R第2章：電磁輻射與地物光譜特性1

1、遙感原理第二章 遙感的物理基礎 本章主要內(nèi)容電磁波與電磁波譜太陽和地球輻射特征大氣和環(huán)境對遙感的影響地物的光譜特性與測量遙感原理第一節(jié)第一節(jié) 電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜一電磁波及其特性二電磁波譜三電磁輻射源四黑體輻射遙感原理一、電磁波及其特性一、電磁波及其特性1、波的概念：波是振動在空間的傳播。2、機械波：聲波、水波和地震波3、電磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源發(fā)出的電磁振蕩在空氣中傳播。演示遙感原理4、電磁波是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的：原理5、電磁輻射:這種電磁能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射）稱為電磁輻射。遙感原理6、電磁波的特性1

2、)電磁波是橫波2)在真空中以光速傳播 滿足： 頻率與波長的乘積是光速 能量等于普朗克常數(shù)h與頻率f 的乘積3)電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；在與物質(zhì)相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。遙感原理v波動性：波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳播的，因此具有波動性;反射、折射、吸收等；v粒子性：粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運動。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計性;v波粒二象性的程度與電磁波的波長有關：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動特性愈明顯。遙感原理二、電磁波譜二、電磁波譜1、電

3、磁波譜、電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長或頻率,由遞增或遞減排列，則構成了電磁波譜。 在電磁波譜中，波長最長的是無線電波，其按波長可分為長波、中波、短波和微波。波長最短的是射線; 電磁波的波長不同，是因為產(chǎn)生它的波源不同。遙感原理Examples from Space!遙感原理The Electromagnetic SpectrumMore than meets the eye!遙感原理Wavelength The distance from one wave crest to the next Radio waves have longest wavelength and Gamma r

4、ays have shortest。遙感原理Wavelength units Meters （米） More commonly in nanometers (1 nm = 10-9 meters) Angstroms （埃） Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths 1 nanometer = 10 Ao Speed of light = wavelength (l l) * frequency = 3 x 108 m/s in vacuum Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1)

5、 Frequency in GHz (1 Hz = sec 1) Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumEnergyWavelength lElectromagnetic SpectrumHigh energyShort wavelength / high frequencyEmitted at high TSunEarth遙感原理遙感原理紫外線(UV)：0.01-0.4m，碳酸鹽巖分布、水面油污染,攝影紫外。可見光：0.4-0.76 m，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段,攝影和掃描方式。紅外線(IR) ：0

6、.76-1000 m。近紅外0.76-3.0 m,中紅外3.0-6.0 m；遠紅外6.0-15.0 m；超遠紅外15-1000 m。近紅外又稱光紅外或反射紅外（攝影紅外)；中紅外和遠紅外又稱熱紅外(掃描方式)。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動與被動之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ蟆?、遙感常用的電磁波波段的特性遙感常用的電磁波波段的特性遙感原理三、電磁輻射源及度量三、電磁輻射源及度量1. 輻射源1)自然輻射源太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用6000的黑體輻射來模擬；其輻射波長范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對太陽輻射的吸收、反射和散射。地球的電磁輻射：小于3 m的波長主

7、要是太陽輻射的能量；大于6 m的波長，主要是地物本身的熱輻射；3-6 m之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。遙感原理太陽輻射照度分布曲線遙感原理遙感原理Solar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.5 m mm遙感原理CO2H2OO3Terrestrial Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum = Thermal Spectrum: Sahara Desert on Nimbus 4 SatelliteTheo

8、retical Planck curves:Earth 300K, peak emission 15 m mm遙感原理Earth SpectrumIncoming from Sun:High energy、 short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 m mm10 m mm20 m mm遙感原理太陽與地球輻射的電磁波譜遙感原理2)人工輻射源：主動式遙感的輻射源。雷達探測。分為微波雷達和激光雷達。微波輻射源：0.8-30cm激光輻射源：激光雷達測定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測量地形等。遙感原理1/11遙感原理2/1

9、1遙感原理3/11遙感原理4/11遙感原理6/11遙感原理7/11遙感原理 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標準；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標準。1.黑體：在任何溫度下，對任何波長的電磁輻射都全部吸收,則 這個物體是絕對黑體 。2. 黑體輻射(Black Body Radiation )：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。黑色煙煤 恒星太陽四、黑體輻射3、黑體輻射定律黑體輻射定律(1)普朗克熱輻射定律 表示出了黑體輻射出射度與溫度的關系以及按波長分布的規(guī)律。1/1522)(kTchehcTMllll、遙感原理黑體輻射的三個特性( p20 )A.輻射出射度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值

