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1、电磁辐射与地物光谱特征电磁辐射与地物光谱特征提纲提纲1 1 电磁波和电磁波谱电磁波和电磁波谱 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来遥感之所以能够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，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。有完全不同的电磁波的反射或发射辐射特征。因此遥感技术主要是建立在物体反射或发射因此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的。要深入学习遥感技术，电磁波的原理之上的。要深入学习遥感技术，首先要学习和掌握电磁波以及电磁波谱的性首先要学习和
2、掌握电磁波以及电磁波谱的性质。质。遥感物理基础遥感物理基础1 电磁波和电磁波谱2 电磁波辐射源3 太阳辐射和大气对太阳辐射的作用4 地球辐射与地物波谱特征1 1 电磁波和电磁波谱电磁波和电磁波谱1.1 电磁波电磁波的概念波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波、电磁波。机械波：振动的是弹性媒质中质点的位移矢量。如声波、地震波电磁波：根据麦克斯韦电磁场假设理论，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一变化的磁场又在铰远的区域内引起新的变化电场，并在更远的区域内引起新的变化磁场。这种变化的电场和磁场交互产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。我们平常所听到的射线、x射线、紫外
3、线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。这一理论由1889年赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波而得到证实。H 磁场矢量磁场矢量E 电场矢量电场矢量电磁波的性质电磁波的性质横波（质点振动方向和传播方向一致）横波（质点振动方向和传播方向一致）在真空以光速传播在真空以光速传播满足：满足：f=C；E=h f（E为能量，为能量，h为普为普朗克常熟）朗克常熟）具有波粒二象性（波长越长波性越强，波具有波粒二象性（波长越长波性越强，波长越短粒子性越强）长越短粒子性越强）传播到气体、液体、固体介质，会发生反传播到气体、液体、固体介质，会发生反射、折射、吸收、投射等现象。若碰到粒射、折射、吸收、投射等现象。
4、若碰到粒子还会发生散射现象。子还会发生散射现象。1.2 电磁波谱电磁波谱定义：按照电磁波的波长长短（或频率的大小），依次排列，就构成了电磁波谱。遥感较多应用的电磁波波谱段遥感较多应用的电磁波波谱段波长范围为0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。波长范围为波长范围为1 mm1 mm1 m1 m，穿透性好，不受云雾的，穿透性好，不受云雾的影响影响可见光可见光 波长范围大约为波长范围大约为0.38m(紫色紫色)0.76m(红色红色)，可见光，可见光谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间：
5、谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间：红：红：0.620.76 m 橙：橙：0.590.62 m 黄：黄：0.560.59 m 绿：绿：0.500.56 m 青：青：0.470.50 m 蓝：蓝：0.430.47 m 紫：紫：0.380.43 m返回返回红外波段红外波段波长范围波长范围0.7300m，可进一步划分为如下波段：，可进一步划分为如下波段：返回返回微波微波 波长范围波长范围1mm1mm到到1m1m，可进一步划分为若干不，可进一步划分为若干不同频率同频率(波长波长)的波段：的波段：(1GHz=10(1GHz=109 9Hz)Hz)1.3 电磁波的度量电磁波的度量辐射源辐射源 任何物
6、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。因此对辐射源的认识不仅限于太阳、炉子等发光发热的物体。外辐射。因此对辐射源的认识不仅限于太阳、炉子等发光发热的物体。能发出紫外辐射、能发出紫外辐射、X射线、微波辐射等的物体也是辐射源，只是辐射射线、微波辐射等的物体也是辐射源，只是辐射强度和波长不同而已。电磁波传递就是电磁能量的传递。因此遥感探强度和波长不同而已。电磁波传递就是电磁能量的传递。因此遥感探测实际上是辐射能量的测定。测实际上是辐射能量的测定。辐射量测辐射量测辐射能量（辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：焦耳）：
7、电磁辐射的能量，单位：焦耳J；辐射通量辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量，：单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dW/dt=dW/dt，单位是，单位是W W；辐射通量是波长的函数，总辐射通；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辐射通亮的积分值。量应该是各谱段辐射通量之和或辐射通亮的积分值。辐射通量密度（辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，量，E=d/Ds/Ds，单位是，单位是W/MW/M2 2，S S为面积。为面积。辐照度（辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通
8、量，I=d/Ds/Ds，单位是，单位是W/MW/M2 2，S S为面积。为面积。辐射出射度（辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，量，M=d/Ds/Ds，单位是，单位是W/MW/M2 2，S S为面积。为面积。辐照度与辐射出射度都是辐射通亮密度的概念，不过辐照度与辐射出射度都是辐射通亮密度的概念，不过I I为为物体接收的辐射，物体接收的辐射，M M为物体发出的辐射。它们都与波长为物体发出的辐射。它们都与波长有关。有关。辐射亮度（辐射亮度（L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方）：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同
