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(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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

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

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

電磁波一定是橫波，機(jī)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(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)相互作用時(shí)，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(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計(jì)性。

波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳播的，因此具有波動(dòng)性。第4頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(zhǎng)（或頻率）不同而具有不同的特性，因而探測(cè)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(zhǎng)有關(guān)：波長(zhǎng)愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，輻射的波動(dòng)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(zhǎng)0.01－0.38μｍ；

可見(jiàn)光：波長(zhǎng)0.38－0.76μｍ；紅外線：波長(zhǎng)0.76－1000μｍ;

微波：波長(zhǎng)1mm－1m;2、電磁波譜：根據(jù)電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)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(zhǎng)從小（短）到大（長(zhǎng)）排列］，可以劃分為γ射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、無(wú)線電波(長(zhǎng)波、中波、短波和微波)。第5頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

波長(zhǎng)（或頻率）之所以不同，是由于產(chǎn)生電磁波的波源不同。無(wú)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(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的；

可見(jiàn)光與近紫外輻射是由于原子、分子中的外層電子躍遷時(shí)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(shí)產(chǎn)生的；第6頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第7頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Thedistancefromonewavecresttothenext.RadiowaveshavelongestwavelengthandGammarayshaveshortest!第8頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ElectromagneticSpectrumHighenergyShortwavelength/highfrequencyEmittedathighTSunEarth第10頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(dòng)與被動(dòng)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?jiàn)光：0.4-0.76μm，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(yuǎn)紅外6.0-15.0μm；超遠(yuǎn)紅外15-1000μm。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外。1、電磁輻射源（1）自然輻射源

太陽(yáng)輻射（0.15～15μm）：是可見(jiàn)光和近紅外的主要輻射源；常用5900的黑體輻射來(lái)模擬；其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收（17％）、反射（30％）和散射（20％）。二、電磁輻射的度量第11頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地球的電磁輻射：小于3μm的波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量；大于6μm的波長(zhǎng)，主要是地物本身的熱輻射；3-6μm之間，太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。（2）人工輻射源：主動(dòng)式遙感的輻射源。雷達(dá)探測(cè)。分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。2．輻射測(cè)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(dá)—測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測(cè)量地形等。

Ф

=W/

t輻射通量密度（E）第12頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(yáng)與地球輻射的電磁波譜第13頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(duì)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(duì)某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長(zhǎng)而變化。影響地物反射率大小的因素：入射電磁波的波長(zhǎng)入射角的大小地表顏色與粗糙度第14頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第16頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳感器探測(cè)波段的設(shè)計(jì)，是通過(guò)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(jì)：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(shí)間特性和空間特性。不同植物光譜曲線比較第17頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月植被的病蟲(chóng)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(zhǎng)（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(jìn)行第18頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)間特征第19頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(biāo)準(zhǔn)；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。1、黑體：黑體是絕對(duì)黑體的簡(jiǎn)稱。在任何溫度下，對(duì)各種波長(zhǎng)的電磁輻射的吸收系數(shù)等于（100%）的物體。絕對(duì)黑體的吸收率恒等于1，與物體的溫度和入射電磁波波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。顯然，絕對(duì)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(zhǎng)分布的情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)出的非常吻合。第20頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月黑體輻射有三個(gè)特性：①輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。第21頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(huì)引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測(cè)定溫度的理論基礎(chǔ)。隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。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(cè)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。第22頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為：

黑體或絕對(duì)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(zhǎng)而變化。第23頁(yè)，課件共26頁(yè)，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(duì)于任何物體都是一個(gè)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(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會(huì)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(guò)處理來(lái)接收。第24頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年