第二章电磁辐射与地物光谱特征精选文档.ppt

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1、第二章电磁辐射与地物光谱特征本讲稿第一页，共二十六页 电磁波电磁波在真空中也能传播在真空中也能传播 ；机械波机械波必须在弹性媒质中才能传播。但两者必须在弹性媒质中才能传播。但两者在运动形式上都是波动。在运动形式上都是波动。本质的区别本质的区别 ：基本的波动形式有两种：基本的波动形式有两种：横波：横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直。如水波、电磁波。质点的振动方向与波的传播方向垂直。如水波、电磁波。本讲稿第二页，共二十六页 纵波纵波：质点的振动方向与波的传播方向相同。如声波。：质点的振动方向与波的传播方向相同。如声波。本讲稿第三页，共二十六页 电磁波电磁波一定是横波，一定是横波，机械波机械波却

2、可以是横波也可以是纵波。却可以是横波也可以是纵波。数字图像数字图像电磁波性质电磁波性质（1）共同性）共同性是横波；是横波；在真空中以光速传播；在真空中以光速传播；满足满足f=cf=c和和=hf=hf；电磁波具有波粒二象性电磁波具有波粒二象性;电磁波在传播过程中，主要表现为电磁波在传播过程中，主要表现为波动性波动性；在与物质相互作用时，主；在与物质相互作用时，主要表现为要表现为粒子性粒子性，这就是电磁波的，这就是电磁波的波粒二象性波粒二象性。粒子性粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光：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。子微粒的有规律的运动。电磁

3、波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性。统计性。波动性波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性。：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性。本讲稿第四页，共二十六页 各种电磁波的本质都是完全相同的，只是由于它们的波长（或频各种电磁波的本质都是完全相同的，只是由于它们的波长（或频率）不同而具有不同的特性，因而探测记录它们的方法也不同。率）不同而具有不同的特性，因而探测记录它们的方法也不同。波粒二象性的程度与电磁波的波粒二象性的程度与电磁波的波长波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动

4、特性愈明显。明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。（2）不同性）不同性 遥感常用的各光谱段的主要特性如下：遥感常用的各光谱段的主要特性如下：紫外线：波长紫外线：波长0.010.010.38；可见光：波长可见光：波长0.380.76；红外线：波长红外线：波长0.760.761000;微波：波长微波：波长1mm1mm1m;1m;2 2、电磁波谱电磁波谱：根据电磁波在真空中传播的波长或频率的大小，按递增或递减顺：根据电磁波在真空中传播的波长或频率的大小，按递增或递减顺序依次排列所构成的图谱。序依次排列所构成的图谱。该波谱以频率从该波谱以频率从高高到到低低排列即按波长从小（短）到大（长）排列，排列即按

5、波长从小（短）到大（长）排列，可以划分为可以划分为射线、射线、X X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波(长波、长波、中波、短波和微波中波、短波和微波)。本讲稿第五页，共二十六页 波长波长（或频率）之所以不同，是由于产生电磁波的（或频率）之所以不同，是由于产生电磁波的波源波源不同。不同。无线电波是由无线电波是由电磁振荡电磁振荡发射的；发射的；红外辐射红外辐射是由于分子的振动、转动和能级跃迁时产生的；是由于分子的振动、转动和能级跃迁时产生的；可见光可见光与与近紫外辐射近紫外辐射是由于原子、分子中的外层电子跃迁时产生的；是由于原子、分子中的外层电子跃迁时产生

6、的；紫外线紫外线、X射线射线和和射线射线是由于是由于内层电子内层电子跃迁和原跃迁和原子核内状子核内状态改变时态改变时产生的；产生的；本讲稿第六页，共二十六页本讲稿第七页，共二十六页The distance from one wave crest to the next.Radio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest!本讲稿第八页，共二十六页1 nm=10 Ao.EnergyWavelength l1 nm=10-9 meters Speed of light=wavelength()*frequency =3 x

