第2章

電磁輻射及物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性內(nèi)容提要：本章是遙感的理論基礎(chǔ)，主要介紹電磁輻射的基本概念，電磁波譜，電磁輻射的性質(zhì)；物體的反射波譜，發(fā)射波譜，太陽(yáng)和地球的電磁輻射；電磁輻射的大氣傳輸特性以及大氣窗口。重點(diǎn)和難點(diǎn)：電磁輻射的本質(zhì)，電磁波譜，物體的反射波譜特性，發(fā)射輻射能力，以及大氣對(duì)電磁輻射的衰減特點(diǎn)。

2.1電磁輻射

①電磁輻射的本質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性EHxλ

2.1電磁輻射

①電磁輻射的本質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★波動(dòng)性：電磁輻射是振源發(fā)出的電磁場(chǎng)在空間以速度v傳播的橫波，具有波動(dòng)的特性。物理量：波長(zhǎng)λ、周期Ｔ、頻率ν、振幅Ａ、波數(shù)Ｎ、圓波數(shù)k、角頻率ω、波速υ、初相位θ、ψ是波函數(shù)，參數(shù)之間的關(guān)系：ψ＝Asin[(ωt－kx)＋θ]

2.1電磁輻射

①電磁輻射的本質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★粒子性：電磁輻射是一種在時(shí)空上不連續(xù)的物質(zhì)微粒的隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)過(guò)程，攜帶一定的能量。光子－－電磁輻射量子化的單位光子的能量ＥＥ＝ｈν

光子的動(dòng)量ＰＰ＝h／λ

ｈ＝6.625×10－２７爾格?秒，普朗克常數(shù)

2.1電磁輻射

①電磁輻射的本質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★波粒二象性：波是粒子流的統(tǒng)計(jì)平均，粒子是波的量子化；在傳播過(guò)程中以波動(dòng)性為主，遵守波動(dòng)規(guī)律，當(dāng)與物質(zhì)作用時(shí)又以粒子性為主。波長(zhǎng)較長(zhǎng)、能量較小的波動(dòng)性明顯；波長(zhǎng)較短，能量較大的粒子性顯著。

Ｓ＝｜Ａ｜２

Ｓ－粒子流密度，A－波的振幅

2.1電磁輻射

②電磁波譜

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★定義：為了便于比較電磁輻射的內(nèi)部差異和進(jìn)行描述，按照它們的波長(zhǎng)(或頻率)大小，依次排列畫(huà)成圖表，該圖表就叫做電磁波譜?！镫姶泡椛洳ǘ危河钪嫔渚€、γ射線、χ射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、無(wú)線電波、工業(yè)用電

2.1電磁輻射

②電磁波譜

第2章電磁輻射及物體的波譜特性

2.1電磁輻射

②電磁波譜

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★紫外線(UitravioletRayUV)

波長(zhǎng)３ｎｍ－0.38μｍ，由原子或分子外層電子躍遷產(chǎn)生，分成近紫外(0.38μｍ－300ｎｍ)、遠(yuǎn)紫外(300－200ｎｍ)和超遠(yuǎn)紫外(200－３ｎｍ)，粒子性明顯。<0.3μｍ者被大氣吸收，0.3－0.38μｍ的通過(guò)大氣，用感光膠片和光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。

2.1電磁輻射

②電磁波譜

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★可見(jiàn)光(VisibleLight)

波長(zhǎng)0.38μｍ－0.76μｍ，由分子外層電子躍遷產(chǎn)生，眼睛能夠觀察的唯一波區(qū)。通過(guò)透鏡聚焦，經(jīng)過(guò)棱鏡色散，分成各種色光波段，具光化作用和光電效應(yīng)，用膠片和光電探測(cè)器收集記錄。

2.1電磁輻射

②電磁波譜

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★紅外線(InfraredRayIR)

