電磁輻射與地物光譜

1、1,第二章 電磁波譜與電磁輻射,1）電磁波是電磁振動的傳播。當電磁振蕩進入空間時，變化的磁場激發(fā)了變化的電場，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波。2）電磁波是橫波，質點的震動方向與波的傳播方向垂直。,3）電磁波在真空中以光速傳播。4）滿足方程： f.λ=c (波動性) ；E=h.f （粒子性）具有波粒二象性,2.1.1 電磁波譜,粒子性,把電磁波作為粒子對待時，能量:,E = hf,h, Plank's

2、constant (6.626 * 10-34 J?s),2.1.1 電磁波譜,遇到介質（氣體、液體、固體），發(fā)生一系列現象：反射：鏡面反射：入射角等于反射角漫反射：反射向四面八方折射：射入介質，折射角一般不等于入射角吸收：部分被介質吸收透射：從入射延伸方向射出介質發(fā)射：自身向外輻射能量,2.1.1 電磁波譜,5,反射率=（反射能量/入射總能量）*100%；吸收率=（吸收能量/入射總能量）*100%；透射率= （透射反

3、射能量/入射總能量）*100%。,2.1.1 電磁波譜,6,2.1.1 電磁波譜,電磁波譜定義：按照電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排列，形成的一個連續(xù)譜帶。,7,微波波段(1mm-1m, 最常用1cm-1m)遙感常用波段符號：,2.1.1 電磁波譜—遙感常用波段,P：30-100cmL: 15-30cmS: 7.5-15cmC: 3.75-7.5cmX: 2.4-3.75cmKu: 1.57(1.7

4、)-2.4cmK: 1.1-1.57(1.7)cmKa: 0.75-1.1cm,8,2.1.2、電磁輻射的度量,能量：反應了做功的能力，在做功的過程中，能量從一個物體傳輸到另一個物體或者從一個地方傳輸到另一個地方。,傳導對流輻射,為了描述電磁輻射的產生、在空間的傳播以及與其物質進行相互作用的過程，可以采用兩種不同的模型：波模型和粒子模型。,9,2.1.2、電磁輻射的度量（1）輻射能量,電磁輻射是具有能量的，它表現在：

5、 ? 使被輻照的物體溫度升高 ? 改變物體的內部狀態(tài) ? 使帶物體受力而運動 ……,輻射能量（W）的單位是焦耳（J）,10,在單位時間內通過某一面積的輻射能量稱為輻射通量： Φ=dW/ dt,輻射通量（Φ）的單位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）,2.1.2、電磁輻射的度量（2）輻射通量Φ,11,（3）輻射通量密度 E：,單位面積上的輻射通量稱為輻射通量密度：輻照度（I）：被輻射的物體表面單

6、位面積上的輻射通量，記為: I=d Φ / dS。輻射出射度(M)：溫度為T的輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，記為:M=d Φ / dS。,輻射通量密度的單位是瓦/米²（W/m²）,2.1.2、電磁輻射的度量,12,（4）輻射強度,輻射強度是描述點輻射源的輻射特性的，指在某一方向上單位立體角內的輻射通量： 輻射強度：（I）=d Φ / d Ω,輻射強度（

7、I）的單位是瓦/球面度（W/Sr）,2.1.2、電磁輻射的度量,13,（5）輻射率 （亮度）L,面輻射源，在某一方向，單位投影表面、單位立體角內的輻射通量稱為輻射率：,輻射率（L）的單位是瓦 / 米²?球面度（W/m² ? Sr）,2.1.2、電磁輻射的度量,14,輻 射 度 量 一 覽 表,固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現象稱為熱輻射。所輻射電磁波

8、的特征僅與溫度有關。,（1）熱輻射現象,2.1.3、黑體輻射,,物體可輻射能量也可吸收能量，當輻射和吸收的能量恰相等時稱為熱平衡。此時物體溫度恒定不變。,單色輻出度,單位時間、單位表面積、上所輻射出的，單位波長間隔中的能量。,輻射出射度,單位時間、單位表面積、上所輻射出的各種波長電磁波的能量。,17,2.1.3、黑體輻射-絕對黑體,,能全部吸收各種波長的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對黑體。簡稱黑體,不透明的材料制成

9、帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。,,黑體模型,研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質的基礎。,,,,,,,,,18,黑體輻射的三個特性：（1）與曲線下的面積成正比的總輻射出射度M是隨溫度T的增加而迅速增加。總輻射出射度M可在從零到無窮大的波長范圍內對普朗克公式進行積分可得到。,M= σT4σ為斯蒂芬一玻爾茲曼常數，σ =5.67 × 10-8W/m2K4。能量與絕對溫度T的4次方成正比。,斯蒂芬一玻爾茲曼定律,（2

