第2章电磁辐射与地物光谱特征.ppt

1、1,第2章 电磁辐射与地物光谱特征,主要内容 遥感物理基础电磁学部分 电磁波谱、黑体概念 太阳辐射、地球辐射特征 大气吸收、散射、透射特征 大气窗概念 大气对电磁辐射的影响 地物反射波谱特征,2,电磁波谱、电磁辐射 基本概念 太阳辐射及大气影响 太阳辐射 大气吸收、散射、大气窗 地球辐射与地物波谱 太阳辐射与地表相互作用 地表自身热辐射 地物反射波谱特征,章节目录,2.1 电磁波谱与电磁辐射,3,一、电磁波谱 基本概念 1. 波(振动的传播) 纵波：质点振动方向与波动传播方向相同 (弹簧振子、声波) 横波：质点振动方向与波动传播方向垂直 (抖动绳子产生的波、水波) 横波传播方向可为垂直振动方向

2、的任意方向,4,2. 电磁波 由电磁振荡产生 变化的磁场激发涡旋电场 变化的电场激发涡旋磁场 横波 传播方向： 垂直电磁振荡的 各个方向,偏振现象,5,3. 电磁波谱 1889年赫兹用电磁振荡方法产生了电磁波 电磁波性质与光波性质相同光、电统一 其他具有电磁波性质的波：X射线、射线 电磁波谱：将电磁波在真空中传播的波长或频率按递增或递减顺序排列构成 按频率从高到低排列： 射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波,6,电磁波谱,7,电磁波谱划分 按产生或者测量电磁波的方法划分,8,遥感常用波段：可见光、红外、微波,9,4. 电磁波性质 是横波 在真空以光速传播 满足关系： h：普朗克常数

3、具有波粒二象性 反射、折射、吸收、透射 遇粒子会散射电磁波方向、强度发生变化 电磁波也称为电磁辐射，是波长函数,10,二、电磁辐射的度量 基本概念 1. 辐射源 任何物体都是辐射源 既能够吸收其他物体对其辐射 也能够向外辐射 太阳、火是辐射源 发出紫外辐射、X射线、微波辐射的也是辐射源,遥感探测是辐射能量的测定,11,2. 辐射能量(W) 电磁辐射的能量 单位：J(焦耳) 波长的函数 3. 辐射通量() 单位时间内通过某一面积的辐射能量 =dW/dt 单位：W(瓦特，瓦) 波长的函数,12,4. 辐射通量密度(E) 单位时间内通过单位面积的辐射能量 E=d/dS，S为面积 单位：W/m2 5.

4、 辐照度(I) 被辐 (照)射的物体表面单位面积上的辐射通量 I=d/dS，S为面积 单位：W/m2,辐射通量密度与辐照度I区别 ：任意单位面积 I：被照射物体表面的单位面积 I包含,13,6. 辐射出射度(M) 辐射源物体表面单位面积上的辐射通量 M=d/dS，S为面积 单位：W/m2 *. 辐照度(I) 被辐 (照)射的物体表面单位面积上的辐射通量 I=d/dS，S为面积 单位：W/m2,辐射出射度M与辐照度I比较 均为辐射通量密度概念 M：物体发出的辐射 I：物体接收的辐射,14,7. 辐射亮度(L) 辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量 L=/ (Acos)，A为辐射

5、源面积 单位：W/(srm2) 观察者以不同角观察辐射源时，接收的L不同,朗伯源 辐射亮度与观察角无关的辐射源 一些粗糙表面可近似看作朗伯源 太阳常近似为朗伯源，简化研究 严格地，只有黑体是朗伯源,15,*立体角 顶点在球心的一个锥面所围成的空间部分 单位：球面度(立体弧度) 量值：被锥体所截的球面面积A和球半径R平方之比 整个球面对应的立体角为4,16,三、黑体辐射 1. 绝对黑体 若一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收而无反射，则这个物体是绝对黑体，简称黑体 黑体的吸收率恒等于1 反射率恒等于0 与物体温度和电磁波波长无关,吸收率：吸收能量与入射能量之比 反射率：反射能量与入射能量之比

6、,黑色烟煤：最接近黑体的自然物质 恒星和太阳辐射：接近黑体辐射的辐射源,17,2. 黑体辐射规律 普朗克黑体辐射公式 重要意义： 推导几个黑体辐射公式,不同温度的黑体 辐射与波长关系,18,斯忒藩-玻尔兹曼定律 整个电磁波谱的总辐射出射度M： 斯忒藩-玻尔兹曼定律： 绝对黑体的总辐射出射度 与黑体温度的四次方成正比,19,维恩位移定律 黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反比,黑体温度越高， 曲线峰顶越往左移,20,斯忒藩-玻尔兹曼定律、维恩位移定律应用,太阳、地球辐射出射度,斯忒藩-玻尔兹曼定律,温度有效温度,最强辐射波长,维恩位移定律,太阳T=6150 K，max=0.47

