第二章 电磁辐射与地物光谱特征

• 地物反射波谱——地物的反射率随着入射 波长变化而变化的规律。 • 按照地物反射率与波长之间的关系所绘制 的曲线图称为地物反射光谱曲线，其中横 坐标表示波长，纵坐标表示反射率。
几种典型地物反射光谱曲线
• (1) 植被
• (2) 土壤
• (3) 水体
• (4) 岩石
• (5) 其他
• 植被：0.55μm，绿色，叶绿素的影响 • 0.70-0.80μm有反射陡坡 • 1.1μm，植被叶细胞影响 • 1.3-2.5μm，反射率大大下降，受 水分影响
第二章 电磁辐射与地物的光谱特征
贺巧宁
主要内容：
• § 2.1电磁波谱与电磁辐射 • § 2.2太阳辐射及大气对辐射的影响 • § 2.3地球的辐射与地物波谱
本章小结
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
• 一. 电磁波谱
• 二. 电磁辐射的度量
• 三. 黑体辐射
一. 电磁波谱
• 1.电磁波的产生
• 2.电磁波的特性
• 太阳辐射与地表相互作用: 地球辐射的分段特性： 0.3-2.5 2.5-6
>6
• 地表自身的热辐射:
温度 波长
• 地物的发射特性－自然界中的一切物体， 无论是固体的、液体的，当其温度高于 绝对0度时都会不断地向四周空间发射电 磁波（以红外、微波为主），物体的温 度越高，辐射出的能量就越多，这种现 象称为热辐射。 • 地物的辐射能量与温度的四次方成正比， 比热、热惯性大的地物，发射率大。如 水体夜晚发射率大，白天就小。
M=δT4
δ=5.67x10-8 W/m2•K4
400K 300K 0 5
波
10
长
15 20
（2）维恩位移定律:
入max • T= b
b =2.898 x10-3 m•K
3.实际物体的辐射
• 基尔霍夫定律:
M1/a1= M2/a2=Mi/ai= M0= I
M=εM0
绝对黑体不仅具有最大的吸收率，也具有最大的 发射率，却丝毫不存在反射；而实际物体，如果吸收本 领越大，它的发射本领也越大，越接近黑体。
白天晚上都不可扫描 75%
8-14 0.05-300cm
白天晚上都可扫描 有无光照都能扫描
60% 100%
大气透射分析
• 反射30%，散射22%，吸收17%，透过31%。
• 臭氧吸收3%，云层反射散射25%，尘埃气 体吸收散射19%，地面反射8%，地表吸收 45%。
2.3 地球的辐射与地物波谱
• 1、地球的辐射:太阳辐射与地表相互
作用,地表自身的热辐射
• 2、地物反射波谱:地物的反射率,地物
反射波谱特征
• 3、地物波谱特征的测量
所谓地物光谱特性，是指自然界中任何地物都具有其自身的电 磁辐射规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外 线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、 微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称 为地物光谱特性，其中最常用的是反射信息。
W
1
I
1
1
三. 黑体辐射
• 1.绝对黑体
• 2.黑体辐射的规律
• 3.实际物体的辐射
1.绝对黑体
• 绝对黑体：如果一个物体对于任何波长 的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是 绝对黑体。
• 黑色的煤烟、恒星、太阳等。
2.黑体辐射的规律
（1）斯忒藩-玻尔兹曼定律:
辐 射 出 射 度
700K 600K 500K
• 土壤：没有明显的峰值和谷值 • 一般来讲，土质越细，反射率越 高，有机质含量越高和含水量越高，反射 率越低。
• 水体：反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很 强，特别是在近红外波段，吸收就更强。 • 当水体中含有其他物质时，反射光谱会发生变化。
• 岩石：反射波谱曲线无统一的特征。 矿物成分，矿物含量，风化程度等 都会对曲线形态产生影响。
习题
• 假定恒星表面的辐射与太阳表面的辐射 一样都遵循黑体辐射规律.如果测得到太 阳辐射波谱的入太max =0.51 μm,北极星
的入北max =0.35 μm,试计算太阳和北极星 的表面温度及每单位表面积上所发射出的功率 是多少?
