第二章 电磁辐射与地物波谱特征

1、2020/7/4,电磁辐射与地物波谱特征,蔡爱民国土信息工程系,2,第二章电磁辐射与地物波谱特征,遥感导论,本章内容1.电磁波谱与电磁辐射2.太阳辐射和地球辐射3.地球辐射与地物波谱,3,第二章电磁辐射与地物波谱特征,第二章电磁辐射与地物波谱特征,1.电磁波谱与电磁辐射遥感机理：遥感是利用传感器主动或被动地接受地面目标反射或发射的电磁波，通过电磁波所传递的信息来识别目标，从而达到探测目标物的目的。应掌握有关电磁波的知识,4,第二章电磁辐射与地物波谱特征,1.电磁波谱与电磁辐射,一、电磁波及其传输特性电磁波的产生电磁波是电磁振动的传播。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

2、在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射。电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直。,5,第二章电磁辐射与地物波谱特征,一、电磁波及其传输特性,电磁波示意图,E电场，M磁场，C传播方向,同时达到最大/最小,偏振面,6,第二章电磁辐射与地物波谱特征,电磁波特性,波动性1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。粒子性1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的反射、吸收、散

3、射。,7,第二章电磁辐射与地物波谱特征,波粒二向性,麦克斯韦（1831-1879）,普朗克（1858-1947）,爱因斯坦（1879-1955）,波动性,粒子性,8,第二章电磁辐射与地物波谱特征,电磁波及其传输特性,电磁波的性质1）横波；2）真空中以光速传播；3）满足f=C（E=hf能量越大，频率越高）；4）具有波粒二象性。,9,第二章电磁辐射与地物波谱特征,（二）电磁波的性质,波长与频率的关系,10,第二章电磁辐射与地物波谱特征,（二）电磁波的性质,5）遇到介质（气体、液体、固体）时，会发生下列现象：反射：镜面反射：入射角等于反射角漫反射：反射向四面八方折射：射入介质，折射角一般不等于入射角

4、吸收：部分被介质吸收透射：从入射延伸方向射出介质发射：自身向外辐射能量,11,第二章电磁辐射与地物波谱特征,（二）电磁波的性质,电磁波与物体间的相互作用,12,第二章电磁辐射与地物波谱特征,（二）电磁波的性质,入射的总能量=反射+吸收+透射反射率=（反射能量/入射总能量）100%吸收率=（吸收能量/入射总能量）100%透射率=（透射反射能量/入射总能量）100%散射：辐射传播中，若遇到小粒子，会向四面八方散去，电磁波强度和方向发生各种变化，散射的强度随波长改变。偏振：振动方向随时间改变，在与传播方向垂直的平面变化。振动方向不随时间变化，称线偏振。,13,第二章电磁辐射与地物波谱特征,（二）电磁

5、波的性质,电磁波的散射,14,第二章电磁辐射与地物波谱特征,1.电磁波谱与电磁辐射,二、电磁波谱概念：按照电磁波在真空中传播的波长或频率进行递增/递减排列形成的一个连续谱带。,15,第二章电磁辐射与地物波谱特征,三棱镜,1666年，牛顿,可见光：390nm-770nm,16,第二章电磁辐射与地物波谱特征,电磁波谱段划分（按波长）,17,第二章电磁辐射与地物波谱特征,可见光,可见光:（0.38-0.76m）蓝：0.4-0.5m绿：0.5-0.6m红：0.6-0.7m,18,第二章电磁辐射与地物波谱特征,三、电磁波谱,近红外（NIR,near-infrared）：0.7-1.1m短波红外(SWIR

6、,shortwaveIR):1.1-3.0(2.5)m中红外(MWIR,MidwaveIR)：3.0-6.0（8.0）m热红外(TIR,ThermalIR)：8.0-15m,19,第二章电磁辐射与地物波谱特征,三、电磁波谱,微波波段(1mm-1m,最常用1cm-1m)微波遥感常用波段符号P：30-100cmL:15-30cmS:7.5-15cmC:3.75-7.5cmX:2.4-3.75cmKu:1.57(1.7)-2.4cmK:1.1-1.57(1.7)cmKa:0.75-1.1cm,20,第二章电磁辐射与地物波谱特征,1.电磁波谱与电磁辐射,三、电磁辐射的测量为了定量地描述电磁辐射，必须了

