第二章-電磁輻射的基本原理...ppt

1、第二章 電磁輻射的基本原理,2.1 電磁波的基本特征 2.2 電磁輻射源 2.3 地球大氣對電磁輻射傳輸?shù)挠绊?2.4 地物波譜特征 2.5 色度學(xué),2.1 電磁波的基本特性,電磁波是交變電磁場在空間的傳播，它是物質(zhì)運動、能量傳遞的一種特殊形式。 基本特征： 1.是一種橫波 2.在真空以光速傳播 3.具有波粒二象性： 電磁輻射：電磁波能量的傳遞過程。電磁波在傳遞過程中遵循波的發(fā)射、吸收、反射、透射等傳播規(guī)律。,電磁波譜,將各種電磁波按其波長（或頻率） 的大小,依次排列畫成的圖表。,紫外波段 0.010.38m 紫 0.380.43 m 藍(lán) 0.430.47 m 青 0.470.50 m 可見光

2、波段 0.380.76 m 綠 0.500.56 m 黃 0.560.59 m 橙 0.590.62 m 紅 0.620.76 m 近 紅 外 0.763.0 m 紅外波段 0.761000 m 中 紅 外 3.06.0 m 遠(yuǎn) 紅 外 6.015.0 m 超遠(yuǎn)紅外 15.01000 m 毫米波 110 mm 微波波段 1mm1m 厘米波 110 cm 分米波 10cm1 m,2.2 電磁輻射源,物體的熱輻射 熱輻射：任何溫度高于0K(273.16)的物體，其原子、分子都在不停地?zé)徇\動（旋轉(zhuǎn)和振動，帶電粒子不停地發(fā)生能級的躍遷，從而放出或吸收能量），從而輻射出中、遠(yuǎn)紅外的電磁輻射。 輻射能的強(qiáng)

3、弱及其隨波長的分布取決于物體性質(zhì)與溫度的電磁輻射-熱輻射（溫度輻射） 特點:不需通過介質(zhì),就能以光速將熱從一物體傳給其它物體。,絕對黑體（黑體）,在任何溫度下，對任何波長的入射輻射的吸收系數(shù)恒等于1的物體 （.T) 1 黑體是具有最大輻射能力的物體。 發(fā)射率(比輻射率) 物 M物M黑 （目標(biāo)物的輻射量(輻射出射度)與同溫度下的黑體輻射之比 ）,基爾霍夫定律,在同一溫度下，任何物體發(fā)射某一波長電磁波的能力，與它對該波長電磁波的吸收能力成正比。 即：良好的吸收體亦是良好的發(fā)射體。,物體按發(fā)射輻射特性的分類,1.黑體(Black body) 1 在任何溫度條件下,對任何波長的電磁波的吸收率恒等于1,

4、并可將吸收的電磁輻射全部輻射出去的物體。 2.灰體(Gray body) 1 在任何溫度條件下,對電磁波的吸收率都小于1, 且不隨波長變化的物體。 3.選擇性輻射體(吸收體) 1 吸收率(發(fā)射率)小于1,但隨波長的變化而變化的物體.,太陽輻射和大地輻射,（一）太陽輻射 .太陽光譜是連續(xù)的，其能量分布也是連續(xù)的； .太陽輻射的能量主要集中在可見光波段，約占太陽總光譜能量的46，其次是紅外波段； .峰值波長為0.47m。,（二）大地輻射,大地輻射的能量來源主要為：太陽的短波輻射和地球內(nèi)部的熱能。 而與大地輻射直接相關(guān)聯(lián)的則是：地表的熱平衡 一方面：因太陽輻射引起地表增溫，熱能從地表向地殼一定深度傳

5、導(dǎo)； 另一方面：地球內(nèi)部的熱能也要通過地殼向地表傳遞。 兩者在地下一定深度達(dá)到熱量平衡,大地的長波輻射主要由太陽短波輻射轉(zhuǎn)化而來- 吸收可見光、近紅外， 發(fā)射中、遠(yuǎn)紅外。 大地輻射的能量分布： 近紅外至微波 峰值波長 9.7m 大部分集中在 814m (50) 35m (1.0以下) 1430m (30) 平衡線在地球各處的深度不同,局部地區(qū)地內(nèi)熱對流使地表溫度激增, 形成熱異常區(qū)。 可用熱紅外遙感研究地?zé)帷?2.3 地球大氣對電磁輻射傳輸?shù)挠绊?2.3.1 大氣基本組成 1.不變成分: 分子為主 N2、O2 約占99 Ar、 CO2、Ne、He、CH4、N2O 共占1,2.可變成分: 懸浮微

