第二章 电磁辐射与地物波谱特征

1第二章电磁辐射与地物波谱特征本章内容§1.电磁波谱与电磁辐射§2.太阳辐射和地球辐射§3.地球辐射与地物波谱2第二章电磁辐射与地物波谱特征§1.电磁波谱与电磁辐射遥感机理：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3§1.电磁波谱与电磁辐射一、电磁波及其传输特性（一）电磁波的产生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。电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直。4一、电磁波及其传输特性电磁波示意图E电场，M磁场，C传播方向同时达到最大/最小偏振面5电磁波特性波动性1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。粒子性1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的反射、吸收、散射。6电磁波及其传输特性（二）电磁波的性质1）横波；2）真空中以光速传播；3）满足fλ=C（E=hf能量越大，频率越高）；4）具有波粒二象性。7（二）电磁波的性质波长与频率的关系8（二）电磁波的性质2、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：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9（二）电磁波的性质电磁波与物体间的相互作用10（二）电磁波的性质入射的总能量=反射+吸收+透射反射率=（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，散射的强度随波长改变。偏振：振动方向随时间改变，在与传播方向垂直的平面变化。振动方向不随时间变化，称线偏振。11（二）电磁波的性质电磁波的散射12§1.电磁波谱与电磁辐射二、电磁辐射的测量为了定量地描述电磁辐射，必须了解下面辐射测量的定义及其度量单位。辐射能量W:电磁辐射的能量，单位是J。辐射通量φ:单位时间内通过某一面积的辐射能量，是辐射能流的单位，记为φ=dW/dt。用W（J/s）表示；辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各波段辐射通量之和。（压力）辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量。(压强)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=dφ/dS。单位是W/m2,S为面积。辐射出射度M：温度为T的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，记为:dφ/dS。单位也是W/m2，S为面积。辐照度I与辐射出射度M都是辐射通量密度的概念，只不过前者为物体接收的辐射，后者为物体发出的辐射,它们都与波长有关。13二、电磁辐射的测量IrradianceArea,ARadiantflux,ConceptofRadiantFluxDensityE=Area,AExitanceRadiantflux,M=Theconceptofradiantfluxdensityforanareaonthesurfaceoftheearth.IrradianceisameasureoftheamountofincomingenergyinWattsm-2.ExitanceisameasureoftheamountofenergyleavinginWattsm-2.辐射通量密度（radiantfluxdensity）辐照度（irradiance）辐射出射度（exitance）14§1.电磁波谱与电磁辐射三、电磁波谱概念：按照电磁波在真空中传播的波长或频率进行递增/递减排列形成的一个连续谱带。15电磁波谱段划分（按波长）16可见光可见光：蓝：0.4-0.5m绿：0.5-0.6m红：0.6-0.7m17三、电磁波谱近红外（NIR,near-infrared）：0.7-1.1m短波红外(SWIR,shortwaveIR):1.1-3.0(2.5)m中红外(MWIR,MidwaveIR)：3.0-6.0（8.0）m热红外(TIR,ThermalIR)：8.0-15m18三、电磁波谱微波波段(1mm-1m,最常用1cm-1m)微波遥感常用波段符号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:0.75-1.1cm192021§1.电磁波谱与电磁辐射四、黑体辐射和实际物体辐射黑体（Blackbody）：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则称物体为黑体。性质吸收率为1，反射率为0，与温度和波长无关达到最大的吸收，最大的发射举例黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体实际物体入射辐射=吸收+反射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和吸收现象时，物体的光谱吸收系数和反射系数之和恒等于1。实际物体的温度不同或入射电磁波的波长不同，都会导致不同的吸收和反射。22§1.电磁波谱与电磁辐射黑体实验用不透明材料制成的开有小孔的空腔(如右图)就是一个黑体模型。空腔外面的辐射能够通过小孔进入空腔，进入空腔的射线，在空腔内进行多次反射，每反射一次内壁吸收一部分能量，最后全部被吸收掉，从小孔穿出的辐射能可以略去不计。小孔即相当于黑体的表面。右图演示了这样一个黑体模型。23黑体辐射规律普朗克公式：c:真空中的光速；k:波尔兹曼常数，为1.38×10-23J/K；h:普朗克常数，6.63×10-34Js;M:辐射出射度；T:温度，:波长。