电磁辐射与地物光谱

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1、1,遥 感 教 研 室 主讲人：孟治国,遥感技术基础,2,3,4,5,6,第二章 遥感物理基础,本章，我们主要解决两个问题： 1. 什么是电磁波？ 2. 在遥感技术中，如何利用电磁波来提 取地物信息？,7,8,要求掌握电磁波的基本特征、电磁波谱、电磁辐射源、大气窗口、地物波谱特性及其影响因素、彩色合成原理等内容。 通过本章的学习，掌握遥感的物理基础知识，为掌握遥感影像特征、进行遥感影像解译打下牢固的基础。,学习目的和要求,9, 电磁波谱 大气对电磁波传播的影响 常用的大气窗口及其特点 典型地物的波谱特性 地物波谱的时间效应、空间效应 彩色合成原理,学习重点与难点,10,2.1 电磁波与电磁波谱

2、,(1) 电磁波与电磁波谱 (2) 电磁辐射的度量 (3) 电磁辐射源 (4) 太阳辐射和地气辐射系统,电磁波是遥感信息的载体；电磁波理论是遥感的物理理论基础。,11,2.1.1 电 磁波与电磁波谱,电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。 描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。 电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为3108 m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。,12,电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。 依次为： 射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波。,（1）电 磁波与电磁波谱,目前遥感技术中通常采用

3、的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。,13,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,14,2.1.1 电磁波谱,1）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，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射。 2）电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直。在传播过程中，遵循波的反

4、射、折射、衍射、散射、干涉、吸收等传播规律。,E 电场，M 磁场，C 传播方向,15,3）电磁波在真空中以光速传播。 4）满足方程： f.=c (波动性) E=h.f （粒子性） 具有波粒二象性,2.1.1 电磁波谱,16,麦克斯韦 （1831-1879）,普朗克 （1858-1947）,爱因斯坦 （1879-1955）,波动性,粒子性,2.1.1 电磁波谱 （补充）,17,电磁波的波动性,Amplitude (A) Wavelength (lambda, l) Period (T) Frequency (f=1/T), 单位：赫兹(HZ),表示1秒内波传播的次数 Velocity (v),2

5、.1.1 电磁波谱（补充）,18,真空中，c=2.998*108m/sec传播,其中： w = 2p/T k = 2p/l f为相位,电场强度,Maxwells wave theory,c = lf,Maxwells Equations,2.1.1 电磁波谱（补充）,19,粒子性,把电磁波作为粒子对待时，能量:,E = hf,h, Planks constant (6.626 * 10-34 Js),能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。,2.1.1 电磁波谱（补充）,20,遇到介质（气体、液体、固体），发生一系列现象： 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：

6、射入介质，折射角一般不等于入射角 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,2.1.1 电磁波谱（补充）,21,电磁波与物体间的相互作用图,2.1.1 电磁波谱（补充）,22,反射、吸收和透射的能量和等于入射的总能量 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，即散射。强度随波长改变。,2.1.1 电磁波谱（补充）,23,2.1.1 电磁波谱（补充）,24,2.1.1 电磁波谱,电磁波谱定

7、义：按照电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，形成的一个连续谱带。,25,2.1.1 电磁波谱,26,2.1.1 电磁波谱,27,可见光：,2.1.1 电磁波谱遥感常用波段,28,红外(Infrared, IR) 反射红外（reflective IR）：0.7-3.0m 热红外(Thermal IR)：3.0-100m 以往用法： 近红外：0.7-1.1 m 中红外：1.1-3.0 m 远红外：8.0-100 m 目前遥感界习惯用法： 近红外（NIR, near-infrared）：0.7-1.1 m 短波红外(SWIR, shortwave IR）：1.1-3.0 m 中红外(MW

8、IR, Mid wave IR)：3.0-6.0 m 热红外(TIR, Thermal IR)： 8.0-15 m,2.1.1 电磁波谱遥感常用波段,29,近红外：0.763.0 m，与可见光相似。 中红外：3.06.0 m，地面常温下的辐射波 长，有热感。 热红外：6.015.0 m，地面常温下的辐射 波长，有热感。 超远红外：15.01 000 m，多被大气吸 收，遥感探测器一般无法探测。,红外线的应用,30,微波波段(1mm-1m, 最常用1cm-1m) 遥感常用波段符号： P：30-100cm L: 15-30cm S: 7.5-15cm C: 3.75-7.5cm X: 2.4-3.

