枣庄学院旅游与资源环境系

第二章电磁辐射与地物

光谱特征王大鹏枣庄学院旅游与资源环境系遥感导论本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响第二章电磁辐射与地物光谱特征§2.1电磁波谱与电磁辐射电磁波波：振动的传播称为波。纵波：如果质点的振动方向与波的传播方向相同，称纵波。横波：若质点的振动方向与波的传播方向垂直，称横波。电磁波：由振源发出的电磁振荡在空气中传播，在近代物理中电磁波也称为电磁辐射。电磁波与机械波的区别：机械波必须有传播介质，而电磁波在真空中也能传播，它是通过电场和磁场相互联系传播的。§2.1电磁波谱与电磁辐射电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播满足：f·λ=C；E=h·f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。电磁波传播到固体、液体、气体介质时会发生反射、折射、吸收、透射等现象，遇到粒子还会发生散射。§2.1电磁波谱与电磁辐射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。按照波长递增频率递减的顺序可以划分为：γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。遥感中多使用可见光、红外和微波波段。§2.1电磁波谱与电磁辐射紫外线波长：0.01~0.38μm特征：1.对紫外线吸收较强。2.能使溴化银底片感光。应用：1.用于测定碳酸岩的分布。2.用于油污检测。§2.1电磁波谱与电磁辐射可见光波长：0.38~0.76μm特征：1.由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光组成。2.人眼可以分辨应用：1.鉴别物体的主要波段。2.以光学摄影方式和扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征。§2.1电磁波谱与电磁辐射红外线波长：0.76~1000μm近红外（0.76~3.0μm