波長(zhǎng)0.76－1000μｍ，由分子振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，分成近紅外(0.76－3μｍ)，中紅外(３－６μｍ)，遠(yuǎn)紅外(６－15μｍ)超遠(yuǎn)紅外(15－300μｍ)和赫茲波(300－1000μｍ)。其中0.76－1.4μｍ的輻射可以用攝影方式探測(cè)，稱攝影紅外；中遠(yuǎn)紅外是物體發(fā)射的熱輻射（熱紅外），用光學(xué)機(jī)械掃描方式獲取。紅外線能聚焦、色散、反射，具有光電效應(yīng)。

2.1電磁輻射

②電磁波譜

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★微波(Microwave)

微波波長(zhǎng)0.1－100cm，由固體金屬分子轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生。分為毫米波、厘米波和分米波，特點(diǎn)是能穿云透霧，穿透冰層和地面松散層，其它輻射和物體對(duì)它干擾小。物體輻射微波的能量很弱，接收和記錄均較困難，要求傳感器非常靈敏。

2.1電磁輻射

③基本性質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★波的疊加原理：數(shù)列波在傳播過(guò)程中，相遇后仍能保持它們各自原有的特性(頻率、波長(zhǎng)、振幅、振動(dòng)方向等)不變，按照自己原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，在相遇區(qū)域內(nèi)，任一點(diǎn)的振動(dòng)為各波所引起的振動(dòng)的合成。遙感中，所遇到的電磁波的波形都很復(fù)雜，可以用多個(gè)正弦波的疊加構(gòu)成。

2.1電磁輻射

③基本性質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★電磁波的干涉：頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位相同或相位相差恒定的兩(數(shù))列波相遇時(shí)，使某些地方振動(dòng)始終加強(qiáng)，而在另一些地方振動(dòng)始終減弱的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。

作用：利用能量增大趨勢(shì)，使圖像清晰，方向性強(qiáng)；

影響：造成同一物質(zhì)所表現(xiàn)的性質(zhì)不同。

2.1電磁輻射

③基本性質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★電磁波的衍射：輻射在傳播過(guò)程中遇到阻礙物時(shí)，其傳播方向發(fā)生改變，能夠繞過(guò)障礙物邊緣繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象。

１）通過(guò)傳感器孔徑的電磁輻射發(fā)生衍射，數(shù)量、質(zhì)量和方向都發(fā)生變化，結(jié)果測(cè)不準(zhǔn)；

２）光學(xué)儀器的最小分辨角θ０＝1.22λ/Dλ電磁輻射的波長(zhǎng)，D光學(xué)儀器的孔徑；

３）縮小陰影區(qū)域。

2.1電磁輻射

③基本性質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★電磁波的偏振(極化)

概念：電磁波在各方向上振幅大小不同，且沒(méi)有固定位相關(guān)系，極大值與極小值之間的夾角為90°的的現(xiàn)象稱偏振現(xiàn)象。

作用：偏振攝影，側(cè)視雷達(dá)成像接收的完全是偏振波，利用偏振原理制作立體鏡進(jìn)行遙感影像立體觀察等。

2.1電磁輻射

③基本性質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性偏振(極化)的產(chǎn)生

2.1電磁輻射

③基本性質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★電磁波的多普勒效應(yīng)

概念：電磁輻射因輻射源或觀察者相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接收到的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。

作用：確定目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)行信息處理

2.1電磁輻射

③基本性質(zhì)

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★光電效應(yīng)電磁輻射的能量激發(fā)物體，釋放出帶電粒子，形成光電流，稱電磁輻射的光電效應(yīng)。

1)具有一定的截止頻率，其數(shù)值為v０＝A/h2)電子的初動(dòng)能與輻射的頻率成線性關(guān)系

3)光電流的強(qiáng)度和入射的電磁輻射強(qiáng)度成正比

2.1電磁輻射

④電磁輻射的產(chǎn)生第2章電磁輻射及物體的波譜特性★物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)：分子－原子－原子核與電子★運(yùn)動(dòng)規(guī)律：電子的繞核運(yùn)動(dòng)、原子核在平衡位置上的振動(dòng)、分子以其質(zhì)量中心為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)3種當(dāng)沒(méi)有外來(lái)能量刺激時(shí)，這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是穩(wěn)定的，具有一定的能量，并且該能量并不因?yàn)殡娮印⒃?、分子不停地運(yùn)動(dòng)而有所衰減，當(dāng)與其它粒子碰撞，或者在電磁場(chǎng)中被照射而吸收足夠的能量時(shí)，它就會(huì)改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從低能量軌道躍升到高能量軌道上去。

