电磁辐射与地物光谱特性

1、1.第二章遥感的物理基础0 &艸5L #睦也&野亦遅IC本章主要内容k电石玆波与电石玆波谱 ” 也物的光谱特I生尸大气和环境对遥感的影响第一节电磁波与电磁波谱卜电疏反及其特性:电滋咬谱九滋辐射源电磁波及其特性2. 机械波声波、水波和地震波3. 电石立波（ElectroMagnetic Spectrum由振源发岀的电磁振荡在空气中传播30 &艸5L #睦也&野亦遅IC3. 电石玆耳茁射：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。"住电石玆波的特性1)2)3)电石玆波是横波电磁波在传播过在真空中以光速传播 电磁波具有波粒二象性:程

2、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。斗波动彳生：电石雄波妊以波动的开三式在空用1传扌番 的，因此具有波动性 粒子彳生：它是由密乘的光子微粒组成的，电 碇辐射的实质是光子微粒的冇规彳拿的运动O 电石兹:波白勺粒子，|生，T吏讶电磯等畐射白勺另皂量具有 统计性嬢&师SL#wt也& 5忘潅昔理李忧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； 波主愈 长，辐射的波动特彳生愈明显。嬢&师SL#wt也& 5忘潅昔理李忧电磁波谱电磁波谱:将各种电磁波在真空中的波长按其梅 短，依次排列制成的图表。在电石

3、慈波谱中，波长最长的足无线电波，其按波 长可分为长波、中波、短波和微波。波长最砸的和, 鈔线电磁波的波长不同，足因为产生它的波源不同。2>遛感常用旳电磁波波段B勺特唯0 &师at手优池&厂轡液昔理李忧金&卿at #贬屯&为俺遅昔理学忧More than meets the eye!The»Eiectromagnetic SpectruiInvisibleInvisiblelatTwrwclMicrowiwJRadio Waw.r(He-ision Wavesrvian, *Ultr/aviolelFlareVisible j3oMrFl”fj i

4、wirr treltarGamma Ray & X«aysGtthxkrast»eUac9<xind rMUrwi( IK)Inrrarodbujthlirra;Sour !<)eclrvm.MicrowaveExamples from Space0 &师at手优池&厂轡液昔理李忧ray1(1适虑瓜预Wavelength The distance from one wave cres nextFigure 1. Eiectromagoelic Spectrum会归迄我mtamix«yU1 l(fRadio waves have

5、longest wavelength and Gamma rays have shortest!Wavelength Units Meters (like on last slide and inbook, p. 613). More commonly in nanometers (1 nm = 109 meters) Angstroms still used Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths 1 nanometer = 10 A°师at #睦也&与渓淤Language of the

6、Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumRadio wavesMb crowd vesInfrared 1ryV- -XVJ Speed of light = wavelength (入)x fre(|uency=3 x I0K m/s in vacuum Wavenumber = 1/ wavelength ( cm') Frequency in GHz (1 Hz = sec ")En ergyVis*>e Light0kAtovelengthjX-ra /sGann ma1500Wavelength “zrn丿=匚古 E、

7、三 aJUD-DDM .720/)=visible soectrum：25000.4Sun at 6000K; peak emission at 0.5Terrestrial Spectrum = LongwaveSpectrum 二 Infrared Spectrum 二Thermal Spectrum:Sahara Desert on Nimbus 4 SatelliteCD275©250、SIS9003 徳Wovenutnber (cm 9Theoret'ical Planck curves: Earth 300K,"300Ka-._eak emission

8、-15 pim .bO?010Earth Spectrum一二-1- 二裏High energyShort wavelength / high frequencyEmitted at high T嬢&师st#痕也&号济遅営理学忧2、遛感索用的电髓波波輕紫夕卜线（UV）: 0.01-0. 411m,碳酸盐岩分布水面 油污染。*»可见光：0. 4-0. 76 um,鉴别物质特征的主要波段; 是遥感最常用的波段。» 红夕卜线（IR） : 0. 76-1000 umo 近红外0. 76-3. 0 卩办中红外3.0-&0 u m；远红外6. 0-15. 0 n

