電磁輻射與地物光譜

1其次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，變更的磁場激發(fā)了變更的電場，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波。2）電磁波是橫波，質(zhì)點的振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=hfh,Plank'sconstant(6.626*10-34J?s)2.1.1電磁波譜遇到介質(zhì)（氣體、液體、固體），發(fā)生一系列現(xiàn)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(zhì)，折射角一般不等于入射角吸?。翰糠直唤橘|(zhì)吸取透射：從入射延長方向射出介質(zhì)放射：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%；吸取率=（吸取能量/入射總能量）*100%；透射率=（透射反射能量/入射總能量）*100%。2.1.1電磁波譜62.1.1電磁波譜電磁波譜定義：依據(jù)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)-2.4cmK:1.1-1.57(1.7)cmKa:0.75-1.1cm82.1.2、電磁輻射的度量能量：反應(yīng)了做功的實力，在做功的過程中，能量從一個物體傳輸?shù)搅硪粋€物體或者從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方。傳導(dǎo)對流輻射為了描述電磁輻射的產(chǎn)生、在空間的傳播以及與其物質(zhì)進行相互作用的過程，可以接受兩種不同的模型：波模型和粒子模型。92.1.2、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(xiàn)在：?使被輻照的物體溫度上升?變更物體的內(nèi)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(nèi)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Φ11（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位面積上的輻射通量，記為:

I=dΦ/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=dΦ/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(nèi)的輻射通量：

輻射強度：（I）=dΦ/dΩ輻射強度（I）的單位是瓦/球面度（W/Sr）輻射強度點輻射源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(nèi)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輻射度量一覽表輻射量符號定義單位輻射能量E焦耳(J)輻射通量ΦdE/dt瓦(W)輻照度IdΦ/dS瓦/米2(W/m2)輻射出射度MdΦ/dS瓦/米2(W/m2)輻射強度dΦ/dΩ瓦/球面度(W/Sr)輻射亮度L2Φ/SΩ瓦/米2?球面度(W/m2

?Sr)固體或液體，在任何溫度下都在放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)而放射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。（1）熱輻射現(xiàn)象2.1.3、黑體輻射物體可輻射能量也可吸取能量，當輻射和吸取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。172.1.3、黑體輻射-確定黑體能全部吸取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確定黑體。簡稱黑體不透亮的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。黑體模型探討黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。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的增加而快速增加?？傒椛涑錾涠萂可在從零到無窮大的波長范圍內(nèi)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(shù)，σ=5.67×10-8W/m2K4。能量與確定溫度T的4次方成正比。斯蒂芬一玻爾茲曼定律（2）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(yīng)的波長K=2.898*103umk20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越高全部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確定黑體的輻射，在相同溫度下，實際物體的輻射出射度（輻射通量密度）比確定黑體的要低。地物放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，稱地物光譜放射率（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放射率也不同。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(nèi)四個物體B0，B1，B2，B3。首先腔內(nèi)是真空，能量交換不能以傳導(dǎo)和對流進行，只能以輻射方式完成；其次，空腔內(nèi)保持恒溫，因此每個物體向外輻射和吸取的能量必定相等。Mi為輻射出射度，αi為吸取系數(shù)，Ii為輻照度?；鶢柣舴蜃C明：僅與波長和溫度有關(guān)，與物體本身性質(zhì)無關(guān)，得到：232.2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，布滿了從太陽放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，遙感傳感器從空中或空間接收地物反射的電磁波。地球系統(tǒng)的能量絕大多數(shù)（>99％）來源于太陽太陽輻射:

9%紫外線41%可見光49%紅外線242.2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，布滿了從太陽放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(shù)：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(nèi)，垂直于太陽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=1.95cal/cm2min=1.360*103W/m2252.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2.2.2、大氣吸取大氣的垂直分層對流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變更頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在12～50km，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強吸取而漸漸上升。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對遙感波段是透亮的，是陸地衛(wèi)星活動空間。大氣外層：800～35000km,空氣極淡薄，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0.01-30m大氣對太陽輻射的影響作用：折射、反射、吸取、散射、透射2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2.2.2大氣吸取嚴峻影響傳感器對電磁輻射的探測，導(dǎo)致太陽輻射強度衰減；吸取作用越強的波段，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取帶。主要吸取帶：水：0.94m，1.13m，1.38m，1.86m，2.5-3.0m，3.24m，5-7m，7.13m，24m以上；二氧化碳：2.8m，4.3m臭氧：0.2-0.32m，0.6m，9.6m氧氣：0.2m，0.6m，0.76m2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2.2.2大氣吸取282.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2.2.2、大氣吸取主要吸取帶：水：0.94m，1.13m，1.38m，1.86m，2.5-3.0m，3.24m，5-7m，7.13m，24m以上（微波）；二氧化碳：2.8m，4.3m臭氧：0.2-0.32m，0.6m，9.6m氧氣：0.2m，0.6m，0.76m292.2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變更，并向各個方向散開。其實質(zhì)是電磁波的衍射。由于粒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(勻整散射）散射類型與以下因素有關(guān)：入射電磁波的波長；

氣體分子、顆粒和水滴的大小302.2.3、大氣散射（1）瑞利散射（Rayleighscattering）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、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(Miescattering)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-231（3）無選擇性散射(Non-selectivescattering)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(guān)，任何波長的散射強度相同2.2.3、大氣散射32散射強度與波長親密相關(guān)。在大氣狀況相同時，同時會出現(xiàn)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，而米氏散射的影響漸漸超過瑞利散射。大氣中的云層、小雨滴等，由于直徑較大，對不同波長產(chǎn)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（0.76-15m）的散射主要氏米氏散射；2.2.3、大氣散射33（1）大氣折射電磁波穿過大氣層時，會產(chǎn)生傳播方向變更，即折射現(xiàn)象。大氣密度越大，折射率越大；離地面高度越大，空氣越淡薄，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，減弱了電磁波強度。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360.3-1.3μm：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，也是很多衛(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373.5-5.5μm：即中紅外波段，物體的熱輻射較強。8-14μm：即遠紅外波段。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實力，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382.3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?cè)肷淠芰康陌俜直?（P/P0）*100%反射率大小與物體本身的性質(zhì)和表面狀況、波長、入射角等有關(guān)三種反射狀況：鏡面反射、漫反射、方向反射朗伯面：對于漫反射面，當入射照度確定時，從任何角度視察反射面，其反射亮度是一個常數(shù)，這種反射面稱朗伯面實際物體多數(shù)為方向反射，介于鏡面和朗伯面間。392.3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(guān)，也與反射方向的方位角與天頂角有關(guān)。

入射輻照度Ii由兩部分組成，一部分是太陽的干脆輻射，其輻照度大小與太陽天頂角θi和日地距離D有關(guān)；另一部分是太陽輻射經(jīng)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(guān)。402.3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：探討地物反射率隨波長的變更規(guī)律來識別地物地物反射曲線的形態(tài)相差