2.1電磁輻射

④電磁輻射的產(chǎn)生

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★基態(tài)根據(jù)最低能量原理，在正常情況下，粒子處于最低能量的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)稱為基態(tài)。對(duì)任一頻率的粒子，基態(tài)能量為Ｅ1＝ｈν★激發(fā)態(tài)基態(tài)粒子接收外來(lái)能量后，躍升到較高能量的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的能量En＝nｈν。ｎ為電子層數(shù)，表示電子離核的距離?！窦ぐl(fā)粒子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)的過(guò)程叫激發(fā)●激發(fā)能激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量之差，稱激發(fā)能●激發(fā)方式電能激發(fā)、熱能激發(fā)和輻射能激發(fā)。

2.1電磁輻射

④電磁輻射的產(chǎn)生

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★電磁輻射的產(chǎn)生粒子受激從基態(tài)進(jìn)入高能量狀態(tài)時(shí)，是瞬時(shí)的躍遷，不允許有中間的能量狀態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的粒子十分不穩(wěn)定，在10－８秒內(nèi)就要往基態(tài)轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化可以有兩種情況：一是與另一個(gè)粒子碰撞，能量傳遞給另一個(gè)粒子，這時(shí)沒(méi)有電磁輻射產(chǎn)生；二是粒子向下躍遷到一個(gè)較低的能級(jí)，釋放出多余的能量，以光子的形式帶走，產(chǎn)生電磁輻射。

2.1電磁輻射

④電磁輻射的產(chǎn)生

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★電磁輻射的頻率與波長(zhǎng)以△Ｅ表示各能級(jí)的激發(fā)能，光子的能量為ｈν，二者相等。即較高狀態(tài)的粒子躍遷到較低能級(jí)時(shí)多余的能量△Ｅ就以光子的能量ｈν輻射出去?！鳎牛剑?－Ｅ1＝ｈν

這一過(guò)程發(fā)射的電磁波的頻率和波長(zhǎng)分別為

ν=△Ｅ/ｈλ=C/ν=C?h/△E

2.1電磁輻射

④電磁輻射的產(chǎn)生

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★輻射形式

共振輻射：受激躍遷到激發(fā)態(tài)的粒子，直接回到基態(tài)，輻射的光子頻率與吸收的光子頻率一樣。

熒光現(xiàn)象：受激躍遷到激發(fā)態(tài)的粒子，通過(guò)中間能級(jí)回到基態(tài)，發(fā)射的光子頻率比吸收的光子頻率低。

熱輻射：物質(zhì)受激發(fā)時(shí)，將激發(fā)能轉(zhuǎn)變成熱能，發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)，引起粒子互相碰撞，從而使粒子運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，產(chǎn)生能級(jí)躍遷。由碰撞而產(chǎn)生的高能量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以自發(fā)的轉(zhuǎn)變到低能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)出電磁輻射。

2.1電磁輻射

⑤電磁輻射的度量

第2章電磁輻射及物體的波譜特性★輻射能Q

電磁輻射所攜帶的能量，表示在給定時(shí)間間隔內(nèi)由輻射源輻射出的全部能量，量綱是焦耳（J）?！镙椛渫繂挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)妮椛淠?，量綱是焦耳/秒（J/s），或瓦（W）?！镙椛渫棵芏龋‥、M）

單位面積上的輻射通量：輻照度E投射到表面上的輻射通量密度（W/cm2）出射度M從表面發(fā)出的輻射通量密度（W/cm2）★輻射強(qiáng)度I

單位立體角所發(fā)出的輻射通量(W/sr)

