《遥感技术基础》第2章 电磁波与地物电磁波特性

基尔霍夫定律:
MM0
M为实际物体辐射出射度 M0为黑体辐射出射度
ε为比辐射率或发射率
2020/10/24
例题一：
已知由太阳常数推算出太阳表面的辐射出射度 M=6.284107W/m2；求太阳的有效温度和太阳光谱中辐射 最强波长λmax。
解：根据玻尔兹曼定律： MT4
根据维恩位移定律： bmaxT
• 原理：植物中生化成份的分子结构中的化学键在一定辐 射水平的照射下发生振动，引起某些波长的光谱发射和吸 收，从而形成不同的光谱反射率。
2020/10/24
光谱获取
Reflectance(%)
探
50
头
40
30
20
10
0 350
850
1350
1850
Wavelength(nm)
2350
2020/10/24
2020/10/24
地物反射
➢ 3种形式：镜面反射、漫反射、方向反射
2020/10/24
➢ 光谱特征或波谱特征
• 定义：物质在电磁波相互作用下，由于电子跃迁，原子，
分子振动与转动等复杂作用，会在某些特定的波长位置形 成反映物质成份和结构信息的光谱吸收和反射特征。
• 作用：遥感方法探测各种物质性质和形状的重要依据； 植物光谱诊断的基础。
难点
同物异谱、异物同谱
2020/10/24
End!
2020/10/24
Reflectance(%)
50 观测时间 7-8 7-19 7-28 8-6 8-11 8-20 8-29 9-8
LAI 0.969 2.516 6.133 7.043 6.616 6.682 6.653 6.104
40
30
20
10
0 350
850
1350
1850
2350
Wavelength(nm)
光谱观测时间为 9:30~15:30
地物波谱测量作用 1.传感器波段选择、验证、评价的依据； 2.建立地面、航空和航天遥感数据的关系； 3.将地物光谱数据与地物特征进行相关分析 并建立应用模型。
2020/10/24
地物波谱测量方法 （1）样品的实验室测量 （2）野外测量：ASD FieldSpec Pro FRTM光谱仪
2020/10/24
2020/10/24 ASD FieldSpec Pro FRTM光谱仪
冠层光谱测定
光谱观测时间为 10:30~14:00
2020/10/24
多方位、多角度光谱测定
2020/10/24
地物反射率公式 ：
2020/10/24
反射波谱特性曲线的应用举例
2020/10/24
2020/10/24
影响岩石矿物波谱特征的因素
岩石风化程度 岩石含水状况 矿物颗粒大小 岩石表面光滑程度 岩石色泽
2020/10/24
彩色合成 三基色为红、绿、蓝
1.加色法
2.减色法
2020/10/24
重点与难点
重点
掌握电磁波谱基本知识点 了解大气辐射和大气窗口 黑体辐射定律、波耳兹曼定律、维恩位移定律 地物波谱特征
地球大气：从垂直方向按温度可分为对流层、平
流层、中间层、热（暖）层和逃（散）逸层。
2020/10/24
大气窗口
➢ 0.30 — 1.15μm：可见光、部分紫外和近红外，是遥感应用最主要的窗口之一。 ➢ 1.3—2.5μm：1.55-1.75μm透过率高，白天夜间都可用，主要用于地质遥感。 ➢ 3.5—5.0μm：中红外波段。透射率约为60—70％。 ➢ 8—14μm：热红外窗口，透射率为80%左右。 ➢ 1.0mm—1m：微波窗口，分为毫米波、厘米波、分米波。
2020/10/24
按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排 列，则构成了电磁波谱。
2020/10/24
2020/10/24
黑体辐射
➢ 绝对黑体：吸收率α(λ,T)=1，反射率ρ(λ,T)=0。 ➢ 黑色的烟煤，因其吸收系数接近99%，被认为是黑体。
2020/10/24
➢ 1900年普朗克推导出黑体辐射定律：
拔节期 小口期 大口期 抽雄期 吐丝初 吐丝中 吐丝末 乳熟期
2020/10/24
植被光谱特征
在可见光波段0.55μm（绿光）附近有反射率为10%—20%的一个波峰，两侧0.45μm （蓝）和0.67μm（红）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素的影响造成的，叶 绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿色反射作用强。在近红外波段0.8μm— 1.0μm间有一个反射的陡坡，至1.1μm附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由 于植被叶的细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中红外 波段（1.3—2.5μm）受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降， 特别是以1.45μm、1.95μm和2.7μm为中心是水吸收带，形成低谷。
