第二章 电磁辐射基本原理

1、第二章第二章 电磁辐射的基本原理电磁辐射的基本原理2.1 电磁波的基本特征电磁波的基本特征2.2 电磁辐射源电磁辐射源2.3 地球大气对电磁辐射传输的影响地球大气对电磁辐射传输的影响2.4 地物波谱特征地物波谱特征2.5 色度学色度学2.1 电磁波的基本特性电磁波的基本特性p电磁波电磁波是交变电磁场在空间的传播，它是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。物质运动、能量传递的一种特殊形式。p基本特征：基本特征：n1.是一种横波是一种横波n2.在真空以光速传播在真空以光速传播n3.具有波粒二象性：具有波粒二象性：p电磁辐射：电磁辐射：电磁波能量的传递过程。电磁电磁波能量的

2、传递过程。电磁波在传递过程中遵循波的发射、吸收、反波在传递过程中遵循波的发射、吸收、反射、透射等传播规律。射、透射等传播规律。电磁波谱电磁波谱将各种电磁波按其波长（或频率）将各种电磁波按其波长（或频率）的大小的大小,依次排列画成的图表。依次排列画成的图表。p紫外波段紫外波段 0.010.38m 紫紫 0.380.43 m 蓝蓝 0.430.47 m 青青 0.470.50 mp可见光波段可见光波段 0.380.76 m 绿绿 0.500.56 m 黄黄 0.560.59 m 橙橙 0.590.62 m 红红 0.620.76 m 近近 红红 外外 0.763.0 mp红外波段红外波段 0.76

3、1000 m 中中 红红 外外 3.06.0 m 远远 红红 外外 6.015.0 m 超远红外超远红外 15.01000 m 毫米波毫米波 110 mmp微波波段微波波段 1mm1m 厘米波厘米波 110 cm 分米波分米波 10cm1 m2.2 电磁辐射源电磁辐射源物体的热辐射物体的热辐射p热辐射：热辐射：任何温度高于任何温度高于0K(273.16)的物体，的物体，其原子、分子都在不停地热运动（旋转和振动，带其原子、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。量），从而辐射

4、出中、远红外的电磁辐射。p辐射能的强弱及其随波长的分布取决于物体性质与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温度的电磁辐射-热辐射（温度辐射）热辐射（温度辐射）p特点特点:不需通过介质不需通过介质,就能以光速将热从一物体传给其就能以光速将热从一物体传给其它物体。它物体。绝对黑体（黑体）绝对黑体（黑体）p在在任何温度任何温度下，对下，对任何波长任何波长的入射辐射的吸收系的入射辐射的吸收系数恒等于数恒等于1的物体的物体（.T) 1p黑体是具有最大辐射能力的物体。黑体是具有最大辐射能力的物体。p 发射率发射率(比辐射率比辐射率)物物 M物物M黑黑 （目标物的辐射量目标物的辐射量(

5、辐射出射度辐射出射度)与同温度下的黑体与同温度下的黑体辐射之比辐射之比 ）基尔霍夫定律基尔霍夫定律 p在同一温度下，任何物体发射某一波长电在同一温度下，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磁波的能力，与它对该波长电磁波的吸收能力成正比。能力成正比。 即：即：良好的吸收体亦是良好的发射体。良好的吸收体亦是良好的发射体。物体按发射辐射特性的分类物体按发射辐射特性的分类 p1.黑体黑体(Black body) 1 在在任何温度任何温度条件下条件下,对对任何波长任何波长的电磁波的吸收率恒的电磁波的吸收率恒等于等于1,并可将吸收的电磁辐射全部辐射出去的物体。并可将吸收的电磁辐射全部

6、辐射出去的物体。p2.灰体灰体(Gray body) 1 在在任何温度任何温度条件下条件下,对电磁波的吸收率都小于对电磁波的吸收率都小于1, 且不且不随波长变化的物体。随波长变化的物体。p3.选择性辐射体选择性辐射体(吸收体吸收体) 1 吸收率吸收率(发射率发射率)小于小于1,但随波长的变化而变化的物体但随波长的变化而变化的物体.太阳辐射和大地辐射太阳辐射和大地辐射 （一）太阳辐射（一）太阳辐射p.太阳光谱是连续的，其能量分布也是连太阳光谱是连续的，其能量分布也是连续的；续的；p.太阳辐射的能量太阳辐射的能量主要集中在可见光波段，主要集中在可见光波段，约占太阳总光谱能量的约占太阳总光谱能量的4

