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1、第2章电磁辐射与地物光谱(2)1 1第1页，共50页，编辑于2022年，星期一2 2第2页，共50页，编辑于2022年，星期一3 3第3页，共50页，编辑于2022年，星期一4 4第4页，共50页，编辑于2022年，星期一5 5第5页，共50页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础本章，我们主要解决两个问题：本章，我们主要解决两个问题：1.什么是电磁波？什么是电磁波？2.在遥感技术中，如何利用电磁波来提在遥感技术中，如何利用电磁波来提取地物信息？取地物信息？6 6第6页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱2.2 大气与电磁辐射的
2、相互作用及大气窗口大气与电磁辐射的相互作用及大气窗口2.3 典型地物波谱特性典型地物波谱特性2.4 彩色合成原理彩色合成原理学习内容学习内容7 7第7页，共50页，编辑于2022年，星期一 要求掌握电磁波的基本特征、电磁波谱、要求掌握电磁波的基本特征、电磁波谱、电磁辐射源、大气窗口、地物波谱特性及其影电磁辐射源、大气窗口、地物波谱特性及其影响因素、彩色合成原理等内容。响因素、彩色合成原理等内容。通过本章的学习，掌握遥感的物理基础知通过本章的学习，掌握遥感的物理基础知识，为掌握遥感影像特征、进行遥感影像解译识，为掌握遥感影像特征、进行遥感影像解译打下牢固的基础。打下牢固的基础。学习目的和要求学习
3、目的和要求8 8第8页，共50页，编辑于2022年，星期一 电磁波谱电磁波谱 大气对电磁波传播的影响大气对电磁波传播的影响 常用的大气窗口及其特点常用的大气窗口及其特点 典型地物的波谱特性典型地物的波谱特性 地物波谱的时间效应、空间效应地物波谱的时间效应、空间效应 彩色合成原理彩色合成原理 学习重点与难点学习重点与难点9 9第9页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1 2.1 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱(1)1)电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱 (2)(2)电磁辐射的度量电磁辐射的度量 (3)(3)电磁辐射源电磁辐射源(4)(4)太阳辐射和地气辐射系统太阳辐射和地气辐射系统 电磁波电
4、磁波是是遥感信息的载体遥感信息的载体；电磁波电磁波理论理论是遥感的物理理论基础是遥感的物理理论基础。1010第10页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.1 电 磁波与电磁波谱电磁波电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为电磁波是横波，传播速度为3103108 8 m/s m/s，不，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律射、吸收、透射、散
5、射等，并遵循同一规律。1111第11页，共50页，编辑于2022年，星期一 电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱叫电磁波谱。依次为：射线射线X X射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微波微波无线电波。无线电波。（1）电 磁波与电磁波谱 目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。1212第12页，共50页，编辑于2022年，星期一遥感是利
6、用传感器主动或被动地接受地面目标反射或遥感是利用传感器主动或被动地接受地面目标反射或发射的发射的电磁波电磁波，通过电磁波所传递的信息来识别目，通过电磁波所传递的信息来识别目标，从而达到探测目标物的目的。标，从而达到探测目标物的目的。应掌握有关电磁波的知识应掌握有关电磁波的知识1313第13页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.1 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）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。电磁波，也称电磁辐射。2
7、）电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直。）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、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。吸收等传播规律。E 电场，M 磁场，C 传播方向1414第14页，共50页，编辑于2022年，星期一3）电磁波在真空中以光速传播。）电磁波在真空中以光速传播。4）满足方程：）满足方程：f.=c (波动性波动性)E=h.f （粒子性）（粒子性）具有波粒二象性具有波粒二象性2.1.1 电磁波谱1515第15页，共50页，编辑于2022年，星期一 麦克斯韦（1831-1879）普朗克
8、（1858-1947）爱因斯坦（1879-1955）波动性粒子性2.1.1 电磁波谱（补充）1616第16页，共50页，编辑于2022年，星期一 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秒内波传播的次数Velocity(v)2.1.1 电磁波谱（补充）1717第17页，共50页，编辑于2022年，星期一真空中，c=2.998*108m/sec传播其中：w=2p/T k=2p/l f为相位电场强度Maxwells wave theory c=lfMaxwells Equation