7、 108 m/s（in vacuum）.Frequency in GHz(1 Hz=sec 1).本讲稿第九页，共二十六页Electromagnetic SpectrumHigh energyShort wavelength/high frequencyEmitted at high TSunEarth本讲稿第十页，共二十六页遥感常用的电磁波波段的特性遥感常用的电磁波波段的特性 微波微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。发展潜力大。紫外线紫外线(UV)：0.01-0.4m，碳酸盐岩分布、水面油污染。碳酸盐岩分布

8、、水面油污染。可见光可见光：0.4-0.76m，鉴别物鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。段。红外线红外线(IR)：0.76-1000 m。近红外：。近红外：0.76-3.0 m；中红外；中红外3.0-6.0 m：远红外：远红外6.0-15.0 m；超远红外；超远红外15-1000 m。（近红外又称光红外或反射。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。红外；中红外和远红外又称热红外。1 1、电磁辐射源、电磁辐射源（1）自然辐射源）自然辐射源 太阳辐射太阳辐射（0.1515m）：是可见光和近红外的主要辐射源；常用：是可见光和近红外的主要辐

9、射源；常用5900的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收（射。大气层对太阳辐射的吸收（17）、反射（）、反射（30）和散射（）和散射（20）。二、电磁辐射的度量二、电磁辐射的度量本讲稿第十一页，共二十六页 地球的电磁辐射地球的电磁辐射：小于：小于3 m的波长主要是太阳辐射的能量；大于的波长主要是太阳辐射的能量；大于6 m的波长，主要是地物本身的热辐射；的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6 m之间，太阳和地球的热辐射都之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。要考虑。（2）人工辐射源：）人工辐射源：主

10、动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。光雷达。2 2辐射测量辐射测量辐射能量（辐射能量（W）辐射通量（辐射通量（）E=/A 微波辐射源：微波辐射源：0.8-30cm；激光辐射源：激光辐射源：激光雷达激光雷达测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。=W/t辐射通量密度（辐射通量密度（E）本讲稿第十二页，共二十六页辐射出射度（辐射出射度（M）M=/A辐照度（辐照度（I）I=/A辐射亮度（辐射亮度（Le）L=2 /A cos太阳与地球辐射的电磁波谱太阳与地球辐射的电磁波谱本讲稿第十三页，共二十六页第二

11、节第二节 地物的光谱特性地物的光谱特性 任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光地物的光谱特性谱特性。一、地物的反射光谱特性一、地物的反射光谱特性 对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。收率高的地物，其反射率就低。地物的反射率、吸收率和透射率。地物的反射率、吸收率和透射率。地物的反射率地物的反射率

12、（反射系数或亮度系数）：（反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。影响地物反射率大小的因素：入射电磁波的波长入射电磁波的波长入射角的大小入射角的大小地表颜色与粗糙度地表颜色与粗糙度本讲稿第十四页，共二十六页 地物的反射光谱地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。：地物的反射率随入射波长变化的规律。地物反射光谱曲线地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。线。地物

13、电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差异。不同地物在不同波段反射率存在差异。本讲稿第十五页，共二十六页本讲稿第十六页，共二十六页 传感器探测波段的设计，是通过分析比较地物光谱数据而确定、传感器探测波段的设计，是通过分析比较地物光谱数据而确定、的。的。多光谱扫描仪（多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：）的波段设计：MSS1(0.5-0.6m)；MSS2(0.6-0.7m)；MSS3(0.7-0.8m)；MSS4(0.8-1.1m)；同类地物的反射光谱同类地物的反射光谱具有具有相似性相似性，但也有，但也有差异差异性性。地物的光谱特性具有地物的光谱特性具有时间

