第二章_電磁輻射與地物光譜特性

1、第二章 遙感物理基礎 電磁輻射和地物光譜特征 本章主要內容 電磁波與電磁波譜 地物的光譜特性 大氣和環(huán)境對遙感的影響 一、電磁輻射 電磁輻射 1.電磁波 波 :振動在空間的傳播 電磁波（ElectroMagnetic Spectrum） :電磁振蕩 電磁波（ 在空間的傳播。 電磁波是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播 的：當電磁振蕩進入空間時，變化的磁場激發(fā) 了變化的電場，使電磁振蕩在空間傳播，形成 電磁波，也稱電磁輻射。 電磁波是橫波 真空中以光速傳播：C = f 電磁波具有波粒二象性： 電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播 波粒二象性 過程中，主要表現(xiàn)為波動性； 過程中，主要表現(xiàn)為波動性；在與物

2、 質相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性， 質相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性， 這就是電磁波的波粒二象性。 這就是電磁波的波粒二象性。 波動性： 波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳 播的， 播的，因此具有波動性 粒子性：它是由密集的光子微粒組成的， 粒子性：它是由密集的光子微粒組成的， 電磁輻射的實質是光子微粒的有規(guī)律的運 電磁波的粒子性， 動。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能 量具有統(tǒng)計性 a.波動性 干涉 衍射 偏振現(xiàn)象 時空周期性 波函數(shù) 波動性 ?產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場強度矢量 光矢量 產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場強度矢量E(光矢量 產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場強度矢量 光矢量 ?

3、如果光矢量在某個固定平面內只沿一個固定方向作振 如果光矢量在某個固定平面內只沿一個固定方向作振 則這種光被稱為偏振光. 動,則這種光被稱為偏振光 則這種光被稱為偏振光 ?微波技術中稱偏振為 ”極化” 微波技術中稱偏振為 極化” (波長越 長，偏振現(xiàn)象越顯著 波長越 偏振現(xiàn)象越顯著 電磁波遇到有限大小的障礙物時,能夠繞過障礙物而彎 電磁波遇到有限大小的障礙物時, 電磁波遇到有限大小的障礙物時 曲地向障礙物的后面?zhèn)鞑? 曲地向障礙物的后面?zhèn)鞑? 把這種通過障礙物邊緣改變 傳播方向的現(xiàn)象, 傳播方向的現(xiàn)象,稱為電磁波的 衍射. 最小分辨角: 最小分辨角 = 1.22 0 d (對設計遙感器的空間分辨

4、 率具有重要意義 率具有重要意義 b. 粒子性 光子微粒流的有規(guī)律運動 能量: E= h f 能量 h 普朗克常數(shù) 6.6260755×10-34J/s f 頻率 波長 粒子導致散射作用，引起強度、方向變化 粒子導致散射作用，引起強度、 c.疊加原理 疊加原理 (干涉 干涉 當兩列波在同一空間傳播時， 當兩列波在同一空間傳播時，空間上各點的振動為 各列 波單獨振動的合成。 各列波單獨振動的合成。 任何復雜的電磁波都可以分解成許多比較簡單的電磁波； 任何復雜的電磁波都可以分解成許多比較簡單的電磁波； 比較簡單的電磁波也可以合成為復雜的電磁波. 比較簡單的電磁波也可以合成為復雜的電磁波.

5、 （白光的色散和合成，計算機顯示器的工作原理，混合像 白光的色散和合成，計算機顯示器的工作原理， 元的分解 ） d.電磁波的多普勒效應 多普勒效應 電磁波因輻射源（或者觀察者） 電磁波因輻射源（或者觀察者）相對于傳播介質 的運動，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化， 的運動，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn) 類似聲波的多普勒效應 象稱為多普勒效應。(類似聲波的多普勒效應 波函數(shù) 由振幅和位相組成， 由振幅和位相組成，一般遙感器僅僅記錄電磁波的振 幅信息，丟失位相信息。全息攝影中， 幅信息，丟失位相信息。全息攝影中，同時記錄了振 記錄了振 幅信息和位相信息。 幅信息和位相信息。 電磁輻射 電磁

