電磁輻射與地物光譜特征

電磁輻射與地物光譜特征第1頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容：§2.1電磁波譜與電磁輻射§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響§2.3地球的輻射與地物波譜本章小結(jié)第2頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.1電磁波譜與電磁輻射一.電磁波譜二.電磁輻射的度量三.黑體輻射第3頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月一.電磁波譜1.電磁波的產(chǎn)生2.電磁波的特性3.電磁波譜第4頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月1.電磁波的產(chǎn)生電磁波:由振源發(fā)出的電磁振蕩在空間的傳播,有熱輻射、微波、無線電波等,也稱為電磁輻射。當電磁振蕩進入空間時，變化的磁場激發(fā)了變化的電場，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波。第5頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電磁波的特性（1）是橫波（2）在真空中以光速傳播（3）滿足：f·入=C；E=h·f（4）電磁波具有波粒二象性第6頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月入射電磁波鏡面反射漫反射物體表面透射/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%第7頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.電磁波譜電磁波譜：按照電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或者遞減排列構(gòu)成的譜帶則稱電磁波譜。以頻率從高到低或者波長從短到長排列可以劃分為r射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波第8頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月1x10-6μm1x10-3μm0.1μm1μm10μm100μm0.1cm1cm10cm1m10m100m1km10km100kmr射線X射線紅外線紫外線微波超短波短波中波長波可見光無線電波0.38μm0.76μm3μm6μm15μm1000μm可見光近紅外中紅外遠紅外超遠紅外紅橙黃綠青藍紫第9頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月二.電磁輻射的度量輻射能量(W)：電磁輻射的能量，J。輻射通量：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量，W，J/s。輻照度(I)：被輻照的物體表面單位面積上的輻射通量，W/m2。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,W/m2。第10頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月111WI第11頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月三.黑體輻射1.絕對黑體2.黑體輻射的規(guī)律3.實際物體的輻射第12頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月1.絕對黑體絕對黑體：如果一個物體對于任何波長的電磁輻射都全部吸收，則這個物體是絕對黑體。黑色的煤煙、恒星、太陽等。第13頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.黑體輻射的規(guī)律（1）斯忒藩-玻爾茲曼定律:M=δT4

δ=5.67x10-8W/m2?K4輻射出射度波長05101520700K600K500K400K300K第14頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）維恩位移定律:入max

?

T=b

b

=2.898x10-3m?K第15頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.實際物體的輻射基爾霍夫定律:M1/a1=M2/a2=Mi/ai=M0=IM=εM0絕對黑體不僅具有最大的吸收率，也具有最大的發(fā)射率，卻絲毫不存在反射；而實際物體，如果吸收本領(lǐng)越大，它的發(fā)射本領(lǐng)也越大，越接近黑體。第16頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月習題假定恒星表面的輻射與太陽表面的輻射一樣都遵循黑體輻射規(guī)律.如果測得到太陽輻射波譜的入太max=0.51μm,北極星的入北max=0.35μm,試計算太陽和北極星的表面溫度及每單位表面積上所發(fā)射出的功率是多少?第17頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2.2.1太陽輻射2.2.2大氣對輻射的影響第18頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1太陽輻射1.太陽常數(shù):是指在不受大氣影響,在距離太陽一個天文單位內(nèi),垂直于太陽光輻射方向上,單位面積單位時間黑體所接收的太陽輻射能量.I⊙=1.360x103W/m22.太陽光譜第19頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2大氣對輻射的影響1.大氣分層和組成2.大氣吸收3.大氣散射4.大氣折射5.大氣反射6.大氣窗口7.大氣透射分析第21頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月對流層外大氣層電離層平流層1280100026上層中層下層C電離層同溫層暖層冷層中間層熱層散逸層質(zhì)子層氦層O3層D電離層E電離層F電離層35000一般飛機、氣球氣球航天飛機200-250km,偵察飛機150-200km資源衛(wèi)星,氣象衛(wèi)星800-900km通訊衛(wèi)星,氣象衛(wèi)星36000km大氣垂直分層示意圖飛機氣球,噴氣式飛機第22頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月分子:氮氣(N2)，氧氣(O2)臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)，水(H2O)及(N2O，CH4，NH3)等其他微粒:煙、塵埃、霧霾、小水滴、氣溶膠等。大氣主要成分第23頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣散射0.40.50.60.70.80.91.0100藍綠紅散射強度曲線瑞利散射無選擇散射

包括：瑞利散射、米氏散射和無選擇性散射。第24頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月瑞利散射d<<入I∝入-4大氣中原子和分子可見光米氏散射d≈入I∝入-2微粒紅外線無選擇性散射d>>入I與入無關(guān)大氣散射第25頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣上界地平面太陽高度角大氣折射后太陽高度角τ0β