14、特性时间特性和和空间特性空间特性。不同植物光谱曲线比较不同植物光谱曲线比较本讲稿第十七页，共二十六页植被的病虫害植被的病虫害 所示的柑桔、番茄、玉米、棉花四种地物的反射特性曲线，在所示的柑桔、番茄、玉米、棉花四种地物的反射特性曲线，在0.60.7m之间很相似，而其他波长（例如之间很相似，而其他波长（例如0.75 0.25m波段之间）的光波段之间）的光谱反射特性曲线形状则不同，有很大差别。不同波段地物反射率不同，谱反射特性曲线形状则不同，有很大差别。不同波段地物反射率不同，这就使人们很容易想到用多波段进行这就使人们很容易想到用多波段进行 本讲稿第十八页，共二十六页时间特征时间特征本讲稿第十九页，

15、共二十六页二、地物的发射光谱特性二、地物的发射光谱特性 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。黑体辐射作为参照标准。1、黑体黑体：黑体是绝对黑体的简称。在任何温度下，对各种波长的电磁辐射：黑体是绝对黑体的简称。在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于（的吸收系数等于（100%）的物体。绝对黑体的吸收率恒等于）的物体。绝对黑体的吸收率恒等于1，与物体，与物体的温度和入射电磁波波长无关。显然，绝对黑体的反射率恒等于的温度和入射电磁波波长无关。显然，绝对黑体的反射率恒等于0，透，透射率也等于射

16、率也等于0。2、黑体辐射黑体辐射(Black Body Radiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。：黑体的热辐射称为黑体辐射。3、黑体辐射规律黑体辐射规律（1）普朗克公式：）普朗克公式：它表示出了黑体辐射通量密度与温度关系以及按波长分布的情况。通过实它表示出了黑体辐射通量密度与温度关系以及按波长分布的情况。通过实验求出的各种温度下的黑体辐射光谱曲线与普朗克公式推导出的非常吻合。验求出的各种温度下的黑体辐射光谱曲线与普朗克公式推导出的非常吻合。本讲稿第二十页，共二十六页 黑体辐射有三个特性：黑体辐射有三个特性：辐射通量密度随波长连续辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个变化，每条曲线

17、只有一个最大值。最大值。温度愈高，辐射出射度温度愈高，辐射出射度（辐射通量密度）也愈大，（辐射通量密度）也愈大，不同温度的曲线是不相交的。不同温度的曲线是不相交的。随着温度的升高，辐射最大随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方值所对应的波长向短波方向移动。向移动。本讲稿第二十一页，共二十六页（2）斯忒藩玻尔兹曼定律：）斯忒藩玻尔兹曼定律：M=T4（3）维恩位移定律）维恩位移定律max .T=b 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。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

18、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。定温度的理论基础。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。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。4、地物的发射率和基尔霍夫定律地物的发射率和基尔霍夫定律（1）发射率发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）通量）W与同温下的黑体辐射出射度与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。和出发点。本讲稿第二十二页，共二十六页（2）影响地物发射率的因素影响地

19、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。及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。按照发射率与波长的关系，把地物分为：按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体黑体或绝对黑体：发射率为：发射率为1，常数；，常数；灰体灰体(grey body)：发射率小于：发射率小于1，常数；，常数；选择性辐射体选择性辐射体：反射率小于：反射率小于1，且随波长而变化。，且随波长而变化。本讲稿第二十三页，共二十六页（3）基尔霍夫定律基尔霍夫定

20、律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量辐射通量W 黑黑。在给定的温度下，物体的发射率在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。发射率也越大。地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。就会引起红外辐射能量的

21、明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。5、黑体的微波辐射黑体的微波辐射（1）任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐）任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。越低，微波辐射越明显。（2）微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。）微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。本讲稿第二十四页，共二十六页（3）瑞里）瑞里-金斯公式金斯公式 黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。黑体

22、辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。微波波段中则容易识别。本讲稿第二十五页，共二十六页6、地物的发射光谱地物的发射光谱发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。岩石的发射光谱分析岩石的发射光谱分析本讲稿第二十六页，共二十六页