9、s 2.1.1 电磁波谱（补充）1818第18页，共50页，编辑于2022年，星期一 粒子性把电磁波作为粒子对待时，能量:E=hfh,Planks constant(6.626*10-34 Js)能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。2.1.1 电磁波谱（补充）1919第19页，共50页，编辑于2022年，星期一遇到介质（气体、液体、固体），发生一系列现象：反射：反射：镜面反射：入射角等于反射角镜面反射：入射角等于反射角 漫反射：反射向四面八方漫反射：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：部分被介质吸收吸收：部分被介质吸收透射：从入射延伸方向射出介质透射：从入射延伸方
10、向射出介质发射：自身向外辐射能量2.1.1 电磁波谱（补充）2020第20页，共50页，编辑于2022年，星期一电磁波与物体间的相互作用图电磁波与物体间的相互作用图电磁波与物体间的相互作用图电磁波与物体间的相互作用图2.1.1 电磁波谱（补充）2121第21页，共50页，编辑于2022年，星期一反射、吸收和透射的能量和等于入射的总能量反射率反射率=（反射能量/入射总能量）*100%吸收率吸收率=（吸收能量/入射总能量）*100%透射率透射率=（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。2.1.1
11、电磁波谱（补充）2222第22页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.1 电磁波谱（补充）2323第23页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.1 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。递减排列，形成的一个连续谱带。2424第24页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.1 电磁波谱2525第25页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.1 电磁波谱2626第26页，共50页，编辑于2022年，星期一可见光：可见光：2.1.1 电磁波谱遥感常用波段紫色光紫色光（0
12、.380.43 m）蓝色光蓝色光（0.430.47 m）青色光青色光（0.470.50 m）绿色光绿色光（0.500.56 m）黄色光黄色光（0.560.59 m）橙色光橙色光（0.590.62 m）红色光红色光（0.620.76 m）2727第27页，共50页，编辑于2022年，星期一红外(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目前遥感界习惯用法：近红外（NIR,near-infrared）：0
13、.7-1.1 m 短波红外(SWIR,shortwave IR）：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 m2.1.1 电磁波谱遥感常用波段2828第28页，共50页，编辑于2022年，星期一近红外：近红外：0.760.763.0 m3.0 m，与可见光相似。，与可见光相似。中红外：中红外：3.03.06.0 m6.0 m，地面常温下的辐射波，地面常温下的辐射波 长，有热感。长，有热感。热红外：热红外：6.015.0 m，地面常温下的辐射 波长，有热感。超远红外超远红外：15.01 000 m，多
14、被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。红外线的应用2929第29页，共50页，编辑于2022年，星期一微波波段(1mm-1m,最常用1cm-1m)遥感常用波段符号：P：30-100cmL:15-30cmS:7.5-15cmC:3.75-7.5cmX:2.4-3.75cmKu:1.57(1.7)-2.4cmK:1.1-1.57(1.7)cmKa:0.75-1.1cm2.1.1 电磁波谱遥感常用波段3030第30页，共50页，编辑于2022年，星期一vv紫紫外外线线：波波波波长长长长范范范范围围围围为为为为0.010.010.38m0.38m0.38m0.38m，太太太太阳阳阳阳光光光光谱谱谱谱中中
15、中中，只只只只有有有有0.30.30.30.30.38m0.38m0.38m0.38m波波长长的的光光到到达达地地面面，对对油油污污染染敏敏感感，但但探探测高度在测高度在2000 m2000 m2000 m2000 m以下。以下。vv可可见见光光：波波长长范范围围：0.380.380.76m0.76m0.76m0.76m，人人人人眼眼眼眼对对对对可可可可见见见见光光光光有有有有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。vv红红外外线线：波波波波长长长长范范范范围围围围为为为为0
16、.760.761000m1000m，根根据据性性质质分分为为近近红外、中红外、远红外和超远红外。红外、中红外、远红外和超远红外。vv微微波波：波波长长范范围围为为1 1 1 1 mmmm1 1 1 1 m m m m，穿穿透透性性好好，不不受受云云雾雾的的影响影响。遥感应用的电磁波波谱段3131第31页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.2、电磁辐射的度量1、辐射能量电磁辐射是具有能量的，它表现在：电磁辐射是具有能量的，它表现在：电磁辐射是具有能量的，它表现在：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使被辐照的物体温度升高使被辐照的物体温度升高使被辐照的物体温度升高 改变