光譜量：特定波長(zhǎng)上的輻射量

2.2電磁輻射與物體的相互作用

第2章電磁輻射及物體的波譜特性概念：電磁輻射在傳播過(guò)程中，一旦與物體接觸，就與物體發(fā)生相互作用，進(jìn)行能量交換，使電磁輻射在強(qiáng)度、方向、波長(zhǎng)(或頻率)、相位等方面發(fā)生變化，甚至產(chǎn)生偏振。表現(xiàn)形式為物體使入射的電磁輻射發(fā)生反射、透射以及吸收和再發(fā)射等。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

第2章電磁輻射及物體的波譜特性本質(zhì)：入射到物體的電磁輻射使物體表面的自由電荷和束縛電荷發(fā)生振蕩運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)而輻射出次級(jí)場(chǎng)返回初始介質(zhì)，或者向前進(jìn)入第二種介質(zhì)。根據(jù)能量守恒律，入射的電磁輻射(Q)受到反射(Qr)、透射(Qτ)和吸收(Qα)Q＝Qｒ＋Qα＋Qτ1＝r＋α＋τ

2.2電磁輻射與物體的相互作用

第2章電磁輻射及物體的波譜特性遙感基本原理：不同物體，由于組成它們的物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同(分子、原子)，與電磁輻射作用時(shí)，這些分子和原子在旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)過(guò)程中，所產(chǎn)生的能級(jí)躍遷就不同，進(jìn)而所反射或吸收的電磁輻射的頻率和強(qiáng)度也不一樣。這種不同被傳感器接收、記錄下來(lái)，就構(gòu)成我們識(shí)別與區(qū)分物體的依據(jù)。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

①電磁輻射的反射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性

◆概念：電磁輻射與物體作用后產(chǎn)生的次級(jí)波返回原來(lái)的介質(zhì)，這種現(xiàn)象就稱為反射，該次級(jí)波便稱之為反射波(輻射)。反射能力的大小是波長(zhǎng)、入射角、偏振和物體性質(zhì)的函數(shù)，主要取決于物體性質(zhì)。物體的性質(zhì)——電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、物體表面粗糙程度

2.2電磁輻射與物體的相互作用

①電磁輻射的反射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射系數(shù)：反射波的電矢量振幅和入射波的電矢量振幅之比稱反射系數(shù)，其實(shí)質(zhì)是入射角、物體的介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的函數(shù)，在入射角相同情況下，由于物體的結(jié)構(gòu)不同，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率不一樣，因此有不同的反射系數(shù)。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

①電磁輻射的反射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆物體表面狀況對(duì)反射的影響

表面類型：光滑表面——鏡面；粗糙表面

劃分準(zhǔn)則：ｄ＝λ／８cosθ式中：λ是入射波的波長(zhǎng)，θ是入射角。物體表面起伏度ｈ≤ｄ，為光滑表面物體表面起伏度ｈ＞ｄ，為粗糙表面入射輻射的波長(zhǎng)和入射角度決定表面的粗糙度

2.2電磁輻射與物體的相互作用

①電磁輻射的反射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆物體表面狀況對(duì)反射的影響

漫反射鏡面反射方向反射

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆黑體輻射——概念黑體是指在任何溫度下，對(duì)所有波長(zhǎng)的電磁輻射都能夠完全吸收，同時(shí)能夠在熱力學(xué)定律所允許的范圍內(nèi)最大限度地把熱能變成輻射能的理想輻射體。它是作為研究物體發(fā)射的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)?！艉隗w輻射——輻射現(xiàn)象

黑體輻射——輻射現(xiàn)象

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆黑體輻射——輻射定律

普朗克定律：在給定溫度下，黑體的光譜出射率隨波長(zhǎng)而變化；溫度愈高，Ｍλ愈大，即光譜輻射能力越強(qiáng)。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆黑體輻射——輻射定律斯蒂芬—波爾茲曼定律Ｍ0＝σＴ４式中：σ＝5.669×10-12ｗ·cｍ-２·ｋ-4

