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2.1、电磁波与电磁波谱,2.2、物体的电磁波特性 （一）物体的发射辐射特性 （二）物体的反射辐射特性 2.3 地物波谱特性的测定,第二章　电磁波及遥感物理基础,2.1、电磁波与电磁波谱,2,电磁辐射产生于各种形式的能量 （机械能、化学能、热能、电能、磁能、核能） 凡是温度高于绝对零度（-273.16摄氏度)的物体都发射电磁波，波长由物质内部状态的变化决定 电磁波的特性,电磁波是横波 电磁波具有波粒二象性,电磁波的来源-电磁振源,电磁波谱,把各种电磁波（包括无线电波、微波、红外波、可见光、紫外线、x射线、伽玛射线等）按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。,3,遥感中所用的电磁波段：微波、红外波、可见光,,为什么遥感系统很少用紫外波段呢？ 传感器通过探测或感测不同波段电磁波谱的发射、反射辐射能级而成像的，电磁波的存在是获取图像的物理前提。根据不同的目的选择不同的波谱段。,电磁辐射的度量：几个概念,辐射能量：电磁波辐射的能量 焦 辐射通量：单位时间内通过某一表面的辐射能量。焦/秒，瓦 辐射出射度：面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量。即物体单位面积上发出的辐射通量。瓦/平方米,,辐射照度：面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收的辐射能量。即照射到物体单位面积上的辐射通量。瓦/平方米 辐射强度：点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量。即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量。瓦/球面度,,,7,,立体角,球面上一块截得的面积同球面半径平方的比值,球面面积为,上半球面或者下半球面的球面度,,辐射亮度：面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量。即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量。瓦/平方米*球面度,2.2 物体的电磁波特性,物体的发射辐射 地物的辐射波谱 ——热红外遥感的理论基础 物体的反射辐射 地物的反射波谱 ——可见光和近红外遥感的理论基础 物体的微波后向散射辐射 地物的后向散射波谱 ——微波遥感的理论基础,9,10,,（一）物体的发射辐射,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。 一般物体的发射率小于绝对黑体的发射率，因而，物体的辐射温度小于它的实际温度。为了求出一般物体的辐射温度，必须采用与绝对黑体进行比较的方法。,11,,1、黑体辐射 2、实际地物的发射辐射,（一）物体的发射辐射,1.黑体辐射,黑体是一种理想的辐射体。 能够完全吸收任何波长入射能量的物体，称为黑体。 黑体是一种理想的辐射体，在自然界里则很难找到。 自然界里有些物质的性质接近黑体，如黑色的烟煤、恒星和太阳等。,12,,黑体辐射定律,普朗克定律：,13,,其中：h为普朗克恒量 K为波耳兹曼常数,普朗克定律表明：黑体的单色辐射出射度是温度和波长的函数。,14,,不同温度黑体的辐射度曲线,15,,得出黑体辐射的三个特性：,,-斯忒藩-波耳兹曼常数：,（1）斯忒藩-波耳兹曼定律： 对普朗克公式积分得,特性1：总辐射通量密度W随温度T的增加而迅速增加,16,,（2）维恩位移定律：,,为分谱辐射通量密度曲线的峰值所对应波长； b为常数2898m.k 。,,特性2：分谱辐射通量密度的峰值波长随温度的 增加向短波方向移动。（思考） 特性3：每根曲线彼此不相交,2.实际地物的发射辐射,发射率 太阳辐射与大气窗口 地球辐射 地物的辐射波谱特性,17,（1）发射率,18,,,为无量纲纯数,根据发射率可将实际地物分为三类： （1）黑体 （2）灰体 （3）选择性辐射体 发射率随波长 变化而变化。,,,（2）太阳辐射与大气窗口,19,太阳辐射 大气层对太阳辐射的作用 大气窗口 大气透射的定量分析,20,,被动遥感最主要的辐射源 太阳辐射接近6000K的黑体辐射，能量集中在0.3~2.5微米的波段之间。 太阳常数：不受大气影响， 距太阳一个天文单位，垂直太阳光入射方向上，单位时间单位面积黑体所接受的太阳辐射能量。I☉ 太阳光谱,太阳辐射,21,22,,,大气层次结构与成分 大气层对太阳辐射的作用 吸收作用 散射作用 反射作用 折射作用,大气层对太阳辐射的作用,23,大气层次结构与成分 大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度和大气湿度。