电磁辐射与地物光谱特征.ppt

第二章第二章 电磁辐射与地物的光谱特征电磁辐射与地物的光谱特征贺巧宁贺巧宁贺巧宁贺巧宁主要内容：主要内容：电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱本章小结本章小结2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射一一.电磁波谱电磁波谱二二.电磁辐射的度量电磁辐射的度量三三.黑体辐射黑体辐射一一.电磁波谱电磁波谱1.1.电磁波的产生电磁波的产生2.2.电磁波的特性电磁波的特性3.3.电磁波谱电磁波谱1.1.电磁波的产生电磁波的产生电磁波电磁波:由振源发出的电磁振荡在空间的由振源发出的电磁振荡在空间的传播传播,有热辐射、微波、无线电波等有热辐射、微波、无线电波等,也也称为电磁辐射。称为电磁辐射。当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激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发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波。播，形成电磁波。2.2.电磁波的特性电磁波的特性（1 1）是横波）是横波（2 2）在真空中以光速传播）在真空中以光速传播（3 3）满足：）满足：f f 入入 =C=C；E=hE=hf f（4 4）电磁波具有波粒二象性电磁波具有波粒二象性入射电磁波入射电磁波镜面反射镜面反射漫反射漫反射物物体体表表面面透射透射/折射折射吸收吸收反射率（反射率（p)=p)=反射能量反射能量/入射能量入射能量*100%*100%吸收率（吸收率（a)=a)=吸收能量吸收能量/入射能量入射能量*100%*100%透射率（透射率（T)=T)=透射能量透射能量/入射能量入射能量*100%*100%3.3.电磁波谱电磁波谱电磁波谱：电磁波谱：按照电磁波在真空中传播的按照电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或者递减排列构成的波长或频率，递增或者递减排列构成的谱带则称电磁波谱。谱带则称电磁波谱。以频率从高到低或者波长从短到长排列以频率从高到低或者波长从短到长排列可以划分为可以划分为r r射线、射线、X X射线、紫外线、可射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波见光、红外线、微波、无线电波1x10-6m1x10-3m0.1m1m10m100m0.1cm1cm10cm1m10m100m1km10km100kmr射线X射线红外线紫外线微波超短波 短波中波 长波可见光无线电波0.38m 0.76m3m6m15m1000m可见光近红外中红外 远红外 超远红外红橙黄绿青蓝紫二二.电磁辐射的度量电磁辐射的度量辐射能量辐射能量(W)(W)：电磁辐射的能量，电磁辐射的能量，J J。辐射通量辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能单位时间内通过某一面积的辐射能量，量，W W，J/sJ/s。辐照度辐照度(I)(I)：被辐照的物体表面单位面积上的被辐照的物体表面单位面积上的辐射通量，辐射通量，W/mW/m2 2。辐射出射度辐射出射度(M)(M)：温度为温度为T T的辐射源物体表面单的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量位面积上的辐射通量,W/m,W/m2 2 。111WI三三.黑体辐射黑体辐射1.1.绝对黑体绝对黑体2.2.黑体辐射的规律黑体辐射的规律3.3.实际物体的辐射实际物体的辐射1.1.绝对黑体绝对黑体绝对黑体：如果一个物体对于任何波长绝对黑体：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。绝对黑体。黑色的煤烟、恒星、太阳等。黑色的煤烟、恒星、太阳等。2.2.黑体辐射的规律黑体辐射的规律（1 1）斯忒藩）斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律:M=T4 -8 W/m2K4辐辐射射出出射射度度波波长长051015 20700K600K500K400K300K（2 2）维恩位移定律）维恩位移定律:入max T=b b=2.898 x10-3 mK3.3.实际物体的辐射实际物体的辐射基尔霍夫定律基尔霍夫定律:M1/a1=M2/a2=Mi/ai=M0=IM=M0 绝对黑体不仅具有最大的吸收率，也具有最大的绝对黑体不仅具有最大的吸收率，也具有最大的发射率，却丝毫不存在反射；而实际物体，如果吸收本发射率，却丝毫不存在反射；而实际物体，如果吸收本领越大，它的发射本领也越大，越接近黑体。领越大，它的发射本领也越大，越接近黑体。习题习题假定恒星表面的辐射与太阳表面的辐射假定恒星表面的辐射与太阳表面的辐射一样都遵循黑体辐射规律一样都遵循黑体辐射规律.如果测得到太如果测得到太阳辐射波谱的阳辐射波谱的入入太太maxmax=0.51 m,0.51 m,北极星的北极星的入入北北maxmax=0.35 m,0.35 m,试计算太阳和北极星的试计算太阳和北极星的表面温度及每单位表面积上所发射出的功率是表面温度及每单位表面积上所发射出的功率是多少多少?2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响2.2.1 2.2.1 太阳辐射太阳辐射2.2.2 2.2.2 大气对辐射的影响大气对辐射的影响2.2.1 2.2.1 太阳辐射太阳辐射1.1.