黑體的總出射率(輻射通量密度)隨溫度的升高而迅速增大，相當(dāng)小的溫度變化就可以引起輻射通量密度(出射率)的很大變化。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆黑體輻射——輻射定律維恩位移定律：黑體的峰值波長(zhǎng)與其絕對(duì)溫度成反比，即當(dāng)溫度增加時(shí)，黑體出射率的極大值向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。

λ0ｍａｘ＝2898/T式中，λ0ｍａｘ的單位為μｍ，Ｔ為絕對(duì)溫度

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆物體的發(fā)射——基爾霍夫定律在給定溫度下，物體對(duì)任一波長(zhǎng)的發(fā)射本領(lǐng)和它的吸收本領(lǐng)成正比，比值與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，只是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，其表達(dá)式為：Ｍλ／αλ＝ｆ(λ、Ｔ)式中Ｍλ為物體對(duì)波長(zhǎng)λ的光波出射率，αλ為物體對(duì)波長(zhǎng)λ的吸收率。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆物體的發(fā)射——基爾霍夫定律黑體Ｍ0λ＝ｆ(λ、Ｔ)α0λ＝ｆ(λ、Ｔ)

任意物體Ｍλ＝ｆ(λ、Ｔ)αλ＝αλＭ0λ

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆物體的發(fā)射——發(fā)射率概念：發(fā)射率ε是指物體的輻射通量密度Ｍ和同溫度的黑體輻射通量密度Ｍ0之比，ε＝Ｍ／Ｍ0.對(duì)于任意波長(zhǎng)

ελ＝Ｍλ／Ｍ0λ式中，Ｍλ—物體的光譜出射率，Ｍ0λ—黑體的光譜出射率。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆物體的發(fā)射——發(fā)射率

ελ＝Ｍλ／Ｍ0λ

＝αλ

即：物體的光譜發(fā)射率等于物體的光譜吸收率

對(duì)于波長(zhǎng)為λ的輻射是不透明的物體

ελ＝αλ＝１－ρλ

只要測(cè)出物體的反射率，就可求得其發(fā)射率。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆物體的類型黑體：ελ＝ε＝１，總輻射通量密度Ｍ0＝σＴ４灰體：ελ

為一常數(shù)，介于０～１之間，ελ＝ε＝c，總輻射通量密度Ｍ＝εσＴ４選擇性輻射體：０＜ελ＜１，Ｍλ＝ελ·Ｍ0λ

Ｍλ為一變化值

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆物體的類型

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆遙感輻射源凡是能夠產(chǎn)生電磁輻射的物體，叫做輻射源。分為兩大類：人工輻射源和天然輻射源。在自然界最大的天然輻射源是太陽(yáng)和地球，它們是遙感信息的主要提供者。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆遙感輻射源——太陽(yáng)輻射大氣上界太陽(yáng)輻射：1400×10－４w/cm２太陽(yáng)常數(shù)：S*＝1.99cal/cm2·m

到達(dá)地球表面能量：903×10-4w/cm2

地球表面太陽(yáng)輻射：時(shí)空分布不均衡，是太陽(yáng)高度角的函數(shù)sinh=sinφ?sinδ+cos?cosδ?sinω

太陽(yáng)輻射的波譜組成：能量主要集中在0.2－3μm之間，峰值出現(xiàn)在0.5μm附近的綠色光?！暨b感輻射源——太陽(yáng)輻射第2章電磁輻射及物體的波譜特性

2.2電磁輻射與物體的相互作用

②電磁輻射的發(fā)射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆遙感輻射源——地球輻射輻射狀況：地球輻射近似于300°Ｋ的黑體輻射波譜范圍：從近紅外到微波，集中在5～30μm

能量分布：0～3μm段0.2％，3～5μm段0.6％，5～8μm段10％，8～14μm段50％，14～30μm段30％，30～1000μm段9％，1mm以上微波0.2％。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性