它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，所以在研究大气效应问题时可以假定大气具有水平均一、垂直的分层结构。,对流层：（0~12KM）温度、密度、气压随高度的增加而降低，空气明显垂直对流，上界随季节和温度而变化。 平流层：（12~80KM），空气密度继续随高度增加而降低，几乎没有对流和天气现象。其中25~30KM处，臭氧含量较大，为臭氧层。 电离层：（80~1000KM），空气稀薄，分子被太阳辐射作用而电离成离子和自由电子状态。该层对无线电波可全反射。 外大气层（1000KM以外的大气层）， 大气厚度一般认为约1000KM。,24,大气成分,大气是由多种气体及气溶胶所组成　的混合物,大气的气体成份可分为常定成份和可变成份两部分,25,吸收作用 ——主要是气态分子的吸收。可使电磁辐射的能量衰减。,大气上层臭氧的存在，对小于 的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，很少存在波长小于 的短波辐射。 对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧、二氧化碳、甲烷和水汽。 大气吸收的影响：主要是造成遥感影像暗淡，由于大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段遥感中很少用到紫外线波段。,大气层对太阳辐射的作用,26,大气在0~15 波长的吸收,27,散射作用 —主要是气体分子和气溶胶的散射,散射是由于电磁辐射与物质相互作用导致部 分能量再辐射到其他方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰减。 与吸收作用不同的是，散射并未引起能量的损失，而只是导致能量在其他方向上重新分配。 影响：强度不大，从遥感数据角度分析，太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光。这二次影响增加了信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。,28,,Rayleigh散射,是气态分子的散射 当气体分子的尺度远小于光波的波长时会发生Rayleigh散射。 Rayleigh散射属于小颗粒散射。 散射光强度与波长的4次方成反比，由此可以解释天空为什么呈蓝色。,29,Mie 散射,云滴、气溶胶的散射。 当颗粒的直径与入射光的波长相当时，往往发生Mie散射。 Mie散射是强烈的前向散射。 属于大颗粒散射。大颗粒散射的特征： 电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒内部。 由于颗粒的尺寸与波长相当，所以颗粒的不同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这种高度电流会产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热损耗的出现——电磁波的吸收。,30,Nonselective 散射,大气中云、雾的散射。 当颗粒的直径远大于入射波的波长时，会发生无选择性 散射。由此可解释雾为什么呈现白色。 散射强度与波长无关。,31,大气散射的特点；,群体散射强度是个体散射强度之线性和。 大气散射系数与高度的关系： 大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成； 气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减； 就平均状况而言，4KM以下气溶胶的Mie散射占优势，4KM以上的分子散射相对占优势。 分子散射与气溶胶散射光强之比随角度的变化而变。 实际上，当大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。如云层中的小雨滴，对可见光可发生无选择性散射，而对微波则发生瑞利散射。,32,反射作用 电磁波传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象。反射现象主要发生在云顶。,折射作用 电磁波穿过大气层时出现传播方向改变的现象 。大气密度越大，折射率越大。,33,大气窗口,吸收作用,散射作用,折射作用,,,,对太阳辐射有衰减作用,,,,,透过率小：大气屏障,透过率大：大气窗口,,改变太阳辐射传输方向,电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，透过率较高的波段称为大气窗口。