斯忒藩-玻尔兹曼定律整个电磁波谱的总辐射出射度M,可以用某一单位波长间隔的辐射出射度Mλ对波长λ由O到无穷大的整个电磁波段积分，也就是计算对应某一温度的曲线下的面积。用普朗克公式对波长积分，得到斯忒藩一玻尔兹曼定律，即绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比，M=σT4式中，σ为斯忒藩——玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W/m2K4。1e1hc2)T,(MkT/hc5224黑体辐射维恩位移定律当绝对黑体的温度升高时，单色辐射出射度最大值对应的波长向短波方向移动，物体温度越高，最强辐射波长越短。黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反比：max×T=bb为常数，b=2.898×10-3mK例如：太阳光=490nm，可估计出太阳表面温度近似为5900K；地表温度为300K，地表辐射的约为10nm。25不同温度下的黑体辐射温度T/K3005001000200030004000500060007000波长λmax/μm9.665.802.901.450.970.720.580.480.4126黑体辐射黑体辐射曲线BlackbodyradiationcurvesforseveralobjectsincludingtheSunandtheEarthwhichapproximate6,000˚Kand300˚Kblackbodies,respectively.Noticethatasthetemperatureoftheobjectincreases,itsdominantwavelengthshiftstowardtheshortwavelengthportionofthespectrum.27实际物体ε随温度变化表实际物体的辐射相同温度下，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：ε=M’/M发射率是一个数字，其值介于0和1之间，不同地物有不同的ε，同一地物在不同波段的波谱发射率也不同。28实际物体辐射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：•绝对黑体：==1•灰体：=01（大多数物体可看作灰体）•选择性辐射体:=f()•理想反射体:==029地物辐射规律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：ε=M’/M→ε=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。30§2.太阳辐射和地球辐射太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和大气层。其能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。31太阳辐射源太阳分层位置温度厚度辐射特点辐射的光谱光球层内4300-7500500km连续辐射可见光和红外色球层中四五千度升高到几万度7000-8000km线状辐射厘米波日冕层外100万以上形状多变，厚度不定，一般太阳直径的几倍到十几倍连续辐射米波32第二章电磁辐射与地物波谱特征一、太阳和太阳常数：太阳是太阳系的中心天体，在太阳系空间，布满了从太阳发射的电磁波的全波辐射及粒子流，地球上的能量主要来自太阳。太阳常数：不受大气影响，在距离太阳一个天文单位（日地平均距离，1.496×108m）的区域内，垂直于太阳辐射方向上单位面积和单位时间黑体所接收到的太阳辐射能量。33§2.太阳辐射和地球辐射二、太阳光谱：太阳光谱是连续的，且辐射特性与绝对黑体辐射特性近似；能量各波段所占比例不同，近紫外、可见光、近红外和中红外部分约占太阳总辐射的84.62%；X射线、射线、远紫外及微波波段的总能量不到1%。地表接受的太阳辐射曲线与大气外的曲线不同，差异主要由大气引起。吸收：水、氧、臭氧、二氧化碳等；散射。34§2.太阳辐射和地球辐射三、地球辐射地表自身热辐射：地球辐射与相应的黑体辐射的关系：从中看出：地球辐射接近于300K黑体辐射，但由于大气影响（主要是吸收），实际的辐射曲线为不平滑的折线。从卫星上测得的地球辐射与黑体辐射对比35§2.太阳辐射和地球辐射太阳辐射和地球辐射的分段性（区别）：太阳辐射接近于温度为6000K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为0.47m，地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为9.66m，二者相差较远；太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即0.3-2.5m，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。地球自身发出的辐射主要集中在波长较长的部分，即6m以上的热红外区段。在2.5-6m的中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。（重叠区）36§2.太阳辐射和地球辐射四、大气对太阳辐射影响大气分层：对流层、平流层、电离层、外大气层37§2.太阳辐射和地球辐射1、大气组成：两类：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）约占1%；颗粒：烟、尘埃、雾、小水滴和气溶胶。气溶胶是一种固体、液体的悬浮物，直径0.01-30m。2、大气对太阳辐射的影响折射、反射、吸收、散射、透射38§2.太阳辐射和地球辐射（1）大气折射电磁波穿过大气层时，会产生传播方向改变，即折射现象。大气密度越大，折射率越大；离地面高度越大，空气越稀薄，折射率越小。地面接收的电磁波