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
• 2.2.1 太阳辐射
• 2.2.2 大气对辐射的影响
作业
• 教材P44-45思考题 • 第2、6、8、9题
100 散射强度曲线
蓝 绿 红 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
瑞利散射
无选择散射
大气散射
瑞利散射 米氏散射 d<<入 d≈入 d>>入 I∝入-4 I∝入-2 大气中原子和 分子 微粒 可见光 红外线
无选择性 散射
I与入无 关
大气折射
折射值τ =τ0 - β
τ0
大气折射后 太阳高度角 太阳高度角
2
对 中层 流 C电离层 层 下层
大 气 垂 直 分 层 示 意 图
飞机 一般飞机、气球
大气主要成分
• 分子:氮气(N2)，氧气(O2) 臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)，水(H2O) 及(N2O，CH4，NH3)等 • 其他微粒:烟、尘埃、雾霾、小水滴、气溶 胶等。
大气散射
• 包括：瑞利散射、米氏散射和无选择性散射。
• 以频率从高到低或者波长从短到长排列 可以划分为r射线、X射线、紫外线、可 见光、红外线、微波、无线电波
可见光
无 线 电 波 波
r射线 X射线 紫外线
红
外
线
微
波 超短波 短波中波 长
100m
10m 1km
1x10-3μm 1μm 100μm 1cm 1m 1x10-6μm 0.1μm 10μm 0.1cm 10cm
• （4）电磁波具有波粒二象性
入射电磁波
镜面反射
吸收 透射/折射
物 体 表 面
漫反射
反射率（p)=反射能量/入射能量*100%
吸收率（a)=吸收能量/入射能量*100%
透射率（T)=透射能量/入射能量*100%
3.电磁波谱
• 电磁波谱：按照电磁波在真空中传播的 波长或频率，递增或者递减排列构成的 谱带则称电磁波谱。
大气上界
β
地平面
大气窗口
• 通常把电磁波通过大气层时较少被反射, 吸收或散射的,透过率较高的波段称为大 气窗口。 • 大气窗口的主要光谱段: • 0.3-1.3、1.5-1.8和2.0-3.5、3.5-5.5、 8-14、0.8-2.5cm
大气窗口
透 过 率
0.8-2.5cm
100 50
0
2
4
6
外 35000 大 气 1000 层
通讯卫星,气象卫星36000km
质子层
氦层
散逸层
资源卫星,气象卫星800-900km
航天飞机200-250km, 侦察飞机150-200km
80
电 F电离层 热 离 层 E电离层 层 中间层 平 暖 流 层 O3 层 层 同温层
上层 冷层 D电离层
气球
12 6
气球,喷气式飞机
不同植物光谱曲线的比较
不同季节狗牙根草的光谱反射曲线
春小麦在不同生长阶段的波谱特性曲线
花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期。至于黄叶期， 由于不具备绿色植物特征，其反射光谱近似于一条斜线。这是 因为黄叶的水含量降低， 导致在1.45、l.95和2.7 微米附近3 个水吸收带的减弱。当叶片有病虫害时．也有与其黄叶期类似 的反射率。
0.38μm 0.76μm 3μm 6μm 15μm 1000μm
10km
100km
可见光
近红外
中红外 远红外 超远红外
紫
蓝
青
绿
黄
橙
红
二. 电磁辐射的度量
• 辐射能量(W)：电磁辐射的能量，J。
• 辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能 量，W，J/s。
• 辐照度(I)：被辐照的物体表面单位面积上的 辐射通量，W/m2。 • 辐射出射度(M)：温度为T的辐射源物体表面单 位面积上的辐射通量, W/m2 。
8
10
12
14
16
18
20
22
0.3-1.3
1.5-1.8 2.0-3.5
3.5-5.5
8-14
大气窗口
电磁性质 大气窗口(μm) 应用条件成像方式 透过率 0.3-1.3 反射光谱 1.5-1.8 2.0-2.5 混合光谱 3.5-5.5 发射光谱
强光条件下摄影扫描 90% 强光条件下扫描
80%
• 探测地物的热辐射特性的热红外遥感在 夜间和白天进行的结果是不同的。 • 热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度 温度表示，它不同于地面温度，是接收 的热辐射能量的转换值，图像上表示为 亮度。
地物反射波谱特征
• 反射波谱:地物反射率随波长的变化规律。
• 反射率P
• 定义：地物的反射能量与入射总能量的 百分比，称为反射率。 ρ=(Pρ/ P0)×100%。
• 特点：同一地物在不同的波长具有不同的反射 率；地物的不同反射率是可以测定的；反射率 与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关；同 一波长，不同地物，其反射率不同。但是也会 存在同物异谱和异物同谱的现象。
ρ=Pρ/P0
镜面反射
漫反射
实际反射
• 镜面反射：也叫规则反射，入射角与反射角相等， 发生在平静水面、金属面等，常出现在航空遥感中 • 漫反射：也叫朗伯反射，向四周均匀反射，在各个 方向上亮度和强度一样，航天遥感中多为这种现象。 • 实际反射：介于两者之间，在某一方向上较强。
2.2.1 太阳辐射
• 1.太阳常数:是指在不受大气影响,在距 离太阳一个天文单位内,垂直于太阳光辐 射方向上,单位面积单位时间黑体所接收 的太阳辐射能量.I⊙= 1.360x103W/m2 • 2.太阳光谱
2.2.2 大气对辐射的影响
• 1.大气分层和组成
• 2.大气吸收
• 3.大气散射 • 4.大气折射 • 5.大气反射 • 6.大气窗口 • 7.大气透射分析
• 雪：与太阳光谱相似，0.40-0.60μm ，P=100%；随着 波长增加，反射率降低，到红外全吸收
• 沙漠：0.60μm,P=65%,呈橙色，0.80μm,P=50%
• 湿地：都偏低，反射率在10％以下，到红外为深色。
本章重点
• 1.电磁波谱与电磁辐射 • 2.太阳辐射及大气对其的影响 • 3.常见地物反射波谱特征：水体、植被、 土壤、岩石
• 3.电磁波谱
1.电磁波的产生
• 电磁波:由振源发出的电磁振荡在空间的 传播,有热辐射、微波、无线电波等,也 称为电磁辐射。
• 当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激 发了变化的电场，使电磁振荡在空间传 播，形成电磁波。
2.电磁波的特性
• （1）是横波
• （2）在真空中以光速传播
• （3）满足：
பைடு நூலகம்
f · = C ； E = h· 入 f