1、1,第2章 電磁輻射與地物光譜特征,主要內(nèi)容 遙感物理基礎(chǔ)電磁學(xué)部分 電磁波譜、黑體概念 太陽輻射、地球輻射特征 大氣吸收、散射、透射特征 大氣窗概念 大氣對電磁輻射的影響 地物反射波譜特征,2,電磁波譜、電磁輻射 基本概念 太陽輻射及大氣影響 太陽輻射 大氣吸收、散射、大氣窗 地球輻射與地物波譜 太陽輻射與地表相互作用 地表自身熱輻射 地物反射波譜特征,章節(jié)目錄,2.1 電磁波譜與電磁輻射,3,一、電磁波譜 基本概念 1. 波(振動(dòng)的傳播) 縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波動(dòng)傳播方向相同 (彈簧振子、聲波) 橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波動(dòng)傳播方向垂直 (抖動(dòng)繩子產(chǎn)生的波、水波) 橫波傳播方向可為垂直振動(dòng)方向

2、的任意方向,4,2. 電磁波 由電磁振蕩產(chǎn)生 變化的磁場激發(fā)渦旋電場 變化的電場激發(fā)渦旋磁場 橫波 傳播方向： 垂直電磁振蕩的 各個(gè)方向,偏振現(xiàn)象,5,3. 電磁波譜 1889年赫茲用電磁振蕩方法產(chǎn)生了電磁波 電磁波性質(zhì)與光波性質(zhì)相同光、電統(tǒng)一 其他具有電磁波性質(zhì)的波：X射線、射線 電磁波譜：將電磁波在真空中傳播的波長或頻率按遞增或遞減順序排列構(gòu)成 按頻率從高到低排列： 射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波,6,電磁波譜,7,電磁波譜劃分 按產(chǎn)生或者測量電磁波的方法劃分,8,遙感常用波段：可見光、紅外、微波,9,4. 電磁波性質(zhì) 是橫波 在真空以光速傳播 滿足關(guān)系： h：普朗克常數(shù)

3、具有波粒二象性 反射、折射、吸收、透射 遇粒子會散射電磁波方向、強(qiáng)度發(fā)生變化 電磁波也稱為電磁輻射，是波長函數(shù),10,二、電磁輻射的度量 基本概念 1. 輻射源 任何物體都是輻射源 既能夠吸收其他物體對其輻射 也能夠向外輻射 太陽、火是輻射源 發(fā)出紫外輻射、X射線、微波輻射的也是輻射源,遙感探測是輻射能量的測定,11,2. 輻射能量(W) 電磁輻射的能量 單位：J(焦耳) 波長的函數(shù) 3. 輻射通量() 單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量 =dW/dt 單位：W(瓦特，瓦) 波長的函數(shù),12,4. 輻射通量密度(E) 單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的輻射能量 E=d/dS，S為面積 單位：W/m2 5.

4、 輻照度(I) 被輻 (照)射的物體表面單位面積上的輻射通量 I=d/dS，S為面積 單位：W/m2,輻射通量密度與輻照度I區(qū)別 ：任意單位面積 I：被照射物體表面的單位面積 I包含,13,6. 輻射出射度(M) 輻射源物體表面單位面積上的輻射通量 M=d/dS，S為面積 單位：W/m2 *. 輻照度(I) 被輻 (照)射的物體表面單位面積上的輻射通量 I=d/dS，S為面積 單位：W/m2,輻射出射度M與輻照度I比較 均為輻射通量密度概念 M：物體發(fā)出的輻射 I：物體接收的輻射,14,7. 輻射亮度(L) 輻射源在某一方向，單位投影表面，單位立體角內(nèi)的輻射通量 L=/ (Acos)，A為輻射

5、源面積 單位：W/(srm2) 觀察者以不同角觀察輻射源時(shí)，接收的L不同,朗伯源 輻射亮度與觀察角無關(guān)的輻射源 一些粗糙表面可近似看作朗伯源 太陽常近似為朗伯源，簡化研究 嚴(yán)格地，只有黑體是朗伯源,15,*立體角 頂點(diǎn)在球心的一個(gè)錐面所圍成的空間部分 單位：球面度(立體弧度) 量值：被錐體所截的球面面積A和球半徑R平方之比 整個(gè)球面對應(yīng)的立體角為4,16,三、黑體輻射 1. 絕對黑體 若一個(gè)物體對于任何波長的電磁輻射都全部吸收而無反射，則這個(gè)物體是絕對黑體，簡稱黑體 黑體的吸收率恒等于1 反射率恒等于0 與物體溫度和電磁波波長無關(guān),吸收率：吸收能量與入射能量之比 反射率：反射能量與入射能量之比