6、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）,2.3.2 大氣對電磁輻射傳輸?shù)挠绊?1. 大氣吸收 大氣中氣體分子對電磁波的吸收具有選擇性 O3: 0.20.3m 0.6m 9.6m H2O: 2.53.0m 57m 0.94,1.13,1.38,1.86,3.24m CO2: 2.8m 4.3m 14.5m 使太陽發(fā)射的連續(xù)光譜中的某些波段不能傳播到地面-到達(dá)地面的太陽光譜成分發(fā)生改變。 使地物的電磁波信息被減弱了強(qiáng)度或改變了成分-干擾了地物影像的真實色調(diào)。,2. 大氣散射 - 主要是各種微粒引起,比例因子q：表示散射的性質(zhì)和強(qiáng)度與微粒半徑r及波長之間的

7、關(guān)系 q2r/ r :微粒半徑(m )；:入射波長(m),（1）瑞利 (Rayleigh)散射-分子散射,q1 即 r 一般在r 0.1 m發(fā)生 特點: .散射強(qiáng)度 I散 1 /4 .有方向性 既有向前又有向后 .散射光波長與入射光波長一致 對遙感的影響: 難以進(jìn)行紫外遙感 藍(lán)光波段雖用，但影像反差?。呵缋实奶炜諡樗{(lán)色，出現(xiàn)藍(lán)色蒙霧,（2）米氏 (Mie)散射-懸浮微粒散射,q 3 r 由半徑與波長相近的煙、塵、氣溶膠等引起 特點: 散射強(qiáng)度 I散 01 散射方向 向前散射向后散射 云霧對紅外線的散射，主要是米氏散射 （云、霧等的懸浮粒子的直徑和 0.7615 m 的紅外線波長差不多） 潮濕天

8、氣米氏散射影響較大,（3） 無選擇性散射,q 3 r 散射強(qiáng)度與波長無關(guān) 如: 云層中水滴的散射,使云霧呈白色,散射對遙感信息的傳輸影響極大:,減小太陽輻射的直射強(qiáng)度; 引起漫入射的天空光,使遙感器接受到的地面輻射強(qiáng)度減弱; 增加大氣散射引起的天空輻射,降低遙感影像的反差。,3.大氣反射,大氣頂界 云層頂面 反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量，且各波段均受到不同程度的影響，削弱了到達(dá)地面的太陽輻射的強(qiáng)度。,2.3.3 大氣窗口與遙感波譜通道,1.大氣窗口(Atmospheric Window) 指地球大氣對電磁波傳輸不產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收作用的一些特定的電磁波段，即大氣吸收相對弱的波段。 或: 能

9、通過大氣傳輸大部分電磁輻射的波長間隔 大氣對電磁波衰減較小，電磁波透過率較高的波段。,.可攝影窗口 0.3 1.3m (攝影紫外 可見光 攝影紅外) .近紅外窗口 1.5 2.5m ( 1.5 1.7 2.0 2.5 ) .中紅外窗口 3 5m ( 3 4 4.5 5 ) .遠(yuǎn)(熱)紅外窗口 814m .微波窗口 0.8 100.0cm X: 2.4 3.8cm 3cm L: 15.0 30.0cm 23.5cm,2.常用大氣窗口與遙感波譜通道,2.4 地物波譜特征,指物體輻射、反射的電磁波強(qiáng)度按波長分布的特性。即地物的輻射能量隨波長改變而改變的特性地物的波譜特性。 物體對不同波長，其反射、吸

10、收、透射和發(fā)射電磁輻射的能力不同 不同種類物體：顏色、物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等不同，反(發(fā))射電磁波波長、能量不同 同類物體：在不同的自然條件下，因入射波波長、能量不同，反(發(fā))射電磁波的本領(lǐng)也可能不同 據(jù)此探測和識別地物遙感理論基礎(chǔ),地物波譜是以下工作的依據(jù)： .遙感識別地物(目視解譯); .選擇遙感器最佳工作波段; .校正大氣傳輸過程中遙感信息的失真; .指導(dǎo)數(shù)字圖像識別與處理。 遙感技術(shù)重要的基礎(chǔ)研究內(nèi)容,2.4.1 反射波譜,.定義: 物體的反射率隨波長變化的規(guī)律。 .表示方法波譜曲線 為便于對比研究，常將多種地物的波譜曲線繪于一圖。曲線可表示： .地物對不同波長電磁波的反

