第二章 遥感物理基础2

第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础 n 第一节第一节 电磁波谱及有关概念电磁波谱及有关概念n 第二节第二节 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量n 第三节第三节 电磁辐射源电磁辐射源n 第四节第四节 大气对辐射传输的影响大气对辐射传输的影响n 第五节第五节 地物的波谱地物的波谱 04特征特征第一节第一节 电磁波谱及有关概电磁波谱及有关概念念一、电磁波谱及其产生机理一、电磁波谱及其产生机理二、电磁波谱的划分二、电磁波谱的划分三、电磁波谱的特性三、电磁波谱的特性一、一、 电磁波谱及其产生机理电磁波谱及其产生机理（一）电磁波谱的概念（一）电磁波谱的概念（二）电磁波谱的产生的物理机制（二）电磁波谱的产生的物理机制（一）电磁波谱的概念（一）电磁波谱的概念n 电磁波谱电磁波谱 将各种电磁波按其波长的（频率）大将各种电磁波按其波长的（频率）大小，依次排列成图表，这个图表就叫电磁波谱。小，依次排列成图表，这个图表就叫电磁波谱。n 电磁波电磁波 是粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃是粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃迁时产生的，到当粒子从较高能级跃迁到较低能级迁时产生的，到当粒子从较高能级跃迁到较低能级时发射电磁波；反之，吸收电磁波。时发射电磁波；反之，吸收电磁波。n 不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同能量不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同能量，也就是不同波长的电磁波，也就是不同波长的电磁波 。（二）电磁波谱的产生的物理机制（二）电磁波谱的产生的物理机制n 原子光谱原子光谱n 分子光谱分子光谱n 晶体光谱晶体光谱原子光谱原子光谱原子核能级间跃迁原子核能级间跃迁 :n 原子核能级间跃迁能量数量级：原子核能级间跃迁能量数量级：n 产生的光子：产生的光子： 射线射线内层电子能级间跃迁：内层电子能级间跃迁：n 能量数量级：能量数量级：n 产生的光子产生的光子 ： X 射线射线外层电子的跃迁外层电子的跃迁 :能量数量级几至数十能量数量级几至数十n 产生紫外线、可见光和近红外线产生紫外线、可见光和近红外线分子光谱分子光谱n 分子光谱：分子内部的电子运动比原子内部分子光谱：分子内部的电子运动比原子内部的电子运动复杂得多，除了电子跃迁外，还的电子运动复杂得多，除了电子跃迁外，还有分子内原子的振动与整个分子的转动有分子内原子的振动与整个分子的转动n 分子与原子一样也有它特征的分子能级分子与原子一样也有它特征的分子能级图，因此可以产生分子光谱图，因此可以产生分子光谱 。分子光谱分子光谱n 分子的能量分子的能量 E为：为：n E=Ee+Ev+ErEe ： 电子能级的能量，其数量级在电子能级的能量，其数量级在 120eV之间。之间。Ev ： 振动能级的能量，其数量级在振动能级的能量，其数量级在 0.051eV之间之间。Er ： 转动能级的能量，其数量级在转动能级的能量，其数量级在 10-40.05eV之之间。间。H HOOHHOH H =2.738m =2.663m不同的振动方式，产生不同波长的光子不同的振动方式，产生不同波长的光子水蒸汽分子键长不同变化产生不同的水蒸汽分子键长不同变化产生不同的部分振动光谱：部分振动光谱： =6.270m晶体光谱晶体光谱n 晶体中的吸收与发射光谱远比原子与分子复晶体中的吸收与发射光谱远比原子与分子复杂，产生的是连续光谱，其光谱范围大约在杂，产生的是连续光谱，其光谱范围大约在红外区红外区 330m 。二、电磁波谱的划分二、电磁波谱的划分n 波长范围不同的电磁波具有不同的特点。电磁波谱的划分主要波长范围不同的电磁波具有不同的特点。电磁波谱的划分主要是根据不同波长电磁波的特性来进行的。是根据不同波长电磁波的特性来进行的。三、各谱段的特性三、各谱段的特性n 宇宙射线宇宙射线n r 射线射线n x 射线射线n 紫外线紫外线n 可见光可见光n 红外线红外线n 微波微波宇宙射线、宇宙射线、 r 射线、射线、 x 射线射线 n 宇宙射线宇宙射线 波长波长 10-8 um ， 是来自宇宙天体是来自宇宙天体 ,具具有很大能量和贯穿能力的电磁皮，人工还无法能有很大能量和贯穿能力的电磁皮，人工还无法能产生。