第二章_电磁辐射与地物光谱特性

1、第二章 遥感物理基础 电磁辐射和地物光谱特征 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 一、电磁辐射 电磁辐射 1.电磁波 波 :振动在空间的传播 电磁波（ElectroMagnetic Spectrum） :电磁振荡 电磁波（ 在空间的传播。 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播 的：当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发 了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成 电磁波，也称电磁辐射。 电磁波是横波 真空中以光速传播：C = f 电磁波具有波粒二象性： 电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播 波粒二象性 过程中，主要表现为波动性； 过程中，主要表现为波动性；在与物

2、 质相互作用时，主要表现为粒子性， 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。 这就是电磁波的波粒二象性。 波动性： 波动性：电磁波是以波动的形式在空间传 播的， 播的，因此具有波动性 粒子性：它是由密集的光子微粒组成的， 粒子性：它是由密集的光子微粒组成的， 电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运 电磁波的粒子性， 动。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能 量具有统计性 a.波动性 干涉 衍射 偏振现象 时空周期性 波函数 波动性 ?产生感光作用与生理作用的是电场强度矢量 光矢量 产生感光作用与生理作用的是电场强度矢量E(光矢量 产生感光作用与生理作用的是电场强度矢量 光矢量 ?

3、如果光矢量在某个固定平面内只沿一个固定方向作振 如果光矢量在某个固定平面内只沿一个固定方向作振 则这种光被称为偏振光. 动,则这种光被称为偏振光 则这种光被称为偏振光 ?微波技术中称偏振为 ”极化” 微波技术中称偏振为 极化” (波长越 长，偏振现象越显著 波长越 偏振现象越显著 电磁波遇到有限大小的障碍物时,能够绕过障碍物而弯 电磁波遇到有限大小的障碍物时, 电磁波遇到有限大小的障碍物时 曲地向障碍物的后面传播. 曲地向障碍物的后面传播. 把这种通过障碍物边缘改变 传播方向的现象, 传播方向的现象,称为电磁波的 衍射. 最小分辨角: 最小分辨角 = 1.22 0 d (对设计遥感器的空间分辨

4、 率具有重要意义 率具有重要意义 b. 粒子性 光子微粒流的有规律运动 能量: E= h f 能量 h 普朗克常数 6.6260755×10-34J/s f 频率 波长 粒子导致散射作用，引起强度、方向变化 粒子导致散射作用，引起强度、 c.叠加原理 叠加原理 (干涉 干涉 当两列波在同一空间传播时， 当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为 各列 波单独振动的合成。 各列波单独振动的合成。 任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波； 任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波； 比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波. 比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波.

5、 （白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理，混合像 白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 元的分解 ） d.电磁波的多普勒效应 多普勒效应 电磁波因辐射源（或者观察者） 电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质 的运动，而使观察者接受到的频率发生变化， 的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现 类似声波的多普勒效应 象称为多普勒效应。(类似声波的多普勒效应 波函数 由振幅和位相组成， 由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振 幅信息，丢失位相信息。全息摄影中， 幅信息，丢失位相信息。全息摄影中，同时记录了振 记录了振 幅信息和位相信息。 幅信息和位相信息。 电磁辐射 电磁

6、波的能量传播过程 电磁波的能量传播过程 2.电磁波谱 电磁波谱 a.电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长 电磁波谱 短，依次排列制成的图表。 依次排列制成的图表。 电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波 磁波谱中，波长最长的是无线电波， 长可分为长波、中波、短波和微波。 长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的 是射线 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。 b、遥感常用的电磁波波段的特性 、 The Electromagnetic Spectrum More than meets the eye! 电磁波谱 波段 长波 中波和短波 超

7、短波 微波 红外 波段 超远红外 远红外 中红外 近红外 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 紫外线 X射线 射线 射线 射线 0.76 1000m 波长 大于3000m 大于 10 3000m 1 10m 1mm 1m 15 1000m 6 15m 3 6m 0.76 3m 0.62 0.76m 0.59 0.62m 0.56 0.59m 0.50 0.56m 0.47 0.50m 0.43 0.47m 0.38 0.43m 可 见 光 0.38 0.76m 10-3 3.8×10-1m × 10-6 10-3m 小于10 小于 -6m The Electromagnetic S

