第二章-电磁辐射与地物波谱特征

第二章电磁辐射与地物光谱特征•遥感的理论基础就是物体的电磁辐射，电磁辐射是能量传播的一种形式。被动遥感系统中的主要辐射源是太阳，太阳辐射出的电磁波能量穿过大气层达到地表，被地物吸收、透射，一部分被反射后又经大气吸收、散射到达传感器，被记录成遥感资料和图象。此外，所有温度高于绝对零度的物体也都向外发射电磁辐射。所以电磁辐射是传感器与远距离物体之间联系的环节。•遥感技术得以实现的基础就是不同地物具有不同的吸收、反射和发射电磁辐射能力。第二章电磁辐射与地物光谱特征本章主要内容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第一节电磁波谱与电磁辐射电磁波及其特性电磁波谱电磁辐射的度量黑体辐射一、电磁波及其特性1.波的概念：波是振动在空间的传播。2.机械波：声波、水波和地震波3.电磁波（ElectroMagneticSpectrum)由振源发出的电磁振荡在空中传播。演示4.电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理5.电磁辐射:电磁能量随电磁波的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。其传播表现为光子（或称为量子）组成的粒子流的运动。E:电场、H:磁场、λ:波长、h:振幅λh电磁振源传播方向一、电磁波及其特性6.电磁波的特性1)电磁波是横波2)在真空中以光速传播电磁波在介质中的传播速度V为：11CVC为光速3×108米/秒可见，电磁波在介质中的传播速度V总是小于在真空中的传播速度C3）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。波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待，用波长、频率、振幅等来描述。粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子---光子，其能量大小用频率来描述。光是电磁波的一个特例•光的波动性---表现在光的干涉、衍射、偏振和色散等现象中；•光的粒子性---表现在光电效应、黑体辐射等现象中。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。kxtAsin电磁辐射---波动性1．干涉（interference）一列波在空间传播时，将引起空间各点的振动；两列（或多列）波在同一空间传播时，空间各点的振动是各列波在该点产生的振动的叠加合成。这种波的叠加合成不是简单的代数和，而是矢量和。光的干涉同振幅、频率和初位相（具固定位相关系）的两列（或多列）波（相干波）的叠加合成而引起振动强度重新分布的现象称为“干涉现象”。干涉现象中，在波的交叠区有的地方振幅增加，有的地方振幅减小，振动强度（取决于程差与波长的关系）在空间出现强弱相间的固定分布，形成干涉条纹。干涉滤光片、透镜组、干涉雷达天线等，均应用了波的干涉原理。小孔的衍射波在传播过程中遇到障碍物时，在障碍物的边缘一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的“阴影区”的现象称为“衍射现象”。这是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化，导致波在空间上振幅或强度重新分布的现象。如光通过小孔，在孔后的屏上出现的不是一个亮点，而是一个亮斑。其亮斑周围有逐渐减弱的明暗相间的圆环。其亮斑的大小（衍射角θ）与小孔的直径d成反比，与波长λ成正比，即./22.1d遥感中部分光谱仪的分光器件----衍射光栅等，正是运用多缝衍射原理。2．衍射（diffraction）偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波作为一种横波，其相互垂直的电场和磁场的振动方向是与传播方向垂直的。传播方向确定后其振动方向并不是唯一的。它可以是垂直于传播方向的任何方向。它可以是不变的，也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转，即出现偏振现象（微波中称为“极化”）。通常把电场振动方向的平面称为偏振面。若偏振面方向固定，不随时间而改变，则为线性偏振（线性极化或平面极化）。沿一个固定方向振动的光为偏振光，一些人造“光源”（如激光和无线电、雷达发射）常有明确的极化状态；太阳光是非偏振光（所有方向的振幅相等，无一优势方向）；介于两者之间的为部分偏振光--许多散射光、反射光、透射光均属此类。电磁波在反射、折射、吸收、散射过程中，不仅其强度发生变化，其偏振状态也往往发生变化。这种偏振状态的改变也是一种可以利用的遥感信息。3．偏振（Polarization）线性极化类型任一振动方向的电磁波总可以分解为两个特定的偏振（极化）方向。电矢量E的振动面垂直入射面的线偏振称为水平极化，平行入射面的线偏振称为垂直极化。电磁波的“粒子性”是指电磁辐射除了它的连续波动状态外，还能以离散形式存在，其离散单元称为光子或量子。大量实验证明，光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。光电子的能量与光的强度、光照的时间的长短无关，而仅与入射光的频率有关。光电倍增管、电视摄象管等光电器件，正是运用光电效应原理制作的。光电效应现象用光的波动性是无法解释的。普朗克用模型来说明光电效应，并指出电磁辐射能量Q的大小直接与电磁辐射的频率ν成正比，可表示为：（h为普朗克常数，取值为6.626×10-34焦耳·秒）已知，则可得：可见，辐射能量Q与它的波长λ成反比。即电磁辐射波长越长,其辐射能量越低。这对遥感是有重要意义的，如地表的微波发射要比热红外辐射低（更难感应）。电磁辐射---粒子性hQ/hcQC二、电磁波谱1.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。在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其次是红外线、可见光、紫外线、X射线；波长最短的是γ射线电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生的．红外线是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的.可见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的．