7、解下面辐射测量的定义及其度量单位。辐射能量W:电磁辐射的能量，单位是J。辐射通量:单位时间内通过某一面积的辐射能量，是辐射能流的单位，记为=dW/dt。用W（J/s）表示；辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各波段辐射通量之和。（压力）辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量。(压强)辐照度(I)：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，记为:I=d/dS。单位是W/m2,S为面积。辐射出射度M：温度为T的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，记为:d/dS。单位也是W/m2，S为面积。辐照度I与辐射出射度M都是辐射通量密度的概念，只不过前者为物体接收的辐射，后者为物体发出的辐射,它们都

8、与波长有关。,21,第二章电磁辐射与地物波谱特征,三、电磁辐射的测量辐射亮度（L）：面状辐射源，其向外辐射的强度在不同方向上是不同的，在某一方向上，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。,22,第二章电磁辐射与地物波谱特征,二、电磁辐射的测量,Theconceptofradiantfluxdensityforanareaonthesurfaceoftheearth.IrradianceisameasureoftheamountofincomingenergyinWattsm-2.ExitanceisameasureoftheamountofenergyleavinginWattsm-2.,辐射

9、通量密度（radiantfluxdensity）辐照度（irradiance）辐射出射度（exitance）,23,第二章电磁辐射与地物波谱特征,1.电磁波谱与电磁辐射,四、黑体辐射和实际物体辐射黑体（Blackbody）：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则称物体为黑体。性质吸收率为1，反射率为0，与温度和波长无关达到最大的吸收，最大的发射举例黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体实际物体入射辐射=吸收+反射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和吸收现象时，物体的光谱吸收系数和反射系数之和恒等于1。实际物体的温度不同或入射电磁波的波长不同，都会导致不同的吸收

10、和反射。,24,第二章电磁辐射与地物波谱特征,1.电磁波谱与电磁辐射,黑体实验用不透明材料制成的开有小孔的空腔(如右图)就是一个黑体模型。空腔外面的辐射能够通过小孔进入空腔，进入空腔的射线，在空腔内进行多次反射，每反射一次内壁吸收一部分能量，最后全部被吸收掉，从小孔穿出的辐射能可以略去不计。小孔即相当于黑体的表面。右图演示了这样一个黑体模型。,25,第二章电磁辐射与地物波谱特征,黑体辐射规律,普朗克公式：c:真空中的光速；k:波尔兹曼常数，为1.3810-23J/K；h:普朗克常数，6.6310-34Js;M:辐射出射度；T:温度，:波长。斯忒藩-玻尔兹曼定律整个电磁波谱的总辐射出射度M,可以

11、用某一单位波长间隔的辐射出射度M对波长由O到无穷大的整个电磁波段积分，也就是计算对应某一温度的曲线下的面积。用普朗克公式对波长积分，得到斯忒藩一玻尔兹曼定律，即绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比，M=T4式中，为斯忒藩玻尔兹曼常数，=5.6710-8W/m2K4。,26,第二章电磁辐射与地物波谱特征,不同温度下的黑体辐射,27,第二章电磁辐射与地物波谱特征,黑体辐射,维恩位移定律当绝对黑体的温度升高时，单色辐射出射度最大值对应的波长向短波方向移动，物体温度越高，最强辐射波长越短。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：maxT=bb为常数，b=2.89810-3m

12、K例如：太阳光=490nm，可估计出太阳表面温度近似为5900K；地表温度为300K，地表辐射的约为10nm。,28,第二章电磁辐射与地物波谱特征,黑体辐射,黑体辐射曲线,BlackbodyradiationcurvesforseveralobjectsincludingtheSunandtheEarthwhichapproximate6,000Kand300Kblackbodies,respectively.Noticethatasthetemperatureoftheobjectincreases,itsdominantwavelengthshiftstowardtheshortwavel

