第二章 电磁辐射与地物光谱特征

第二章电磁辐射与地物光谱特性电磁波谱与电磁辐射太阳辐射及大气对辐射的影响地球的辐射与地物波谱（遥感是利用传感器主动或被动地接受地面目标物反射的电磁波，通过电磁波中所传递的信息来识别目标，从而达到探测目标的目的。）2.1电磁波谱与电磁辐射一、电磁波电磁波是电磁振荡的传播。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。电磁波也称为电磁辐射。二、电磁波的性质(与光波性质相同）1)电磁波是横波2)在真空中以光速c传播,c=3*108m/s3）同时满足c=f*λE=h*f,f为频率，λ为波长，h为普朗克常数。（电磁波的传播也是能量的传递，电磁波的能量与其传播的频率成正比，正因为这一特点，电磁波也称电磁辐射。）4）电磁波具有波粒二象性–波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性。–粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。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.三、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。还可以用频率表示。电磁波谱的划分界限不十分明确，常常相互渗透，习惯的划分方法：(以波长λ为界）1、无线电波1m长波3000m以上中波和短波10-3000m超短波1-10m2、微波1mm-1m3、红外波段0.76-1000µm超远红外15-1000µm远红外6-15µm中红外3-6µm近红外0.76-3µm4、可见光0.38-0.76µm红0.62-0.76µm橙0.59-0.62µm黄0.56-0.59µm绿0.50-0.56µm青0.47-0.50µm蓝0.43-0.47µm紫0.38-0.43µm5、紫外波段10-3-3.8×10-1µm6、X射线10-6-10-3µm7、γ射线10-6µm遥感技术中较多使用可见光、红外和微波波谱区间。可见光部分可以被人眼观察到，所以在遥感探测中使用非常广泛。红外区间探测不可见的辐射信息，远红外区间可以探测热辐射，扩大了遥感的应用。而微波辐射的探测更可以称为全天候探测，不受白天黑夜和天气状况的影响，在遥感研究中应用前景广泛。四、电磁辐射的度量•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：W。–辐射通量Φ是波长的函数，总辐射通量应该是各波段辐射通量之和或辐射通量的积分值。•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：w／m2。•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：w／m2。•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：W／m2。•——辐照度(I)与辐射出射度(M)都是辐射通量密度的概念，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。五、黑体辐射研究黑体辐射的原因：遥感探测离不开电磁辐射源，主动式遥感系统自备辐射源，被动式遥感系统则利用地球环境中的自然辐射源。这里，自然辐射源中主要利用太阳，多数传感器都是接收太阳的辐射，特别是可见光、红外波段。其次就是地球作为辐射源，探测地球辐射主要使用热红外波段。对于太阳、地球这些自然物体的研究，由于它们的复杂性，常常是首先研究其极端状态即理想状态，然后再根据实际情况作一些修正或近似。对辐射源辐射规律的研究首先从绝对黑体这一理想模型开始。）1、绝对黑体概念如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体，简称黑体。实验表明，当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射现象和吸收现象时，对于绝对黑体而言，一定满足吸收率α为1，反射率ρ为0，且与物体的温度和电磁波波长无关。黑体为理想物体，自然界并不存在。黑色的烟煤，被认为是最接近绝对黑体的自然物质。恒星和太阳的辐射也被看做是接近黑体辐射的辐射源。2、黑体辐射规律普朗克公式：此式有两个自变量：λ、T，其它都是常数，因而可写为：W=ƒ(λ,T)其函数曲线可表示为：112),(/52KTchehcTMc为真空中的光速；k为波尔兹曼常数，k=1.38×10－23J/K；h为普朗克常数，h=6.63×10-34Js；M为辐射出射度。黑体辐射的特性：1、辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值；2、温度愈高，辐射出射度愈大，不同温度的曲线是不相交的；3、随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。M900K800K700K600K500K斯忒藩—波尔兹曼定律：用普朗克公式对波长积分，得到整个电磁波谱的总辐射出射度：即黑体总辐射出射度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。4TMσ维恩位移定律：黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比：说明随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。bTmax温度3005001000200030004000500060007000波长9.665.802.901.450.970.720.580.480.41只要测量出物体最大辐射对应的波长，由维恩位移定律可以很容易计算出物体的温度值。把太阳、地球和其他恒星都可以近似看做球形的绝对黑体。太阳的λmax是0.47µm，用公式可算出有效温度T是6150K，0.47µm正是可见光段，所以太阳光是可见的。而地球在温暖季节的白天λmax约为9.66µm，可以算出温度T为300K，9.66µm是在红外波段，所以地球主要发射不可见的热辐射。3.实际物体的辐射（1）地物的发射率•发射率是指地物的辐射出射度(即地物单位面积发出的辐射通量)M与同温度的黑体的辐射出射度(即黑体单位面积发出的辐射总通量M黑的比值。•地物的发射率与地物的性质、表面状况(如粗糙度、颜色等)有关，且是温度和波长的函数。黑MM(2)基尔霍夫定律同一温度条件下，实际物体的辐射出射度与此条件下的吸收系数之比，为一常数，等于该温度下黑体的辐射出射度。即：在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。