第2章 电磁辐射与地物光谱特征(1)090921讲解

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大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因
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大气结构
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地球大气层包围着地球，大气层没有一个确切的界限，
它的厚度一般取1000公里
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大气在垂直方向上可分为：
▪ 对流层
▪ 平流层
▪ 电离层 ▪ 大气外层
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大 气 垂 直 分 层
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3 大气对太阳辐射的影响
太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被大气 吸收；22%被大气散射；31%到达地面
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绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系
根据维恩位移定律计算不同温度绝对黑体的最大辐射所对应的波长 自然界一般物体不是黑体,但在某一确定温度T时,物体最强辐射所对应 的波长也可用维恩位移公式进行近似计算
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实际物体的辐射
自然界中黑体辐射是不存在的，一般地物辐射能量总要比 黑体辐射能量小。如果利用黑体辐射有关公式，则需要增 加一个因子，那就是发射率（比辐射率） 发射率ε：指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的 辐射总通量）M与同温度的黑体辐射出射度（即黑体单位 面积发出的辐射总通量）M黑的比值
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维恩位移定律
max · T b
b为常数,b =2.898×10-3m· K
维恩位移定律（揭示温度和波长的关系）
1、当物体温度一定时，物体在某波长上的辐射量最大 2、随着物体温度升高，物体辐射量最大的电磁波波长向短波方向移动 3、如果辐射最大值落在可见光波段，物体的颜色会随着温度的升高而 变化：波长逐渐变短，颜色由红色逐渐变蓝
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一般可用波长或频率来描述或定义电
磁波谱的范围
在可见光一红外遥感中多用波长，如 m 、
nm等
在微波遥感中多用频率，如MHz、GHz等
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第一节 电磁波与电磁波谱
电磁波及其特性 电磁波谱 电磁辐射的度量 黑体辐射
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二、电磁波谱
1、电磁波谱
定义：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依
由振源发出的电磁振荡在空气中传播
6
4、电磁波：通过电场和磁场之间相互联系传播
5、电磁辐射:近代物理中电磁波也称为电磁辐射，具有反射、
折射、吸收和透射现象
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6. 电磁波的特性
1)
2) 3)
电磁波是横波
在真空中以光速传播 电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，
主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子 性，这就是电磁波的波粒二象性。
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2 大气的成分和结构
大气成分
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大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。 这种特性与波长和大气的成分有关
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大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成，
大气成分主要有
▪ 氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体在 80km以下的相对比例保持不变，称不变成分） ▪ 臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、 尘烟（这些成分的含量随高度、温度、位置而变，称为可变成 分）等
1 太阳辐射
太阳辐射是地球上生物、地球大气运动的能源，也 是被动式遥感系统中遥感器接收信息的主要来源 太阳辐射是可见光和近红外遥感的主要辐射源
（1）太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳
一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上， 单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：
I⊙=1.360*103 W/m2
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辐射亮度L：用来确定面辐射源的辐射强度，具有方向性， 指辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐 射通量，单位：W/（sr· m2），表示为：
L A cos
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电磁辐射度量
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辐射亮度L
▪ 通常情况下，面元的辐射亮度L(θ)随观测的角度θ而改变
▪ 当某一辐射源的L(θ)与θ无关时，这种辐射源被称为朗伯 （Lambert）源
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2、遥感常用的电磁波波段的特性
红外波段
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0.76—1000μm 遥感中主要利用3—15μm波段，更多的是利用3—5μm和 8—14μm
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红外遥感是采用热感应方式探测地物本身的辐射（如热污
染、火山、森林火灾等），可进行全天时遥感
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2、遥感常用的电磁波波段的特性
微波波段
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1mm—1m，分为：毫米波、厘米波和分米波 微波辐射和红外辐射都具有热辐射性质。由于微波的波长 比可见光、红外线要长，能穿透云、雾而不受天气影响， 能进行全天时全天候的遥感探测
第2章 电磁辐射 与地物光谱特征
南京师范大学泰州学院信科系
复习回顾
遥感的定义（狭义）
遥感技术系统的组成 传感器、遥感平台 遥感的分类
遥感的特点
2
遥感之所以能根据收集到的电磁波来判断地 物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种 类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的 电磁波的反射或发射辐射特征 遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁 波的原理之上，有必要了解地物具有哪些电磁辐 射特性
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More than meets the eye!
电磁波谱示意图
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2、遥感常用的电磁波波段的特性
可见光波段
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0.38-0.76 μm 作为鉴别物质特征的主要波段，是遥感中最常用的波段 尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用，它仍是遥感成
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像所使用的主要波段之一
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在此波段大部分地物都具有良好的亮度反差特性，不同地 物在此波段的图象易于区分
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量，单位：W/m2，表示为：E=d /dS
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电磁辐射度量
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辐照度I：被辐射物体单位面积上所接收的辐射通量， 单位：W/m2，表示为I=d/dS
dΦ
dS
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电磁辐射度量
◊
辐射出射度M：辐射源物体表面单位面积上辐射出的 辐射通量，单位W/m2，表示为M=d/dS
dΦ
dS
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电磁辐射度量
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3 大气对太阳辐射的影响
大气吸收 大气散射 大气窗口 大气衰减 大气纠正
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大气吸收
大气组分的吸收光谱
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大气吸收
O3：主要集中于20—30km高度的平流层
它是由高能的紫外辐射与大气中的氧分子(02)相互作用生成的 O3对太阳辐射的吸收带：