6、波的能量傳播過程 電磁波的能量傳播過程 2.電磁波譜 電磁波譜 a.電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長按其長 電磁波譜 短，依次排列制成的圖表。 依次排列制成的圖表。 電磁波譜中，波長最長的是無線電波，其按波 磁波譜中，波長最長的是無線電波， 長可分為長波、中波、短波和微波。 長可分為長波、中波、短波和微波。波長最短的 是射線 電磁波的波長不同，是因為產(chǎn)生它的波源不同。 電磁波的波長不同，是因為產(chǎn)生它的波源不同。 b、遙感常用的電磁波波段的特性 、 The Electromagnetic Spectrum More than meets the eye! 電磁波譜 波段 長波 中波和短波 超

7、短波 微波 紅外 波段 超遠紅外 遠紅外 中紅外 近紅外 紅 橙 黃 綠 青 藍 紫 紫外線 X射線 射線 射線 射線 0.76 1000m 波長 大于3000m 大于 10 3000m 1 10m 1mm 1m 15 1000m 6 15m 3 6m 0.76 3m 0.62 0.76m 0.59 0.62m 0.56 0.59m 0.50 0.56m 0.47 0.50m 0.43 0.47m 0.38 0.43m 可 見 光 0.38 0.76m 10-3 3.8×10-1m × 10-6 10-3m 小于10 小于 -6m The Electromagnetic S

8、pectrum Wavelength Energy 電磁波譜區(qū)別：傳播的方向性、穿透性、可見性、 電磁波譜區(qū)別：傳播的方向性、穿透性、可見性、 顏色不同 共性：傳播速度相同 遵守相同的反射、折射、 共性：傳播速度相同, 遵守相同的反射、折射、 透射、 透射、吸收和散射定律 遙感常用的電磁波波段的特性 紫外線(UV：0.01-0.4m，碳酸鹽巖分布、水面油污 染。 可見光：0.4-0.76 m，鑒別物質特征 的主要波段； 是遙感最常用的波段。 紅外線(IR ：0.76-1000m。 近紅外0.76-3.0m 中紅外3.0-6.0 m； 遠紅外6.0-15.0m；超遠紅外 15-1000 m。（近

9、紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅 外和遠紅外又稱熱紅外。 微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動與被動之分；具 有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ蟆?3.電磁輻射的度量 3.電磁輻射的度量 a.輻射源： 任何物體在其溫度不等于 °K時, 時 輻射源： 任何物體在其溫度不等于0 都有向周圍空間發(fā)射熱輻射的能力,同時也有 都有向周圍空間發(fā)射熱輻射的能力 同時也有 吸收外來輻射的能力.(任何物體都是輻射源 任何物體都是輻射源 吸收外來輻射的能力 任何物體都是輻射源 人工輻射源：主動式遙感的輻射源。 人工輻射源 雷達探測:分為微波雷達和激光雷達。 微波輻射源：0.8-30cm 激光輻射源：激光雷達測定衛(wèi)星

10、的位置、高 度、速度、測量地形等。 自然輻射源 太陽輻射： 太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻 射源；常用5900°K的黑體輻射來模擬； 的黑體輻射來模擬； 射源；常用 其輻射波長范圍極大；輻射能量集中-短 其輻射波長范圍極大；輻射能量集中 短 波輻射。大氣層對太陽輻射的吸收、 波輻射。大氣層對太陽輻射的吸收、反 射和散射。 射和散射。 地球的電磁輻射：小于3 地球的電磁輻射：小于 m的波長主要 的波長主要 是太陽輻射的能量；大于6 的波長， 是太陽輻射的能量；大于 m的波長， 的波長 主要是地物本身的熱輻射； 之間， 主要是地物本身的熱輻射；3-6 m之間， 之間 太陽和地球的熱輻