,,,,反射作用,,对太阳辐射有衰减作用,34,可用做遥感的大气窗口,0.3-1. 3微米：紫外、可见光和近红外波段 主要是反映地物对太阳光的反射。通常采用摄影或扫描的方式在白天感测、收集目标信息成像 1.3-2.5微米：近红外波段 大气窗口白天夜间都可应用，是以扫描的成像方式感测、收集目标信息，主要应用于地质遥感。,,3.5-5.0微米：中红外波段 包含地物反射及发射光谱，用来探测高温目标。 8-14微米：热红外波段 属于地物的发射波谱，是常温下地物热辐射能量最集中的波段，所探测的信息主要反映地物的发射率及温度。 1mm-1m：微波波段 遥感中常采用被动式遥感（微波辐射测量）和主动式遥感，前者主要测量地物热辐射，后者是用雷达发射一系列脉冲，然后记录分析地物的回波信号。,35,36,37,太阳辐射进入传感器前的吸收、散射过程,A—太阳辐射透过大气并被地表反射进入传感器； B—太阳辐射被大气散射后被地表反射进入传感器； C—太阳辐射被大气散射后直接进入传感器； G—太阳辐射透过大气，被地物反射后又被地表反射进入传感器； I—被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项。,多光谱遥感（可见光和近红外波段）,38,(3)地球辐射,——地球辐射是地球表面和大气电磁辐射的总称。 被动遥感主要的辐射源。 地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。 遥感图像就是由装载在遥感平台上的传感器接收来自地球辐射所携带的地物信息，经过处理而形成的。 地球辐射的分段特性,39,插图：地球辐射图,地球辐射的分段特性,地球辐射可分为：短波0.3-2.5μm，长波辐射6 μm以上。 􀂄地球的短波辐射以地球表面对太阳的反射为主，地球自身的热辐射可以忽略。 􀂄地球的长波辐射只考虑地表物体自身的热辐射，这个区域太阳照度的影响很小。 􀂄中红外波段（2.5-6 μm ）：太阳辐射和地球热辐射均有。,40,（4）地物的辐射波谱特性,反映地物自身辐射电磁能量的特性，主要针对红外波段； 地物的辐射波谱是红外遥感的理论基础,41,几种硅酸盐的红外发射波谱,,42,,,1、地物的反射 2、地物的反射类别 3、地物的反射光谱特性,（二）物体的反射辐射,43,,,1、地物的反射 —可见光和近红外波段地物的波谱特性。,太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生吸收、透射和反射作用，反射后的短波辐射一部分被遥感器所接收。 入射到物体的总能量=吸收+透射+反射 除水体、植被等物体，多数地物透过率几乎为零，可以忽略不计。 反射率与光谱反射率,44,,,,2、地物的反射类别 —根据地表目标物体表面性质的不同， 物体反射可分为三种类型。,镜面反射 漫反射 方向反射,—了解物体反射类型的意义,45,,,,镜面反射 —发生在光滑物体表面的一种反射。 光滑表面的定义 　　光滑是一个相对的概念，它由入射波长　和表面起伏　共同决定： 　　当　　　　　时，表面光滑； 　　当　　　　　时，表面粗糙。 —特点是：反射满足反射定律。即入射波和反射波在同一平面内，入射角等于反射角。,46,,,,漫反射 —发生在非常粗糙表面上的一种反射现象。 —特点是：当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐射亮度是一个常数；这种反射面叫朗伯面。,47,,,,方向反射 —也叫实际地物的反射、非朗伯面反射。是介于镜面和朗伯面之间的一种反射。 　—特点是：实际地物表面由于地形起伏，对太阳短波辐射的反射具有各向异性。即在有入射波时，各个方向上都有反射能量，但大小不同，在某个方向上反射最强烈。,48,,,,,3、地物的反射光谱特性,地物的反射波谱 同一地物的反射波谱 不同地物的反射波谱 应用地物波谱曲线时应注意的问题 影响地物光谱反射率变化的因素,49,,,,地物的反射波谱,定义：可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。 表示方法：一般采用二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。,50,,,,同一地物的反射波谱,同一地物的反射波谱特性随时间和空间的改变而变化： 　时间效应 　空间效应,51,,,,不同地物的反射波谱 　—常见的几种地物类型波谱特征 　植被 　水体 　土壤 　岩石,52,,,,植被,可见光波段：在0.45微米附近区间(兰色波段)有一个吸收谷,在0.55微米附近区间(绿色波段)有一个反射峰,在0.67微米附近区间(红色波段)有一个吸收谷。 