13、engthportionofthespectrum.,29,第二章电磁辐射与地物波谱特征,实际物体随温度变化表,实际物体的辐射相同温度下，实际物体的辐射出射度（辐射通量密度）比绝对黑体的要低。地物发射某一波长的辐射出射度（辐射通量密度）与同温下黑体在同一波长上的辐射出射度之比，称地物光谱发射率（emissivity）(也称比辐射率)，即：=M/M发射率是一个数字，其值介于0和1之间，不同地物有不同的，同一地物在不同波段的波谱发射率也不同。,30,第二章电磁辐射与地物波谱特征,实际物体辐射,实际地物的发射分两种情况（1）选择性辐射体，在各波长处的发射率不同；（2）灰体，在一定温度下，其各处的发射

14、率相等。按发射率变化情况，将地物分为以下几个类型：绝对黑体：=1灰体：=01（大多数物体可看作灰体）选择性辐射体:=f()理想反射体:=0,31,第二章电磁辐射与地物波谱特征,地物辐射规律,基尔霍夫定律在任一给定的温度下，辐射出射度(辐射通量密度)与吸收率之比对任何材料都是常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度。即：M/=M为吸收率发射率定义：=M/M=即，一个物体的波谱发射率等于它的波谱吸收率，好的吸收体也是好的发射体。,32,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳从

15、中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和大气层。其能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。,33,第二章电磁辐射与地物波谱特征,太阳辐射源,34,第二章电磁辐射与地物波谱特征,第二章电磁辐射与地物波谱特征,一、太阳和太阳常数：太阳是太阳系的中心天体，在太阳系空间，布满了从太阳发射的电磁波的全波辐射及粒子流，地球上的能量主要来自太阳。太阳常数：不受大气影响，在距离太阳一个天文单位（日地平均距离，1.496108m）的区域内，垂直于太阳辐射方向上单位面积和单位时间黑体所接收到的太阳辐射能量。是在地球

16、大气顶端接受的太阳能量，没有大气影响。,35,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,二、太阳光谱：太阳光谱是连续的，且辐射特性与绝对黑体辐射特性近似；能量各波段所占比例不同，近紫外、可见光、近红外和中红外部分约占太阳总辐射的84.62%；X射线、射线、远紫外及微波波段的总能量不到1%。,地表接受的太阳辐射曲线与大气外的曲线不同，差异主要由大气引起。吸收：水、氧、臭氧、二氧化碳等；散射。,36,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,三、地球辐射地表自身热辐射：地球辐射与相应的黑体辐射的关系：从中看出：地球辐射接近于300K黑体辐射，但由于大气影响（主要是吸收），实

17、际的辐射曲线为不平滑的折线。,从卫星上测得的地球辐射与黑体辐射对比,37,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,太阳辐射和地球辐射的分段性（区别）：太阳辐射接近于温度为6000K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为0.47m，地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为9.66m，二者相差较远；太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即0.3-2.5m，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。,地球自身发出的辐射主要集中在波长较长的部分，即6m以上的热红外区段。在2.5-6m的中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。

18、（重叠区）,38,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,四、大气对太阳辐射影响大气分层：对流层、平流层、电离层、外大气层,39,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,1、大气组成：两类：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）约占1%；颗粒：烟、尘埃、雾、小水滴和气溶胶。气溶胶是一种固体、液体的悬浮物，直径0.01-30m。2、大气对太阳辐射的影响折射、反射、吸收、散射、透射,40,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,（1）大气折射电磁波穿过大气层时，会产生传播方向改变，即折射现象。大气密度