11、射都要考慮。 太陽和地球的熱輻射都要考慮。 b.輻射測量 輻射測量 輻射能量 (W: 電磁輻射的能量 (J 輻射通量( :單位時間內通過某一面積的 輻射通量 單位時間內通過某一面積的 輻射能量 (W 輻射通量密度 (E: 單位時間內通過單位面積的輻射能量 (W/m2 輻照度 (I: 被輻射物體表面單位面積的輻射通量 (W/m2 輻射出射度 (M: 輻射源物體表面單位面積的輻射通量 (W/m2 輻射亮度 (L: 輻射源某方向上單位投影表面單位立體角內的輻射 (W/sr.m2 通量 朗伯源: L 與 無關 的輻射源 (絕對黑體 絕對 4.黑體輻射 黑體輻射 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標準

12、； 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標準；地物 的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標準。 的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標準。 黑體：在任何溫度下， 黑體：在任何溫度下，對各種波長的 輻射的吸收系數(shù)等于1（ 電磁 輻射的吸收系數(shù)等于 （100%）的物 ） 體。 人工黑體 人工黑體 黑體輻射(Black Body Radiation ： 黑體輻射 ： 黑體的熱輻射稱為黑體輻射。 黑體的熱輻射稱為黑體輻射。 (自然界沒有真正的黑體 自然界沒有真正的黑體 自然界沒有真正的黑體 黑體輻射定律 (1普朗克熱輻射定律 表示出了黑體輻射通量密度與溫度 的關系以及按波長分布的規(guī)律。 -波長 c真空中光速 T絕對溫

13、度 h普朗克常數(shù) 波長 真空中光速 絕對溫度 普朗克常數(shù) k波爾茲曼常數(shù) 1.38×10-23J/k 波爾茲曼常數(shù) × Power Source: Blackbody Radiation Plancks Law: The amount and spectrum of radiation emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperature Max Planck (1858 1947 Nobel Prize 1918 620 K 380 K Emission from warm bodies peak

14、 at short wavelengths wavelength 圖示普朗克公式 變化特點： 變化特點： (1 輻射通量密度 隨波長連續(xù)變化， 隨波長連續(xù)變化， 只有一個最大值； 只有一個最大值； (2 溫度越高，輻 溫度越高， 射通量密度越大， 射通量密度越大， 不同溫度的曲線 不相交； 不相交； (3 隨溫度升高， 隨溫度升高， 輻射最大值向短 波方向移動。 波方向移動。 (2玻耳茲曼定律 Stefan-Boltzmann's law 即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅 速增加，它與溫度的四次方成正比。因此， 溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度 很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論

15、 基礎。 2hc2 1 W0 = ? d = T 4 5 ech / kT ?1 0 =5.67×10-8W/m2k4 (斯忒藩 波爾茲曼常數(shù) × 斯忒藩-波爾茲曼常數(shù) 斯忒藩 波爾茲曼常數(shù) (3維恩位移定律：Wien's displacement law (3維恩位移定律 隨著溫度的升高，輻射最大值對應的 峰值波長向短波方向移動。 max ?T = b 溫度 波長 300 9.66 500 5.80 1000 2.90 2000 1.45 3000 0.97 b=2.8978×10-3mk × 4000 0.72 5000 0.58 6000

16、0.48 7000 0.41 高溫物體發(fā)射較短的電磁波,低溫物體發(fā)射較長的電磁波 常 高溫物體發(fā)射較短的電磁波 低溫物體發(fā)射較長的電磁波.常 低溫物體發(fā)射較長的電磁波 如人體300K左右 發(fā)射電磁波的峰值波長 9.66m 左右,發(fā)射電磁波的峰值波長 溫（如人體 左右 5.實際物體的輻射 實際物體的輻射 對于一般物體而言， 熱輻射率、 熱輻射率 比輻射率， 對于一般物體而言，需要引入發(fā)射率 (熱輻射率、比輻射率 ， 表明物體的發(fā)射本領。 表明物體的發(fā)射本領。 M ( , T ( , T = Mb ( , T 非黑體的輻射通量密度與同一溫度下黑體輻射通量密度的比值 發(fā)射率與地物的性質、表面狀況、溫