6、,黑色煙煤：最接近黑體的自然物質(zhì) 恒星和太陽輻射：接近黑體輻射的輻射源,17,2. 黑體輻射規(guī)律 普朗克黑體輻射公式 重要意義： 推導(dǎo)幾個(gè)黑體輻射公式,不同溫度的黑體 輻射與波長關(guān)系,18,斯忒藩-玻爾茲曼定律 整個(gè)電磁波譜的總輻射出射度M： 斯忒藩-玻爾茲曼定律： 絕對黑體的總輻射出射度 與黑體溫度的四次方成正比,19,維恩位移定律 黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長max與黑體絕對溫度T成反比,黑體溫度越高， 曲線峰頂越往左移,20,斯忒藩-玻爾茲曼定律、維恩位移定律應(yīng)用,太陽、地球輻射出射度,斯忒藩-玻爾茲曼定律,溫度有效溫度,最強(qiáng)輻射波長,維恩位移定律,太陽T=6150 K，max=0.47

7、 m：可見光段輻射最強(qiáng) 地球(溫暖季節(jié)白天)T=300 K， max=9.66 m：紅外熱輻射最強(qiáng),21,3. 實(shí)際物體(灰體)的輻射 基爾霍夫定律 M：實(shí)際物體的輻射出射度 M0：同溫度、同波長黑體的出射輻射度 ：實(shí)際物體的吸收系數(shù)(0 1) 也稱為比輻射率或發(fā)射率e：,？,將實(shí)際物體視為輻射源，其吸收系數(shù)越大，則發(fā)射本領(lǐng)也越大，越接近黑體輻射,實(shí)際物體輻射永遠(yuǎn)小于黑體輻射,2.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響,22,太陽輻射,23,一、太陽輻射 基本概念 1. 太陽常數(shù) 不受大氣影響，在距太陽一個(gè)天文單位內(nèi)，垂直于太陽光輻射方向上，單位面積單位時(shí)間黑體所接收的太陽輻射能量 太陽常數(shù)是在大氣頂

8、端接收的太陽能量,天文單位：地球到太陽的平均距離，約1.5億千米,計(jì)算：太陽總輻射通量和太陽輻射出射度,24,2. 太陽光譜 通常指光球產(chǎn)生的光譜,25,發(fā)射能量大部分集中于可見光波段 連續(xù)光譜 輻射特性與黑體輻射特性基本一致,曲線為何變化？,26,太陽輻射各波段百分比,近紫外中紅外區(qū)間能量最集中且穩(wěn)定 被動(dòng)遙感主要利用可見光、紅外等穩(wěn)定輻射,27,太陽傾斜入射影響 ：輻射通量，常數(shù) I：垂直太陽入射方向輻照度 I：傾斜入射到地面的輻照度 AB間面積：S h：太陽高度角 ：太陽天頂角,28,北半球冬季：地球位于近日點(diǎn)/遠(yuǎn)日點(diǎn)？ 為何冬冷夏熱？,29,二、大氣吸收,衰減最大處為大氣分子吸收最強(qiáng)波

9、段,到達(dá)地面的太陽輻射曲線與大氣上界的太陽輻射曲線不同,？,30,1. 大氣層次 大氣厚度約1000 km 垂直方向自下而上分為對流層、平流層、中間層、熱層、散逸層 電離層反射地面發(fā)射的無線電波 遙感波段小于無線電波，可穿過電離層，輻射強(qiáng)度不變 對流層和平流層對太陽輻射影響最大 吸收 散射 折射 反射,31,2. 大氣對輻射的吸收 大氣主要吸收成分 水分、二氧化碳、臭氧、氧氣 對電磁波某些波段有吸收作用 將輻射能量轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)能 引起太陽輻射輻射衰減，甚至完全被吸收,大氣吸收譜,32,大氣各成分吸收譜,大氣對可見光波段吸收很弱！,33,三、大氣散射 輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，

