电磁辐射与地物光谱

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2.1.1 电磁波谱（补充） 电磁波与物体间的相互作用图
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2.1.1 电磁波谱（补充）
反射、吸收和透射的能量和等于入射的总能量
反射率=（反射能量/入射总能量）*100% 吸收率=（吸收能量/入射总能量）*100% 透射率= （透射反射能量/入射总能量）*100%
散射：辐射传播中，若遇到小粒子，会向四面八方散
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• 黑体辐射的三个特性：
（1）与曲线下的面积成正比的总辐射出射度M是 随温度T的增加而迅速增加。总辐射出射度M可 在从零到无穷大的波长范围内对普朗克公式进 行积分可得到。
斯忒藩一玻尔兹曼定律
M= σT4
σ为斯忒藩一玻尔兹曼常数， σ =5.67 × 10-8W/m2K4。
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（2）谱功率的峰值波长随温度的增加向短波方 向移动。可微分普朗克公式，并求极值
ε = M’ /M 发射率是一个数字，其值介于0和1之间，作为比较一辐射源 接近黑体的程度。
不同地物有不同的ε，同一地物在不同波段的波谱发射率 也不同。
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实际地物的发射分两种情况（1）选择性辐射体，在各波 长处的发射率不同；（2）灰体，在一定温度下，其各 处的发射率相等。
2.1.3、黑体辐射
1. 热辐射现象
固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的 电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而 发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特 征仅与温度有关。
固体在温度升高时颜色的变化
800 K
1000 K
1200 K
1400 K
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物体可辐射能量也可吸收能量，当辐射和吸收的能 量恰相等时称为热平衡。此时物体温度恒定不变。
维恩位移定律
maxT 2.879103 m K
温度T/K
300
500
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
波长λmax/μm
9.66
5.80
2.90
1.45
0.97
0.72
0.58
0.48
0.41
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瑞利-金斯定律
hc<<lkT， ehc kT 1 hc
kT
Mλ(l, T) = 2pckT/l4
能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。
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2.1.1 电磁波，发生一系列现象 ：
反射：
• 镜面反射：入射角等于反射角
• 漫反射：反射向四面八方
折射：射入介质，折射角一般不等于入射角
吸收：部分被介质吸收
透射：从入射延伸方向射出介质
发射：自身向外辐射能量
可见光：
紫色光 （ 0.38～0.43 μm ） 蓝色光 （ 0.43～0.47 μm ） 青色光 （ 0.47～0.50 μm ） 绿色光 （ 0.50～0.56 μm ） 黄色光 （ 0.56～0.59 μm ） 橙色光 （ 0.59～0.62 μm ） 红色光 （ 0.62～0.76 μm ）
（3）每根曲线彼此不相交，故温度T越高所有波 长上的波谱辐射通量密度也越大。
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2.1.3、黑体辐射 3、实际物体的辐射
实际物体的辐射不同于绝对黑体的辐射，在相同温度下， 实际物体的辐射出射度（辐射通量密度）比绝对黑体的要低。
地物发射某一波长的辐射出射度（辐射通量密度）与同温 下黑体在同一波长上的辐射出射度之比，称地物光谱发射率 （emissivity）(也称比辐射率)，即：
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§2.1 电磁波与电磁波谱
(1) 电磁波与电磁波谱
(2) (3)
电 电磁磁辐 辐射 射电的 源度磁量 波是遥感信息的载体；电
(4) 太阳辐射和地气辐射系统
磁波理论是遥感的物理理论基础。
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§2.1.1 电 磁波与电磁波谱
电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。
描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。
辐射源
被辐照物 辐照度
辐射体
辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²）
辐 射 出 射 度
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2.1.2、电磁辐射的度量
4、辐射强度 (补充) 辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指 在某一方向上单位立体角内的辐射通量：
辐射强度（I）=d Φ / d Ω
辐射强度
Ω=S/R²
点辐射源
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辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）
应掌握有关电磁波的知识
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2.1.1 电磁波谱
1）电磁波是电磁振动的传播。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，也称电磁辐射。 2）电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向 垂直。在传播过程中，遵循波的反射、折射、衍射、 散射、干涉、吸收等传播规律。