近红外波段:从0.67微米处反射率迅速增大,形成一个爬升的陡坡,至1.1微米附近有一个峰值,反射率最大可大50%,形成植被的独有特征。 中红外波段:1.5~1.9微米光谱区反射率增大,1.45微米、1.95微米和2.7微米为中心的附近区间受到绿色植物含水量的影响,是水的吸收带,反射率下降,形成低谷。,53,,,,54,,,,影响植被波谱特征的主要因素：,植物类型 植被生长季节 病虫害影响 植被波谱特征大同小异，根据这些差异 可以区分植被种类，生长状态等。,55,,,,对植物健康状况的检测：,56,,,,水体,,纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，可见光其他波段反射很低； 近红外和中红外波段纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零； 水中含有泥沙，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区； 水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射明显抬高。,57,,,,清水和混水的反射率对照,58,,,,叶绿素不同含量时水体的波谱曲线,59,,,,土壤,自然状态下，土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的峰值和谷值。 干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和次生矿物）和土壤有机质有关。 土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4、1.9和2.7微米附近区间），反射率的下降尤为明显。,60,,,,三种不同类型的土壤在干燥环境下的反射光谱曲线,61,,,,粉砂土壤不同含水良情况下的光谱反射率曲线,62,,,,岩石,岩石矿物的波谱曲线主要由矿物成份、矿物含量、物质结构等决定。 影响岩石矿物波谱曲线的因素有岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等。,63,,,,不同岩石矿物的反射波谱曲线,64,,,应用地物的波谱特征时需要注意的问题,地物波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器获得的数据相对照，就可以识别遥感影像中同类地物。 应用地物的波谱特征时应注意以下问题： 绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的曲带。 岩石存在不同程度的风化，岩石表面附着物（土壤、湿度、低等植物等）的不同，它们的波谱值也相应地产生了变化。 地物存在着“同物异谱”和“异物同谱”的现象。,65,,,,—“同物异谱”是指两个相同类型的个体地物，在某个波段上波谱特征不同。,—“异物同谱”是指不同类型的地物具有相同的波谱特征。,66,,,,影响地物光谱反射率变化的因素：,太阳位置 传感器位置 地理位置 地形 季节气候变化 地面湿度变化 地物本身的变异 大气状况 等。,（三）物体的微波后向散射,67,后向散射——沿入射方向返回的散射。 地物的微波后向散射特性是主动微波遥感的理论基础。 雷达遥感中获取的信息就是从入射电波与地物目标相互作用后的后向散射回波中提取的。 雷达图像是地物目标对雷达发射信号散射的回波强度分布图。,,研究遥感成像机理，选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据； 􀂄在外业测量中，它是选择合适的飞行时间和飞行方向的基础资料； 􀂄有效地进行遥感图像数字处理的前提之一 􀂄用户判读、识别、分析遥感影像的基础； 􀂄定量遥感的基础。,68,三、地物波谱特性的测定,地物波谱特性测定原理,地物的发射辐射特性和反射辐射特性间存在一定的关系，因此，只需测定反射辐射特性即可。 　　　对不透明的物体有： 　　　根据基尔霍夫定律有：　　　 　　　即： 地物的波谱特性通常都是用地物的反射辐射波谱曲线来描述。 测定原理：用光谱测定仪器（置于不同波长或波谱段），分别探测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段的反射率，其反射率随波长变化的规律就是地物的波谱特性。,69,地物波谱特性测量仪器,70,—分光光度计、光谱仪、摄谱仪等。 分光光度计一般结构：,,71,地物波谱特性测定方法,测量地物的反射辐射通量密度； 　　 测量标准板的反射辐射通量密度； 将地物、标准板各自所测得的相应值作比值运算，求得地物的光谱反射率。,72,注意：标准板的反射率 预先经过严格测定并经国家计量局鉴定。,73,THANKS,