遥感目前未能用得上的波段。产生。遥感目前未能用得上的波段。n r 射线射线 10-810-6 um, 是能量很高的波段。航是能量很高的波段。航空物探放射性测量所记录的就是由含放射性元素空物探放射性测量所记录的就是由含放射性元素的矿物所辐射出来的射线。的矿物所辐射出来的射线。n x 射线射线 波长波长 10-610-2 um ， 来自宇宙空间的射来自宇宙空间的射线，被大气层全部吸收，不能用于遥感工作。线，被大气层全部吸收，不能用于遥感工作。紫外线紫外线n 波长波长 0.010. um 。n 波长小于波长小于 0.28 um的紫外线，被臭氧层及其它成的紫外线，被臭氧层及其它成份吸收。份吸收。n 只有波长只有波长 0.280.38 um的紫外线，能部分穿地的紫外线，能部分穿地大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，并使感光材料所感应，可作为遥感工作波段，并使感光材料所感应，可作为遥感工作波段，称为称为 摄影紫外摄影紫外 。现已开始用于监测气体污染及。现已开始用于监测气体污染及水体的油污染水体的油污染 。n 波长波长 0.380.76umn 是人眼可见，可以用棱镜分解为红、橙、黄、绿、青、蓝是人眼可见，可以用棱镜分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光、紫七种色光 ;n 在太阳辐射能中所占比例高；在太阳辐射能中所占比例高；n 能透过大气层；能透过大气层；n 而地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性而地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性 ,故故信息量最大；信息量最大；n 可用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。可用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。n 可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前分辨能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。分辨能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。可见光可见光红外线红外线n 波长波长 0.76 1000(um) 。 可分为可分为 近红外近红外 （ 0.76 3 ），），中红外中红外 （ 3 6 ），）， 远红外远红外 （ 6 15 ），）， 超远红外超远红外 （ 15 1000 ） 波段波段n 近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射，故又称近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射，故又称 反射反射红外红外 。n 其中靠近可见光红光的其中靠近可见光红光的 0.76 1.3 波段可使胶片感光，波段可使胶片感光，故又称故又称 摄影红外摄影红外 。n 而中远红外是地表物体发射的红外线，故称而中远红外是地表物体发射的红外线，故称 热红外热红外 。热。热红外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成象。红外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成象。n 红外是一个很有发展潜力的遥感波段。红外是一个很有发展潜力的遥感波段。微波微波n 波长波长 1mm1m 。 是一个很宽的波段。可分为毫米波（是一个很宽的波段。可分为毫米波（110 毫米）、厘米波（毫米）、厘米波（ 110cm ） 和分米波（和分米波（ 110分米）。分米）。n 微波的特点是能穿透云雾和一定厚度的植被、冰层微波的特点是能穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和土壤，可获得其它波段无法获得的信息；和土壤，可获得其它波段无法获得的信息；n 可精确定位可精确定位n 具有全天候的工作能力；具有全天候的工作能力；n 可以主动和被动方式成像。可以主动和被动方式成像。n 因此在遥感技术上是很有潜力的一个波段。因此在遥感技术上是很有潜力的一个波段。