所有物體都具有反射和發(fā)射電磁輻射的本領(lǐng)，但是，在不同波長(zhǎng)處其反射或發(fā)射電磁輻射的能力存在差異。這種輻射能力隨波長(zhǎng)改變而改變的特性，稱為物體的波譜特性。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射波譜特性

基本概念：物體對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁輻射反射能力的變化，亦即物體的反射系數(shù)(率)隨入射波長(zhǎng)的變化規(guī)律叫做該物體的反射波譜。

◆反射波譜特性曲線

幾種典型的反射波譜曲線第2章電磁輻射及物體的波譜特性

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射波譜特性——巖石的反射波譜巖石的反射波譜主要取決于礦物類型、化學(xué)成分，以及覆蓋于其上的土壤、植被。①超基性巖②大理巖③砂巖④玄武巖⑤花崗閃長(zhǎng)巖⑥花崗巖⑦頁(yè)巖⑧安山巖①②⑧③⑦⑤⑥④

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射波譜特性——巖石的反射波譜

石灰石的波譜反射特性曲線

巖石反射率的大小與暗色礦物含量的多少有關(guān)，基性巖＜中性巖＜酸性巖。風(fēng)化的巖石比新鮮巖石的反射率高。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射波譜特性——水體的反射波譜水體的反射率，從藍(lán)光段的15％降至紅光段的２％，紅外波段幾乎等于零。影響水體反射率的主要因素是水的混濁度、水深、以及波浪起伏、水面污染、水中生物等。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射波譜特性——水體的反射波譜

①②③波長(zhǎng)（μm）

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射波譜特性——植物的反射波譜反射特征：綠色植物的葉子由表皮、柵欄組織和多孔薄壁細(xì)胞組織構(gòu)成，入射到葉子上的太陽(yáng)輻射透過(guò)上表皮，藍(lán)、紅光波段被構(gòu)成柵欄組織的葉綠素吸收進(jìn)行光合作用，綠光大部分也被吸收，僅有少部分被反射；近紅外線穿透柵欄組織，被多孔薄壁細(xì)胞組織反射，形成強(qiáng)反射。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射波譜特性——植物的反射波譜

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射波譜特性——植物的反射波譜影響因素：植被類型、植物種類、季節(jié)、生長(zhǎng)狀況、健康水平，以及下墊面。1健康葉片，3、5、7褪色期的老葉片①小麥②柳③紅楓樹(shù)④枯黃闊葉樹(shù)⑤松Ａ不同植物的反射波譜曲線①②③④⑤

植物葉片重疊時(shí)，反射輻射在可見(jiàn)光部分不變近紅外部分由于透射(50％左右)和重復(fù)反射，反射率增加20％～40％，可以根據(jù)反射紅外線的強(qiáng)弱來(lái)確定植物的長(zhǎng)勢(shì)。(Ｉ：入射能,Ｒ：反射能，Ｔ：透射能)圖2-15多片葉子層對(duì)植物反射率影響有效反射:R1+T3=5/8I入射能IR1=1/2IT3=1/2R2T1=1/2IR3=1/2R2R2=1/2T1第2片葉子T2=1/2T1=1/4I第1片葉子第2章電磁輻射及物體的波譜特性

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆反射波譜特性——土壤的反射波譜土壤對(duì)電磁輻射的反射狀況很復(fù)雜，許多可變因素，如土壤類型、表面粗糙度、礦物成分、土壤有機(jī)質(zhì)和水分含量等，都影響土壤的反射波譜特性。一般在可見(jiàn)光區(qū)土壤的反射率高于植物，而在近紅外波段則相反。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆發(fā)射波譜特性物體對(duì)電磁輻射的發(fā)射能力隨波長(zhǎng)的不同而變化的規(guī)律，叫做物體的發(fā)射波譜。