10、）譜功率的峰值波長隨溫度的增加向短波方向移動。,維恩位移定律：確定輻射極大值所對應的波長,K=2.898*103umk,20,瑞利-金斯定律 hc<<lkT， Mλ(l, T) = 2pckT/l4,（3）每根曲線彼此不相交，故溫度T越高所有波長上的波譜輻射通量密度也越大。,21,實際物體的輻射不同于絕對黑體的輻射，在相同溫度下，實際物體的輻射出射度（輻射通量密度）比絕對黑體的要低。 地物發(fā)

11、射某一波長的輻射出射度（輻射通量密度）與同溫下黑體在同一波長上的輻射出射度之比，稱地物光譜發(fā)射率（emissivity）(也稱比輻射率)，即： ε? = M’? /M? 其值介于0和1之間，作為比較一輻射源接近黑體的程度。不同地物有不同的ε?，同一地物在不同波段的波譜發(fā)射率也不同。,2.1.3、黑體輻射（3）實際物體的輻射,基爾霍夫定律,圖中腔內四個物體B0，B1，B2，B3。首先腔內是

12、真空，能量交換不能以傳導和對流進行，只能以輻射方式完成；其次，空腔內保持恒溫，因此每個物體向外輻射和吸收的能量必然相等。Mi為輻射出射度，αi為吸收系數，Ii為輻照度。基爾霍夫證明： 僅與波長和溫度有關，與物體本身性質無關，得到：,23,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,2.2.1、太陽輻射,太陽:是太陽系的中心天體，在太陽系空間，布滿了從太陽發(fā)射的電磁波的全波輻射及粒子流。,太陽是被動遙感最主要的輻射源，遙感傳感器從空

13、中或空間接收地物反射的電磁波。地球系統的能量絕大多數（>99％）來源于太陽 太陽輻射: 9% 紫外線41% 可見光49% 紅外線,24,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,2.2.1、太陽輻射,太陽:是太陽系的中心天體，在太陽系空間，布滿了從太陽發(fā)射的電磁波的全波輻射及粒子流，地球上的能量主要來自太陽。太陽常數：不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位（日地平均距離，149,597,870*103m）的區(qū)域內，垂直于太陽

14、輻射方向上單位面積和單位時間黑體所接收到的太陽輻射能量。是在地球大氣頂端接受的太陽能量，沒有大氣影響I=1.95 cal/cm2?min=1.360*103 W/m2,25,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,2.2.2、大氣吸收,大氣的垂直分層對流層：高度在7～12 km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內。平流層：高度在12～50 km，底部為同溫層（航空遙感活動層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的

15、強吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1 000 km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動空間。大氣外層：800～35 000 km ,空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。,26,大氣成分：分子和其他微粒分子: 氮和氧占99%，臭氧、二氧化碳、水分子及其它（N2O, CH4, NH3等）約占1%；顆粒：煙、塵埃、霧、小水滴和氣溶膠。氣溶膠是一種固體、液體的懸浮物，直徑0.01-30?m大氣

16、對太陽輻射的影響作用：折射、反射、吸收、散射、透射,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,2.2.2 大氣吸收,嚴重影響傳感器對電磁輻射的探測，導致太陽輻射強度衰減； 吸收作用越強的波段，輻射強度衰減越大，甚至某些波段的電磁波完全不能通過大氣。 在太陽輻射到達地面時，形成了電磁波的某些吸收帶。主要吸收帶：水： 0.94 ?m ， 1.13 ?m ，1.38 ?m ， 1.86 ?m ， 2.5-3.0 ?m ，

17、 3.24 ?m ， 5-7 ?m ，7.13 ?m ，24 ?m以上；二氧化碳：2.8 ?m ，4.3 ?m臭氧：0.2-0.32 ?m ，0.6 ?m ，9.6 ?m氧氣：0.2 ?m ，0.6 ?m ，0.76 ?m,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,2.2.2 大氣吸收,28,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,2.2.2、大氣吸收,主要吸收帶：水： 0.94 ?m ， 1.13 ?m ，1.38 ?m ， 1.8

18、6 ?m ， 2.5-3.0 ?m ， 3.24 ?m ， 5-7 ?m ，7.13 ?m ，24 ?m以上（微波）；二氧化碳：2.8 ?m ，4.3 ?m臭氧：0.2-0.32 ?m ，0.6 ?m ，9.6 ?m氧氣：0.2 ?m ，0.6 ?m ，0.76 ?m,29,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,2.2.3 大氣散射,散射：輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開。其實質是電磁波的衍射。,由于粒

19、子的散射作用使電磁波在原傳播方向上的輻射強度減弱，增加了向其它各方向的輻射。三種散射類型： 瑞利散射 米氏散射 無選擇性散射(均勻散射）,散射類型與以下因素有關：入射電磁波的波長； 氣體分子、顆粒和水滴的大小,30,2.2.3、大氣散射,（1 ）瑞利散射（ Rayleigh scattering ） 條件：粒子直徑比波長小很多； 由大氣中原子、分子，如氮、二氧化碳