17、物体的内部状态改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动使带电物体受力而运动使带电物体受力而运动使带电物体受力而运动 辐射能量（辐射能量（W）的单位是焦耳（）的单位是焦耳（J J）3232第32页，共50页，编辑于2022年，星期一在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为辐射通量：在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为辐射通量：在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为辐射通量：在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为辐射通量：=dW/dt辐射通量（辐射通量（辐射通量（辐射通量（）的）的单位是瓦特单位是瓦特单位是瓦特单位是瓦特=焦耳焦耳/秒（秒（秒（秒（W=J/SW=J/S）注意：辐射通量是波长的函数，
18、总辐射通量应该是注意：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。各谱段辐射通量之和或其积分值。2.1.2、电磁辐射的度量2、辐射通量辐射通量辐射通量辐射通量3333第33页，共50页，编辑于2022年，星期一3 3、辐射通量密度、辐射通量密度、辐射通量密度、辐射通量密度 E E：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：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，记为:I=d I=d /dS/dS，单位是W/m2,S为面积。辐射出射度辐射出射度
19、(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 /dSM=d /dS，单位也是 W/m2，S为面积。辐射通量密度辐射通量密度的的的的单位是瓦单位是瓦单位是瓦单位是瓦/米米米米（W/m）辐射源辐射源辐射源辐射源辐照度辐照度辐照度辐照度辐辐辐辐射射射射出出出出射射射射度度度度被辐照物被辐照物被辐照物被辐照物辐射体辐射体辐射体辐射体2.1.2、电磁辐射的度量3434第34页，共50页，编辑于2022年，星期一4 4、辐射强度、辐射强度、辐射强度、辐射强度 (补充补充)辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一辐射强度是描述点辐射源的辐
20、射特性的，指在某一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：方向上单位立体角内的辐射通量：方向上单位立体角内的辐射通量：方向上单位立体角内的辐射通量：辐射强度（辐射强度（I I）=d /d 辐射强度（辐射强度（I I）的）的）的）的单位是瓦单位是瓦单位是瓦单位是瓦/球面度（球面度（W/SrW/Sr）辐射强度辐射强度辐射强度辐射强度点辐射源点辐射源点辐射源点辐射源=S/R=S/R2.1.2、电磁辐射的度量3535第35页，共50页，编辑于2022年，星期一5、辐射亮度、辐射亮度、辐射亮度、辐射亮度 L面辐射源，在某一方向，单位投影表面、单位立体角内面辐射源，在某一
21、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：的辐射通量称为辐射亮度：辐射亮度（辐射亮度（L L）的）的）的）的单位是瓦单位是瓦/米米球面度（球面度（球面度（球面度（W/mW/m SrSr）通量通量通量通量 面辐射源面辐射源面辐射源面辐射源立体角立体角立体角立体角 A A图中出射辐射亮度是多少？图中出射辐射亮度是多少？图中出射辐射亮度是多少？图中出射辐射亮度是多少？2.1.2、电磁辐射的度量3636第36页，共50页，编辑于2022年，星期一6、朗伯源、朗伯源、朗伯源、朗伯源辐射亮度辐射亮度L与观察角与观察角与观察角与观察角无关的辐射源。无关的辐射源。无关的辐射源。无关的辐射源。例如
22、：例如：例如：例如：1 1）粗糙表面；）粗糙表面；）粗糙表面；）粗糙表面；2 2）涂有氧化镁的表面）涂有氧化镁的表面遥感光谱测量遥感光谱测量遥感光谱测量遥感光谱测量标准版标准版标准版标准版；3 3）太阳；）太阳；4）真正的朗伯源）真正的朗伯源绝对黑体绝对黑体2.1.2、电磁辐射的度量3737第37页，共50页，编辑于2022年，星期一小小小小 结结结结辐辐辐辐 射射射射 度度度度 量量量量 一一一一 览览览览 表表表表辐射量辐射量辐射量辐射量符号符号符号符号定义定义定义定义单位单位单位单位辐射能量辐射能量辐射能量辐射能量E E焦耳焦耳焦耳焦耳(J)(J)辐射通量辐射通量辐射通量辐射通量dE/d
23、tdE/dt瓦瓦瓦瓦(W)(W)辐照度辐照度辐照度辐照度I Id /dSd /dS瓦瓦瓦瓦/米米米米(W/m(W/m)辐射出射度辐射出射度辐射出射度辐射出射度MMd /dSd /dS瓦瓦瓦瓦/米米米米(W/m(W/m)辐射强度辐射强度辐射强度辐射强度d /d d /d 瓦瓦瓦瓦/球面度球面度球面度球面度(W/Sr)(W/Sr)辐射亮度辐射亮度辐射亮度辐射亮度L L 2 2 /S S 瓦瓦瓦瓦/米米米米 球面度球面度球面度球面度(W/m(W/m Sr)Sr)3838第38页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.3、黑体辐射、黑体辐射 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的固体或液体，在
