電磁輻射與地物光譜

1其次章電磁波譜與電磁輻射1）電磁波是電磁振動(dòng)的傳播。當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變更的磁場(chǎng)激發(fā)了變更的電場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波。2）電磁波是橫波，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直。3）電磁波在真空中以光速傳播。4）滿足方程：f.λ=c(波動(dòng)性)；E=h.f（粒子性）具有波粒二象性2.1.1電磁波譜

粒子性把電磁波作為粒子對(duì)待時(shí)，能量:

E=hfh,Plank'sconstant(6.626*10-34J?s)2.1.1電磁波譜遇到介質(zhì)（氣體、液體、固體），發(fā)生一系列現(xiàn)象：反射：鏡面反射：入射角等于反射角漫反射：反射向四面八方折射：射入介質(zhì)，折射角一般不等于入射角吸?。翰糠直唤橘|(zhì)吸取透射：從入射延長(zhǎng)方向射出介質(zhì)放射：自身向外輻射能量2.1.1電磁波譜5反射率=（反射能量/入射總能量）*100%；吸取率=（吸取能量/入射總能量）*100%；透射率=（透射反射能量/入射總能量）*100%。2.1.1電磁波譜62.1.1電磁波譜電磁波譜定義：依據(jù)電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)或頻率，遞增或遞減排列，形成的一個(gè)連續(xù)譜帶。7微波波段(1mm-1m,最常用1cm-1m)遙感常用波段符號(hào)：2.1.1電磁波譜—遙感常用波段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:0.75-1.1cm82.1.2、電磁輻射的度量能量：反應(yīng)了做功的實(shí)力，在做功的過程中，能量從一個(gè)物體傳輸?shù)搅硪粋€(gè)物體或者從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方。傳導(dǎo)對(duì)流輻射為了描述電磁輻射的產(chǎn)生、在空間的傳播以及與其物質(zhì)進(jìn)行相互作用的過程，可以接受兩種不同的模型：波模型和粒子模型。92.1.2、電磁輻射的度量（1）輻射能量電磁輻射是具有能量的，它表現(xiàn)在：?使被輻照的物體溫度上升?變更物體的內(nèi)部狀態(tài)?使帶物體受力而運(yùn)動(dòng)……輻射能量（W）的單位是焦耳（J）10在單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量稱為輻射通量：

Φ=dW/dt輻射通量（Φ）的單位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）2.1.2、電磁輻射的度量（2）輻射通量Φ11（3）輻射通量密度E：?jiǎn)挝幻娣e上的輻射通量稱為輻射通量密度：輻照度（I）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量，記為:

I=dΦ/dS。輻射出射度(M)：溫度為T的輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，記為:M=dΦ/dS。

輻射通量密度的單位是瓦/米2（W/m2）2.1.2、電磁輻射的度量12（4）輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度是描述點(diǎn)輻射源的輻射特性的，指在某一方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量：

輻射強(qiáng)度：（I）=dΦ/dΩ輻射強(qiáng)度（I）的單位是瓦/球面度（W/Sr）輻射強(qiáng)度點(diǎn)輻射源2.1.2、電磁輻射的度量13（5）輻射率（亮度）L面輻射源，在某一方向，單位投影表面、單位立體角內(nèi)的輻射通量稱為輻射率：

輻射率（L）的單位是瓦/米2?球面度（W/m2?Sr）2.1.2、電磁輻射的度量14輻射度量一覽表輻射量符號(hào)定義單位輻射能量E焦耳(J)輻射通量ΦdE/dt瓦(W)輻照度IdΦ/dS瓦/米2(W/m2)輻射出射度MdΦ/dS瓦/米2(W/m2)輻射強(qiáng)度dΦ/dΩ瓦/球面度(W/Sr)輻射亮度L2Φ/SΩ瓦/米2?球面度(W/m2

?Sr)固體或液體，在任何溫度下都在放射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而放射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。（1）熱輻射現(xiàn)象2.1.3、黑體輻射物體可輻射能量也可吸取能量，當(dāng)輻射和吸取的能量恰相等時(shí)稱為熱平衡。此時(shí)物體溫度恒定不變。單色輻出度單位時(shí)間、單位表面積、上所輻射出的，單位波長(zhǎng)間隔中的能量。輻射出射度單位時(shí)間、單位表面積、上所輻射出的各種波長(zhǎng)電磁波的能量。172.1.3、黑體輻射-確定黑體能全部吸取各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為確定黑體。簡(jiǎn)稱黑體不透亮的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。黑體模型探討黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。18黑體輻射的三個(gè)特性：（1）與曲線下的面積成正比的總輻射出射度M是隨溫度T的增加而快速增加?？傒椛涑錾涠萂可在從零到無窮大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)普朗克公式進(jìn)行積分可得到。M=σT4σ為斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/m2K4。能量與確定溫度T的4次方成正比。斯蒂芬一玻爾茲曼定律（2）譜功率的峰值波長(zhǎng)隨溫度的增加向短波方向移動(dòng)。維恩位移定律：確定輻射極大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)K=2.898*103umk20瑞利-金斯定律