17、度（比熱、 發(fā)射率與地物的性質、表面狀況、溫度（比熱、 熱慣量）、波長等有關：比熱大、熱慣量大， ）、波長等有關 熱慣量）、波長等有關 ：比熱大、熱慣量大， 以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反 以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大， 之發(fā)射率就小。 之發(fā)射率就小。 按照發(fā)射率與波長的關系，把地物分為： 黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。 灰體(grey body：發(fā)射率小于1，常數(shù) 選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長而 變化。 基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面 ： 積上的輻射通量W和吸收率之比，對于任 何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下 同面積黑體輻射通量W 黑。 W =W 黑

18、W = W 黑 = 4 在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波 段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。 地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以，地物 微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這 種特征構成了紅外遙感的理論基礎。 W = T 6、黑體的微波輻射 1 2 任何物體在一定的溫度下，不僅向外發(fā) 射紅外輻射，也發(fā)射微波輻射。二者基 本相似。但微波是地物低溫狀態(tài)下的重 要輻射特性，溫度越低，微波輻射越明 顯。 微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術上 可以經(jīng)過處理來接收。 二、太陽輻射及大氣影響 太陽是最大的天然輻射源 1.73×1017J/s × 送到地球的能量約

19、為 1.太陽常數(shù) 地球大氣層頂端 日地平均距離 一個天文 太陽常數(shù) 日地平均距離(一個天文 單位 單位 1.495985×1011m處垂直于太陽射線的單位面 × 處垂直于太陽射線的單位面 積上在單位時間內接收到的太陽輻射能量 I=1.360×103 W/m2 2.太陽光譜 連續(xù)光譜 夫朗和費吸收線 (暗線 太陽光譜 暗線 暗線 69種元素 種元素輻射特性基本類似于黑體 等效黑體溫度 5762°K ° Solar Spectrum = Shortwave spectrum =visible spectrum: Sun at 6000K; peak

20、 emission at 0.48 m 太陽能量99%集中在波長 0.24m, 可見光部分占 集中在波長 太陽能量 43% 最大能量在 0.48m. 3.由于大氣影響 大氣頂層與地面處輻照度曲線有很大 由于大氣影響,大氣頂層與地面處輻照度曲線有很大 由于大氣影響 不同.(衰減 吸收 不同 衰減 吸收 散射 反射 另外真實輻照度與太陽高度角也有關系 天頂角 太陽高度角 太陽高度角 I = I cos*D-2 4.大氣效應 大氣效應 a.地球大氣 分層: 分層 對流 平流 電離 外大 氣層 成份: 成份 不變成份 N2 O2 Ar CO2 CH4 NO H2 He (80km以 以 下相對比例不變

21、 可變成份 O3 H2O 塵 埃 鹽粒 氣溶膠等 霧霾較大 霧霾較小 部分霧霾 嚴重霧霾 b.大氣傳輸特性 大氣傳輸特性 衰減電磁波 (吸收 散射為主 吸收 就可見光和近紅外而言 ，約占 ， 就可見光和近紅外而言，約占30， 其次為散射的作用，約占22， ，占第三位 其次為散射的作用，約占 ，占第三位 是吸收，約占17，這樣， ，這樣 是吸收，約占 ，這樣，透過大氣到達 地面的能量僅占入射總能量的31 地面的能量僅占入射總能量的 大氣的透射率：透射率與路程、 大氣的透射率：透射率與路程、大氣 的吸收、散射有關。 的吸收、散射有關。 c.大氣的吸收作用 大氣的吸收作用 某些大氣成份對電磁波有吸收

22、作用(轉變?yōu)?某些大氣成份對電磁波有吸收作用 轉變?yōu)?自身分子內能 氧氣：小于0.2 m；0.155為峰值。高空遙感很少使 用紫外波段的原因。 臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強。兩個吸收帶；對航空 遙感影響不大。 水：吸收太陽輻射能量最強的介質。到處都是吸收帶。 主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此， 水對紅外遙感有極大的影響。 二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內。可以忽 略不計。 d.大氣散射 大氣散射 其實質是電磁波在傳輸中遇到各種微粒產(chǎn) 與波長有關 生的衍射現(xiàn)象 (與波長有關 影響: 降低原入射方向的強度, 影響: 降低原入射方向的強度, 增加了漫 入射成份(增加了信號中的噪聲 入