20、、臭氧和氧分子等引起； 特點：散射強度與波長的四次方成反比，即 I??-4,（2）米氏散射(Mie scattering) 粒子直徑與輻射的波長相當。 米氏散射的散射強度與波長的二次方成反比， 即 I??-2,31,（3）無選擇性散射(Non-selective scattering) 發(fā)生在大氣粒子的直徑比波長大得多時。散射的特點是散射強度與波長無關，任何波長的散射強度相同,2.2.3、大氣散

21、射,32,散射強度與波長密切相關。在大氣狀況相同時，同時會出現各種類型的散射。對于大氣分子、原子引起的瑞利散射主要發(fā)生在可見光和近紅外波段。波長超過1μm 后，瑞利散射的影響大大減弱，而米氏散射的影響逐漸超過瑞利散射。大氣中的云層、小雨滴等，由于直徑較大，對不同波長產生不同散射作用。對于可見光而言只有無選擇性散射發(fā)生 , 云層越厚無選擇散射越強。云霧對紅外線（0.76-15 ?m ）的散射主要氏米氏散射；,2.2.3、大氣散射,

22、33,（1）大氣折射 電磁波穿過大氣層時，會產生傳播方向改變，即折射現象。 大氣密度越大，折射率越大；離地面高度越大，空氣越稀薄，折射率越小。 地面接收的電磁波方向與實際太陽輻射方向偏離了一個角度，稱為折射值。,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,2.2.4、大氣窗口及透射分析,35,（2）大氣的反射 主要發(fā)生在云層頂部取決于云量和云霧，且波段不同大氣影響不同，削弱了電磁波強度。,2

23、.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,2.2.4、大氣窗口及透射分析,36,0.3-1.3μm：即紫外、可見光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。1.5-1.8μm, 2.0-3.5μm：即近、短波、中紅外波段，在白天日照條件好的時候掃描成像常用這些波段。,主要的大氣窗口光譜段,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,37,3.5-5.5μm：即中紅外波段，物體的熱輻射較強。8-14μm：即

24、遠紅外波段。主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標的地物溫度。0.8-2.5cm：至更長, 即微波波段，由于微波穿云透霧的能力，這一區(qū)間可以全天候工作。,主要的大氣窗口光譜段,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,38,2.3 地球的輻射與地物波譜,2.3.3、地物反射波譜特征,反射率：反射能量與總入射能量的百分比?=（P?/P0）*100%反射率大小與物體本身的性質和表面狀況、波長、入射角等有關三種反射狀況：

25、鏡面反射、漫反射、方向反射朗伯面：對于漫反射面，當入射照度一定時，從任何角度觀察反射面，其反射亮度是一個常數，這種反射面稱朗伯面實際物體多數為方向反射，介于鏡面和朗伯面間。,39,2.3 地球的輻射與地物波譜,2.3.3、地物反射波譜特征,實際物體的反射，介于鏡面反射和漫反射之間。在入射輻照度相同時，反射輻射亮度的大小既與入射方位角和天頂角有關，也與反射方向的方位角與天頂角有關。,,入射輻照度Ii由兩部分組成，一部分是太陽的直接輻

26、射，其輻照度大小與太陽天頂角θi和日地距離D有關；另一部分是太陽輻射經過大氣散射后又漫入射到地面的部分，其輻照度與入射角無關。,,40,2.3 地球的輻射與地物波譜,2.3.3、地物反射波譜特征,反射波譜：研究地物反射率隨波長的變化規(guī)律來識別地物地物反射曲線的形態(tài)相差很大，表明反射率隨波長變化的規(guī)律不同圖：植被、水體、干的土壤,41,2.3.3、地物反射波譜特征,2.3 地球的輻射與地物波譜,2.3.3、地物反射波譜特征,植被的

27、光譜曲線：0.4-0.76?m: 有一個小的反射峰，位于綠色波段（0.55 ?m ），兩邊（藍、紅）為吸收帶（凹谷）0.76-1.3 ?m: 高反射，在0.7 ?m處反射率迅速增大，至1.1處有峰值1.3-2.5 ?m: 受植物含水量影響，吸收率增加，反射率下降，形成幾個低谷,43,2.3.3、地物反射波譜特征,水體的光譜反射特性藍、綠波段為反射帶近、中紅外波段為完全吸收帶,,44,2.3.3、地物反射波譜特征,不同葉綠素含量

28、時水體的波譜曲線,45,2.3 地球的輻射與地物波譜,2.3.3、地物反射波譜特征,土壤：沒有明顯的波峰波谷,土質越細反射率越高，有機質含量越高含水量越高，反射率越低。,46,城市道路、建筑物的反射波譜特性曲線,在城市遙感影像中，通?？吹浇ㄖ锏捻敳?、部分建筑物的側面、無植被覆蓋的道路建筑材料各不相同,城市道路、建筑物的反射波譜特性曲線,城市道路、建筑物的光譜反射特性紅外波段較可見光波段反射強石棉瓦較其他材料反射強瀝青較其他材