hc<<lkT，

Mλ(l,T)=2pckT/l4（3）每根曲線彼此不相交，故溫度T越高全部波長(zhǎng)上的波譜輻射通量密度也越大。21實(shí)際物體的輻射不同于確定黑體的輻射，在相同溫度下，實(shí)際物體的輻射出射度（輻射通量密度）比確定黑體的要低。地物放射某一波長(zhǎng)的輻射出射度（輻射通量密度）與同溫下黑體在同一波長(zhǎng)上的輻射出射度之比，稱地物光譜放射率（emissivity）(也稱比輻射率)，即：ε=M’/M其值介于0和1之間，作為比較一輻射源接近黑體的程度。不同地物有不同的ε，同一地物在不同波段的波譜放射率也不同。2.1.3、黑體輻射（3）實(shí)際物體的輻射基爾霍夫定律圖中腔內(nèi)四個(gè)物體B0，B1，B2，B3。首先腔內(nèi)是真空，能量交換不能以傳導(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行，只能以輻射方式完成；其次，空腔內(nèi)保持恒溫，因此每個(gè)物體向外輻射和吸取的能量必定相等。Mi為輻射出射度，αi為吸取系數(shù)，Ii為輻照度?；鶢柣舴蜃C明：僅與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)，與物體本身性質(zhì)無關(guān)，得到：232.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.2.1、太陽(yáng)輻射太陽(yáng):是太陽(yáng)系的中心天體，在太陽(yáng)系空間，布滿了從太陽(yáng)放射的電磁波的全波輻射及粒子流。太陽(yáng)是被動(dòng)遙感最主要的輻射源，遙感傳感器從空中或空間接收地物反射的電磁波。地球系統(tǒng)的能量絕大多數(shù)（>99％）來源于太陽(yáng)太陽(yáng)輻射:

9%紫外線41%可見光49%紅外線242.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.2.1、太陽(yáng)輻射太陽(yáng):是太陽(yáng)系的中心天體，在太陽(yáng)系空間，布滿了從太陽(yáng)放射的電磁波的全波輻射及粒子流，地球上的能量主要來自太陽(yáng)。太陽(yáng)常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽(yáng)一個(gè)天文單位（日地平均距離，149,597,870*103m）的區(qū)域內(nèi)，垂直于太陽(yáng)輻射方向上單位面積和單位時(shí)間黑體所接收到的太陽(yáng)輻射能量。是在地球大氣頂端接受的太陽(yáng)能量，沒有大氣影響I=1.95cal/cm2min=1.360*103W/m2252.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.2.2、大氣吸取大氣的垂直分層對(duì)流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變更頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在12～50km，底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸取而漸漸上升。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對(duì)遙感波段是透亮的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。大氣外層：800～35000km,空氣極淡薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒有影響。26大氣成分：分子和其他微粒分子:氮和氧占99%，臭氧、二氧化碳、水分子及其它（N2O,CH4,NH3等）約占1%；顆粒：煙、塵埃、霧、小水滴和氣溶膠。氣溶膠是一種固體、液體的懸浮物，直徑0.01-30m大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響作用：折射、反射、吸取、散射、透射2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.2.2大氣吸取嚴(yán)峻影響傳感器對(duì)電磁輻射的探測(cè)，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射強(qiáng)度衰減；吸取作用越強(qiáng)的波段，輻射強(qiáng)度衰減越大，甚至某些波段的電磁波完全不能通過大氣。在太陽(yáng)輻射到達(dá)地面時(shí)，形成了電磁波的某些吸取帶。主要吸取帶：水：0.94m，1.13m，1.38m，1.86m，2.5-3.0m，3.24m，5-7m，7.13m，24m以上；二氧化碳：2.8m，4.3m臭氧：0.2-0.32m，0.6m，9.6m氧氣：0.2m，0.6m，0.76m2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.2.2大氣吸取282.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.2.2、大氣吸取主要吸取帶：水：0.94m，1.13m，1.38m，1.86m，2.5-3.0m，3.24m，5-7m，7.13m，24m以上（微波）；二氧化碳：2.8m，4.3m臭氧：0.2-0.32m，0.6m，9.6m氧氣：0.2m，0.6m，0.76m292.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.2.3大氣散射散射：輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向變更，并向各個(gè)方向散開。其實(shí)質(zhì)是電磁波的衍射。由于粒子的散射作用使電磁波在原傳播方向上的輻射強(qiáng)度減弱，增加了向其它各方向的輻射。三種散射類型：瑞利散射米氏散射無選擇性散射(勻整散射）散射類型與以下因素有關(guān)：入射電磁波的波長(zhǎng)；