9、 m；超远 红外15-1000 n m0 （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：1 mm-1mo全天候遥感；有主动与被动之分：具 有穿透能力；发展潜力大。三、电磁辐射源1. 自然辐射源> 太阳 辐射：Jt可见光和近红外的主耍辐射源; 常用5900的黑体辎射来棋扌以； 其辐射波长范围 极大；百岳令M皂量集中短波華5射。大耗层对太 阳年畐射白勺吸收、反射才口为夂射。P 地球 的 电琏極金h 小于3 “ 111的波长主耍是 太B日奇鬲射白勺并皂透； 大于6“111白勺波长， 主要是地物本身的热耳畐射；3-6 um之丿旬， 太阳奔口地 球白勺热辐射都要考虑。0舗师31#

10、陀也&野亦遅昔捉李悅2. 人I辐士 ：写：主动式遂感的辐射源鲁雷 达採测。分为微汝雷达和激光雷达。 微波辐咐源：O.8-3Ocm 激光辐射源：激光雷达一测定卫星的住 置.高度.速度、测量地形等。0舗师31#陀也&野亦遅昔捉李悅第二节地物的先谱曹任何地畅群有目身的电磁辐射规律， 如反射、发射、吸収电磁波的特性。少 数还有透射电璇波的特惟。地彬的这种 特惟称为：如彬的先谱特牲。卿51#痕也&野渓遅昔理李忧.他场的魁U蒔将性地物的反射率、吸收率和透射率- 对于禁疲段反射率嵩的地肠，其浹收率就低， 即为弱辐射体；反之，吸收率壽的地杨，其反 射率就低。卿51#痕也&野渓遅

11、昔理李忧2.地物的反射光谱：地物的反射率随入 射波长变化的规律。1）地物&射光谱荊线:根据地畅反琳帛 与汶长之间的关糸而绘成的曲线。地 杨电礙及光谱特征的豊异是遥感识别 地杨性质的基本斥理。2）不同地物在不同波段反射率存在差异:雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线尸传感春探测汰段的沒计，是通过分析 比较地肠光谱救据而确走的。 厂多光谱扣描仪fMSSJ的it段谡计:厂 MSSl(0.5-0.6 it m)x MSS2(0.6-0.7 口 m) MSS3(0.7-0.8 4 m)” MSS4(0.8-l.l |im)0 &师51 手痕龟&号亦遅萤理学忧3）同类地物的反射光谱具有相

12、似性，悒也 有差异性。不同杭杨；植4）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0 &师51 手痕龟&号亦遅萤理学忧二.地扬的支轴光诰特性地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量 标准；地物白勺发射率是以黑体斗畐射作K参 照标准。1. 黑体：在任何温度下，对各科波长的赵直 辐射的吸收糸数等于1 C100%；的杨体。2. 黑体辐射(Elack Body Radiation ):黑体的 热辐射称为黑体辐射O1. Power Source: Blackbody RadiationPlanck's Law:NUxRane* UZ-1947、NotPnz。讪 8wav

13、elength6?0KUDC=EJ £ 歹 faa GJEmission from warm bodies peak at short wavelengthsThe amount and spectrum of radiati on emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperatureora3、黑体辐射疋律(1)朗克热辐射定律農示出了黒体辐射適量密夂与応度的关糸以及按咬长分布的规律。1chiAkT-li，mK'询wKMKn»K匕3:5、M WSITM2tt黑体辐射的三个特性(PX.辐射通量窓

14、度随汝长连续变化，毎条曲 线只有一个最丸值。B. 温度越高，辐射通量密度越丸，不同温 度的曲线不同。C. 随着温度的升高，辐射最丸值所对应的 波长向短疫方向移动。(2)玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmann fs law2 Jthc 2X即黑体，迄芍鬲射通妊随温度白勺土曾加而 迅速土曾加，它与温度的四次方成正比。 因此，沮度的微划、变彳匕，就会弓I起卑畐 射通雄密度彳艮大的变1匕。崔红夕卜装賈 测定温度的理论基础。d/L = crT4 ch / AkT - l e(3)维恩位移定律；Wienfs displacement law随着溫度的升高，辎射最大值对应 的峰值波长向短波方向移动。温

15、度3(>050()KMK)2IXX)3<KM)44M)O5(M)060007(XX)波K9665 K02. 90H 450o 970 720. 5«0. 4H(L 4I0 &网51手叱也&乌轡遅管理辛定4、地物的发射率和基尔霍夫定律1) 发射彳(Einissivily )：地场的输 射出射夂(单住而积上发出的 辐射忠通量丿W与同锻下的黑 体縞射出射度W瓦的比值。它也 走邊感探测的基心和岀发点。影响地物发射率的因索：地物的性质.表面状况.温反 (上匕热、热慣愛):上匕热夫.热惯时大. 以及其有1*温作用 的地物.一般发射率大.反之 发射平就J、。按照发肘率与