19、越大，折射率越大；离地面高度越大，空气越稀薄，折射率越小。地面接收的电磁波方向与实际太阳辐射之间的夹角，称为折射值。,41,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,（2）大气的反射主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，且波段不同大气影响不同，削弱了电磁波强度。（3）大气吸收严重影响传感器对电磁辐射的探测，导致太阳辐射强度衰减；吸收作用越强的波段，辐射强度衰减越大，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。在太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些吸收带。主要吸收带：水：0.94m，1.38m，1.86m，2.5-3.0m，3.24m，5-7m，7.13m，24m以上（微波）；二氧化碳：

20、2.8m，4.3m臭氧：0.2-0.32m，0.6m，9.6m氧气：0.2m，0.6m，0.76m,42,第二章电磁辐射与地物波谱特征,大气通透率与卫星摄取波段,43,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,（4）大气散射由于粒子的散射作用使电磁波在原传播方向上的辐射强度减弱，增加了向其它各方向的辐射。三种散射类型瑞利散射米氏散射无选择性散射,44,第二章电磁辐射与地物波谱特征,大气散射类型,大气散射,散射类型与以下因素有关：入射电磁波的波长；气体分子、颗粒和水滴的大小。,45,第二章电磁辐射与地物波谱特征,大气散射类型,1）大气散射类型A瑞利散射（Rayleighscatter

21、ing）由大气中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起，条件：粒子直径比波长小很多特点：散射强度与波长的四次方成反比，即:I-4波长越长，散射越弱。,46,第二章电磁辐射与地物波谱特征,大气散射类型,B米氏散射(Miescattering)大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的散射，粒子直径与辐射的波长相当。这种散射的强度受气候影响大。米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比，即I-2。且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性较明显。云雾对红外线（0.76-15m）的散射主要氏米氏散射。,47,第二章电磁辐射与地物波谱特征,大气散射类型,C无选择性散射(Non-sele

22、ctivescattering)发生在大气粒子的直径比波长大得多时。散射的特点是：散射强度与波长无关，任何波长的散射强度相同。,48,第二章电磁辐射与地物波谱特征,大气散射类型,散射特征总结散射强度遵循的规律与波长密切相关。在大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。对于大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段。波长超过1m后，瑞利散射的影响大大减弱，而米氏散射的影响逐渐超过瑞利散射。大气中的云层、小雨滴等，由于直径较大，对不同波长产生不同散射作用。对于可见光而言只有无选择性散射发生,云层越厚无选择散射越强。云雾对红外线（0.76-15m）的散射主要氏米氏散射；对于微波而言，粒

23、子的直径比微波波长小很多，则属于瑞利散射的类型，散射强度与波长四次方成反比，波长越长，散射强度越小。在这一条件下，微波探测便可以发挥优越性，将有最小散射、最大透射，而具有“穿云透雾”的能力。,49,第二章电磁辐射与地物波谱特征,大气影响,进入传感器的辐射由三部分组成：地物直接反射的太阳辐射IS；漫入射辐射射入地面，又反射到大气中，再进入传感器ID；由于大气散射没有到达地面就直接进入传感器的部分IO，增加的不必要成分。,50,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,五、大气窗口概念：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。大气窗口的意义折射改变了太阳辐射的方向，

24、并不改变太阳辐射的强度。太阳辐射经过大气传输后，主要是反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过部分。遥感传感器只能选择透过率较高的波段才有意义。,51,第二章电磁辐射与地物波谱特征,太阳辐射与大气窗口,52,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,主要的大气窗口光谱段0.3-1.3m，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段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。比如，Landsat卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。1.5-1.8m,2.0-3.5m，即近、短波、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如TM的

25、5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。,53,第二章电磁辐射与地物波谱特征,主要的大气窗口光谱段,3.5-5.5m，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93m探测海面温度，获得昼夜云图。8-14m，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。0.8-2.5cm至更长,即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。而且工作方式为主动遥感。其常用的波段为0.8cm，3cm，5cm,10cm等等,有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm波段。,54,第二章电磁辐射与地物波谱特征,2.太阳辐射和地球辐射,六、地面物体反射光谱概念：地物波谱（地物光谱）:各种地物具有的电磁波特性（反射率、发射