太阳常数太阳常数:是指在不受大气影响是指在不受大气影响,在距在距离太阳一个天文单位内离太阳一个天文单位内,垂直于太阳光辐垂直于太阳光辐射方向上射方向上,单位面积单位时间黑体所接收单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量的太阳辐射能量.I.I3 3W/mW/m2 22 2.太阳光谱太阳光谱2.2.2 2.2.2 大气对辐射的影响大气对辐射的影响1.1.大气分层和组成大气分层和组成2.2.大气吸收大气吸收3.3.大气散射大气散射4.4.大气折射大气折射5.5.大气反射大气反射6.6.大气窗口大气窗口7.7.大气透射分析大气透射分析对流层外大气层电离层平流层1280100026上层中层下层C电离层电离层同温层暖层冷层中间层热层散逸层质子层氦层O3层层D电离层电离层E电离层电离层F电离层电离层35000一般飞机、气球一般飞机、气球气球气球航天飞机航天飞机200-250km,侦察飞机侦察飞机150-200km资源卫星资源卫星,气象卫星气象卫星800-900km通讯卫星通讯卫星,气象卫星气象卫星36000km大气垂直分层示意图飞机飞机气球气球,喷气式飞机喷气式飞机分子分子:氮气氮气(N(N2 2)，氧气，氧气(O(O2 2)臭氧臭氧(O(O3 3)，二氧化碳，二氧化碳(CO(CO2 2)，水，水(H(H2 2O)O)及及(N(N2 2O O，CHCH4 4，NHNH3 3)等等其他微粒其他微粒:烟、尘埃、雾霾、小水滴、气溶烟、尘埃、雾霾、小水滴、气溶胶等。胶等。大气主要成分大气主要成分大气散射大气散射100蓝绿红散射强度曲线瑞利散射瑞利散射无选择散射无选择散射 包括：包括：瑞利散射、米氏散射和无选择性散射。瑞利散射、米氏散射和无选择性散射。瑞利散射瑞利散射ddd入入I I与入无与入无关关大气散射大气散射大气上界大气上界地平面地平面太阳高度角太阳高度角大气折射后大气折射后太阳高度角太阳高度角0 折射值折射值=0 0-大气折射大气折射大气窗口大气窗口通常把电磁波通过大气层时较少被反射通常把电磁波通过大气层时较少被反射,吸收或散射的吸收或散射的,透过率较高的波段称为大透过率较高的波段称为大气窗口。气窗口。大气窗口的主要光谱段大气窗口的主要光谱段:、和、和、8-148-14、024681012141618202250100透透过过率率0.3-1.31.5-1.82.0-3.53.5-5.58-140.8-2.5cm大气窗口大气窗口电磁性质电磁性质大气窗口大气窗口(m)(m)应用条件成像方式应用条件成像方式 透过率透过率反射光谱反射光谱0.3-1.30.3-1.3强光条件下摄影扫描强光条件下摄影扫描90%90%1.5-1.81.5-1.82.0-2.52.0-2.5强光条件下扫描强光条件下扫描80%80%混合光谱混合光谱 3.5-5.53.5-5.5白天晚上都不可扫描白天晚上都不可扫描75%75%发射光谱发射光谱8-148-14白天晚上都可扫描白天晚上都可扫描60%60%0.05-300cm0.05-300cm有无光照都能扫描有无光照都能扫描100%100%大气窗口大气透射分析大气透射分析反射反射30%30%，散射，散射22%22%，吸收，吸收17%17%，透过，透过31%31%。臭氧吸收臭氧吸收3%3%，云层反射散射，云层反射散射25%25%，尘埃气体，尘埃气体吸收散射吸收散射19%19%，地面反射，地面反射8%8%，地表吸收，地表吸收45%45%。2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱1 1、地球的辐射地球的辐射:太阳辐射与地表相互太阳辐射与地表相互作用作用,地表自身的热辐射地表自身的热辐射2 2、地物反射波谱、地物反射波谱:地物的反射率地物的反射率,地物地物反射波谱特征反射波谱特征3、地物波谱特征的测量地物波谱特征的测量所谓所谓地物光谱特性地物光谱特性地物光谱特性地物光谱特性，是指自然界中任何地物都具有其自身的电，是指自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外磁辐射规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称为地物光谱特性，其中最常用的是反射信息。为地物光谱特性，其中最常用的是反射信息。太阳辐射与地表相互作用太阳辐射与地表相互作用:地球辐射的分段特性：地球辐射的分段特性：0.3-2.5 2.5-6 60.3-2.5 2.5-6 6地表自身的热辐射地表自身的热辐射:温度温度 波长波长地物的发射特性地物的发射特性自然界中的一切物体，自然界中的一切物体，无论是固体的、液体的，当其温度高于无论是固体的、液体的，当其温度高于绝对绝对0 0度时都会不断地向四周空间发射电度时都会不断地向四周空间发射电磁波（以红外、微波为主），物体的温磁波（以红外、微波为主），物体的温度越高，辐射出的能量就越多，这种现度越高，辐射出的能量就越多，这种现象称为象称为热辐射热辐射。地物的辐射能量与温度的四次方成正比，地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。水体夜晚发射率大，白天就小。