7、6，其次是红外，其次是红外波段；波段；p.峰值波长为峰值波长为0.47m。（二）大地辐射（二）大地辐射p大地辐射的能量来源主要为：大地辐射的能量来源主要为：太阳的短波辐太阳的短波辐射射和和地球内部的热能地球内部的热能。 p而与大地辐射直接相关联的则是：而与大地辐射直接相关联的则是：地表的热地表的热平衡平衡n一方面：因太阳辐射引起地表增温，热能从地表一方面：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；向地壳一定深度传导；n另一方面：地球内部的热能也要通过地壳向地表另一方面：地球内部的热能也要通过地壳向地表传递。传递。 两者在地下一定深度达到热量平衡两者在地下一定深度达到热量平衡p大地的

8、长波辐射主要由太阳短波辐射转化而来大地的长波辐射主要由太阳短波辐射转化而来- 吸吸收收可见光、近红外，可见光、近红外， 发射发射中、远红外。中、远红外。p大地辐射的能量分布：大地辐射的能量分布： 近红外至微波近红外至微波n 峰值波长峰值波长 9.7mn 大部分集中在大部分集中在 814m (50) 35m (1.0以下以下) 1430m (30) p平衡线在地球各处的深度不同平衡线在地球各处的深度不同,局部地区地内热对流局部地区地内热对流使地表温度激增使地表温度激增, 形成形成热异常区。热异常区。 可用热红外遥感可用热红外遥感研究地热。研究地热。2.3 地球大气对电磁辐射传输的影响地球大气对电

9、磁辐射传输的影响2.3.1 大气基本组成大气基本组成p1.不变成分不变成分: 分子为主分子为主n N2、O2 约占约占99nAr、 CO2、Ne、He、CH4、N2O 共占共占1p2.可变成分可变成分: 悬浮微粒为主悬浮微粒为主n烟、尘埃、雾霾、烟、尘埃、雾霾、 O3、水、水(固态、液态固态、液态)、气溶、气溶胶（一种固体、液体的悬浮物）胶（一种固体、液体的悬浮物）2.3.2 大气对电磁辐射传输的影响大气对电磁辐射传输的影响1. 大气吸收大气吸收p大气中气体分子对电磁波的吸收大气中气体分子对电磁波的吸收具有选择性具有选择性 nO3: 0.20.3m 0.6m 9.6m nH2O: 2.53.0

10、m 57m 0.94,1.13,1.38,1.86,3.24m nCO2: 2.8m 4.3m 14.5mp使太阳发射的连续光谱中的某些波段不能传播到地面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。到达地面的太阳光谱成分发生改变。p使地物的电磁波信息被减弱了强度或改变了成分使地物的电磁波信息被减弱了强度或改变了成分-干干扰了地物影像的真实色调。扰了地物影像的真实色调。2. 大气散射大气散射 - 主要是各种微粒引起主要是各种微粒引起p比例因子比例因子q：表示散射的性质和强度与微粒：表示散射的性质和强度与微粒半径半径r及波长之间的关系及波长之间的关系 q2r/

11、r :微粒半径微粒半径(m )；:入射波长入射波长(m)（1）瑞利瑞利 (Rayleigh)散射散射-分子散射分子散射pq1 即即 r 一般在一般在r 0.1 m发生发生p特点特点: n.散射强度散射强度 I散散 1 /4n.有方向性有方向性 既有向前又有向后既有向前又有向后n.散射光波长与入射光波长一致散射光波长与入射光波长一致p对遥感的影响对遥感的影响:n难以进行紫外遥感难以进行紫外遥感n蓝光波段虽用，但影像反差小：晴朗的天空为蓝光波段虽用，但影像反差小：晴朗的天空为蓝色，出现蓝色蒙雾蓝色，出现蓝色蒙雾（2）米氏）米氏 (Mie)散射散射-悬浮微粒散射悬浮微粒散射 pq 3 r 由半径与波

12、长相近的烟、尘、由半径与波长相近的烟、尘、气溶胶等引起气溶胶等引起p特点特点: n散射强度散射强度 I散散 01n散射方向散射方向 向前散射向后散射向前散射向后散射p云雾对红外线的散射，主要是米氏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（云、雾等的悬浮粒子的直径和 0.7615 m 的红外线波长差不多）的红外线波长差不多） p潮湿天气米氏散射影响较大潮湿天气米氏散射影响较大 （3） 无选择性散射无选择性散射 pq 3 r p散射强度与波长无关散射强度与波长无关 如如: 云层中水滴的散射云层中水滴的散射,使云雾呈白色使云雾呈白色散射对遥感信息的传输影响极大散射对遥感信