X射线是原子内层电子受激发产生的．γ射线是原子核受激发产生的．TheElectromagneticSpectrumMorethanmeetstheeye!LanguageoftheEnergyCycle:TheElectromagneticSpectrumEnergyWavelength常用电磁波分类名称和波长范围1.紫外线波长范围为0.01—0.4微米。太阳辐射中的紫外线通过大气层时，波长小于0.3微米紫外线几乎都被吸收，只有0.3—0.4微米波长的紫外线部分能够穿过大气层到达地面，能量很少，并能使溴化银感光。紫外线在遥感中主要用于探测碳酸盐分布和油污染的监测等。由于紫外线从空中可探测的高度大致在2000m以下，因此紫外线对高空遥感不宜采用。2、遥感常用的电磁波波段的特性2、遥感常用的电磁波波段的特性2.可见光•波长范围为0.38—0.76微米，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光的全色光和单色光都可直接感觉，因此可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。2、遥感常用的电磁波波段的特性•波长范围为0.76—1000微米•近红外（0.76—3微米）主要是地面反射太阳的红外辐射，在遥感技术中可以采用摄影方式和扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红外反射，但由于目前技术的限制，目前只能感测0.76—1.3微米的波长范围。•中红外（3—6微米），远红外（6—15微米）和超远红外（15—1000微米）是产生热感的原因，所以又称热红外。在遥感技术中主要利用3—16微米波段，具有全天时的特性。3.红外线4.微波•波长范围为1mm—1m。微波又可分为：毫米波、厘米波和分米波。微波也具有热辐射特性，可以穿透云、雾不受天气影响，所以微波能进行全天候全天时遥感。微波遥感可以采用主动和被动方式成像，对某些物质如植被、冰雪、土壤等表层覆盖物具有一定的穿透能力。因此它也是遥感中最有发展潜力的波段。2、遥感常用的电磁波波段的特性辐射能量W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）1/11三、电磁辐射的度量辐射通量(radiantflux)Φ在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量：Φ=W/t辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）2/11三、电磁辐射的度量辐射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：E辐照度=Φ/AM辐射出射度=Φ/A辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²）辐射源辐照度辐射出射度被辐照物辐射体法向3/11三、电磁辐射的度量指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，即点辐射源(O)在某一方向上(、)单位立体角(d)内发出的辐射通量，单位为瓦/球面度(wsr-1)，表达为：ddI/辐射强度I（radiantintensity）辐射强度点辐射源dAdzyxO点源的辐射强度(极坐标中)微小立体角元：dΩ=dA/R2=sinθdθdφ三、电磁辐射的度量辐射亮度L：辐射亮度，简称辐亮度，指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积）上辐射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量，如右图所示，单位为瓦/米2·球面度（wm-2sr-1），表达为：cos/2dAddLФAcosθθA辐射亮度（radiance）遥感观测的是辐射亮度值L。三、电磁辐射的度量小结辐射度量一览表辐射量符号定义单位辐射能量Q焦耳(J)辐射通量Φ(2)Q/t(λ)瓦(W)辐照度E(2)Φ/A(λ)瓦/米²(W/m²)辐射出射度M(2)Φ/A(λ)瓦/米²(W/m²)辐射强度I(2)Φ/Ω(λ)瓦/球面度(W/Sr)辐射亮度L2(3)Φ/AΩ(λ)瓦/米²•球面度(W/m²•Sr)7/11四、黑体辐射地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。1.黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。2.黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。PowerSource:BlackbodyRadiationPlanck’sLaw:TheamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperatureMaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengthswavelength620K380K3、黑体辐射定律(1)普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。1/5212)(kTchehcTW、M四、黑体辐射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。辐射出射度可见光波段辐射能太阳温度白炽灯温度地球温度波长(μm)不同温度下的黑体辐射(2)斯特藩－玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmann'slaw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。4001/1522TdkTchehcWM3、黑体辐射定律(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（即黑体的峰值波长与温度成反比）。bTmax表不同温度T所对应的λmaxmax)(KT300500100020003000400050006000700080009.665.762.881.440.960.720.580.480.410.36地球温度太阳温度3、黑体辐射定律4、地物的发射率和基尔霍夫定律1)发射率(Emissivity)：地物的辐射