第二章 电磁辐射与地物光谱特征.ppt

1、第2章 电磁辐射与地物光谱特征,2.1 电磁波谱与电磁辐射,2.1.1 电磁波谱,1.波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 分为横波和纵波两种,如果质点的振动方向与波的传播方向相同,称纵波;若质点振动方向与波的传播方向垂直,称横波. 2.电磁波:当电磁振荡进入空间,变化的磁场激发了涡旋电场,变化的电场又激发了涡旋磁场,使电磁振荡在空间传播. 方向:由电磁振荡向各个不同方向传播的. 3.电磁波谱:按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列构成的图表，成为电磁波谱,电磁波,电磁波谱,电磁波的波源不同,所产生的电磁波的波长是不同的： 无线电波是由电磁振荡发射的； 微波是利用谐振腔及波导

2、管激励与传输，通过微波天线向空间发射的； 红外辐射是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的； 可见光和近紫外辐射是由于原子、分子中的外层电子跃迁时产生的； 紫外线、X射线、 射线是由于内层电子的跃迁和原子核内状态的变化产生的；,4. 电磁波的性质 （1）是横波； （2）在真空以光速传播； （3）满足f= c E=hf； （4）电磁波具有波粒二象性；,2.1.2 电磁辐射的度量,辐射源 任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射。 遥感的辐射源分为自然辐射源和人工辐射源两类。自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射；太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感

3、的主要辐射源。人工辐射源是指人为发射的具有一定波长的波束；主动遥感采用人工辐射源，目前较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐射源。,2. 辐射测量 辐射能量（W）：电磁辐射的能量，电位：J 辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射通量，单位：W 辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，单位：W/m2 辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，单位： W/m2,辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，单位：W/m2 辐射亮度（L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则L定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，单位：

4、W/（srm2） 朗伯源：辐射亮度L与观察角无关的辐射源，称为朗伯源。,2.1.3 黑体辐射,绝对黑体 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。 实验表明，当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射现象和吸收想象时，这个物体的光谱吸收系数与光谱反射系数之和恒等于1。 光谱吸收系数 ：当物体的温度为T，波长在 范围内， 为吸收能量与入射能量之比。 光谱反射系数：当物体的温度为T，波长在 范围内，为反射能量与入射能量之比。,自然界中并不存在绝对的黑体，实用的黑体是由人工方法制成的，它只是一种理想的黑体模型，基本结构是能保持恒定温度的空腔。,人工制造的

5、接近黑体的吸收体,2. 黑体辐射规律,普郎克公式 描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。,h: 普朗克常数6.6260755*10-34 Ws2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK-1 c: 光速; : 波长（m）; T: 绝对温度（K）,(2) 斯忒藩玻尔兹曼定律 对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂藩玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。,: 斯蒂藩玻尔兹曼常数，5.66970.00297）108Wm-2K-4,（3）维恩位移定律,b : 常数，2897.80.4 m K,黑体温度越高，曲线的顶峰就越往左移，即往波长短的方向移

6、动。 高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。 常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66m ）,3. 实际物体的辐射,（1）基尔霍夫定律 给定温度下，任何地物的辐射出射度与吸收率之比是常数，即等于 同温度下黑体的辐射出射度。,发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。,（2）实际物体的辐射 对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。,实际物体的辐射出射度与同一温度下黑体辐射出射度的比值。,发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：

7、,1）黑体,2）灰体,3）选择性辐射体 (如线谱，带谱),一般辐射体和发射率,2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响,2.2.1 太阳常数,1.太阳常数：是指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直与太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。,2. 太阳光谱：通常指光球产生的光谱，光球发射的能量大部分集中于可见光波段。如图,从图中可知，大气层外太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致。 海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很大的不同，其差异主要是地球大气引起的。,当太阳倾斜入射时，与太阳垂直入射时的辐照度测量值不同，如果太阳倾斜入射，则辐照度必然产

8、生变化并与太阳入射光线及地平面产生夹角，即与太阳高度角有关。如图,2.2.2 大气吸收,1.大气层次与成分,大气层的厚度约1 000km，且在垂直方向自下而上分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。如图,在对流层中，温度随高度的增加而降低，空气作垂直运动而形成对流，由于热量的传递而产生天气现象； 在平流层中没有明显的对流，几乎没有天气现象，温度由下部的等温层逐渐向上升高，平流层中由于存在臭氧层，臭氧吸收紫外线而升温。 热层和散逸层又称电离层。从热层向上温度激增，热层与中间层由于空气稀薄，大气中O2、N2等分子受太阳辐射的紫外线、X射线影响，处于电离状态，形成了D层、E层、F层三个电离层。,大

