单调刺眼色彩饱和度低柔和协调、浅淡乏力对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，相反则越淡。饱和的彩色光中增加白光成分，相当于增加了光能，变得更亮，但饱和度却降低了。若增加黑色光的成分，相当于降低了光能，因而变得更暗，其饱和度也降低了。,.,40,三原色光原理,1.三原色光:指光谱中的红色、绿色、蓝色三种色光R0.70m700nmG0.5461m546.1nmB0.4358m435.8nm2.三原色光原理:不同比例三原色光合成无数彩色的原理。任何一种颜色均可由三原色按一定比例组合形成。,由色光相加和相减实验得知：红(R)，绿(G)，蓝(B)色光两两相加即可合成三种间色光。R+G=Y（黄光）G+B=C（青光）B+R=M（品红）两种色光相加成为白色的，这两色称为互补色，互补色也可由白光减去三原色得到。R+C=白B+