枣庄学院旅游与资源环境系

第二章电磁辐射与地物光谱特征王大鹏枣庄学院旅游与资源环境系遥感导论枣庄学院·旅游与资源环境系本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响第二章电磁辐射与地物光谱特征枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射电磁波–波：振动的传播称为波。纵波：如果质点的振动方向与波的传播方向相同，称纵波。横波：若质点的振动方向与波的传播方向垂直，称横波。–电磁波：由振源发出的电磁振荡在空气中传播，在近代物理中电磁波也称为电磁辐射。电磁波与机械波的区别：机械波必须有传播介质，而电磁波在真空中也能传播，它是通过电场和磁场相互联系传播的。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射电磁波的特性–电磁波是横波–在真空中以光速传播–满足：f·λ=C；E=h·f–电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。–电磁波传播到固体、液体、气体介质时会发生反射、折射、吸收、透射等现象，遇到粒子还会发生散射。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射电磁波谱–将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。–按照波长递增频率递减的顺序可以划分为：γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。–遥感中多使用可见光、红外和微波波段。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射紫外线波长：0.01~0.38μm特征：1.对紫外线吸收较强。2.能使溴化银底片感光。应用：1.用于测定碳酸岩的分布。2.用于油污检测。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射可见光波长：0.38~0.76μm特征：1.由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光组成。2.人眼可以分辨应用：1.鉴别物体的主要波段。2.以光学摄影方式和扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射红外线波长：0.76~1000μm近红外（0.76~3.0μm）中红外（3.0~6.0μm）远红外（6.0~15.0μm）超远红外（15~1000μm）特征：1.近红外性质与可见光相似。2.中、远、超远红外胃热红外。应用：1.利用红外遥感可在夜间工作。2.红外线不易发生散射。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射微波波长：4mm~1m特征：1.微波辐射属热辐射性质。2.具有穿透云雾，不受天气影响的特征，可进行全天候遥感探测。3.对植被、冰雪、土壤等表层覆盖物有一定的穿透能力。应用：1.可以采用主动或被动的方式成像，是最具发展潜力的遥感波段。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射辐射源：能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能向外辐射电磁波。自然辐射源人工辐射源——人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）太阳辐射——可见光及红外遥感的重要辐射源地球电磁辐射——远红外遥感的辐射源枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射辐射测量辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J。辐射通量φ：单位时间内通过某一面积的辐射能量，φ=dW/dt，单位是W；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辐射通亮的积分值。辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，E=dφ/DS，单位是W/M2，S为面积。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射辐射测量辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，I=dφ/DS，单位是W/M2，S为面积。辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=dφ/DS，单位是W/M2，S为面积。辐照度与辐射出射度都是辐射通亮密度的概念，不过I为物体接收的辐射，M为物体发出的辐射。它们都与波长λ有关。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1电磁波谱与电磁辐射辐射测量辐射亮度（L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则L定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即辐射亮度与观察角无关的辐射源，称为朗伯源。太阳通常近似地被看作朗伯源。严格地说，只有绝对黑体才是朗伯源。枣庄学院·旅游与资源环境系黑体：黑体是“绝对黑体”的简称，指在任何温度下对任何波长的电磁辐射都能完全吸收的物体。黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。黑色的烟煤因其吸收系数接近99%，被认为是最接近绝对黑体的自然物质。恒星和太阳也被看作是最接近黑体辐射的辐射源。黑体模拟试验经n次反射出射能量为当n≥10时说明已接近吸收全部能量n1005）（§2.1.3黑体辐射1.绝对黑体枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1.3黑体辐射(1)朗克热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。2.黑体辐射规律辐射出射度k=1.38×10-23J/K，波耳兹曼常数h=6.63×10-34Js，普朗克常数枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1.3黑体辐射2.黑体辐射规律黑体辐射的三个特性A.辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。B.温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。C.随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。枣庄学院·旅游与资源环境系2.黑体辐射规律§2.1.3黑体辐射(2)玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmann‘slaw：即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。M=σT4σ为玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W·m-2·K-4枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1.3黑体辐射(3)维恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw：随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。2.黑体辐射规律温度3005001000200030004000500060007000波长9。665。802。901。450。970。720。580。480。41λmax×T=bb为常数，b=2.898×10-3m·K枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1.3黑体辐射(1)基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量M和吸收率α之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度黑体的辐射通量密度。α(λ,T)=M(λ,T)/Mb(λ,T）ε=α发射率等于吸收率，好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某一波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波3.实际物体的辐射枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1.3黑体辐射(2)实际地物的辐射发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W0的比值，记作ε。它也是遥感探测的基础和出发点。ε=W/W0影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。3.实际物体的辐射枣庄学院·旅游与资源环境系§2.1.3黑体辐射3.实际物体的辐射按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.2太阳辐射与大气的作用2.2.1太阳辐射太阳辐射是可见光和近红外的主要辐射源；常用5900K的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳1个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量：I=1.36×103W/M2枣庄学院·旅游与资源环境系§2.2.1太阳辐射可见光谱区30060090012001500180021002001000150020002500大气上界太阳辐照度海平面太阳辐照度波长λ/μmIλ/（W·m-2·μm）太阳辐照度分布曲线枣庄学院·旅游与资源环境系§2.2.2大气大气结构1.对流层：航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。2.平流层：较为微弱。3.中气层：温度随高度增加而递减。4.热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。5.大气外层：1000公里以外的星际空间。枣庄学院·旅游与资源环境系大气成分–大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3悬浮微粒：尘埃–大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分有关。–大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。§2.2.2大气枣庄学院·旅游与资源环境系§2.2.3大气对太阳辐射的影响枣庄学院·旅游与资源环境系§2.2.3大气对太阳辐射的影响太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。大气的透射率：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.2.3大气对太阳辐射的影响（一）大气的吸收作用A.氧气：小于0.2μm；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。B.臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。C.水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。D.二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。E.尘埃：吸收量很小。枣庄学院·旅游与资源环境系§2.2.3大气对太阳辐射的影响（二）大气的散射作用散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。三种散射：瑞利散射，米氏散射，无选择性散射枣庄学院·旅游与资源环境系三种散射作用1.瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光的原因：枣庄学院·旅游与资源环境系颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？三种散射作用瑞利散射：枣庄学院·旅游与资源环境系2.米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。3.无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色？三种散射作用无选择性散射枣庄学院·旅游与资源环境系三种散射作用1.太阳辐射衰减的原因是什么？2.在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？3.无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？4.朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？5.微波为什么具有极强的穿透云层的作用？6.为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？枣庄学院·旅游与资源环境系1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射的投射率较高的电磁辐射波段。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。常见的大气窗口：大气窗口枣庄学院·旅游与资源环境系大气窗口枣庄学院·旅游与资源环境系2.3地球辐射与地物波谱太阳辐射与地表的相互作用(…)地