）

中红外（3.0~6.0μm

）

远红外（6.0~15.0μm

）

超远红外（15~1000μm

）特征：1.近红外性质与可见光相似。2.中、远、超远红外胃热红外。应用：1.利用红外遥感可在夜间工作。2.红外线不易发生散射。§2.1电磁波谱与电磁辐射微波波长：4mm~1m特征：1.微波辐射属热辐射性质。2.具有穿透云雾，不受天气影响的特征，可进行全天候遥感探测。3.对植被、冰雪、土壤等表层覆盖物有一定的穿透能力。应用：1.可以采用主动或被动的方式成像，是最具发展潜力的遥感波段。§2.1电磁波谱与电磁辐射§2.1电磁磁波波谱谱与与电电磁磁辐辐射射辐射射源源：：能够够向向外外辐辐射射电电磁磁波波的的物物体体。。任任何何物物体体都都能能够够吸吸收收其其他他物物体体对对它它的的辐辐射射，，也也能能向向外外辐辐射射电电磁磁波波。。自然辐射源人工辐射源——人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）太阳辐射——可见光及红外遥感的重要辐射源地球电磁辐射——远红外遥感的辐射源§2.1电磁磁波波谱谱与与电电磁磁辐辐射射辐射射测测量量辐射射能能量量（（W））：：电磁磁辐辐射射的的能能量量，，单单位位：：J。。辐射射通通量量φφ：：单位位时时间间内内通通过过某某一一面面积积的的辐辐射射能能量量，，φφ=dW/dt，，单单位位是是W；；辐辐射射通通量量是是波波长长的的函函数数，，总总辐辐射射通通量量应应该该是是各各谱谱段段辐辐射射通通量量之之和和或或辐辐射射通通亮亮的的积积分分值值。。辐射射通通量量密密度度（（E））：：单位位时时间间内内通通过过单单位位面面积积的的辐辐射射能能量量，，E=dφφ/DS，，单单位位是是W/M2，S为为面面积积。。§2.1电磁磁波波谱谱与与电电磁磁辐辐射射辐射射测测量量辐照照度度（（I））：：被辐辐射射的的物物体体表表面面单单位位面面积积上上的的辐辐射射通通量量，，I=dφφ/DS，单单位位是是W/M2，S为为面面积积。。辐射射出出射射度度（（M））：：辐射射源源物物体体表表面面单单位位面面积积上上的的辐辐射射通通量量，，M=dφφ/DS，单单位位是是W/M2，S为为面面积积。。辐照照度度与与辐辐射射出出射射度度都都是是辐辐射射通通亮亮密密度度的的概概念念，，不不过过I为为物物体体接接收收的的辐辐射射，，M为为物物体体发发出出的的辐辐射射。。它它们们都都与与波波长长λλ有有关关。。§2.1电磁磁波波谱谱与与电电磁磁辐辐射射辐射射测测量量辐射射亮亮度度（（L））：：假定定有有一一辐辐射射源源呈呈面面状状，，向向外外辐辐射射的的强强度度随随辐辐射射方方向向而而不不同同，，则则L定义义为为辐辐射射源源在在某某一一方方向向，，单单位位投投影影表表面面，，单单位位立立体体角角内内的的辐辐射射通通量量，，即即辐射亮度度与观察察角无关关的辐射射源，称称为朗伯伯源。太太阳通常常近似地地被看作作朗伯源源。严格格地说，，只有绝绝对黑体体才是朗朗伯源。黑体：黑体是““绝对黑黑体”的的简称，，指在任任何温度度下对任何波长长的电磁磁辐射都都能完全全吸收的的物体。。黑体辐射射(BlackBodyRadiation)：：黑体的热热辐射称称为黑体辐射射。黑体是一一种理想想的吸收收体，自自然界没没有真正正的黑体体。黑色的烟煤煤因其吸吸收系数数接近99%，，被认为为是最接接近绝对对黑体的自然物物质。恒恒星和太太阳也被被看作是是最接近近黑体辐辐射的辐辐射源。黑体模拟试验经n次反射出射能量为当n≥10时说明已接近吸收全部能量§2.1.3黑体辐射射1.绝对对黑体§2.1.3黑体辐射射(1)朗朗克热辐辐射定律律表示出了了黑体辐辐射通量量密度与与温度的的关系以以及按波波长分布布的规律律。2.黑体体辐射规规律辐射出射度k=1.38×10-23J/K，波耳兹曼常数h=6.63×10-34Js，普朗克常数§2.1.3黑体辐射射2.黑体体辐射规规律黑体辐射射的三个个特性辐射通量量密度随随波长连连续变化化，每条条曲线只只有一个个最大值值。温度越高高，辐射射通量密密度越大大，不同同温度的的曲线不不同。随着温度度的升高高，辐射射最大值值所对应应的波长长向短波波方向移移动。2.黑体体辐射规规律§2.1.3黑体辐射射(2)玻玻耳兹曼曼定律Stefan-Boltzmann‘slaw：即即黑体总总辐射通通量随温温度的增增加而迅迅速增加加，它与与温度的的四次方方成正比比。因此此，温度度的微小小变化，，就会引引起辐射射通量密密度很大大的变化化。是红红外装置置测定温温度的理理论基础础。M=σT4σ为玻尔兹兹曼常数数，σ=5.67×10-8W·m-2·K-4§2.1.3黑体辐射射(3)维维恩位移移定律：：Wien'sdisplacementlaw：：随着温温度的升升高，辐辐射最大大值对应应的峰值值波长向向短波方方向移动动。2.黑体体辐射规规律温度3005001000200030004000500060007000波长9。665。802。901。450。970。720。580。480。41λmax×T=bb为常数，，b=2.898××10-3m·K§2.1.3黑体辐射射(1)基基尔霍夫夫定律：：在一定温温度下，，地物单单位面积积上的辐辐射通量量M和吸吸收率αα之比，，对于任任何物体体都是一一个常数数，并等等于该温温度黑体体的辐射射通量密密度。α(λ,T)=M(λ,T)/Mb(λ,T））ε=α发射率等等于吸收收率，好好的吸收收体也是是好的发发射体，，如果不不吸收某一波波长的电电磁波，，也不发发射该波波长的电电磁波3.实际际物体的的辐射§2.1.3黑体辐射射(2)实实际地物物的辐射射发射率(Emissivity)：地物的辐辐射出射射度（单单位面积积上发出出的辐射总通量量）W与同温下下的黑体体辐射出出射度W0的比值，，记作ε。它也是遥感感探测的的基础和和出发点点。ε=W/W0影响地物物发射率率的因素素：地物的性性质、表表面状况况、温度度（比热热、热惯量））：比热热大、热热惯量大大，以及及具有保保温作用用的地物物，一般般发射率大大，反之之发射率率就小。。3.实际际物体的的辐射§2.1.3黑体辐射射3.实际际物体的的辐射按照发射射率与波波长的关关系，把把地物分分为：黑体或绝绝对黑体体：发射射率为1，常数数。灰体(greybody)：发射射率小于于1，常常数选择性辐辐射体：：反射率率小于1，且随随波长而而变化。。§2.2太阳辐射射与大气气的作用用2.2.1太阳阳辐射太阳辐射射是可见见光和近近红外的的主要辐辐射源；；常用5900K的黑体辐辐射来模模拟；其其辐射波波长范围围极大；；辐射能能量集中中-短波波辐射。。大气层层对太阳阳辐射的的吸收、、反射和和散射。。太阳常数数：指不受大大气影响响，在距距离太太阳阳1个天天文单位位内，垂垂直于太太阳光辐辐射方向向上，单单位面积积单位时时间黑体体所接受受的太阳阳辐射能能量：I=1.36×103W/M2§2.2.1太阳辐射射可见光谱区30060090012001500180021002001000150020002500大气上界太阳辐照度海平面太阳辐照度波长