不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看 作黑体。
研究黑体辐射的 规律是了解一般物体 热辐射性质的基础。
黑体模型
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2.1.3、黑体辐射 2、黑体辐射规律
普朗克定律
M ,T
2hc2 1 5 ehc kT 1
Wm-2mm-1
其中：
h, Planck 常数，h=6.63×10-34Js c, 光速 k = 1.3806×10-23JK-1, Boltzmann常数 T, 绝对温度 M, 辐射出射度；
去，电磁波强度和方向发生各种变化，即散射。强度
随波长改变。
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2.1.1 电磁波谱（补充）
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2.1.1 电磁波谱 电磁波谱定义：按照电磁波在真空中传播的波长或频率，递 增或递减排列，形成的一个连续谱带。
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2.1.1 电磁波谱
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2.1.1 电磁波谱
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2.1.1 电磁波谱—遥感常用波段
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粒子性
2.1.1 电磁波谱（补充）
• 电磁波的波动性
Amplitude (A)
Wavelength (lambda, l)
Period (T) Frequency (f=1/T), 单位：赫兹(HZ),表示1秒内波传播的1次7 数 Velocity (v)
2.1.1 电磁波谱（补充）
Asint kx
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小结
辐射度量一览表
辐射量 符号 辐射能量 E 辐射通量 Φ
辐照度 I 辐射出射度 M 辐射强度 辐射亮度 L
定义
dE/ dt d Φ / dS d Φ / dS dΦ/dΩ 2 Φ / S Ω
单位 焦耳(J) 瓦(W) 瓦/米²(W/m²) 瓦/米²(W/m²) 瓦/球面度(W/Sr) 瓦/米²•球面度 (W/m²• Sr)38
遥感教研室 主讲人：孟治国
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第二章 遥感物理基 础 本章，我们主要解决两个问题：
1. 什么是电磁波？ 2. 在遥感技术中，如何利用电磁波来提 取地物信息？
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学习内容
§2.1 电磁波与电磁波谱 §2.2 大气与电磁辐射的相互作用及大气窗口 §2.3 典型地物波谱特性 §2.4 彩色合成原理
注意：辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该
是各谱段辐射通量之和或其积分值。
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2.1.2、电磁辐射的度量
3、辐射通量密度 E：
单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：
辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，记为: I=d Φ / dS，单位是W/m2, S为面积。 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， 记为:M=d Φ / dS，单位也是 W/m2，S为面积。
2.1.2、电磁辐射的度量
5、辐射亮度 L
面辐射源，在某一方向，单位投影表面、单位立体
角内的辐射通量称为辐射亮度：
L ( Acos )
通量 Φ
θ
面辐射源 A 图中出射辐射亮度是多少？
辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米²•球面度（W36 /m² • Sr）
2.1.2、电磁辐射的度量
6、朗伯源 辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源。 例如： 1）粗糙表面； 2）涂有氧化镁的表面—遥感光谱测量标准版； 3）太阳； 4）真正的朗伯源——绝对黑体
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2.1.1 电磁波谱—遥感常用波段
红外(Infrared, IR) 反射红外（reflective IR）：0.7
-3.0m 热红外(Thermal IR)：3.0-100m
以往用法： 近红外：0.7-1.1 m 中红外：1.1-3.0 m 远红外：8.0-100 m
目前遥感界习惯用法： 近红外（NIR, near-infrared）： 0.7-1.1 m 短波红外(SWIR, shortwave I R）：1.1-3.0 m 中红外(MWIR, Mid wave IR)：3. 0-6.0 m 热红外(TIR, Thermal IR)： 8.0-15 m
其中：
电场
w = 2p/T
强度
k = 2p/l
f为相位
Maxwell's wave theoryMaxwell's Equations
c = lf 18
真空中，c=2.998*108m/sec传播
2.1.1 电磁波谱（补充）
• 粒子性
把电磁波作为粒子对待时，能量:
E = hf
h, Plank's constant (6.626 * 10-34 J•s)
电磁辐射是具有能量的，它表现在：
• 使被辐照的物体温度升高 • 改变物体的内部状态 • 使带电物体受力而运动 ……
辐射能量（W）的单位是焦耳（J）
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2.1.2、电磁辐射的度量
2、辐射通量Φ
在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为辐射通量： Φ=dW/ dt
辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）