9、75cm Ku: 1.57(1.7)-2.4cm K: 1.1-1.57(1.7)cm Ka: 0.75-1.1cm,2.1.1 电磁波谱遥感常用波段,31,紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m以下。 可见光：波长范围：0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。 红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。 微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。,遥感应用的电磁波波谱段,32,2.1.2、电磁辐射的度量 1、辐射能

10、量,电磁辐射是具有能量的，它表现在： 使被辐照的物体温度升高 改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动 ,辐射能量（W）的单位是焦耳（J）,33,在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为辐射通量： =dW/ dt,辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S） 注意：辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该是各谱段辐射通量之和或其积分值。,2.1.2、电磁辐射的度量 2、辐射通量,34,3、辐射通量密度 E：,单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： 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

11、单位面积上的辐射通量，记为:M=d / dS，单位也是 W/m2，S为面积。,辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）,2.1.2、电磁辐射的度量,35,4、辐射强度 (补充),辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量： 辐射强度（I）=d / d ,辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）,=S/R,2.1.2、电磁辐射的度量,36,5、辐射亮度 L,面辐射源，在某一方向，单位投影表面、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度：,辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米球面度（W/m Sr）,图中出射辐射亮度是多少？,2.1.2、电磁辐射的度量,37,6、朗伯源 辐射亮度L

12、与观察角无关的辐射源。 例如： 1）粗糙表面； 2）涂有氧化镁的表面遥感光谱测量标准版； 3）太阳； 4）真正的朗伯源绝对黑体,2.1.2、电磁辐射的度量,38,小 结,辐 射 度 量 一 览 表,39,2.1.3、黑体辐射,固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。,固体在温度升高时颜色的变化,1. 热辐射现象,物体可辐射能量也可吸收能量，当辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时物体温度恒定不变。,单色辐出度,单位时间、单位表面积、 上所辐射出的，单位波长 间隔中的能量。,辐射出射度,单

13、位时间、单位表面积、 上所辐射出的各种波长 电磁波的能量。,41,2.1.3、黑体辐射-绝对黑体,能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体,不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。,黑体模型,研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。,42,普朗克定律,其中：,h, Planck 常数，h=6.6310-34Js c, 光速 k = 1.380610-23JK-1, Boltzmann常数 T, 绝对温度 M, 辐射出射度；,Wm-2mm-1,2.1.3、黑体辐射 2、黑体辐射规律,43,黑体辐射的三个特性： （1）与曲线下的面积成正比的总

14、辐射出射度M是随温度T的增加而迅速增加。总辐射出射度M可在从零到无穷大的波长范围内对普朗克公式进行积分可得到。,M= T4 为斯忒藩一玻尔兹曼常数， =5.67 10-8W/m2K4。,斯忒藩一玻尔兹曼定律,44,（2）谱功率的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。可微分普朗克公式，并求极值,维恩位移定律,45,瑞利-金斯定律 hclkT， M(l, T) = 2pckT/l4,（3）每根曲线彼此不相交，故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。,46,实际物体的辐射不同于绝对黑体的辐射，在相同温度下，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

15、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，作为比较一辐射源接近黑体的程度。 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。,2.1.3、黑体辐射 3、实际物体的辐射,47,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，其各处的发射率相等。 按发射率变化情况，将地物分为以下几个类型： （1）黑体或绝对黑体 发射率 1，即对所有波长黑体发射率都是一个常数1（反射率 0，透射率 0）。 （2）灰体 发射率 常数1，即灰体的发射率始终小于1且不随波长变化（反过来说，物体对各种波长的吸收率小于1，又近似地为一常数）。 （3）选择性辐射体 其发射率随波长而变化（具有选择性吸收），而且 1。 自然界中，绝大多数物体为灰体。,48,49,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 所以： = 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,50,2.1.4 太阳辐射和地气辐射系统,太阳和地球的绝对黑体光谱辐射通量密度,