7、 m：可见光段辐射最强 地球(温暖季节白天)T=300 K， max=9.66 m：红外热辐射最强,21,3. 实际物体(灰体)的辐射 基尔霍夫定律 M：实际物体的辐射出射度 M0：同温度、同波长黑体的出射辐射度 ：实际物体的吸收系数(0 1) 也称为比辐射率或发射率e：,？,将实际物体视为辐射源，其吸收系数越大，则发射本领也越大，越接近黑体辐射,实际物体辐射永远小于黑体辐射,2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响,22,太阳辐射,23,一、太阳辐射 基本概念 1. 太阳常数 不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量 太阳常数是在大气顶

8、端接收的太阳能量,天文单位：地球到太阳的平均距离，约1.5亿千米,计算：太阳总辐射通量和太阳辐射出射度,24,2. 太阳光谱 通常指光球产生的光谱,25,发射能量大部分集中于可见光波段 连续光谱 辐射特性与黑体辐射特性基本一致,曲线为何变化？,26,太阳辐射各波段百分比,近紫外中红外区间能量最集中且稳定 被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射,27,太阳倾斜入射影响 ：辐射通量，常数 I：垂直太阳入射方向辐照度 I：倾斜入射到地面的辐照度 AB间面积：S h：太阳高度角 ：太阳天顶角,28,北半球冬季：地球位于近日点/远日点？ 为何冬冷夏热？,29,二、大气吸收,衰减最大处为大气分子吸收最强波

9、段,到达地面的太阳辐射曲线与大气上界的太阳辐射曲线不同,？,30,1. 大气层次 大气厚度约1000 km 垂直方向自下而上分为对流层、平流层、中间层、热层、散逸层 电离层反射地面发射的无线电波 遥感波段小于无线电波，可穿过电离层，辐射强度不变 对流层和平流层对太阳辐射影响最大 吸收 散射 折射 反射,31,2. 大气对辐射的吸收 大气主要吸收成分 水分、二氧化碳、臭氧、氧气 对电磁波某些波段有吸收作用 将辐射能量转化为分子内能 引起太阳辐射辐射衰减，甚至完全被吸收,大气吸收谱,32,大气各成分吸收谱,大气对可见光波段吸收很弱！,33,三、大气散射 辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，

10、向各个方向散开，称为散射 原传播方向辐射强度减弱 其他方向辐射增加 实质：一种衍射现象(障碍物波长) 大气分子或微粒直径小于或相当于辐射波长时发生 大气分子(N2、CO2、O3、O2) 微粒(烟, 尘埃, 小水滴, 气溶胶),34,1. 瑞利散射 大气中粒子直径比辐射波长小得多时发生的散射 由大气中原子和分子引起 氮、二氧化碳、臭氧和氧分子 对可见光非常明显 散射强度与波长四次方成反比波长越长，散射越弱 太阳辐射垂直穿过大气层时，可见光波段损失能量达10%,35,现象解释 天空呈蔚蓝色？ 蓝、紫光波长短 日出时朝霞、日落时夕阳呈橘红色？ 太阳高度角小，传播路程长 蓝、紫、绿光波长短，散射强烈

11、红光波长长，散射弱，透射强 红光+剩余绿光橘红色,36,2. 米氏散射 大气中粒子的直径与辐射波长相当时发生的散射 由大气中微粒引起 烟、尘埃、小水滴、气溶胶 散射强度与波长二次方成反比 方向性明显 散射在光线向前方向比向后方向更强,37,3. 无选择性散射 大气中粒子的直径比辐射波长大得多时发生的散射 散射强度与波长无关 现象解释：云雾呈白色 云雾中水滴粒子直径 大于可见光波长 发生无选择性散射， 各色光散射强度相同,38,散射小结 散射造成太阳辐射衰减 强度与辐射波长密切相关 大气中同时会出现各种类型的散射 瑞利散射发生于可见光和近红外波段 米氏散射发生于近紫外到红外波段，红外波段处米氏散

12、射大于瑞利散射 云层对于可见光只有无选择性散射 微波波长远大于粒子直径 瑞利散射 散射很弱，透射性强 微波具有穿透云雾能力,39,四、大气窗口及透射分析 1. 折射现象 电磁波穿过大气时，除发生吸收和散射外，还会出现传播方向的改变 大气折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大 离地面越高，空气越稀薄折射率越小 折射使得电磁波在大气中传播的轨迹为一条曲线 结果：地面接收的电磁波方向(轨迹切线方向)与实际太阳辐射方向偏离一个角度，即折射值R,40,太阳垂直入射：天顶角=0，折射值=0 太阳天顶角增大，折射值增大 天顶角=45o，折射值=1 天顶角=90o，折射值=35(最大),?,中午路程,早晨路