λ/μm

Iλ/（W·m-2

·μm）太阳辐照照度分布布曲线§2.2.2大气大气结构构对流层：：航空空遥感活活动区。。遥感侧侧重研究究电磁波波在该层层内的传传输特性性。平流层：：较为微微弱。中气层：：温度随随高度增增加而递递减。热层：增增温层。。电离层层。卫星星的运行行空间。。大气外层层：1000公公里以外外的星际际空间。。大气成分分大气的成成分：多种气体体、固态态和液态态悬浮的的微粒混混合组成成的。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，，CH4，O3悬浮微粒粒：尘埃埃大气的传传输特性性：大气对电电磁波的的吸收、、散射和和透射的的特性。。这种特特性与波长和大气的成成分有关。大气物质质与太阳阳辐射相相互作用用，是太太阳辐射射衰减的的重要原原因。§2.2.2大大气§2.2.3大大气对对太阳辐辐射的影影响§2.2.3大大气对对太阳辐辐射的影影响太阳辐射射的衰减减过程：30%被被云层反反射回；；17%被大气气吸收；；22%被大气气散射；；31%到达地地面。大气的透透射率：透射率与与路程、、大气的的吸收、、散射有有关。§2.2.3大大气对对太阳辐辐射的影影响（一）大大气的吸吸收作用用氧气：小于0.2μm；0.155为峰峰值。高高空遥感感很少使使用紫外外波段的的原因。。臭氧：数量极少少，但吸吸收很强强。两个个吸收带带；对航航空遥感感影响不不大。水：吸收太阳阳辐射能能量最强强的介质质。到处处都是吸吸收带。。主要的的吸收带带处在红红外和可可见光的的红光部部分。因因此，水水对红外外遥感有有极大的的影响。。二氧化碳碳：量少；吸吸收作用用主要在在红外区区内。可可以忽略略不计。。尘埃：吸收量很很小。§2.2.3大大气对对太阳辐辐射的影影响（二）大大气的散散射作用用散射作用用：太阳辐射射在长波波过程中中遇到小小微粒而而使传播播方向改改变，并并向各个个方向散散开。改变了电电磁波的的传播方方向；干干扰传感感器的接接收；降降低了遥遥感数据据的质量量、影像像模糊，，影响判判读。大气散射射集中在在太阳辐辐射能量量最强的的可见光光区。因此，散散射是太太阳辐射射衰减的的主要原原因。三种散射射：瑞利散射射，米氏散射射，无选择性性散射三种散射射作用瑞利散射射：当微粒的的直径比比辐射波波长小得得多时，，此时的的散射称称为瑞利利散射。。散射率与与波长的的四次方方成反比比，因此此，瑞利利散射的的强度随随着波长长变短而而迅速增增大。紫紫外线是是红光散散射的30倍，，0.4微米的的蓝光是是4微米米红外线线散射的的1万倍倍。瑞利散射射对可见见光的影影响较大大，对红红外辐射射的影响响很小，，对微波波的影响响可以不不计。多波段中中不使用用蓝紫光光的原因因：颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0无云的晴晴天，天天空为什什么呈现现蓝色？？朝霞和夕夕阳为什什么都偏偏橘红色色？三种散射射作用瑞利散射射：米氏散射射：当微粒的的直径与与辐射波波长差不不多时的的大气散散射。云、雾的的粒子大大小与红红外线的的波长接接近，所所以云雾雾对对红红外线的的米氏散散射不可可忽视。。无选择性性散射：当微粒的的直径比比辐射波波长大得得多时所所发生的的散射。。符合无无选择性性散射条条件的波波段中，，任何波波段的散散射强度度相同。。水滴、雾雾、尘埃埃、烟等等气溶胶胶常常产产生非选选择性散散射。云雾为什什么通常常呈现白白色？三种散射射作用无选择性散射三种散射射作用太阳辐射射衰减的的原因是是什么？？