O3在紫外(0.22—0.32 m)有个很强的吸收带
▪ 严格地说，只有绝对黑体（Black body）才是朗伯源
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第一节 电磁波与电磁波谱
电磁波及其特性 电磁波谱 电磁辐射的度量 黑体辐射
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四、黑体辐射
绝对黑体
▪ ▪ ▪
对于任何波长的电磁波都全部吸收 恒星和太阳的辐射接近黑体辐射 电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射现象 和吸收想象时，这个物体的光谱吸收系数α与光谱反射系数ρ之和恒等于1
黑体辐射规律
▪ ▪ ▪
普朗克公式 斯忒藩-玻尔兹曼定律 维恩位移定律
实际物体的辐射
▪ ▪
地物的发射率 基尔霍夫定律
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ห้องสมุดไป่ตู้
黑体辐射规律 普郎克公式
2hc 1 M ( , T ) 5 hc / kT e 1
2
c：真空中的光速 k：玻尔兹曼常数， K=1.38×10-23J/K h:普朗克常数,h=6.63×10-34Js Mλ(λ,T):辐射出射度
次排列成的图表
在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为 长波、中波、短波和微波。波长最短的是γ射线
电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同
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电磁波区段划分
波段 长波 中波和短波 超短波 微波 超远红外 远红外 中红外 近红外 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 紫外线 X射线 γ 射线 波长 大于3000m 10~3000m 1 ~10 m 1mm~1m 15~1000μm 6~15 μm 3~6 μm 0.76~3 μm 0.62~0.76 μm 0.59~0.62 μm 0.56~0.59 μm 0.50~0.56 μm 0.47~0.50 μm 0.43~0.47 μm 0.38~0.43 μm 10-3~3.8×10-1 μm 10-6 ~ 10-3 μm 小于10-6μm
M M黑
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实际物体的辐射 基尔霍夫定律
给定温度下，任何地物的辐射出射度M与吸收率α之比是 常数，即等于同温度下黑体的辐射出射度M黑
M