▪ 电磁波在传播中遵循波的反射、折射、衍射、干涉、
吸收、散射等传播规律。
▪ γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、
无线电波等都是电磁波。电磁波是一种横波。
2020/10/24
电磁波具有波粒二象性。即：波动性与粒子性； 光的波动性形成了光的干涉、衍射、偏振等现象。
由两个（或两个以上）频率、振动方向相同、相位相 同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为 各个波的振幅的矢量和。因此会出现交叠区某些地方振 动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。这种现 象称为干涉。
2020/10/24
例题二：
没有显著的选择吸收，吸收率虽然小于 1，但基本不随波长 变化，这种物体叫做灰体。一般的金属材料都可近似看成灰 体，已知已氧化的铜表面的温度为 1000K，比辐射率ε（吸 收系数 a）为 0.7，求这时该物体的总辐射出射度 M。
解：根据玻尔兹曼定律，1000K的黑体总辐射：
M0 T4
根据基尔霍夫定律，该物体总辐射出射度为：
2020/10/24
MM0
太阳辐射
地球上的能源主要来源于太阳，太阳是被动遥感最主要的辐 射源。传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主要是 来自太阳辐射的一种转换形式。
2020/10/24
大气成分及地球大气
大气成分主要有：
➢ 气体分子（N2和O2约占90%，其余1%是O3、 CO2、H2O及其他） ➢ 其他微粒：尘烟、雾、水滴及气溶胶。
《遥感技术基础》课程
第二章 电磁波与地物电磁波谱特性 主讲教师：谭昌伟
扬州大学农业信息化技术实验室
2020/10/24
本节主要内容
▪ 电磁波与电磁辐射 ▪ 太阳辐射及大气对辐射的影响 ▪ 地球的辐射及地物波谱
2020/10/24
电磁波
▪ 电磁波：当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了
涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁场，使电磁 振荡在空间传播。
测量条件：晴朗、风小云少、太阳垂直 辐射、北京时间10：30～14：00、身着 深色服装
2020/10/24
地物波谱特性的测定，通常按以下步骤进行：
➢架设好光谱仪，接通电源并进行预热； ➢安置波长位置，调好光线进入仪器的狭缝宽度； ➢将照准器分别照准地物和标准板，并测量和记录地物、 标准板在波长λ1 ，λ2，……λn处的观测值λ和λ0； ➢按照公式计算λ1 ，λ2，……λn处的ρλ； ➢根据所测结果，以ρλ为纵坐标轴，λ为横坐标轴画出地 物反射波谱特性曲线
850
1350
1850
波长 /nm
2350
2020/10/24
不同生育期的棉花冠层光谱响应特性 （2002年，浙江大学华家池）
反射率（%）
70 60 50 40 30 20 10 0
350
棉花 油菜
玉米
水稻
550
750
950
1150
1350
波长 /nm
不同植被的光谱曲线
2020/10/24
玉米随生长发育进程的反射光谱响应特性
➢地物的光谱特性一般随时间季节变化，为时间效应； ➢处在不同区域的同种地物具有不同的光谱，为空间效应。
2020/10/24
2020/10/24
20200 50 40 30 20 10
0 350
C4 7月12日 7月30日 8月22日 9月2日 9月29日 11月5日
2020/10/24
2020/10/24
温度下的黑体波谱辐射曲线
斯忒藩－玻耳兹曼定律：
：为斯忒藩一玻耳兹曼常数 T ：为绝对黑体的绝对温度（K）
2020/10/24
维恩位移定律:
分谱辐射能量密度的峰值波长 随温度增加向短波方向移动 黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移
2020/10/24
2020/10/24
影响植被光谱特征的因素
植物类型 植被生长季节 植被生长状态（病虫害影响）
2020/10/24
土壤光谱特征
2020/10/24
含水量对土壤光谱特征的影响
2020/10/24
水体光谱特征
2020/10/24
不同叶绿素含量时水体光谱曲线
2020/10/24
岩石矿物的波谱曲线