折射值τ=τ0-

β大氣折射第26頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣窗口通常把電磁波通過大氣層時較少被反射,吸收或散射的,透過率較高的波段稱為大氣窗口。大氣窗口的主要光譜段:0.3-1.3、1.5-1.8和2.0-3.5、3.5-5.5、8-14、0.8-2.5cm第27頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月024681012141618202250100透過率0.3-1.31.5-1.82.0-3.53.5-5.58-140.8-2.5cm大氣窗口第28頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁性質(zhì)大氣窗口(μm)應(yīng)用條件成像方式透過率反射光譜0.3-1.3強光條件下攝影掃描90%1.5-1.82.0-2.5強光條件下掃描80%混合光譜3.5-5.5白天晚上都不可掃描75%發(fā)射光譜8-14白天晚上都可掃描60%0.05-300cm有無光照都能掃描100%大氣窗口第29頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣透射分析反射30%，散射22%，吸收17%，透過31%。臭氧吸收3%，云層反射散射25%，塵埃氣體吸收散射19%，地面反射8%，地表吸收45%。第30頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3地球的輻射與地物波譜1、地球的輻射:太陽輻射與地表相互作用,地表自身的熱輻射2、地物反射波譜:地物的反射率,地物反射波譜特征3、地物波譜特征的測量所謂地物光譜特性，是指自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射規(guī)律，如具有反射、吸收外來的紫外線、可見光、紅外線和微波的某些波段的特性；它們又都具有發(fā)射某些紅外線、微波的特性；少數(shù)地物還具有透射電磁波的特性，這種特性稱為地物光譜特性，其中最常用的是反射信息。第31頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽輻射與地表相互作用:地球輻射的分段特性：0.3-2.52.5-6>6地表自身的熱輻射:

溫度波長第32頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月地物的發(fā)射特性－自然界中的一切物體，無論是固體的、液體的，當其溫度高于絕對0度時都會不斷地向四周空間發(fā)射電磁波（以紅外、微波為主），物體的溫度越高，輻射出的能量就越多，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。地物的輻射能量與溫度的四次方成正比，比熱、熱慣性大的地物，發(fā)射率大。如水體夜晚發(fā)射率大，白天就小。第33頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月探測地物的熱輻射特性的熱紅外遙感在夜間和白天進行的結(jié)果是不同的。熱紅外遙感探測的地物熱輻射量用亮度溫度表示，它不同于地面溫度，是接收的熱輻射能量的轉(zhuǎn)換值，圖像上表示為亮度。第34頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月地物反射波譜特征反射波譜:地物反射率隨波長的變化規(guī)律。第35頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月反射率P定義：地物的反射能量與入射總能量的百分比，稱為反射率。ρ=(Pρ/P0)×100%。特點：同一地物在不同的波長具有不同的反射率；地物的不同反射率是可以測定的；反射率與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)；同一波長，不同地物，其反射率不同。但是也會存在同物異譜和異物同譜的現(xiàn)象。第36頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月鏡面反射：也叫規(guī)則反射，入射角與反射角相等，發(fā)生在平靜水面、金屬面等，常出現(xiàn)在航空遙感中漫反射：也叫朗伯反射，向四周均勻反射，在各個方向上亮度和強度一樣，航天遙感中多為這種現(xiàn)象。實際反射：介于兩者之間，在某一方向上較強。鏡面反射漫反射實際反射ρ=Pρ/P0第37頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月地物反射波譜——地物的反射率隨著入射波長變化而變化的規(guī)律。按照地物反射率與波長之間的關(guān)系所繪制的曲線圖稱為地物反射光譜曲線，其中橫坐標表示波長，縱坐標表示反射率。第38頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種典型地物反射光譜曲線(1)植被(2)土壤(3)水體(4)巖石(5)其他第39頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月植被：0.55μm，綠色，葉綠素的影響0.70-0.80μm有反射陡坡1.1μm，植被葉細胞影響1.3-2.5μm，反射率大大下降，受水分影響第40頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月不同植物光譜曲線的比較第41頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月不同季節(jié)狗牙根草的光譜反射曲線第42頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月春小麥在不同生長階段的波譜特性曲線花期的春小麥反射率明顯高于灌漿期和乳熟期。至于黃葉期，由于不具備綠色植物特征，其反射光譜近似于一條斜線。這是因為黃葉的水含量降低，導致在1.45、l.95和2.7微米附近3個水吸收帶的減弱。當葉片有病蟲害時．也有與其黃葉期類似的反射率。第43頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月土壤：沒有明顯的峰值和谷值一般來講，土質(zhì)越細，反射率越高，有機質(zhì)含量越高和含水量越高，反射率越低。第44頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月水體：反射主要在藍綠光波段，其他波段吸收都很強，特別是在近紅外波段，吸收就更強。當水體中含有其他物質(zhì)時，反射光譜會發(fā)生變化。第45頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月巖石：反射波譜曲線無統(tǒng)一的特征。礦物成分，礦物含量，風化程度等都會對曲線形態(tài)產(chǎn)生影響。第46頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月