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第二章电磁辐射和地物光谱特征

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电磁辐射与地物光谱特征 第二章电磁辐射与地物光谱特征 电磁辐射和地物光谱特征 第二章 电磁辐射与地物光谱特征 第二章第二章 电磁辐射与地物 地物光谱特性 光谱特征电磁辐射与地物 光谱特征第二章第二章
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第二章第二章 电磁辐射与地物的光谱特征电磁辐射与地物的光谱特征 贺巧宁贺巧宁 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 • 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: f ·入 = C ; E = h·f • (4)电磁波具有波粒二象性 入射电磁波 镜面反射 漫反射 物体表面 透射/折射 吸收 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。 • 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 1x10-6μm 1x10-3μm 0.1μm 1μm 10μm 100μm 0.1cm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km 10km 100km r射线X射线 红外线 紫外线 微波 超短波 短波中波 长波 可见光 无线电波 0.38μm 0.76μm3μm6μm15μm1000μm 可见光近红外中红外 远红外 超远红外 红橙黄绿青蓝紫 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 。 1 1 1 W I 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 : M=δT4 δ=5.67x10-8 W/m2•K4 辐射出射度 波长 051015 20 700K 600K 500K 400K 300K (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。 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 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 对流层外大气层 电离层平流层 12 80 1000 2 6 上层 中层 下层 C电离层 同温层 暖 层 冷层 中间层 热 层 散逸层 质子层 氦层 O3层 D电离层 E电离层 F电离层 35000 一般飞机、气球 气球 航天飞机200-250km, 侦察飞机150-200km 资源卫星,气象卫星800-900km 通讯卫星,气象卫星36000km 大气垂直分层示意图 飞机 气球,喷气式飞机 • 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。 大气主要成分 大气散射 0.4 0.50.60.70.80.91.0 100 蓝绿红 散射强度曲线 瑞利散射 无选择散射 • 包括:瑞利散射、米氏散射和无选择性散射。 瑞利散射d入 I与入无 关 大气散射 大气上界 地平面 太阳高度角 大气折射后 太阳高度角 τ0 β 折射值τ =τ0 - β 大气折射 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 0246810121416182022 50 100 透过率 0.3-1.31.5-1.82.0-3.53.5-5.58-14 0.8-2.5cm 大气窗口 电磁性质 大气窗口 (μm) 应用条件成像方式 透过率 反射光谱 0.3-1.3强光条件下摄影扫描90% 1.5-1.8 2.0-2.5 强光条件下扫描80% 混合光谱 3.5-5.5白天晚上都不可扫描75% 发射光谱 8-14白天晚上都可扫描60% 0.05-300cm有无光照都能扫描100% 大气窗口 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。 • 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。 • 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 。 • • 反射率反射率P 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=( ρ=(P Pρ ρ/ P / P 0 0 )×100%)×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。 • • 镜面反射: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: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:实际反射:介于两者之间,在某一方向上较强。 镜面反射 漫反射实际反射 ρ=Pρ/P0 • • 地物反射波谱地物反射波谱——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: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 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。 • • 土壤: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: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: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。 • • 雪: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:沙漠:0.60μm,P=65%,呈橙色,0.80μm,P=50% • • 湿地: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 作业 • 教材P44-45思考题 • 第2、6、8、9题
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