物體的發(fā)射本領(lǐng)取決于它的表面性質(zhì)(顏色和光潔度)和內(nèi)部熱學(xué)性質(zhì)。表面比較粗糙和顏色較深的物體，具有較高的發(fā)射本領(lǐng)；反之，發(fā)射率較低。金屬的發(fā)射率很低，且隨溫度的升高而增加，當(dāng)表面形成氧化層時(shí)，成數(shù)十倍增加。非金屬的發(fā)射率一般大于0.8，并且在地面常溫下，隨溫度的增高而減小。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆發(fā)射波譜特性——火焰的發(fā)射波譜

各種不同類型火焰的發(fā)射光譜相似，強(qiáng)輻射帶在４～５μｍ之間，弱帶在３μｍ以下。相對(duì)光譜輻射亮度相對(duì)光譜輻射亮度A燃燒天然氣的發(fā)射波譜B林火的發(fā)射波譜

2.2電磁輻射與物體的相互作用

第2章電磁輻射及物體的波譜特性圖2-17物體的微波輻射曲線◆發(fā)射波譜特性

——冰、水、土壤發(fā)射波譜

冰、水和土壤的發(fā)射能力在微波波段有較大差異

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆地物波譜特性測(cè)量——實(shí)驗(yàn)室測(cè)定不受環(huán)境影響的物體均可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行波譜特性測(cè)量。主要用于對(duì)巖石、礦物、土壤和植物進(jìn)行模擬試驗(yàn)，從理論上研究影響波譜特性的因素及其變化規(guī)律。

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量條件穩(wěn)定，測(cè)量精度高。缺點(diǎn)：采樣破壞了物體的物理與幾何特性，測(cè)量條件不易達(dá)到野外天然的狀態(tài)。測(cè)量結(jié)果不能反映真實(shí)情況。

2.2電磁輻射與物體的相互作用

③物體的波譜特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆地物波譜特性測(cè)量——野外測(cè)定

地物波譜特性主要是在野外進(jìn)行測(cè)量

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)定結(jié)果比較接近實(shí)際情況

缺點(diǎn)：測(cè)量精度較低

2.3電磁輻射的大氣傳輸

①大氣傳輸特性

第2章電磁輻射及物體的波譜特性電磁輻射穿過(guò)大氣時(shí)，會(huì)被大氣衰減，衰減后的輻射強(qiáng)度Iτ為

Iτ＝Ioｅ－σｘ式中：σ衰減系數(shù)或消光系數(shù)，Io入射輻射強(qiáng)度，ｘ大氣路程根據(jù)透射率定義，有

τ＝Iτ／Io＝ｅ－σｘ式中σ主要包括大氣散射系數(shù)γ和吸收系數(shù)ｋ，即

σ＝γ＋ｋ

2.3電磁輻射的大氣傳輸

②大氣散射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆散射概念：散射是指電磁輻射與結(jié)構(gòu)不均勻的物體作用后，產(chǎn)生的次級(jí)輻射無(wú)干涉抵消，向各個(gè)方向傳播的現(xiàn)象，它實(shí)質(zhì)是反射、折射和衍射的綜合反映。散射主要發(fā)生在可見(jiàn)光波段，其性質(zhì)和強(qiáng)度取決于大氣中分子或微粒的半徑ｒ與被散射光的波長(zhǎng)λ二者之間的相互對(duì)比關(guān)系。

2.3電磁輻射的大氣傳輸

②大氣散射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆散射類型——瑞利散射

當(dāng)r＜＜λ時(shí)，發(fā)生的散射稱瑞利散數(shù)，其散射強(qiáng)度與入射輻射波長(zhǎng)的四次方成反比：

γ∝1/λ4∝ν4

2.3電磁輻射的大氣傳輸

②大氣散射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆散射類型——米氏散射當(dāng)λ＝r時(shí)，發(fā)生的散射稱米氏散射，其散射強(qiáng)度與入射波長(zhǎng)的二次方成反比。

γ∝1/λ2∝ν2

2.3電磁輻射的大氣傳輸

②大氣散射

第2章電磁輻射及物體的波譜特性◆散射類型——粗粒散射