第二章電磁輻射與地物光譜特征

第二章電磁輻射與地物光譜特征第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

電磁波在真空中也能傳播；機械波必須在彈性媒質(zhì)中才能傳播。但兩者在運動形式上都是波動。

本質(zhì)的區(qū)別：基本的波動形式有兩種：橫波：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直。如水波、電磁波。第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

縱波：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相同。如聲波。第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

電磁波一定是橫波，機械波卻可以是橫波也可以是縱波。數(shù)字圖像電磁波性質(zhì)（1）共同性①是橫波；②在真空中以光速傳播；③滿足f?λ=c和Ε=h?f；④電磁波具有波粒二象性;電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；在與物質(zhì)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。

粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運動。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計性。

波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳播的，因此具有波動性。第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月各種電磁波的本質(zhì)都是完全相同的，只是由于它們的波長（或頻率）不同而具有不同的特性，因而探測記錄它們的方法也不同。波粒二象性的程度與電磁波的波長有關(guān)：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動特性愈明顯。（2）不同性遙感常用的各光譜段的主要特性如下：紫外線：波長0.01－0.38μｍ；

可見光：波長0.38－0.76μｍ；紅外線：波長0.76－1000μｍ;

微波：波長1mm－1m;2、電磁波譜：根據(jù)電磁波在真空中傳播的波長或頻率的大小，按遞增或遞減順序依次排列所構(gòu)成的圖譜。該波譜以頻率從高到低排列［即按波長從小（短）到大（長）排列］，可以劃分為γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波(長波、中波、短波和微波)。第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

波長（或頻率）之所以不同，是由于產(chǎn)生電磁波的波源不同。無線電波是由電磁振蕩發(fā)射的；

紅外輻射是由于分子的振動、轉(zhuǎn)動和能級躍遷時產(chǎn)生的；

可見光與近紫外輻射是由于原子、分子中的外層電子躍遷時產(chǎn)生的；

紫外線、X射線和γ射線是由于內(nèi)層電子躍遷和原子核內(nèi)狀態(tài)改變時產(chǎn)生的；第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月Thedistancefromonewavecresttothenext.RadiowaveshavelongestwavelengthandGammarayshaveshortest!第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1nm=10Ao.EnergyWavelength

l1nm=10-9metersSpeedoflight=

wavelength

(λ)

*frequency

=3x108m/s（invacuum）.FrequencyinGHz(1Hz=sec–1).第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月ElectromagneticSpectrumHighenergyShortwavelength/highfrequencyEmittedathighTSunEarth第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月遙感常用的電磁波波段的特性

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?/p>

紫外線(UV)：0.01-0.4μm，碳酸鹽巖分布、水面油污染?？梢姽猓?.4-0.76μm，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段。紅外線(IR)：0.76-1000μm。近紅外：0.76-3.0μm；中紅外3.0-6.0μm：遠紅外6.0-15.0μm；超遠紅外15-1000μm。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外和遠紅外又稱熱紅外。1、電磁輻射源（1）自然輻射源

太陽輻射（0.15～15μm）：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900的黑體輻射來模擬；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（17％）、反射（30％）和散射（20％）。二、電磁輻射的度量第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月地球的電磁輻射：小于3μm的波長主要是太陽輻射的能量；大于6μm的波長，主要是地物本身的熱輻射；3-6μm之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。（2）人工輻射源：主動式遙感的輻射源。雷達探測。分為微波雷達和激光雷達。2．輻射測量輻射能量（W）輻射通量（Ф）

E=

Ф/

A微波輻射源：0.8-30cm；激光輻射源：激光雷達—測定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測量地形等。

Ф

=W/

t輻射通量密度（E）第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射出射度（M）M=

Ф/

A輻照度（I）

I=

Ф/

A輻射亮度（Le）L=

2Ф/

Ω

Acosθ太陽與地球輻射的電磁波譜第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)地物的光譜特性任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。地物的這種特性稱為：地物的光譜特性。一、地物的反射光譜特性對于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，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（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：地物對某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長而變化。影響地物反射率大小的因素：入射電磁波的波長入射角的大小地表顏色與粗糙度第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律。

地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率與波長之間的關(guān)系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識別地物性質(zhì)的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差異。第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器探測波段的設(shè)計，是通過分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而確定、的。多光譜掃描儀（MSS）的波段設(shè)計：MSS1(0.5-0.6μm)；MSS2(0.6-0.7μm)；MSS3(0.7-0.8μm)；MSS4(0.8-1.1μm)；同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。地物的光譜特性具有時間特性和空間特性。不同植物光譜曲線比較第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月植被的病蟲害所示的柑桔、番茄、玉米、棉花四種地物的反射特性曲線，在0.6~0.7μm之間很相似，而其他波長（例如0.75~0.25μm波段之間）的光譜反射特性曲線形狀則不同，有很大差別。不同波段地物反射率不同，這就使人們很容易想到用多波段進行第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月時間特征第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月二、地物的發(fā)射光譜特性地物發(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。1、黑體：黑體是絕對黑體的簡稱。在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)等于（100%）的物體。絕對黑體的吸收率恒等于1，與物體的溫度和入射電磁波波長無關(guān)。顯然，絕對黑體的反射率恒等于0，透射率也等于0。2、黑體輻射(BlackBodyRadiation)：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。3、黑體輻射規(guī)律（1）普朗克公式：它表示出了黑體輻射通量密度與溫度關(guān)系以及按波長分布的情況。通過實驗求出的各種溫度下的黑體輻射光譜曲線與普朗克公式推導出的非常吻合。第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月黑體輻射有三個特性：①輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。②溫度愈高，輻射出射度（輻射通量密度）也愈大，不同溫度的曲線是不相交的。③隨著溫度的升高，輻射最大值所對應的波長向短波方向移動。第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）斯忒藩－玻爾茲曼定律：M=σT4（3）維恩位移定律λmax.T=b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基礎(chǔ)。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。4、地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律（1）發(fā)射率(Emissivity)：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。它也是遙感探測的基礎(chǔ)和出發(fā)點。第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）影響地物發(fā)射率的因素：

地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：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，反之發(fā)射率就小。按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：

黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)；

灰體(greybody)：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。第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）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。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(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。5、黑體的微波輻射（1）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。（2）微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術(shù)上可以經(jīng)過處理來接收。第24頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年