8、pectrum Wavelength Energy 电磁波谱区别：传播的方向性、穿透性、可见性、 电磁波谱区别：传播的方向性、穿透性、可见性、 颜色不同 共性：传播速度相同 遵守相同的反射、折射、 共性：传播速度相同, 遵守相同的反射、折射、 透射、 透射、吸收和散射定律 遥感常用的电磁波波段的特性 紫外线(UV：0.01-0.4m，碳酸盐岩分布、水面油污 染。 可见光：0.4-0.76 m，鉴别物质特征 的主要波段； 是遥感最常用的波段。 红外线(IR ：0.76-1000m。 近红外0.76-3.0m 中红外3.0-6.0 m； 远红外6.0-15.0m；超远红外 15-1000 m。（近

9、红外又称光红外或反射红外；中红 外和远红外又称热红外。 微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具 有穿透能力；发展潜力大。 3.电磁辐射的度量 3.电磁辐射的度量 a.辐射源： 任何物体在其温度不等于 °K时, 时 辐射源： 任何物体在其温度不等于0 都有向周围空间发射热辐射的能力,同时也有 都有向周围空间发射热辐射的能力 同时也有 吸收外来辐射的能力.(任何物体都是辐射源 任何物体都是辐射源 吸收外来辐射的能力 任何物体都是辐射源 人工辐射源：主动式遥感的辐射源。 人工辐射源 雷达探测:分为微波雷达和激光雷达。 微波辐射源：0.8-30cm 激光辐射源：激光雷达测定卫星

10、的位置、高 度、速度、测量地形等。 自然辐射源 太阳辐射： 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐 射源；常用5900°K的黑体辐射来模拟； 的黑体辐射来模拟； 射源；常用 其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短 其辐射波长范围极大；辐射能量集中 短 波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、 波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反 射和散射。 射和散射。 地球的电磁辐射：小于3 地球的电磁辐射：小于 m的波长主要 的波长主要 是太阳辐射的能量；大于6 的波长， 是太阳辐射的能量；大于 m的波长， 的波长 主要是地物本身的热辐射； 之间， 主要是地物本身的热辐射；3-6 m之间， 之间 太阳和地球的热辐

11、射都要考虑。 太阳和地球的热辐射都要考虑。 b.辐射测量 辐射测量 辐射能量 (W: 电磁辐射的能量 (J 辐射通量( :单位时间内通过某一面积的 辐射通量 单位时间内通过某一面积的 辐射能量 (W 辐射通量密度 (E: 单位时间内通过单位面积的辐射能量 (W/m2 辐照度 (I: 被辐射物体表面单位面积的辐射通量 (W/m2 辐射出射度 (M: 辐射源物体表面单位面积的辐射通量 (W/m2 辐射亮度 (L: 辐射源某方向上单位投影表面单位立体角内的辐射 (W/sr.m2 通量 朗伯源: L 与 无关 的辐射源 (绝对黑体 绝对 4.黑体辐射 黑体辐射 地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准

12、； 地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物 的发射率是以黑体辐射作为参照标准。 的发射率是以黑体辐射作为参照标准。 黑体：在任何温度下， 黑体：在任何温度下，对各种波长的 辐射的吸收系数等于1（ 电磁 辐射的吸收系数等于 （100%）的物 ） 体。 人工黑体 人工黑体 黑体辐射(Black Body Radiation ： 黑体辐射 ： 黑体的热辐射称为黑体辐射。 黑体的热辐射称为黑体辐射。 (自然界没有真正的黑体 自然界没有真正的黑体 自然界没有真正的黑体 黑体辐射定律 (1普朗克热辐射定律 表示出了黑体辐射通量密度与温度 的关系以及按波长分布的规律。 -波长 c真空中光速 T绝对温

13、度 h普朗克常数 波长 真空中光速 绝对温度 普朗克常数 k波尔兹曼常数 1.38×10-23J/k 波尔兹曼常数 × Power Source: Blackbody Radiation Plancks Law: The amount and spectrum of radiation emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperature Max Planck (1858 1947 Nobel Prize 1918 620 K 380 K Emission from warm bodies peak