黑MM黑MM2.2太阳辐射及大气对辐射的影响一、太阳辐射1、太阳常数指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。I=1.360×103W/m2由已知的日地距离和太阳常数，可以算出太阳的总辐射通量E=3.826×1026W.由太阳的总辐射通量和太阳线半径（R=6.96×105Km)又可以计算太阳的总辐射出射度M。2、太阳辐射特性——太阳光谱太阳的光谱通常指光球层产生的光谱太阳最外层为太阳大气，从内到外又分为光球、色球和日冕三层）光球层吸收了太阳内部全部辐射而自身又发出近似黑体的辐射，由于遥感研究不需要对太阳分层考虑，因而通常认为光球发射的几乎是全部的太阳辐射。图2.11太阳辐照度分布曲线图中所示的辐照度是太阳垂直投影到被测平面上的测量值。通常太阳是倾斜入射的，则辐照度大小与太阳高度角有关。由于太阳的高度角在一年内随时间、季节及地理纬度不同而不同，所以太阳辐照度经常变化。在遥感定量计算时，如精度需要，需考虑此点。二、大气分层大气厚度约1000km，并且在垂直方向有层次的区别，自下而上大致分层为：（各层之间逐渐过渡，没有截然的界线）。对流层：高度在7～12km,温度随高度而降低，包含大气总量的3/4和几乎全部水汽，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内，对遥感数据产生很大影响。平流层：高度在12～80km，几乎没有天气现象，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高（在地面观测不到0.29µm波长的太阳辐射）。电离层：高度在80～1000km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，主要反射地面发射的无线电波，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：800～35000km,空气极稀薄，对遥感基本上没有影响。三、大气组成大气中成分含量分为两类：分子和其他微粒。分子主要有：N2，O2，约占99%；另外有H2O，CO2，N2O，O3；其他微粒主要有烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶。四、大气的吸收作用太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太阳辐射产生选择性的吸收，即把部分太阳辐射能转换为本身内能，使温度升高。从而引起某些波段太阳辐射强度的衰减。由于各种气体及固体杂质对太阳辐射波长的吸收特性不同，使有些波段通过大气层到达地面，而另一些波段则全部被吸收不能到达地面。严重影响遥感传感器对电磁辐射的探测。因此，造成了许多不同波段的大气吸收带。五、大气的散射作用辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称散射。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向的辐射。（如何影响太阳辐射强度：在入射光照射到地面时，由于散射使入射到地面时除了原有太阳直接辐射的成分，还增加了散射导致的入射成分；返回到传感器时，除反射光外还增加了散射光进入传感器，增加了信号中噪声成分，造成遥感图像的质量下降）。散射现象的发生与大气中的分子或其他微粒的直径及辐射波长的长短密切相关，通常有三种情况。(一）瑞利散射当大气中粒子的直径比辐射波的波长小得多时发生的散射，称为瑞利散射。主要由大气中的原子和分子引起，所以瑞利散射也叫分子散射。散射强度与波长的四次方成反比。在可见光波段影响最明显，蓝光波长短，散射越强。对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。晴朗的天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？(二）米氏散射当大气中粒子的直径与辐射波的波长相当时发生的散射，称为米氏散射。由大气中的微粒所引起,如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等。云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对红外线的米氏散射不可忽视。散射强度与波长的二次方成反比。（朝霞不出门）(三）无选择性散射当大气中粒子的直径比辐射波的波长大得多时发生的散射，称为无选择性散射。散射强度与波长无关，也就是说，在符合无选择性散射的条件的波段中，任何波长的散射强度相同。如云、雾的粒子直径虽然与红外线波长接近，但相比可见光波段，云雾中水滴的粒子直径就比波长大很多，因而对可见光中各个波长的光散射强度相同。云雾呈白色。三种散射的比较：在可见光和近红外波段，由大气分子、原子引起的瑞利散射是主要的。当波长超过1μm时，可忽略瑞利散射的影响。米氏散射对近紫外直到红外波段的影响都存在。因此，在短波中瑞利散射与米氏散射相当。但在当波长进入红外波段时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。在微波波段，由于波长比云中小雨滴的直径还要大，所以小雨滴对微波波段散射是属于瑞利散射，因此，微波有极强的穿透云层的能力（最小散射，最大透射）。六、大气折射电磁波穿过大气层时，会出现传播方向的改变，即发生折射。大气的折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大。（离地面越高，空气越稀薄折射也越小）。大气的折射，使电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线，到达地面后，地面接收的电磁波方向与实际上太阳辐射的方向相比偏离了一个角度。（有时早晨看到的太阳圆面比中午看到的太阳圆面大，因为当太阳在地平线上时，折射值最大。有时太阳还没有升至地平线上，地面上已可以见到他，就是大气折射作用的结果。）七、大气反射电磁波传播过程中的反射现象主要发生在云层顶部，取决于云雾和云量，而且波段不同其影响不同，削弱了电磁波强度。因此，如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天气接收遥感信号，使大气的反射影响最小。八、大气窗口通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段称为大气窗口。主要的大气窗口波段：0.3-1.3µm，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如Landsat卫星的TM的1-4波段。1.5-1.8µm和2.0-3.5µm,即近、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用