16、波云的笑案，把地彬分为： ”黒体戎绝对黑体：发射半为1,常敕。 /灰体(grey body):发銅率小于1,常救 厂选择性辐射体：反射率小于1,且随减长而 炙化。0«艸范#痕龟&野亦遅竄理辛忧2） 基尔霍夫定律 在一定沮度下.地物单 位面积上的弁畐射通量W牙口吸收率之上匕， 对 于任何物体都是一个常数，并等于该温 度下同面积黑体弄畐射通登肝龌Wa一叫-£ = a衣给:t的温度下，肠体的发射準=沒收率C同一欢 技）I吸收率越大，发射率也越大。 W = SO-T4地肠的热辎射强度与温度的呵次方成正比，所以，地肠 磁小的温度羌异就会引起红外犒射能童的朗显吏化。这 种特征构

17、成了红外遥感的理论基砒。5、黑体的微波辐射1）任何杨体在一定的温度下，不仅向為| 射红外辐射，也发射微疫辐射。二者基 本相似O但後攵波是地炀低温状态下的重 要辐射特性，温度越低，微汝辐射越朗 显O2）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。3）瑞里一金斯公式黑体辐射的微疫功率与温度成正比, 与疵长的平方成皮比。2kT师at #醴也&总亦遅昔理辛忧做汝疫段与红外汶段发射率的比较：不同地 肠之问做次发射率的差异此红外发射率要明显得 多.因此.在可见光和红外次段中不易识别的地 杨.在微次汝段中则总易钗别。（表2-6丿a 2 6不同地物微波波段与红外波段发射率的比较液地液段微波

18、红外物、入=3cmA 3mm入=iOum入=4um钢0. 000. 000. 60. 90. 60. 9水0. 380. 630. 990. 96干沙0. 900. 860. 950. 83混*（上0. 860.920.900. 916.地物的发射光谱(D 发射 光谱：地扬的发射率咗汝长变幺益 规律。 发射光谱曲线.：按照发射率和汝长之问 的关糸绘成的曲线。 岩石的发射光谱分析(图2-12J亮度温度：衡量地畅辐射特征的重要指标。指等 肠体的辐射功率等于禁一黑体的辐射仍率对， 该黒体的绝对温度即为免度显度。The temperature of the black body which radia

19、tes the same radiant energy as an observed object is called the brightness temperature of the object. 亮度锻度与卖地锻度的关糸：兔、小于实地温度。0 &师3L手醴龟&勺淒遅昔理学忧三.地场的血划光曙特性透射率：入射光透射过地物的能量与入射总 能量的百分比。透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。可见光、红外、微波的透射能力。0 &师3L手醴龟&勺淒遅昔理学忧第三节 大气和环境对遥感的影响大气的成分和结构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大气的

20、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。这种特性与以和艮Q出乃龙方升关。 大气的成分： 多种化体、固态科液态越浮的做 粒浪合组成的。 大r物质与太阳季畐射相互作用. 赴太阳耳畐射衰 减的重要原因。0暫河5L #痕也&勺济遅昔理辛呢二、大气的结构大乞的垂直分层：对流层、 平流层、中乞层、然层和 大乞外层。对流层:航空遇感活动 区。遥感侧莹研究电磁波 在该层内的传输待性C 平流层：校为微弱C 中代层：温度随高度土曾加热层：增浪區。厄离見 卫星的运行空间。大气夕卜层：000公里以夕卜 的星际空间。三、大气对太阳辐射的影响太阳辐射的袁减过程：；（）被云屉反Mt回：I技大代吸

21、收：22%披大V败时；31%剧达地面。（EB2-3） 大气的透射率公式： 迅M來与路俚、夫代的吸收、 散射有关c嬢&师81#瞇也&耳论遅管理孚忧liuliiect Radiation20%Radiation Reflected DovyrixLidAbsoitied by Clo19% Absorbed in tlie Atmosphere16%Ab>prbed by Gases and Dust21% 6%Direct Radiation Absorbed D .:Radiation Scattered DownwardKeflection, Scattering and Absurptioi丄 o