在可见光光和近红红外波段段，大气气最主要要的散射射作用是是什么？？无云的晴晴天，天天空为什什么呈现现蓝色？？朝霞和夕夕阳为什什么都偏偏橘红色色？微波为什什么具有有极强的的穿透云云层的作作用？为什么在在选择遥遥感工作作波段时时，要考考虑大气气层的散散射和吸吸收作用用？1、大气气窗口：通过大气气而较少少被反射射、吸收收或散射射的投射射率较高高的电磁磁辐射波波段。大气窗口口是选择择遥感工工作波段段的重要要依据。常见的大气气窗口：大气窗口大气窗口2.3地地球辐射与与地物波谱谱太阳辐射与与地表的相相互作用(…)地物的反射射率(…)漫反射(……)镜面反射(…)太阳辐射到到达地表后后，一部分分反射，一一部分吸收收，一部分分透射，即即：到达地面的的太阳辐射射能量＝反反射能量＋＋吸收能量量＋透射能能量地表反射的的太阳辐射射成为遥感感记录的主主要辐射能能量。一般而言，，绝大多数数物体对可可见光都不不具备透射射能力，而而有些物体体如水，对对一定波长长的电磁波波则透射能能力较强，，特别是0.45~0.56μm的蓝绿光光波段。一一般水体的的透射深度度可达10～20m，清澈澈水体可达达100m的深度度。地表吸收太太阳辐射后后具有约300K的温度，，从而形成成自身的热热辐射，其其峰值波长长为9.66μm，主要集集中在长波波，即6μm以以上的热红红外区段。。反射率（ρ）：地物的的反射能量量与入射总总能量的比比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。地物在不同同波段的反反射率是不不同的。反射率是可可以测定的的。反射率也与与地物的表表面颜色、、粗糙度和和湿度等有有关。地物的反射射光谱曲线线：反射率率随波长变变化的曲线线。不论入射方方向如何，，其反射出出来的能量量在各个方方向是一致致的。一般般地物的反反射近似漫漫反射，但但各个方向向反射的能能量大小不不同。物体的反射射满足反射射定律，入入射角等于于反射角。。只有在反反射波射出出的方向才才能探测到到电磁波，，水面是近近似的镜面面反射，在在遥感图像像上水面有有时很亮，，有时很暗暗，就是这这个原因造造成的。2.3地地球辐射与与地物波谱谱地物的发射射光谱发射光谱：：地物的发发射率随波波长变化的的规律。发射光谱曲曲线：按照照发射率和和波长之间间的关系绘绘成的曲线线。亮度温度：：衡量地物辐辐射特征的的重要指标标。指当物物体的辐射射功率等于于某一黑体体的辐射功功率时，该该黑体的绝绝对温度即即为该物体体的亮度温温度。2.3地地球辐射与与地物波谱谱温度一定时时，物体的的热辐射遵遵循基尔霍霍夫定律。。地物的发射射率随波长长变化的曲曲线叫发射射光谱曲线线。地物的发射射率与地表表的粗糙度度、颜色和和温度有关关。表面粗糙、、颜色暗，，发射率高高，反之发发射率低。。地物的辐射射能量与温温度的四次次方成正比比，比热、、热惯性大大的地物，，发射率大大。如水体体夜晚发射射率大，白白天就小。。探测地物的的热辐射特特性的热红红外遥感在在夜间和白白天进行的的结果是不不同的。热红外遥感感探测的地地物热辐射射量用亮度度温度表示示，它不同同于地面温温度，是接接收的热辐辐射能量的的转换值，，图像上表表示为亮度度。(1)基尔尔霍夫定律律：在一定温度度下，地物物单位面积积上的辐射射通量M和和吸收率αα之比，对对于任何物物体都是一一个常数，，并等于该该温度黑体体的辐射通通量密度。。α(λ,T)=M(λ,T)/Mb(λ,T）ε=α发射率等于于吸收率，，好的吸收收体也是好好的发射体体，如果不不吸收某一波长长的电磁波波，也不发发射该波长长的电磁波波2.3地地球辐射与与地物波谱谱环境对地