遥感物理基础 第2章：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 By kerimjan实习软件： Envi 4.0 for win98/winxp/win20001上节回顾（ 2）1 遥感与遥感技术的概念2 遥感技术的发展情况3 遥感技术分类4 遥感技术的历史5 遥感技术的特点6 当前遥感技术发展趋势2遥感物理基础1 电磁波和电磁波谱2 电磁波辐射源3 太阳辐射和大气对太阳辐射的作用4 地物波谱特征31 电磁波和电磁波谱1.1.1 电磁波波： 是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 机械波：振动的是弹性媒质中质点的位移矢量。电磁波：电场矢量和磁场矢量在空间的传播。1887年由赫兹试验证实41.1.1 电磁波51.1.1 电磁波振幅 角频率 时间变量时空周期性函数：1）时间周期：周期 (T)或者频率 ()， T=12）空间周期性：波长 ()或者波数（ N）， N=1圆波数 空间变量 初位相2N=2/2 v=2/T61） 不需要传播介质 2） 横 波 3） 波动性 4） 粒子性 5） 叠加原理 6） 相干性和非相干性（ 4个条件） 7） 衍射和偏振 （遥感器的几何图象分辨率，波长越 长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）8） 多谱勒效应 （合成孔径侧视雷达） 1.1.2 电磁波的特点和遥感意义7动量： P能量： Eh : 普朗克常数， 6.626075510 34 J sc : 光速； v : 频率 能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和 X射线 Y射线。电磁波的粒子性8电磁波的叠加原理p当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。p任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；p比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（ 白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 混合像元的分解 ）9电磁波的衍射电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。1） 菲涅耳 衍射：入射光与衍射光不都是平行光的衍射。2） 夫琅禾费 衍射：入射光与衍射光都是平行光的衍射。夫琅禾费衍射图案10电磁波的衍射 夫琅禾费 圆孔衍射艾里斑 半角宽 :11电磁波的衍射 瑞利准则最小分辨角 :d 物镜的有效孔径 “恰能分辨 ”的两个点光源的两衍射图样中心之间的距离，应等于艾里斑的半径。 12电磁波的偏振电磁波遇到 “ 狭缝 ” 的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。偏振光，非偏振光，部分偏振 偏振现象说明：？13电磁波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。 1842年，奥地利物理学家多普勒研究声波时发现。合成孔径雷达的工作原理14波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失位相信息。全息摄影中，同时记录了振幅信息和位相信息。 1.1.3 遥感记录的电磁波信息151.2 电磁波谱定义：按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列成的图表，称为电磁波谱。 16可见光波长范围大约为 400nm(紫色 )700nm(红色 )，可见光谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间：红： 610700nm 橙： 590610nm 黄： 570590nm 绿： 500570nm 青： 450500nm 蓝： 430450nm 紫： 400430nm 17红外波段波长范围 0.7300m，可进一步划分为如下波段：NIR和和 SWIR也称为反射红外，因为在地球表面反射的也称为反射红外，因为在地球表面反射的太阳辐射中，主要的红外成分为太阳辐射中，主要的红外成分为 NIR和和 SWIR。而而 MWIR和和 LWIR也称为热红外。也称为热红外。近红外近红外 (NIR)： 0.71.5m短波红外短波红外 (SWIR)： 1.53 m中波红外中波红外 (MWIR)： 38 m 长波红外长波红外 (LWIR)： 815 m远红外远红外 (FIR)： 大于大于 15m18微波波长范围 1mm到 1m，可进一步划分为若干不同频率 (波长 )的波段： (1GHz=109Hz)P波段：波段： 0.31GHz (30100 cm) L波段：波段： 12GHz (1530 cm) S波段：波段： 24GHz (7.515 cm) C波段：波段： 48GHz (3.87.5 cm) X波段：波段： 812.5GHz (2.43.8 cm) Ku波段：波段： 12.518Ghz (1.72.4 cm) K波段：波段： 1826.5Ghz (1.11.7 cm) Ka波段：波段： 26.540Ghz (0.751.1 cm)19各种电磁波的特点201.2 电磁波谱（ 2）不同点：传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同。共性：传播速度相同遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律都是横波，遵循横波的一切特性212 电磁波辐射源2.1 黑体辐射2.2 黑体辐射定律2.3 一般辐射体和发射率2.4 基尔霍夫定律22黑体：对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于 0。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。 人工制造的接近黑体的吸收体2.1 黑体辐射232.2 黑体辐射的定律2.2.1 普朗克公式2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律2.2.3 维恩位移定律（ Stephen Boltzmann Law）（ Wiens Displacement Law）24描述 黑体辐射通量密度 与 温度 、 波长 分布的关系。2.2.1 普朗克公式h: 普朗克常数 , 6.6260755*10-34 W s2k: 玻尔兹曼常数， k=1.380658*10-23 W sK -1 c: 光速 ; : 波长（ m） ; T: 绝对温度（ K） 25变化特点：(1) 辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2) 温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3) 随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。普朗克公式图示：普朗克公式图示：262.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的 4次方成正比。 含义？ : 斯蒂芬玻尔兹曼常数， 5.6697 0.00297） 10 12 Wcm-2K-4 红外装置测试温度的理论根据。272.2.3 维恩位移定律b : 常数， 2897.8 0.4 m K高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。常温（如人体 300K左右，发射电磁波的峰值波长 9.66 m ）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。282.3 一般辐射体和发射率对于一般物体而言