9、气主要成分为分子和其他微粒 分子重要有： O2和N2，约占99%，其余1%是O3、CO2、H2O及其他。 微粒主要有：烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶。,2. 大气对辐射的吸收作用,大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。 水：分为气态水和液态水 两个宽的强吸收带:2.53.0um和57um 两个窄的强吸收带：波长为1.38um、1.86um 一个弱的窄吸收带：0.71.23um 二氧化碳 一个宽的强吸收带波长大于13um，两个窄的强吸收带，2.62.8和4.14.45um,臭氧 ：吸收作用主要集中在紫外波段，对波长0.3um以下的波段全部吸收，在9.6um附近有个很窄的弱吸收带 氧：

10、对电磁辐射的吸收很弱,2.2.3 大气散射,散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称散射。 散射的实质：电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象。大气散射有三种情况：,瑞利散射 发生条件：质点的直径 d (电磁波波长)时，一般认为（d /10）,散射特点：,瑞利散射与波长的关系,瑞利散射对可见光的影响很大，大气中的气体分子在 晴朗的天空为蓝色； 出现蓝色蒙雾，紫外区不适于进行遥感 。,2. 米氏散射,发生条件：质点直径和电磁波波长差不多时（d ）,散射特点：,主要是大其中的气溶胶引起的散射。 云、雾等的悬浮粒子的直径和0.7615 um之间的红外线波长差不多

11、，需要注意。,3. 无选择性散射,发生条件：当质点直径大于电磁波波长时（d ）, 散射率与波长没有关系,散射特点：,2.2.4 大气窗口及透射分析,1. 折射现象,电磁波穿过大气层时，除发生吸收和散射外，还会出现传播方向的改变，即发生折射。折射率与大气密度有关，密度越大折射率越大。 由于折射的影响，使电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线，到达地面后方向与实际方向比偏离了一个角度。 早晨看到的太阳圆面比中午时看到的大，就是因为折射所引起的。,2. 大气的反射,3. 大气窗口,大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。,要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。,大气

12、窗口的主要光谱段： 1）0.31.3um： 以可见光为主体的窗口，是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。 摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。 2）1.51.8,2.0-3.5um： 近、中红外窗口，6095，扫描成像，白天记录 3）3.55.5um： 中红外窗口，6070，白天夜间，扫描成像记录 4）814 um： 远红外窗口，超过80， 白天夜间，扫描记录 5）0.82.5cm： 微波窗口， 白天夜间，扫描记录。,4. 大气透射的定量分析,大气对太阳辐射的衰减总体规律： 大气吸收15， 散射和反射42，其余43 太阳辐射到达地面。 又一说：大气吸收

13、17， 散射22，反射30，其余31 太阳辐射到达地面。,2.3 地球的辐射与地物波谱,2.3.1 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、可见光到近红外区段。 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。,地球辐射的分段特性,2.3.2 地表自身热辐射,根据黑体辐射规律及基尔霍夫定律知 M=M0 式中, 为物体的比辐射率或发射率；M为黑体辐射出射度； M0为实际物体辐射出射度。 此公式中的变量都与地表温度T和波长有关，因此又可写为： M（ ，T）= （

14、，T） M0 （ ，T） T指地表温度，存在日变化和年变化，当温度一定时，物体的比辐射率随波长变化。,2.3.3 地物反射波谱特征,1.概述,到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量,2.反射率与反射波谱,反射率 物体反射的辐射能量P占总入射能量P0的百分比,称为反射率: = P/ P0100% 不同的物体反射率不同,反射率的范围是1.,物体的反射 物体的反射状况分为三种：镜面反射、漫反射和实际物体的反射 镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。入射波和反射波在同一平面内，入射角与反射角相等。 漫反射：是指不论入射方向如何，虽然反射率与镜面反射一样，但反射方向却是“四面八方”。 对于慢反射面，当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。,实际物体反射：介于镜面反射与朗伯面之间,（3）反射波谱 地物的反射波谱是指地物反射率随波长的变化规律，如图,3. 地物反射波谱曲线,（1）植被 植被的反射波谱曲线规律性明显而独特，主要分三段： 可见光波段有一个小的反射峰，位置在0.55m处 近红外波段有一反射的“陡坡”，至1.1m附近有一峰值，形成植被的独有特征 在1