24、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。与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K1.1.1.1.热辐射现象热辐射现象热辐射现象热辐射现象3939第39页，共50页，编辑于2022年，星期一物体可辐射能量也可吸收能量，当辐射和吸收的能量恰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相等时称为热平衡热平衡。此时物体温度恒定不变。此时物体温度恒
25、定不变。单色辐出度单色辐出度单位时间、单位表面积、单位时间、单位表面积、上所辐射出的，单位波长上所辐射出的，单位波长间隔中的能量。间隔中的能量。辐射出射度辐射出射度单位时间、单位表面积、单位时间、单位表面积、上所辐射出的各种波长上所辐射出的各种波长电磁波的能量。电磁波的能量。第40页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.3、黑体辐射、黑体辐射-绝对黑体绝对黑体能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为和透射的物体称为绝对黑体绝对黑体。简称黑体。简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作可
26、近似看作黑体。黑体。黑体模型黑体模型 研究黑体辐射的规研究黑体辐射的规律是了解一般物体热律是了解一般物体热辐射性质的基础。辐射性质的基础。4141第41页，共50页，编辑于2022年，星期一普朗克定律其中：h,Planck 常数，h=6.6310-34Jsc,光速k=1.380610-23JK-1,Boltzmann常数T,绝对温度M,辐射出射度；Wm-2m-12.1.3、黑体辐射、黑体辐射2、黑体辐射规律、黑体辐射规律4242第42页，共50页，编辑于2022年，星期一黑体辐射的三个特性：黑体辐射的三个特性：（1 1）与曲线下的面积成正比的总辐射出射度）与曲线下的面积成正比的总辐射出射度）与
27、曲线下的面积成正比的总辐射出射度）与曲线下的面积成正比的总辐射出射度M是随温是随温度度T T的增加而迅速增加。的增加而迅速增加。的增加而迅速增加。的增加而迅速增加。总总辐射出射度辐射出射度MM可在从零到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。无穷大的波长范围内对普朗克公式进行积分可得到。M=T4为斯忒藩一玻尔兹曼常数，=5.67 10-8W/m2K4。斯忒藩一玻尔兹曼定律4343第43页，共50页，编辑于2022年，星期一（2）谱功率的峰值波长随温度的增加向短波方向移）谱功率的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。动。可微分普朗克公式，并求极值可微分普朗克公式，并求极值维恩位移定
28、律温度T/K3005001000200030004000500060007000波长max/m9.665.802.901.450.970.720.580.480.414444第44页，共50页，编辑于2022年，星期一瑞利-金斯定律 hckT，M(,T)=2pckT/4（3）每根曲线彼此不相交，故温度每根曲线彼此不相交，故温度每根曲线彼此不相交，故温度每根曲线彼此不相交，故温度T T越高所有波长上越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。的波谱辐射通量密度也越大。4545第45页，共50页，编辑于2022年，星期一 实际物体的辐射不同于绝对黑体的辐射，在相同温度下，实际物实际物体的辐射不同于绝对
29、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。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）(也称比辐射率也称比辐射率)，即：，即：=M=M /M/M 发射率是一个数字，其值介于发射率是一个数字，其值介于0和和1之间，作为比较一辐射源接近黑之间，作为比较一辐射源接近黑体的程度。体的程度。不同地物有不同的不同地物有不同的，同一地物在不同
30、波段的波谱发射率也不同。，同一地物在不同波段的波谱发射率也不同。2.1.3、黑体辐射、黑体辐射3、实际物体的辐射4646第46页，共50页，编辑于2022年，星期一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。按发射率变化情况，将地物分为以下几个类型：（1）黑体或绝对黑体 发射率 1，即对所有波长黑体发射率都是一个常数1（反射率 0，透射率 0）。（2）灰体 发射率 常数1，即灰体的发射率始终小于1且不随波长变化（反过来说，物体对各种波长的吸收率小于1，又近似地为一常数）。（3）选择性辐射体 其发射率随波长而变化（具有选择性吸
31、收），而且 1。自然界中，绝大多数物体为灰体。4747第47页，共50页，编辑于2022年，星期一4848第48页，共50页，编辑于2022年，星期一基尔霍夫定律在任一给定的温度下，辐射出射度(辐射通量密度)与吸收率之比对任何材料都是常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度。即：M/=M 为吸收率发射率定义：=M/M 所以：=即，一个物体的波谱发射率等于它的波谱吸收率，好的吸收体也是好的发射体4949第49页，共50页，编辑于2022年，星期一2.1.4 太阳辐射和地气辐射系统太阳辐射和地气辐射系统太阳和地球的绝对黑体光谱辐射通量密度太阳和地球的绝对黑体光谱辐射通量密度太阳太阳 5900K地球地球 290K1081061041021000.1110100可见光谱可见光谱热红外光谱热红外光谱辐射度辐射度（W m-2 m-1）波长（波长（m）5050第50页，共50页，编辑于2022年，星期一