23、射成份(增加了信號中的噪聲降低了遙感數(shù) 據(jù)的質量、影像模糊，影響判讀。 據(jù)的質量、影像模糊，影響判讀。 大氣散射集中在太陽輻射能量最強的 可見光區(qū)。因此， 可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減 的主要原因。 的主要原因。 Scattering of EM energy by the atmosphere Relationship between path length of EM radiation and the level of atmospheric scatter 三種散射作用 實際上分為 ?瑞利 (分子 散射 瑞利 分子 分子散射 -4 小 散射強 (a << 小 1 ?米

24、氏散射 氣溶膠引起 -2 對紅外影響大 (a= 米氏散射(氣溶膠引起 米氏散射 氣溶膠引起 ?非選擇性散射 非選擇性散射 (a> 1. 瑞利散射：當微粒的直徑比輻射波長小得多時， 此時的散射稱為瑞利散射。 散射率與波長的四次方成反比，因此，瑞利散 射的強度隨著波長變短而迅速增大。紫外線是 紅光散射的30倍，0.4微米的藍光是4微米紅外 線散射的1萬倍。 瑞利散射對可見光的影響較大，對紅外輻射的 影響很小，對微波的影響可以不計。 多波段中不使用藍紫光的原因： 顏色 紅 橙黃 黃 綠 青蘭 紫 紫外線 波長 0.7 0.62 0.57 1.6 2.2 0.53 3.3 0.47 4.9 0.

25、4 0.3 5.4 30.0 散射率 1 無云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍色？ 朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？ 2. 米氏散射： 當微粒的直徑與輻射波長差 不多時的大氣散射。主要是大氣中的氣 溶膠引起的 云、霧的粒子大小與紅外線的波長接 近，所以云霧對對紅外線的米氏散射 不可忽視。 3. 無選擇性散射：當微粒的直徑比輻射波長 大得多時所發(fā)生的散射。符合無選擇性散 射條件的波段中，任何波段的散射強度相 同。 水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生 非選擇性散射。 云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？ 散射特性 瑞利散射是造成圖像輻射畸變和模糊的 主要原因。 主要原因。 米氏散射可疊加在瑞利散射之上 大氣散射增強了地面

26、的輻射和大氣層的 亮度” 降低了圖像的反差度。 “亮度”，降低了圖像的反差度。 結論 1. 太陽輻射衰減的原因是什么？ 2. 在可見光和近紅外波段，大氣最主要的散 射作用是什么？ 3. 微波為什么具有極強的穿透云層的作用？ 4. 為什么在選擇遙感工作波段時，要考慮大 氣層的散射和吸收作用？ e. 折射 反射 折射:傳播方向改變 與大氣密度有關 折射 傳播方向改變 直線成曲線 (與大氣密度有關 與大氣密度有關 反射:兩種介質的交界處發(fā)生反射 反射 兩種介質的交界處發(fā)生反射 云量多少影 響反射情況 遙感中,通常把電磁波通過大氣層時較少 遙感中 通常把電磁波通過大氣層時較少 被反射、 吸收或散射的,

27、透過率較高的波段稱為 透過率較高的波段稱為大氣窗 被反射 、 吸收或散射的 透過率較高的波段稱為 大氣窗 也即傳感器使用的觀測波段. 口(也即傳感器使用的觀測波段 也即傳感器使用的觀測波段 f.大氣窗口 要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。 大氣窗口解釋 1）0.31.3um： 包括全部可見光 可見光（95），部分紫外光 可見光 （70），部分近紅外光 近紅外光（80）。 近紅外光 攝影和掃描成像的方式在白天感測和記錄目標電磁波輻 射信息。 2）1.52.5um： 白天記錄 3）3.55.5um： 掃描成像記錄 4）814 um： 掃描記錄 近紅外窗口，6095，掃描成像， 中紅外