13、息的传输影响极大:p减小太阳辐射的直射强度减小太阳辐射的直射强度;p引起漫入射的天空光引起漫入射的天空光,使遥感器接受到的地使遥感器接受到的地面辐射强度减弱面辐射强度减弱;p增加大气散射引起的天空辐射增加大气散射引起的天空辐射,降低遥感影降低遥感影像的反差。像的反差。3.大气反射大气反射p大气顶界大气顶界p云层顶面云层顶面 p反射现象主要发生在云层顶部，取决于云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。弱了到达地面的太阳辐射的强度。2.3.3 大气窗口与遥感波谱通道大气窗口与遥感波谱通道 1.1.大

14、气窗口大气窗口(Atmospheric Window)p指地球大气指地球大气对电磁波传输不产生强烈吸收作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用的一些特定的电磁波段，即大气吸收相对，即大气吸收相对弱的波段。弱的波段。或或:p能通过大气传输大部分电磁辐射的波长间隔能通过大气传输大部分电磁辐射的波长间隔p大气对电磁波衰减较小，电磁波透过率较高大气对电磁波衰减较小，电磁波透过率较高的波段。的波段。p.可摄影窗口可摄影窗口 0.3 1.3m (摄影紫外摄影紫外 可见光可见光 摄摄影红外影红外)p.近红外窗口近红外窗口 1.5 2.5m ( 1.5 1.7 2.0 2.5 )p.中红外窗口中

15、红外窗口 3 5m ( 3 4 4.5 5 ) p.远远(热热)红外窗口红外窗口 814mp.微波窗口微波窗口 0.8 100.0cmnX: 2.4 3.8cm 3cmnL: 15.0 30.0cm 23.5cm2.常用大气窗口与遥感波谱通道常用大气窗口与遥感波谱通道2.4 地物波谱特征地物波谱特征p指物体辐射、反射的电磁波强度按波长分布的特性。指物体辐射、反射的电磁波强度按波长分布的特性。即即地物的辐射能量随波长改变而改变的特性地物的辐射能量随波长改变而改变的特性地物地物的波谱特性。的波谱特性。p物体对不同波长，其反射、吸收、透射和发射电磁辐物体对不同波长，其反射、吸收、透射和发射电磁辐射的

16、能力不同射的能力不同n不同种类物体：不同种类物体：颜色、物质成分、结构、物理性质、颜色、物质成分、结构、物理性质、化学性质等化学性质等不同，不同，反反(发发)射电磁波波长、能量射电磁波波长、能量不同不同n同类物体：同类物体：在不同的自然条件下，因入射波波长、能在不同的自然条件下，因入射波波长、能量量不同，不同，反反(发发)射电磁波的本领也可能射电磁波的本领也可能不同不同 据此探测和识别地物据此探测和识别地物遥感理论基础遥感理论基础 地物波谱是以下工作的依据：地物波谱是以下工作的依据：p.遥感识别地物遥感识别地物(目视解译目视解译);p.选择遥感器最佳工作波段选择遥感器最佳工作波段;p.校正大气

17、传输过程中遥感信息的失真校正大气传输过程中遥感信息的失真;p.指导数字图像识别与处理。指导数字图像识别与处理。遥感技术重要的基础研究内容遥感技术重要的基础研究内容2.4.1 反射波谱反射波谱 p .定义定义: 物体的反射率随波长变化的规律。物体的反射率随波长变化的规律。 p .表示方法表示方法波谱曲线波谱曲线 为便于对比研究，常将多种地物的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：绘于一图。曲线可表示：n.地物对不同波长电磁波的反射率及反射率随波地物对不同波长电磁波的反射率及反射率随波长的变化长的变化;n.不同地物波谱曲线形态不同不同地物波谱曲线形态不同, 同类地物波

18、谱曲同类地物波谱曲线形态相似。线形态相似。.反射波谱曲线分析方法反射波谱曲线分析方法p1.曲线位置曲线位置 高高反射率高反射率高 影像色调浅影像色调浅 低低反射率低反射率低 影像色调深影像色调深p2.曲线形态曲线形态n波峰、波谷对应的波长波峰、波谷对应的波长n峰、谷的高峰、谷的高(深深)度、宽度、对称度、斜率度、宽度、对称度、斜率 p3.不同地物曲线之间的关系不同地物曲线之间的关系 (交与离交与离)p实例实例：水体和植被的反射波谱曲线分析：水体和植被的反射波谱曲线分析结论结论: : 不同类物体对同一波段不同类物体对同一波段反射率不同反射率不同 同类物体对不同波段同类物体对不同波段反射率不同反射