10、。B.溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同。C.隨著溫度的升高，輻射最大值所對應的波長向短波方向移動。 (2)斯忒藩-玻耳茲曼定律 Stefan-Boltzmanns law 即黑體總輻射出射度隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射出射度很大的變化。地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構成是紅外裝置測定溫度的理論基礎。401/1522TdkTchehcMlll溫度3005001000200030004000500060007000波長9。665。802。901。450。970

11、。720。580。480。41(3)(3)維恩位移定律：維恩位移定律：Wiens displacement law 隨著溫度的升高，輻射最大值對應的峰值波長與黑體絕對溫度成反比. 即其曲線峰頂向短波方向移動。bT maxl絕對黑體溫度與最大輻射所對應波長關系 p4、實際物體的輻射、實際物體的輻射p 基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量M和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量M 0。M/=M0 4、實際物體的輻射、實際物體的輻射p發(fā)射率發(fā)射率(Emissivity )：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）M與同溫下同波長黑體輻射出射度M

12、黑的比值。它也是遙感探測的基礎和出發(fā)點。 M/M0=在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。M/M0= M/=M0遙感原理黑WWp影響地物發(fā)射率的因素： 地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。遙感原理遙感原理p按照發(fā)射率與波長的關系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)?；殷w(grey body)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長而變化。遙感原理第2.2節(jié) 太陽輻射及大氣對輻射的影響 大氣的成分和結構 大氣對太陽輻射的影響 大氣窗口 環(huán)境對地物光譜特性

13、的影響遙感原理遙感原理遙感原理遙感原理遙感原理遙感原理遙感原理大氣對太陽輻射的影響 太陽輻射的衰減過程：30%被云層反射回；17%被大氣吸收；22%被大氣散射；31%到達地面。（圖2-3） 大氣的透射率公式：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關。遙感原理2.2.2大氣吸收1、大氣的成分和層次 大氣的傳輸特性：大氣的傳輸特性：大氣對電磁波的反射、吸收、散射和透射的特性。這種特性與波長和大氣的成分有關。 大氣的成分：大氣的成分：多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微?；旌辖M成的。 大氣物質(zhì)與太陽輻射相互作用，是太陽輻射衰減的重要原因。遙感原理（1）、大氣的層次大氣的垂直分層：對流層、平流層、中氣層、熱層和大氣

14、外層。1.對流層 ：航空遙感活動區(qū)。遙感側重研究電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。2.平流層：較為微弱。3.中氣層：溫度隨高度增加而遞減。4.熱層：增溫層。電離層。衛(wèi)星的運行空間。5.大氣外層：1000公里以外的星際空間。遙感原理大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。 氣體：N2，O2，O3，H2O，CO2，CO，CH4， 懸浮微粒：塵埃遙感原理 不變成分不變成分: 分子為主 N2、O2 約占99 Ar、 CO2、Ne、He、CH4、N2O 共占1 可變成分可變成分: 懸浮微粒為主 煙、塵埃、霧霾、 O3、水(固態(tài)、液態(tài))、 氣溶膠（一種固體、液體的懸浮物）大氣物質(zhì)與太陽輻射相互作用，是

15、太陽輻射衰減的重要原因。（2）、大氣的成分）、大氣的成分遙感原理遙感原理遙感原理2 大氣的吸收作用 大氣中氣體分子對電磁波的吸收具有選選擇性擇性遙感原理A.氧氣：小于0.2 m；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。B.臭氧： 0.22-0.32 m數(shù)量極少，但吸收很強。兩個吸收帶；對航空遙感影響不大。C.水：吸收太陽輻射能量最強的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此，水對紅外遙感有極大的影響。D.二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi),尤其在13-17.5 m遠紅外。可以忽略不計。O3: 0.20.3m 0.6m 9.6mH2O: 2.53.0m 5