11、射率及反射率隨波長的變化; .不同地物波譜曲線形態(tài)不同, 同類地物波譜曲線形態(tài)相似。,.反射波譜曲線分析方法 1.曲線位置 高反射率高 影像色調(diào)淺 低反射率低 影像色調(diào)深 2.曲線形態(tài) 波峰、波谷對應(yīng)的波長 峰、谷的高(深)度、寬度、對稱度、斜率 3.不同地物曲線之間的關(guān)系 (交與離) 實例：水體和植被的反射波譜曲線分析 結(jié)論: 不同類物體對同一波段反射率不同 同類物體對不同波段反射率不同,不同地物波譜曲線形態(tài)不同,同類地物波譜曲線形態(tài)相似,.地物反射波譜測試 地表反射主要波段: 0.32.5m 測試儀器: 分光光度計 光譜輻射計等 測試方法: ()V() / Vs() s() s()：標(biāo)準(zhǔn)板

12、的反射率；V()、 Vs() ：被測物體、標(biāo)準(zhǔn)板的儀器測量值 樣品實驗室測定 野外實測 與空中同步測試,2.4.2 發(fā)射波譜,用曲線表示物體的輻射發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律。 主要在：35m 814m 物體間的極小溫差就會造成發(fā)射輻射能量的較大差異（MT4），所以實際應(yīng)用中往往采用測量溫度或發(fā)射輻射能量（熱），來區(qū)分地物間的溫差熱紅外圖像識別地物的依據(jù)。 亮度溫度（TB）是發(fā)射率()與實際溫度(T)的乘積 TB T 故可用輻射溫度計測量TB TB / T,2.4.3 地物波譜的時間效應(yīng)和空間效應(yīng),1.時間效應(yīng) 指同一地點的相同地物,其波譜特性會隨時間而產(chǎn)生一定的變化。這種由時間推移而導(dǎo)致的地物波譜

13、特性的變化，稱地物波譜的時間效應(yīng)。 多時相遙感的依據(jù),2.空間效應(yīng) 在同一時刻,同一類地物,由于其所處的地理位置不同,其波譜特性可能會存在一定差異。 這種由于所處空間位置不同導(dǎo)致的同類地物間波譜特性的變化，稱為地物波譜的空間效應(yīng)。,2.5 色度學(xué),物體按顏色分類： 消色體：對入射光中各種波長的單色光進(jìn)行非選擇性吸收與反射的物體（黑、白、灰） 彩色體：對入射光中各種波長的單色光進(jìn)行選擇性吸收與反射的的物體 日光下，物體反射什么色光就呈什么顏色 顏色的雙重含義： 物理量客觀光譜具有特定波長 感覺量主觀顏色人眼的視覺感受,彩色三要素,1.色調(diào) (色別、色相) Hue: 彼此相區(qū)分的彩色類別 色彩給予

14、人的視覺上某種特定的色彩感覺 物體的色調(diào)取決于: . 物體的反射光譜特性 物體只具有對不同波長光波固定的吸收、反射和透射的光學(xué)特性，而沒有固定的顏色。 . 光源的光譜成分,2. 明度 (明亮度) Lightness 顏色在視覺上引起的亮暗感覺 將判斷物體表面反射率大小的感覺屬性量化后得到的數(shù)值 消色暗亮順序： 黑、淺黑、淡黑、深灰、灰、淺灰、灰白、白 不同色別明度順序： 白100 黃78.9 橙69.85 綠30.33 紅橙27.73 純紅4.93 青4.93 暗紅0.80 紫0.13 黑0.00 同色別明度顏色深淺：明綠 綠 暗綠,3.飽和度 (彩度 純度) Saturation 色彩的純潔

15、程度 決定于物體表面反射光譜輻射的選擇程度。 色彩飽和度高鮮明突出易感單調(diào)刺眼 色彩飽和度低柔和協(xié)調(diào)、淺淡乏力 對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越深，顏色越鮮明或說越純，相反則越淡。 飽和的彩色光中增加白光成分，相當(dāng)于增加了光能，變得更亮，但飽和度卻降低了。 若增加黑色光的成分，相當(dāng)于降低了光能，因而變得更暗，其飽和度也降低了。,三原色光原理,1.三原色光 : 指光譜中的紅色、綠色、藍(lán)色 三種色光 R 0.70 m 700 nm G 0.5461 m 546.1 nm B 0.4358 m 435.8 nm 2. 三原色光原理: 不同比例三原色光合成無數(shù)彩色的原理。 任何一種顏色均可由三原色按一定比例組合形成。,由色光相加和相減實驗得知： 紅(R)，綠(G)，藍(lán)(B)色光兩兩相加即可合成三種間色光。 R+G=Y（黃光） G+B=C（青光） B+R=M（品紅） 兩種色光相加成為白色的，這兩色稱為互補(bǔ)色，互補(bǔ)色也可由白光減去三原色得到。 R+C=白 B+Y=白 G+M=白 兩種間色光相加得復(fù)色光。 Y+M=R