氣體分子、顆粒和水滴的大小302.2.3、大氣散射（1）瑞利散射（Rayleighscattering）條件：粒子直徑比波長(zhǎng)小很多；由大氣中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起；特點(diǎn)：散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，即I-4（2）米氏散射(Miescattering)粒子直徑與輻射的波長(zhǎng)相當(dāng)。米氏散射的散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比，即I-231（3）無選擇性散射(Non-selectivescattering)發(fā)生在大氣粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)。散射的特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無關(guān)，任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度相同2.2.3、大氣散射32散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)親密相關(guān)。在大氣狀況相同時(shí)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種類型的散射。對(duì)于大氣分子、原子引起的瑞利散射主要發(fā)生在可見光和近紅外波段。波長(zhǎng)超過1μm后，瑞利散射的影響大大減弱，而米氏散射的影響漸漸超過瑞利散射。大氣中的云層、小雨滴等，由于直徑較大，對(duì)不同波長(zhǎng)產(chǎn)生不同散射作用。對(duì)于可見光而言只有無選擇性散射發(fā)生,云層越厚無選擇散射越強(qiáng)。云霧對(duì)紅外線（0.76-15m）的散射主要氏米氏散射；2.2.3、大氣散射33（1）大氣折射電磁波穿過大氣層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生傳播方向變更，即折射現(xiàn)象。大氣密度越大，折射率越大；離地面高度越大，空氣越淡薄，折射率越小。地面接收的電磁波方向與實(shí)際太陽(yáng)輻射方向偏離了一個(gè)角度，稱為折射值。2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.2.4、大氣窗口及透射分析35（2）大氣的反射主要發(fā)生在云層頂部取決于云量和云霧，且波段不同大氣影響不同，減弱了電磁波強(qiáng)度。2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.2.4、大氣窗口及透射分析360.3-1.3μm：即紫外、可見光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最佳波段，也是很多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。1.5-1.8μm,2.0-3.5μm：即近、短波、中紅外波段，在白天日照條件好的時(shí)候掃描成像常用這些波段。主要的大氣窗口光譜段2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響373.5-5.5μm：即中紅外波段，物體的熱輻射較強(qiáng)。8-14μm：即遠(yuǎn)紅外波段。主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測(cè)量探測(cè)目標(biāo)的地物溫度。0.8-2.5cm：至更長(zhǎng),即微波波段，由于微波穿云透霧的實(shí)力，這一區(qū)間可以全天候工作。主要的大氣窗口光譜段2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響382.3地球的輻射與地物波譜2.3.3、地物反射波譜特征反射率：反射能量與總?cè)肷淠芰康陌俜直?（P/P0）*100%反射率大小與物體本身的性質(zhì)和表面狀況、波長(zhǎng)、入射角等有關(guān)三種反射狀況：鏡面反射、漫反射、方向反射朗伯面：對(duì)于漫反射面，當(dāng)入射照度確定時(shí)，從任何角度視察反射面，其反射亮度是一個(gè)常數(shù)，這種反射面稱朗伯面實(shí)際物體多數(shù)為方向反射，介于鏡面和朗伯面間。392.3地球的輻射與地物波譜2.3.3、地物反射波譜特征實(shí)際物體的反射，介于鏡面反射和漫反射之間。在入射輻照度相同時(shí)，反射輻射亮度的大小既與入射方位角和天頂角有關(guān)，也與反射方向的方位角與天頂角有關(guān)。

入射輻照度Ii由兩部分組成，一部分是太陽(yáng)的干脆輻射，其輻照度大小與太陽(yáng)天頂角θi和日地距離D有關(guān)；另一部分是太陽(yáng)輻射經(jīng)過大氣散射后又漫入射到地面的部分，其輻照度與入射角無關(guān)。402.3地球的輻射與地物波譜2.3.3、地物反射波譜特征反射波譜：探討地物反射率隨波長(zhǎng)的變更規(guī)律來識(shí)別地物地物反射曲線的形態(tài)相差