M黑
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第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响
太阳辐射
大气的成分和结构 大气对太阳辐射的影响 大气窗口 环境对地物光谱特性的影响
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电磁波的电（E）、磁（H）向量
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◊
周期：波前进一个波长的距离所需的时间（T） 频率 (frequency) ：指单位时间内，完成振动或振荡的 次数，用 f 表示。单位为赫兹 (Hz) 、千赫 (KHz) 、兆赫 (MHz)、吉赫(GHz)等
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◊
电磁波的波长、频率及速度间的关系：＝f 电磁波在真空中以光速c＝3.0×108m/s传播，在大气中 小于光速但接近于光速传播
电磁辐射度量
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辐射能量（W） 辐射通量（φ） 辐射通量密度（E） 辐照度（I） 辐射出射度（M） 辐射亮度（L）
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电磁辐射度量
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辐射能量Ｗ：电磁辐射的能量，单位为焦耳（J） 辐射通量Φ：单位时间内通过某一面积的辐射能量，单 位是瓦（W），表示为： =dｗ /dt 辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能
辐射源
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任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射， 也能够向外辐射
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分类：
▪ ▪ ▪ 太阳辐射源：可见光及近红外遥感的主要辐射源 地球辐射源：远红外遥感的主要辐射源 人工辐射源：人为发射的具有一定波长的波束；主动遥感采用 人工辐射源，目前较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐 射源
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◊ ◊
微波遥感可采用主动或被动方式成像 微波对某些物质还具有一定的穿透能力，能直接透过植被、 冰雪、土壤等表层覆盖物
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2、遥感常用的电磁波波段的特性
紫外线波段
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0.01—0.4μm，太阳辐射含有紫外线，只有0.3-0.4μm 波长的紫外线部分能够穿过大气层，且能量很小
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主要用于探测碳酸盐岩的分布和油污染的监测。碳酸盐岩
太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量
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1 太阳辐射
（2）太阳辐射的光谱
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太阳辐射各波段的百分比
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从太阳辐照度分布曲线可以看出：
①太阳辐射的光谱是连续的 ②它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致 ③从近紫外到中红外（0.3-6μm）这一波段区间能量最集中 而且相对来说较稳定；被动遥感主要利用可见光、红外等 稳定辐射 ④大气对太阳辐射的吸收是有选择性的

波动性：遇到物体，根据波长发生衍射，电磁波彼此相遇 发身干涉，互不相扰 粒子性：电磁波传播遇到气体、液体、固体介质时，会发 生反射、吸收、透射等现象；电磁波入射到不透明物体上， 只发生吸收和反射现象

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7、电磁波的主要参数
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波长 (Wavelength) ：指波在一个振动周期内传播的距 离。即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰 或波谷 ) 间的距离。用 表示，单位为厘米 (cm) 、毫米 (mm)、微米(m)、纳米(nm)等．1 m = 1000nm。
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本章主要内容
第一节 电磁波与电磁波谱
第二节 大气和环境对遥感的影响
第三节 地物的光谱特性
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第一节 电磁波与电磁波谱
电磁波及其特性 电磁波谱 电磁辐射的度量 黑体辐射
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一、电磁波及其特性
1、波的概念：波是振动在空间的传播
横波与纵波
2、机械波：声波、水波和地震波 3、电磁波（ElectroMagnetic Spectrum )：
在0.6m附近有一宽的弱吸收带 在远红外9.6 m附近也有个强吸收带
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C02：主要分布于低层大气，其在大气中的含量仅占0.03％左右，
人类的活动使之含量有所增加 C02在中—远红外区段(2.8、4.3、14.5m附近)均有强吸收带
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斯忒藩-玻尔兹曼定律
M M


0
M ( ) d 2hc 2

0

5

1 e
hc / kT
1
d
M T 4
σ：斯忒藩-玻尔兹曼常数， σ =5.67×10-8W· m-2· K-4
斯忒藩-玻尔兹曼定律（揭示能量与温度的关系）
1、绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比 2、温度越高辐射出射度越高
在0.4μm以下的短波区域对紫外线的反射比其它类型的岩 石强。水面漂浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈
◊
由于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收和散射作用，通常
探测高度在2000米以下
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第一节 电磁波与电磁波谱
电磁波及其特性 电磁波谱 电磁辐射的度量 黑体辐射
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三、电磁辐射的度量