10、向各個(gè)方向散開，稱為散射 原傳播方向輻射強(qiáng)度減弱 其他方向輻射增加 實(shí)質(zhì)：一種衍射現(xiàn)象(障礙物波長) 大氣分子或微粒直徑小于或相當(dāng)于輻射波長時(shí)發(fā)生 大氣分子(N2、CO2、O3、O2) 微粒(煙, 塵埃, 小水滴, 氣溶膠),34,1. 瑞利散射 大氣中粒子直徑比輻射波長小得多時(shí)發(fā)生的散射 由大氣中原子和分子引起 氮、二氧化碳、臭氧和氧分子 對可見光非常明顯 散射強(qiáng)度與波長四次方成反比波長越長，散射越弱 太陽輻射垂直穿過大氣層時(shí)，可見光波段損失能量達(dá)10%,35,現(xiàn)象解釋 天空呈蔚藍(lán)色？ 藍(lán)、紫光波長短 日出時(shí)朝霞、日落時(shí)夕陽呈橘紅色？ 太陽高度角小，傳播路程長 藍(lán)、紫、綠光波長短，散射強(qiáng)烈

11、紅光波長長，散射弱，透射強(qiáng) 紅光+剩余綠光橘紅色,36,2. 米氏散射 大氣中粒子的直徑與輻射波長相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射 由大氣中微粒引起 煙、塵埃、小水滴、氣溶膠 散射強(qiáng)度與波長二次方成反比 方向性明顯 散射在光線向前方向比向后方向更強(qiáng),37,3. 無選擇性散射 大氣中粒子的直徑比輻射波長大得多時(shí)發(fā)生的散射 散射強(qiáng)度與波長無關(guān) 現(xiàn)象解釋：云霧呈白色 云霧中水滴粒子直徑 大于可見光波長 發(fā)生無選擇性散射， 各色光散射強(qiáng)度相同,38,散射小結(jié) 散射造成太陽輻射衰減 強(qiáng)度與輻射波長密切相關(guān) 大氣中同時(shí)會出現(xiàn)各種類型的散射 瑞利散射發(fā)生于可見光和近紅外波段 米氏散射發(fā)生于近紫外到紅外波段，紅外波段處米氏散

12、射大于瑞利散射 云層對于可見光只有無選擇性散射 微波波長遠(yuǎn)大于粒子直徑 瑞利散射 散射很弱，透射性強(qiáng) 微波具有穿透云霧能力,39,四、大氣窗口及透射分析 1. 折射現(xiàn)象 電磁波穿過大氣時(shí)，除發(fā)生吸收和散射外，還會出現(xiàn)傳播方向的改變 大氣折射率與大氣密度相關(guān)，密度越大折射率越大 離地面越高，空氣越稀薄折射率越小 折射使得電磁波在大氣中傳播的軌跡為一條曲線 結(jié)果：地面接收的電磁波方向(軌跡切線方向)與實(shí)際太陽輻射方向偏離一個(gè)角度，即折射值R,40,太陽垂直入射：天頂角=0，折射值=0 太陽天頂角增大，折射值增大 天頂角=45o，折射值=1 天頂角=90o，折射值=35(最大),?,中午路程,早晨路

13、程,41,現(xiàn)象解釋 早、晚看到的太陽比中午大？ 太陽在地平線上時(shí)，折射角最大 還沒出地平線時(shí)通過折射就已經(jīng)可以看到,42,2. 大氣反射 電磁波傳播過程中，若通過兩種介質(zhì)的交界面，會發(fā)生反射 主要發(fā)生在云層頂部 取決于云量 各波段均受到不同程度影響 氣體、塵埃反射作用很小,盡量選擇無云天氣接收遙感信號,43,3. 大氣窗口 太陽輻射經(jīng)過大氣時(shí)： 折射改變太陽輻射的方向，不改變其強(qiáng)度 反射、吸收、散射共同影響衰減輻射強(qiáng)度 剩余太陽輻射透過大氣,大氣窗口：電磁波通過大氣層時(shí)較少被反射、吸收或散射的、透過率較高的波段,對傳感器而言，選擇透過率高的波段才對觀測有意義,44,大氣窗口主要波段,0.31.