19、率不同不同地物波谱曲线形态不同不同地物波谱曲线形态不同同类地物波谱曲同类地物波谱曲线形态相似线形态相似.地物反射波谱测试地物反射波谱测试p地表反射主要波段地表反射主要波段: 0.32.5mp测试仪器测试仪器: 分光光度计分光光度计 光谱辐射计等光谱辐射计等p测试方法测试方法: ()V() / Vs() s() s()s()：标准板的反射率；：标准板的反射率；V V()()、 V Vs() s() ：被测物体、标准：被测物体、标准板的仪器测量值板的仪器测量值n样品实验室测定样品实验室测定 野外实测野外实测 与空中同步测试与空中同步测试 2.4.2 发射波谱发射波谱 p用曲线表示物体的辐射发射率随

20、波长变化的规律。用曲线表示物体的辐射发射率随波长变化的规律。p主要在：主要在：35m 814mp物体间的极小温差就会造成发射辐射能量的较大差物体间的极小温差就会造成发射辐射能量的较大差异（异（MT4），所以实际应用中往往采用测量温度），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或发射辐射能量（热），来区分地物间的温差热热红外图像识别地物的依据。红外图像识别地物的依据。p亮度温度（亮度温度（TB）是发射率）是发射率()与实际温度与实际温度(T)的乘积的乘积TB T 故可用辐射温度计测量故可用辐射温度计测量TB TB / T2.4.3 地物波谱的时间效应和空间效应地物波

21、谱的时间效应和空间效应 1.时间效应时间效应 p指同一地点的相同地物指同一地点的相同地物,其波谱特性会随时其波谱特性会随时间而产生一定的变化。间而产生一定的变化。这种这种由时间推由时间推移而导致的地物波谱特性的变化移而导致的地物波谱特性的变化，称地物，称地物波谱的时间效应。波谱的时间效应。多时相遥感的依据多时相遥感的依据 2.空间效应空间效应p 在同一时刻在同一时刻,同一类地物同一类地物,由于其所处的地理由于其所处的地理位置不同位置不同,其波谱特性可能会存在一定差异。其波谱特性可能会存在一定差异。这种这种由于所处空间位置不同导致的同类地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物间波谱

22、特性的变化，称为地物波谱的空间，称为地物波谱的空间效应。效应。2.5 色度学色度学物体按颜色分类：物体按颜色分类： p消色体消色体：对入射光中各种波长的单色光进行：对入射光中各种波长的单色光进行非选择非选择性性吸收与反射的物体（黑、白、灰）吸收与反射的物体（黑、白、灰）p彩色体彩色体：对入射光中各种波长的单色光进行：对入射光中各种波长的单色光进行选择性选择性吸收与反射的的物体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日光下，物体反射什么色光就呈什么颜色 颜色的双重含义：颜色的双重含义：n物理量物理量客观客观光谱光谱具有特定波长具有特定波长n感觉量感觉量主观主观颜色颜色人眼的视觉感

23、受人眼的视觉感受彩色三要素彩色三要素1.1.色调色调 ( (色别、色相色别、色相) Hue) Hue: 彼此相区分的彩色类别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色彩给予人的视觉上某种特定的色彩感觉 p物体的色调取决于物体的色调取决于:n. 物体的反射光谱特性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。射的光学特性，而没有固定的颜色。n. 光源的光谱成分光源的光谱成分 2. 2. 明度明度 ( (明亮度明亮度) ) Lightness 颜色在视觉上引起的亮暗感觉颜色在视觉上引起的亮

24、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的数值p消色暗亮顺序：消色暗亮顺序： 黑、浅黑、淡黑、深灰、灰、浅灰、灰白、白黑、浅黑、淡黑、深灰、灰、浅灰、灰白、白p不同色别明度顺序：不同色别明度顺序：白白100 黄黄78.9 橙橙69.85 绿绿30.33 红橙红橙27.73 纯红纯红4.93 青青4.93 暗红暗红0.80 紫紫0.13 黑黑0.00p同色别明度同色别明度颜色深浅：明绿颜色深浅：明绿 绿绿 暗绿暗绿3.3.饱和度饱和度 ( (彩度彩度 纯度纯度) ) Saturation 色彩的纯洁程度色彩的纯洁程度决定于物体表面反射光

25、谱辐射的选择程度。决定于物体表面反射光谱辐射的选择程度。p色彩饱和度高色彩饱和度高鲜明突出鲜明突出易感单调刺眼易感单调刺眼p色彩饱和度低色彩饱和度低柔和协调、浅淡乏力柔和协调、浅淡乏力p对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，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。相反则越淡。p饱和的彩色光中增加白光成分，相当于增加了光能，变得更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。亮，但饱和度却降低了。p若增加黑色光的成分，相当于降低了光能，因而变得更暗，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。其饱和度也