14、 at short wavelengths wavelength 图示普朗克公式 变化特点： 变化特点： (1 辐射通量密度 随波长连续变化， 随波长连续变化， 只有一个最大值； 只有一个最大值； (2 温度越高，辐 温度越高， 射通量密度越大， 射通量密度越大， 不同温度的曲线 不相交； 不相交； (3 随温度升高， 随温度升高， 辐射最大值向短 波方向移动。 波方向移动。 (2玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmann's law 即黑体总辐射通量随温度的增加而迅 速增加，它与温度的四次方成正比。因此， 温度的微小变化，就会引起辐射通量密度 很大的变化。是红外装置测定温度的理论

15、 基础。 2hc2 1 W0 = ? d = T 4 5 ech / kT ?1 0 =5.67×10-8W/m2k4 (斯忒藩 波尔兹曼常数 × 斯忒藩-波尔兹曼常数 斯忒藩 波尔兹曼常数 (3维恩位移定律：Wien's displacement law (3维恩位移定律 随着温度的升高，辐射最大值对应的 峰值波长向短波方向移动。 max ?T = b 温度 波长 300 9.66 500 5.80 1000 2.90 2000 1.45 3000 0.97 b=2.8978×10-3mk × 4000 0.72 5000 0.58 6000

16、0.48 7000 0.41 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 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 低温物体发射较长的电磁波 如人体300K左右 发射电磁波的峰值波长 9.66m 左右,发射电磁波的峰值波长 温（如人体 左右 5.实际物体的辐射 实际物体的辐射 对于一般物体而言， 热辐射率、 热辐射率 比辐射率， 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。 表明物体的发射本领。 M ( , T ( , T = Mb ( , T 非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值 发射率与地物的性质、表面状况、温

17、度（比热、 发射率与地物的性质、表面状况、温度（比热、 热惯量）、波长等有关：比热大、热惯量大， ）、波长等有关 热惯量）、波长等有关 ：比热大、热惯量大， 以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反 以及具有保温作用的地物，一般发射率大， 之发射率就小。 之发射率就小。 按照发射率与波长的关系，把地物分为： 黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。 灰体(grey body：发射率小于1，常数 选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而 变化。 基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面 ： 积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任 何物体都是一个常数，并等于该温度下 同面积黑体辐射通量W 黑。 W =W 黑

18、W = W 黑 = 4 在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波 段）；吸收率越大，发射率也越大。 地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物 微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这 种特征构成了红外遥感的理论基础。 W = T 6、黑体的微波辐射 1 2 任何物体在一定的温度下，不仅向外发 射红外辐射，也发射微波辐射。二者基 本相似。但微波是地物低温状态下的重 要辐射特性，温度越低，微波辐射越明 显。 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上 可以经过处理来接收。 二、太阳辐射及大气影响 太阳是最大的天然辐射源 1.73×1017J/s × 送到地球的能量约

19、为 1.太阳常数 地球大气层顶端 日地平均距离 一个天文 太阳常数 日地平均距离(一个天文 单位 单位 1.495985×1011m处垂直于太阳射线的单位面 × 处垂直于太阳射线的单位面 积上在单位时间内接收到的太阳辐射能量 I=1.360×103 W/m2 2.太阳光谱 连续光谱 夫朗和费吸收线 (暗线 太阳光谱 暗线 暗线 69种元素 种元素辐射特性基本类似于黑体 等效黑体温度 5762°K ° Solar Spectrum = Shortwave spectrum =visible spectrum: Sun at 6000K; peak

20、 emission at 0.48 m 太阳能量99%集中在波长 0.24m, 可见光部分占 集中在波长 太阳能量 43% 最大能量在 0.48m. 3.由于大气影响 大气顶层与地面处辐照度曲线有很大 由于大气影响,大气顶层与地面处辐照度曲线有很大 由于大气影响 不同.(衰减 吸收 不同 衰减 吸收 散射 反射 另外真实辐照度与太阳高度角也有关系 天顶角 太阳高度角 太阳高度角 I = I cos*D-2 4.大气效应 大气效应 a.地球大气 分层: 分层 对流 平流 电离 外大 气层 成份: 成份 不变成份 N2 O2 Ar CO2 CH4 NO H2 He (80km以 以 下相对比例不变