第二节第二节 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 辐射能量辐射能量 Q 辐射通量辐射通量 (radiant flux) 辐射通量密度辐射通量密度 (辐照度）辐照度） (irradiance) E、(radiant exitance) M 辐射强度辐射强度 (radiant intensity) I 辐射亮度辐射亮度 (radiance) L 分谱辐射通量分谱辐射通量辐射能量辐射能量 Q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 改变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辐射能量（辐射能量（ Q） 的单位是焦耳（的单位是焦耳（ J）1/11辐射通量辐射通量 (radiant flux) 在单位时间内通过的辐射能量称为辐射在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量：通量：=dQ/ dt辐射通量（辐射通量（ ） 的的 单位是瓦特单位是瓦特 =焦耳焦耳 /秒秒（ W=J/S ）2/11辐射通量密度辐射通量密度 (irradiance) E、 (radiant exitance) M单位面积上的辐射通量称为单位面积上的辐射通量称为 辐射通量密度辐射通量密度 。自放射面射出的辐射。自放射面射出的辐射通量密度为辐射度（通量密度为辐射度（ radiant exitance），）， 也称也称 辐出度辐出度 ；到达接收；到达接收面上的辐射通量密度称为辐照度（面上的辐射通量密度称为辐照度（ irradiance）：）：E=d / dA M=d / dA辐射通量密度辐射通量密度 的的 单位是瓦单位是瓦 /米米 （ W/m ）辐射源辐射源辐照度辐照度 辐辐射射出出射射度度被被 辐照物辐照物辐射体辐射体法向法向3/11辐射强度辐射强度 (radiant intensity) I辐射强度是描述辐射强度是描述 点辐射源点辐射源 的辐射特性的，指的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量：在某一方向上单位立体角内的辐射通量：I=d / d 辐射强度（辐射强度（ I） 的的 单位是瓦单位是瓦 /球面度（球面度（ W/Sr ）辐射强度辐射强度点点 辐射源辐射源=A/R2、 4 各向同性源？各向同性源？4/11分谱辐射通量分谱辐射通量辐射通量是波长辐射通量是波长 的函数，的函数， 单位波长间隔内单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射通量：的辐射通量称为分谱辐射通量： = d / d 分谱辐射通量分谱辐射通量 的的 单位是瓦单位是瓦 /微米（微米（ W/ m）1- 2间隔内的间隔内的 (1- 2)? 总辐射通量总辐射通量 ？辐辐射射通通量量波长波长5/11分谱？分谱？分谱辐射通量分谱辐射通量分谱辐照度、分谱辐射出射度分谱辐照度、分谱辐射出射度分谱辐射强度分谱辐射强度“分谱分谱 ”两字可以忽略两字可以忽略6/11辐射亮度辐射亮度 (radiance) L单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度：通量称为辐射亮度：L= / A 辐射亮度（辐射亮度（ L） 的的 单位是瓦单位是瓦 / 米米 微米微米 球面度球面度（ W/m m Sr）通量通量 面辐射源面辐射源 立体角立体角A 图中出射辐射亮度是多少？图中出射辐射亮度是多少？6/11小小 结结辐辐 射射 度度 量量 一一 览览 表表辐辐 射量射量 符号符号 定定 义义 单单 位位辐辐 射能量射能量 Q 焦耳焦耳 (J)辐辐 射通量射通量 d Q/ dt( ) 瓦瓦 (W)辐辐 照度照度 E d / dA 瓦瓦 /米米 (W/m )辐辐 射出射度射出射度 M d / dA 瓦瓦 /米米 (W/m )辐辐 射射 强强 度度 I d / d 瓦瓦 /球面度球面度 (W/Sr)辐辐 射亮度射亮度 L 2 / A 瓦瓦 /米米 球面度球面度 (W/m Sr)分分 谱辐谱辐 照度照度 E dE/d 瓦瓦 /米米 微米微米 (W/m um)分分 谱辐谱辐 出度出度 M dM/d 瓦瓦 /米米 微米微米 (W/m um)分分 谱辐谱辐 亮度亮度 L dL/d 瓦瓦 /米米 球面度球面度 微米微米 (W/m Sr um)7/11基本辐射量总结：基本辐射