14、3m(紫外、可見光、紅外波段) 攝影成像的最佳波段、衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段 1.51.8m、2.03.5 m(近、中紅外波段) 白天日照好時(shí)掃描成像的常用波段，植物含水量、云雪 3.5 5.5m(中紅外波段) 地面物體即可反射也可自身發(fā)射此波段的熱輻射能量,大氣窗口,45,814m(遠(yuǎn)紅外波段) 主要來自地物熱輻射能量，適于夜間成像 0.825 cm(微波波段) 微波穿透云霧能力強(qiáng) 此區(qū)間可全天候觀測 采用主動(dòng)遙感方式,46,4. 大氣透射的定量分析 太陽輻射通過大氣時(shí)，對可見光和近紅外波段： 約30%：被云層或其他粒子反射 約22%：被散射 約17%：被吸收 約31%：透過大氣到達(dá)地面

15、,除氣象衛(wèi)星探測云層外，大多數(shù)被動(dòng)遙感傳感器均選擇無云天氣觀測，此時(shí)大氣影響只考慮散射和吸收,47,設(shè)太陽輻射入射時(shí)所通過的大氣厚度為大氣質(zhì)量 垂直入射：天頂角=0，大氣質(zhì)量m=1 傾斜入射：天頂角 60o，大氣質(zhì)量不能用sec 計(jì)算,48,大氣對太陽輻射的總透射率T,I：通過大氣層后的輻照度 I0：通過大氣層前的輻照度 m()：大氣質(zhì)量，與天頂角密切正相關(guān) ：大氣的垂直光學(xué)厚度 m() ：光學(xué)厚度,k(,h)：消光系數(shù) h：大氣垂直厚度坐標(biāo),0 60o條件下,49,2.3 地球的輻射與地物波譜,被動(dòng)遙感的輻射源主要來自太陽和地球 地球是地學(xué)遙感探測的對象,問題 地球作為輻射源的輻射特性？ 地

16、球作為太陽輻射接收者的反射特性？ 不同地面物體反射率與波長關(guān)系？,被動(dòng)遙感采用波段？,50,一、太陽輻射與地表的相互作用 太陽輻射近似于溫度為6 000K的黑體輻射，輻射主要集中在0.32.5m，在紫外、可見光到近紅外波段。 當(dāng)太陽輻射到達(dá)地表后，就短波而言，地表反射的太陽輻射成為地表的主要輻射來源，而來自地球自身的輻射，幾乎可以忽略不計(jì)。 地球自身的輻射主要集中在長波，即6m以上的熱紅外波段。該波段太陽輻射的影響幾乎可以忽略不計(jì)。,51,兩峰交叉處為兩種輻射共同起作用部分，在2.56m，即中紅外波段 地球?qū)μ栞椛涞姆瓷浜偷乇砦矬w自身熱輻射均不能忽略,52,地球輻射的分段特性,53,二、地表

17、自身熱輻射 根據(jù)黑體輻射規(guī)律及基爾霍夫定律 各參數(shù)含義？ M：實(shí)際物體輻射出射度 M0：黑體輻射出射度 e：發(fā)射率(比輻射率) 公式中的變量都與地表溫度T和波長有關(guān) 溫度一定時(shí)，物體的發(fā)射率隨波長變化 表示這種變化的曲線稱為物體的發(fā)射率波譜曲線 曲線形態(tài)特征可反映地面物體本身特性 曲線形態(tài)特殊時(shí)，可用來識別地面物體：在夜間，探測地面紅外和微波輻射并與同溫度的發(fā)射率曲線比較,54,三、地物反射波譜特征 1. 概述 到達(dá)地面的太陽輻射，一部分被地面反射(可見光和近紅外波段)，一部分被地面吸收，一部分透射入地面下： 到達(dá)地面的太陽輻射能量=反射能量+吸收能量+透射能量 絕大多數(shù)物體對可見光不具備透射

18、能力 水對0.450.56m的藍(lán)、綠光透射能力很強(qiáng) 不能透過可見光的物體對波長5cm的電磁波有透射能力,在反射、吸收、透射物理性質(zhì)中，使用最普遍的是反射性質(zhì),55,2. 反射率與反射波譜 (1) 反射率 物體反射的輻射能量P占總?cè)肷淠芰縋0的百分比 不同物體的反射率也不同 取決于物體本身的性質(zhì)(表面狀況)、入射電磁波的波長和入射角 1,56,(2) 物體的反射 物體的反射狀況有三種： 鏡面反射 漫反射 實(shí)際物體反射 鏡面反射：物體的反射滿足反射定律 入射波和反射波在同一平面內(nèi)，入射角=反射角 入射波為平行波，只能在反射方向探測到反射波 理想模型 自然界中真正的鏡面很少，非常平靜的水面近似為鏡面,57,漫反射：不論方向如何，雖然反射規(guī)律與鏡面反射一樣，但反射方向卻是“四面八方” 反射能量分散到各個(gè)方向 某一方向上反射面的