02-遥感的物理基础

遥感技术应用 遥感的物理基础遥 感 技 术 应 用=遥感的物理基础 =第 二 讲遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 2本讲的主要内容 目的和要求 理解电磁辐射的特点及其度量概念 知道电磁波谱及遥感中常用的电磁波谱段 了解黑体辐射辐射的规律 了解太阳辐射和地球辐射的特点 重点 电磁波谱，遥感中常用的电磁波谱段 太阳辐射和地球辐射的特点 难点 黑体辐射的规律遥感技术应用 遥感的物理基础电磁辐射和黑体辐射 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 4电磁波 电磁波（电磁辐射）：电磁振荡在空间中的传播遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 5电磁波 电磁辐射的描述 波模型：波长 、频率 与光速 c的关系c 或 c/ 质点（量子，光子）模型：量子的能量E=hf=hc/ （ h为普朗克常数）遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 6电磁波 电磁波的性质 电磁波入射到物体表面时会发生反射、吸收、透射等现象，并遵循同一规律。 反射、吸收、透射的能量之和等于入射总能量入射总能量 = 反射能量 + 吸收能量 + 透射能量遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 7电磁波 几个概念遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 8电磁辐射的度量 辐射能量（ W ） 电磁辐射的能量，单位： J； 辐射通量（ ） 单位时间内通过某一面积的辐射能量， =dw/dt，单位是 W； 辐射通量密度（ E） 单位时间内通过单位面积的辐射能量， E=d/ds，单位为 W/m2； 辐照度（ I） 被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量， I=d/ds,单位是 W/m2； 辐射出射度（ M） 辐射源物体表面单位面积上的辐射通量， M=d/ds,单位是 W/m2; 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 9电磁波谱 将电磁波按波长或频率大小顺序排列而成的图表遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 10各种电磁波的特点遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 11遥感与电磁波谱 Gamma ray 0.03nm。波长短，频率高，穿透能力强 来自太阳的 Gamma射线完全被高层大气吸收，不能用于遥感 X-ray 0.03 3nm,穿透能力较强 全部被大气吸收，不能用于遥感 紫外线（ Uitraviolet,UV） 3nm 0.38um 波长 0.3到 0.38um的紫外线可用胶片或光电探测器探测，称为摄影紫外，多用于监测大气污染 可见光 0.38um 0.76um 遥感常用波段遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 12 红外线 （ Infrared,IR） 0.76um 1000um， 遥感常用波段 按波长分为 近红外（ 0.76-3.0） ,反射红外，摄影红外（ 07-1.3） 中红外（ 3.0-6.0） 远红外（ 6.0-15） 超远红外（ 15-1000） 微波 0.1cm 100cm， 遥感常用波段 能穿透云雾 能全天候、全天时进行 分辨力低 无线电波 用于通信和广播热红外 主要探测波段遥感中常用的电磁波谱段包括 可见光，红外和微波 波段遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 13黑体辐射 绝对黑体 （ Blackbody） 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则该物体是绝对黑体。 黑体对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于 0绝对黑体的吸收率为 1，反射率 0，透射率 0，与温度和波长无关，达到最大的吸收，最大的发射。遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 14自然界不存在绝对黑体，黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体，试验中的黑体是人工方法制成的。实际物体的温度不同或入射电磁波的波长不同，都会导致不同的吸收和反射。 人工制造的接近黑体的吸收体遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 15人工黑体遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 16黑体辐射规律 斯忒藩 -玻尔兹曼定律 维恩位移定律遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 17斯忒藩 -玻尔兹曼定律 斯忒藩定律 黑体的全部发射辐射（ W,即辐射度）与其绝对温度（ T ）的四次方成正比W=T4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:斯忒藩 玻尔兹曼常数， 5.6710 8 W/m2K4 红外装置测温的理论根据遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 18维恩位移定律 维恩位移定律 ：黑体的最大辐射率的波长（ max）与它的绝对温度（ T）成反比，即 max=b/T（ b为常数 ,2.898x10-3mk）可见， 当物体的温度升高时，发射辐射中占优势的波长移向光谱的 短波 一端太阳 6000K 0.5um地球 300K 9.6um针对探测目标，选择最佳的遥感波段和传感器。遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 19基尔霍夫定律 表现了实际物体的辐射出射度 M与同一温度、同一波长绝对黑体辐射出射度 M0的关系 给定温度下，任何地物发射率等于吸收率 。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。为比辐射率或发射率 遥感技术应用 遥感的物理基础太阳辐射 和 地球辐射 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 21太阳辐射 太阳是被动遥感最主要的辐射源 太阳常数 （ solar constant） 是指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量， I0=1.360103W/m2 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 22 太阳光谱 太阳的光谱通常光球产生的光谱，光球发射的能量大部分集中于可见光波段 太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 23地球的辐射 除了 太阳 以外，遥感探测中 被动遥感的辐射源 还有 地球 太阳辐射和地球辐射的分段性 太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即 0.3-2.5m，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。 地球自身发出的辐射主要集中在波长较长的部分，即 6m以上 的热红外区段。 在 2.5-6m的中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 24 地表自身热辐射 由地表物体发射的电磁波一般为热辐射 由比辐射率、温度、波长决定 M(， T)=(， T)*M0(， T) (M=*M0, 基尔霍夫定律 )公式中的温度指地表面的温度，而这一温度与地面以上和地下深部的温度不同，同时还随着一天内时间的变化和季节的变化而变化。所以在测量中常用红外辐射计来探测地表物体的温度。 在温度一定的情况下，物体的比辐射率随波长变化。 比辐射率 （发射率）波谱特性曲线 的形态特征可以反映地面物体本身的特性，包括物体本身的组成和温度、表面粗糙度等物理特性有关。特别是曲线形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体。尤其是在夜间，太阳辐射消失后，地面发出的能量以发射光谱为主，探测其红外辐射及微波辐射并与同样温度条件下的比辐射率（发射率）曲线比较， 是识别地物的重要方法之一 。 遥感技术应用 遥感的物理基础* 邱永红 25本讲小结 目的和要求 理解电磁辐射的特点及其度量概念 知道电磁波谱及遥感中常用