21、 可变成份 O3 H2O 尘 埃 盐粒 气溶胶等 雾霾较大 雾霾较小 部分雾霾 严重雾霾 b.大气传输特性 大气传输特性 衰减电磁波 (吸收 散射为主 吸收 就可见光和近红外而言 ，约占 ， 就可见光和近红外而言，约占30， 其次为散射的作用，约占22， ，占第三位 其次为散射的作用，约占 ，占第三位 是吸收，约占17，这样， ，这样 是吸收，约占 ，这样，透过大气到达 地面的能量仅占入射总能量的31 地面的能量仅占入射总能量的 大气的透射率：透射率与路程、 大气的透射率：透射率与路程、大气 的吸收、散射有关。 的吸收、散射有关。 c.大气的吸收作用 大气的吸收作用 某些大气成份对电磁波有吸收

22、作用(转变为 某些大气成份对电磁波有吸收作用 转变为 自身分子内能 氧气：小于0.2 m；0.155为峰值。高空遥感很少使 用紫外波段的原因。 臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空 遥感影响不大。 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。 主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此， 水对红外遥感有极大的影响。 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽 略不计。 d.大气散射 大气散射 其实质是电磁波在传输中遇到各种微粒产 与波长有关 生的衍射现象 (与波长有关 影响: 降低原入射方向的强度, 影响: 降低原入射方向的强度, 增加了漫 入射成份(增加了信号中的噪声 入

23、射成份(增加了信号中的噪声降低了遥感数 据的质量、影像模糊，影响判读。 据的质量、影像模糊，影响判读。 大气散射集中在太阳辐射能量最强的 可见光区。因此， 可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减 的主要原因。 的主要原因。 Scattering of EM energy by the atmosphere Relationship between path length of EM radiation and the level of atmospheric scatter 三种散射作用 实际上分为 ?瑞利 (分子 散射 瑞利 分子 分子散射 -4 小 散射强 (a << 小 1 ?米

24、氏散射 气溶胶引起 -2 对红外影响大 (a= 米氏散射(气溶胶引起 米氏散射 气溶胶引起 ?非选择性散射 非选择性散射 (a> 1. 瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时， 此时的散射称为瑞利散射。 散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散 射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是 红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外 线散射的1万倍。 瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的 影响很小，对微波的影响可以不计。 多波段中不使用蓝紫光的原因： 颜色 红 橙黄 黄 绿 青兰 紫 紫外线 波长 0.7 0.62 0.57 1.6 2.2 0.53 3.3 0.47 4.9 0.

25、4 0.3 5.4 30.0 散射率 1 无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？ 朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？ 2. 米氏散射： 当微粒的直径与辐射波长差 不多时的大气散射。主要是大气中的气 溶胶引起的 云、雾的粒子大小与红外线的波长接 近，所以云雾对对红外线的米氏散射 不可忽视。 3. 无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长 大得多时所发生的散射。符合无选择性散 射条件的波段中，任何波段的散射强度相 同。 水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生 非选择性散射。 云雾为什么通常呈现白色？ 散射特性 瑞利散射是造成图像辐射畸变和模糊的 主要原因。 主要原因。 米氏散射可叠加在瑞利散射之上 大气散射增强了地面

26、的辐射和大气层的 亮度” 降低了图像的反差度。 “亮度”，降低了图像的反差度。 结论 1. 太阳辐射衰减的原因是什么？ 2. 在可见光和近红外波段，大气最主要的散 射作用是什么？ 3. 微波为什么具有极强的穿透云层的作用？ 4. 为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大 气层的散射和吸收作用？ e. 折射 反射 折射:传播方向改变 与大气密度有关 折射 传播方向改变 直线成曲线 (与大气密度有关 与大气密度有关 反射:两种介质的交界处发生反射 反射 两种介质的交界处发生反射 云量多少影 响反射情况 遥感中,通常把电磁波通过大气层时较少 遥感中 通常把电磁波通过大气层时较少 被反射、 吸收或散射的,

27、透过率较高的波段称为 透过率较高的波段称为大气窗 被反射 、 吸收或散射的 透过率较高的波段称为 大气窗 也即传感器使用的观测波段. 口(也即传感器使用的观测波段 也即传感器使用的观测波段 f.大气窗口 要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。 大气窗口解释 1）0.31.3um： 包括全部可见光 可见光（95），部分紫外光 可见光 （70），部分近红外光 近红外光（80）。 近红外光 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）1.52.5um： 白天记录 3）3.55.5um： 扫描成像记录 4）814 um： 扫描记录 近红外窗口，6095，扫描成像， 中红外