9、，则向而不同，则L定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即角内的辐射通量，即 朗伯源：辐射亮度朗伯源：辐射亮度L与观察角无关的辐射源，称为朗伯源。太阳通常与观察角无关的辐射源，称为朗伯源。太阳通常近似地被看作朗伯源。严格地说，只有绝对黑体才是朗伯源。近似地被看作朗伯源。严格地说，只有绝对黑体才是朗伯源。2 2 电磁波辐射源电磁波辐射源2.1 黑体辐射2.2 黑体辐射定律2.3 一般辐射体和发射率2.4 基尔霍夫定律宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、一定厚度的大气层、人造飞行器、地球及一定
10、厚度的大气层、人造飞行器、地球及地球上各种生物、非生物都是热辐射源。地球上各种生物、非生物都是热辐射源。为了便于讨论一般物体的热辐射性质，需为了便于讨论一般物体的热辐射性质，需要有一个理想的标准热辐射体作为参照源，要有一个理想的标准热辐射体作为参照源，这个参照源就是绝对黑体。这个参照源就是绝对黑体。2.1 2.1 黑体辐射黑体辐射黑体：也叫绝对黑体黑体：也叫绝对黑体,即对任何波长的电磁辐射都全部即对任何波长的电磁辐射都全部吸收吸收,而反射率和透射率都等于而反射率和透射率都等于0。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。人工制造的接近黑体的吸收
11、体不透明的物体：对入射到它上面的电磁波只不透明的物体：对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用，有吸收和反射作用，吸收率吸收率(,T(,T)+反射率反射率（，T T）=1 1。一般物体：系数都与波长和温度有关。一般物体：系数都与波长和温度有关。绝对黑体：吸收率绝对黑体：吸收率(,T)1,(,T)1,反射率反射率（,T,T）00；绝对白体：反射率绝对白体：反射率（,T,T）11，吸收率，吸收率(,T)0(,T)0，与温度和波长无关。，与温度和波长无关。最接近黑体辐射的辐射源：恒星和太阳。最接近黑体辐射的辐射源：恒星和太阳。2.2 黑体辐射的定律黑体辐射的定律2.2.1 普朗克公式2.2.2 斯蒂
12、芬玻尔兹曼定律2.2.3 维恩位移定律（Stephen Boltzmann Law）（Wiens Displacement Law）描述描述黑体辐射通量密度黑体辐射通量密度与与温度温度、波长波长分布的关系。分布的关系。2.2.1 普朗克公式普朗克公式)1(2),(5kThc2bechTMh:普朗克常数,6.6260755*10-34 Ws2k:玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK-1 c:光速;:波长（m）;T:绝对温度（K）M：为辐射出射度变化特点：变化特点：(1)辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2)温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3)随温
13、度升高，辐射最大值向短波方向移动。波长波长辐射通量密度辐射通量密度返回返回2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律 对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次次方成正比。温度越高，幅射能力就越强。方成正比。温度越高，幅射能力就越强。TbW4:斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4 红外装置测试温度的理论根据。M返回返回2.2.3 维恩位移定律维恩位移定律bTmaxb:常数，2897.80.4 m K高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。常温
14、（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66m）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。利用普朗克公式还可导出维恩位移定律，黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度T成反比。2.3 2.3 一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率对于一般物体而言，需要引入发射率（即热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。),(),(),(TMTMTb非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：1）黑体：吸收率最大，发射率最大，均为1，反射率为0；2）灰体:没有显著的选择吸收，吸收率随小于1，单
15、基本不随波长变化；3）选择性辐射体：选择性地吸收、反射和发射。MM02.4 2.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与吸收率之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。),(),(),(TMTMTb发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。3 3 太阳辐射及大气对太阳辐射的影响太阳辐射及大气对太阳辐射的影响太阳是被动遥感太阳是被动遥感最主要的辐射源最主要的辐射源3.1 太阳辐射源3.2 大气成分组成3.3 大气垂直分层3.4 大气对太阳辐射的衰减3.5 大气窗口（人类可用的电磁波谱范围）太阳太阳辐射辐射及其及其
16、能量能量分布分布1）接近于5800K的黑体辐射。2）短波辐射（太阳辐射总能量的40集中于0.40.76um的可见光范围内，51在红外部分）3.1 太阳辐射源3.2 大气垂直分层电离层电离层：距地面85km直到几百千米的范围均为热电离层，热电离层的温度范围为500K到2000K。在电离层中，由于太阳紫外辐射和高能宇宙射线的轰击而使空气电离成离子，因而在热电离层中空气以稀薄的等离子体的形式存在。平流层平流层：在平流层最下面直到20km的高度之内，温度几乎为常数，在其之上直到大约50km高度的范围之内，温度随高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流层之中。对流层对流层：厚约为10km，其特点为温度随高度的增加而降低，1000m-6.5C。所有天气活动均发生在对流层层中。在大气层接近地球表面大约2km的厚度，存在着一层气溶胶粒子，气溶胶的浓度随高度的增加呈指数衰减。3.3 大气成分组成：在大气：在大气层中这些气体的层中这些气体的浓度几乎是保持浓度几乎是保持恒定不变的。恒定不变的。氮(N2)：78.084%氧(O2)：20.948%氩(Ar)：0.934%二氧化碳(CO2)：0.033%其他惰性气体