16、7m 0.94,1.13,1.38,1.86,3.24m 24mCO2:2.8m 4.3m 14.5m遙感原理Absorption of EM energy by the atmosphere遙感原理遙感原理2.2.3 大氣的散射作用大氣的散射作用 散射作用：太陽輻射在長波過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開。改變了電磁波的傳播方向，不能轉變?yōu)閮?nèi)改變了電磁波的傳播方向，不能轉變?yōu)閮?nèi)能能；干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。量、影像模糊，影響判讀。 大氣散射集中在太陽輻射能量最強的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減的主要原

17、因。遙感原理Scattering of EM energy by the atmosphere遙感原理遙感原理三種散射作用1.瑞利散射：當微粒的直徑比輻射波長小得多時，此時的散射稱為瑞利散射。d d 水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散射。云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？遙感原理遙感原理Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud遙感原理三、大氣窗口1、大氣窗口、大氣窗口：。 大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)。遙感原理 折射現(xiàn)象: 大氣的反射: 大氣窗口:太陽 輻射經(jīng)過大氣傳輸后,主要是反射反射 吸收吸收 和散射和散射的共同影響衰減可輻射

18、強度.煙臺師范學院地理與資源管理學院遙感原理大氣窗口大氣窗口波段波段透射率透射率/%/%應用舉例應用舉例紫外可見光紫外可見光近紅外近紅外0.30.31.3 m1.3 m9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT的的HRVHRV近紅外近紅外1.51.51.8 m1.8 m8080TM5TM5近近- -中紅外中紅外2.02.03.5 m3.5 m8080TM7TM7中紅外中紅外3.53.55.5 m5.5 mNOAANOAA的的AVHRRAVHRR遠紅外遠紅外8 814 m14 m60607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatRadarsat遙

19、感原理第四節(jié) 地物的光譜特性 任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。 同時任何高于絕對零度的物體都能進行熱輻射,具有發(fā)射紅外線微波的特性 地物的這種特性稱為：地物的光譜特性。遙感原理太陽輻射與地物的作用n太陽輻射到達地表后，一部分反射，一部分吸太陽輻射到達地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即收，一部分透射，即： 到達地面的太陽輻射能量反射能量吸收到達地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量透射能量能量透射能量n 地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射地表反射的太陽輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。能量。遙感原理n 一般而言，絕大多數(shù)物體對

20、可見光都不具備透一般而言，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強，特別是波則透射能力較強，特別是0. 450. 56m的藍的藍綠光波段。一般水體的透射深度可達綠光波段。一般水體的透射深度可達1020 m，清澈水體可達清澈水體可達100 m的深度。的深度。n 地表吸收太陽輻射后具有約地表吸收太陽輻射后具有約300 K的溫度，從的溫度，從而形成自身的熱輻射，其峰值波長為而形成自身的熱輻射，其峰值波長為9.66 m，主要集中在長波，主要集中在長波，即即6m6m以上的熱紅外區(qū)段。以上的熱紅外區(qū)段。遙感原理地物的反射

21、率、吸收率和透射率地物的反射率、吸收率和透射率 對于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低（非透明物體）。遙感原理1. 地物的反射率地物的反射率（ 反射系數(shù)或亮度系數(shù)）反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：地物對某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長而變化。影響地物反射率大小的因素：l入射電磁波的波長l入射角的大小l地表顏色與粗糙度和濕度等有關。和濕度等有關。遙感原理 2物體的反射 有三種情況：鏡面反射、漫反射和實際物體的反射。遙感原理3、地物的反射光譜：、地物的反射光譜：地物的反射率隨入射地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律。波長變化的規(guī)律。1)地物反射

22、光譜曲線地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率根據(jù)地物反射率與波長之間的關系而繪成的曲線。與波長之間的關系而繪成的曲線。 地物電磁波光譜特征的差異是遙感識地物電磁波光譜特征的差異是遙感識別地物性質(zhì)的基本原理。別地物性質(zhì)的基本原理。2)2)不同地物在不同波段反射率存在差異：不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、雪、 沙漠、濕地、小麥的光譜曲線沙漠、濕地、小麥的光譜曲線遙感原理遙感原理3)同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。不同植物；植物病蟲害4)地物的光譜特性具有時間特性和空間特性。q時間特性q空間特性遙感原理遙感原理不同植物光譜曲線比較遙感原理遙感原理植被的病蟲害遙感原理時間特征遙感原理遙感原理 地物波譜特征的研究是遙感的重要部分: 研究遙感成像機理;選擇 遙感儀器最佳探測波