13、程,41,现象解释 早、晚看到的太阳比中午大？ 太阳在地平线上时，折射角最大 还没出地平线时通过折射就已经可以看到,42,2. 大气反射 电磁波传播过程中，若通过两种介质的交界面，会发生反射 主要发生在云层顶部 取决于云量 各波段均受到不同程度影响 气体、尘埃反射作用很小,尽量选择无云天气接收遥感信号,43,3. 大气窗口 太阳辐射经过大气时： 折射改变太阳辐射的方向，不改变其强度 反射、吸收、散射共同影响衰减辐射强度 剩余太阳辐射透过大气,大气窗口：电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的、透过率较高的波段,对传感器而言，选择透过率高的波段才对观测有意义,44,大气窗口主要波段,0.31.

14、3m(紫外、可见光、红外波段) 摄影成像的最佳波段、卫星传感器扫描成像的常用波段 1.51.8m、2.03.5 m(近、中红外波段) 白天日照好时扫描成像的常用波段，植物含水量、云雪 3.5 5.5m(中红外波段) 地面物体即可反射也可自身发射此波段的热辐射能量,大气窗口,45,814m(远红外波段) 主要来自地物热辐射能量，适于夜间成像 0.825 cm(微波波段) 微波穿透云雾能力强 此区间可全天候观测 采用主动遥感方式,46,4. 大气透射的定量分析 太阳辐射通过大气时，对可见光和近红外波段： 约30%：被云层或其他粒子反射 约22%：被散射 约17%：被吸收 约31%：透过大气到达地面

15、,除气象卫星探测云层外，大多数被动遥感传感器均选择无云天气观测，此时大气影响只考虑散射和吸收,47,设太阳辐射入射时所通过的大气厚度为大气质量 垂直入射：天顶角=0，大气质量m=1 倾斜入射：天顶角 60o，大气质量不能用sec 计算,48,大气对太阳辐射的总透射率T,I：通过大气层后的辐照度 I0：通过大气层前的辐照度 m()：大气质量，与天顶角密切正相关 ：大气的垂直光学厚度 m() ：光学厚度,k(,h)：消光系数 h：大气垂直厚度坐标,0 60o条件下,49,2.3 地球的辐射与地物波谱,被动遥感的辐射源主要来自太阳和地球 地球是地学遥感探测的对象,问题 地球作为辐射源的辐射特性？ 地

16、球作为太阳辐射接收者的反射特性？ 不同地面物体反射率与波长关系？,被动遥感采用波段？,50,一、太阳辐射与地表的相互作用 太阳辐射近似于温度为6 000K的黑体辐射，辐射主要集中在0.32.5m，在紫外、可见光到近红外波段。 当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球自身的辐射，几乎可以忽略不计。 地球自身的辐射主要集中在长波，即6m以上的热红外波段。该波段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计。,51,两峰交叉处为两种辐射共同起作用部分，在2.56m，即中红外波段 地球对太阳辐射的反射和地表物体自身热辐射均不能忽略,52,地球辐射的分段特性,53,二、地表

17、自身热辐射 根据黑体辐射规律及基尔霍夫定律 各参数含义？ M：实际物体辐射出射度 M0：黑体辐射出射度 e：发射率(比辐射率) 公式中的变量都与地表温度T和波长有关 温度一定时，物体的发射率随波长变化 表示这种变化的曲线称为物体的发射率波谱曲线 曲线形态特征可反映地面物体本身特性 曲线形态特殊时，可用来识别地面物体：在夜间，探测地面红外和微波辐射并与同温度的发射率曲线比较,54,三、地物反射波谱特征 1. 概述 到达地面的太阳辐射，一部分被地面反射(可见光和近红外波段)，一部分被地面吸收，一部分透射入地面下： 到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量 绝大多数物体对可见光不具备透射

18、能力 水对0.450.56m的蓝、绿光透射能力很强 不能透过可见光的物体对波长5cm的电磁波有透射能力,在反射、吸收、透射物理性质中，使用最普遍的是反射性质,55,2. 反射率与反射波谱 (1) 反射率 物体反射的辐射能量P占总入射能量P0的百分比 不同物体的反射率也不同 取决于物体本身的性质(表面状况)、入射电磁波的波长和入射角 1,56,(2) 物体的反射 物体的反射状况有三种： 镜面反射 漫反射 实际物体反射 镜面反射：物体的反射满足反射定律 入射波和反射波在同一平面内，入射角=反射角 入射波为平行波，只能在反射方向探测到反射波 理想模型 自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面近似为镜面,57,漫反射：不论方向如何，虽然反射规律与镜面反射一样，但反射方向却是“四面八方” 反射能量分散到各个方向 某一方向上反射面的