探测地物的热辐射特性的热红外遥感在探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是不同的。夜间和白天进行的结果是不同的。热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度表示，它不同于地面温度，是接收温度表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。亮度。地物反射波谱特征地物反射波谱特征反射波谱反射波谱:地物反射率随波长的变化规律。地物反射率随波长的变化规律。反射率反射率反射率反射率P P P P定义：地物的反射能量与入射总能量的定义：地物的反射能量与入射总能量的百分比，称为反射率。百分比，称为反射率。=(P =(P/P/P0 0)100%)100%。特点：同一地物在不同的波长具有不同的反射特点：同一地物在不同的波长具有不同的反射率；地物的不同反射率是可以测定的；反射率率；地物的不同反射率是可以测定的；反射率与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关；同与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关；同一波长，不同地物，其反射率不同。但是也会一波长，不同地物，其反射率不同。但是也会存在同物异谱和异物同谱的现象。存在同物异谱和异物同谱的现象。镜面反射：镜面反射：镜面反射：镜面反射：也叫规则反射，入射角与反射角相等，也叫规则反射，入射角与反射角相等，发生在平静水面、金属面等，常出现在航空遥感中发生在平静水面、金属面等，常出现在航空遥感中漫反射：漫反射：漫反射：漫反射：也叫朗伯反射，向四周均匀反射，在各个也叫朗伯反射，向四周均匀反射，在各个方向上亮度和强度一样，航天遥感中多为这种现象。方向上亮度和强度一样，航天遥感中多为这种现象。实际反射：实际反射：实际反射：实际反射：介于两者之间，在某一方向上较强。介于两者之间，在某一方向上较强。镜面反射镜面反射漫反射漫反射实际反射实际反射=P/P0地物反射波谱地物反射波谱地物的反射率随着入射地物的反射率随着入射波长变化而变化的规律。波长变化而变化的规律。按照地物反射率与波长之间的关系所绘制按照地物反射率与波长之间的关系所绘制的曲线图称为的曲线图称为地物反射光谱曲线地物反射光谱曲线，其中横，其中横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。坐标表示波长，纵坐标表示反射率。几种典型地物反射光谱曲线几种典型地物反射光谱曲线(1)(1)植被植被(2)(2)土壤土壤(3)(3)水体水体(4)(4)岩石岩石(5)(5)其他其他植被：植被：m m，绿色，叶绿素的影响，绿色，叶绿素的影响 m m有反射陡坡有反射陡坡 m m，植被叶细胞影响，植被叶细胞影响 m m，反射率大大下降，受，反射率大大下降，受 水分影响水分影响不同植物光谱曲线的比较不同植物光谱曲线的比较不同季节狗牙根草的光谱反射曲线不同季节狗牙根草的光谱反射曲线春小麦在不同生长阶段的波谱特性曲线春小麦在不同生长阶段的波谱特性曲线花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期。至于黄叶期，花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期。至于黄叶期，由于不具备绿色植物特征，其反射光谱近似于一条斜线。这是由于不具备绿色植物特征，其反射光谱近似于一条斜线。这是因为黄叶的水含量降低，因为黄叶的水含量降低，导致在、和导致在、和2.7 2.7 微米附近微米附近3 3个水吸收个水吸收带的减弱。当叶片有病虫害时也有与其黄叶期类似的反射率。带的减弱。当叶片有病虫害时也有与其黄叶期类似的反射率。土壤：土壤：没有明显的峰值和谷值没有明显的峰值和谷值 一般来讲，土质越细，反射率越高，一般来讲，土质越细，反射率越高，有机质含量越高和含水量越高，反射率越有机质含量越高和含水量越高，反射率越低。低。水体：水体：水体：水体：反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别是在近红外波段，吸收就更强。强，特别是在近红外波段，吸收就更强。当水体中含有其他物质时，反射光谱会发生变化。当水体中含有其他物质时，反射光谱会发生变化。岩石：岩石：反射波谱曲线无统一的特征。反射波谱曲线无统一的特征。矿物成分，矿物含量，风化程度等矿物成分，矿物含量，风化程度等都会对曲线形态产生影响。都会对曲线形态产生影响。雪：雪：雪：雪：与太阳光谱相似，与太阳光谱相似，m m，P=100%P=100%；随着波长增加，；随着波长增加，反射率降低，到红外全吸收反射率降低，到红外全吸收沙漠：沙漠：沙漠：沙漠：m,P=65%,m,P=65%,呈橙色，呈橙色，m,P=50%m,P=50%湿地：湿地：湿地：湿地：都偏低，反射率在都偏低，反射率在1010以下，到红外为深色。以下，到红外为深色。本章重点本章重点1.1.电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射2.2.太阳辐射及大气对其的影响太阳辐射及大气对其的影响3.3.常见地物反射波谱特征：常见地物反射波谱特征：水体、植被、水体、植被、土壤、岩石土壤、岩石作业教材教材P44-45思考题思考题第第2、6、8、9题题