02遥感的物理基础

遥感技术系统组成 遥感的物理基础第二章 遥感的物理基础n电磁波谱与电磁辐射n太阳辐射及大气对辐射的影响n地球的辐射与地物辐射2.1 电磁波谱与电磁辐射% 地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式 电磁波 。不同的物体具有不同的物质组成和结构 ,由此导致其电磁波谱特征 （特征光谱）不同。% 遥感就是根据地物 电磁波谱特征 来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体 。2.2.1 电磁波谱1.波： 是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 二、电磁波当电磁振荡进入空间，变化的磁场产生变化的电场，变化的电场又激发了斡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是 电磁波 。电场 磁场磁场强度场 电强度传播方向n 实验证明，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、 射线等都是电磁波，只是波源不同，波长（或频率）也各不同。将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的图表叫做 电磁波谱 。 2.电磁波谱各种电磁波的特点 micrometers (mm) 10-6 meters nanometers (nm) 10-9 meters0.38 0.76 3.0 6.0 15.0微米 1 10 100 1000毫米 波长 紫外可见光近红外 中红外 热红外 远红外 毫米波 厘米波 分米波 米波红外波段微波波段遥感技术应用的电磁波谱段0.38 0.43 0.47 0.50 0.56 0.59 0.62 0.76 微米可见光波段n Speed of light = wavelength (l) x frequency = 3 x 108 m/s in vacuumn Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1)n Frequency in GHz (1 Hz = sec 1) 3. 电磁波性质EnergyWavelength l1. 黑体q黑体是个假设的理想的辐射体。它既是完全的吸收体，又是完全的辐射体。1860年 基尔霍夫 “ 好的吸收体也是好的辐射体”注：是一理想的吸收体，在自然界不易找到。（黑色煤烟、恒星与太阳）吸收率反射率2.1.2 黑体辐射二、黑体辐射规律 2. 黑体辐射定律普朗克定律普朗克（ 1900）成功地给出了绝对黑体辐射出射度 （即单位时间、单位面积上发射的辐射能量）绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比 .=5.67*10-8Wm-2K-4,为斯忒藩 玻尔兹曼常数；红外装置测试温度的理论根据。 斯忒藩 玻尔兹曼定律对普朗克公式从零到无穷大的波长范围内积分，得随着温度的增加，辐射能增加是很迅速的。当黑体温度增高 1倍时，其总辐射出射度将增为原来的 16 倍。在这里我们仅强调黑体的发射能量是温度的函数。(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 。黑体辐射光谱中最强辐射的波长 max与黑体绝对温度 T成反比，即：maxT =b其中： b为常数， b=2.898*10-3mK 维恩位移定律维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）n 如当对一块 铁 加热时，我们可以观察到随着铁块的逐渐变热铁块的颜色也从暗红 橙 黄 白色，向短波变化的现象 。n 太阳 的表面温度是 5778K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为 502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点，为黄光。n 通电的 白炽灯 的温度要低数千度，所以白炽灯的辐射光谱偏橙。至于处于 “红热 ”状态的电炉丝等物体，温度要更低，所以更加显红色。黑体辐射的峰值波长与绝对温度温度 T成反比，即温度越高， max 愈小，即向短波方向移动。太阳看作具 6000K的黑体，其辐射的峰值波长 max 0.5m ； 地球表面平均温度为 27( 即 300K) max 9.6 m ； 人体 37( 即 310K) max 9.34 m所以通过记录某物体的 max 处的辐射特性来识别它最为便利 .维恩定律为识别特定物体而设计遥感器的响应波段提供了理论基础。3、地物的发射率和基尔霍夫定律n发射率 (Emissivity )： 地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量） W与同温下的黑体辐射出射度 W黑 的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。n 影响地物发射率的因素 ：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为 1，常数。灰体 (grey body)： 发射率小于 1，常数。选择性辐射体：反射率小于 1，且随波长而变化。n基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量 W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量 W 黑。在给定的温度下，物体的发射率 =吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。2.2 电磁辐射源n 自然界中一切物体在发射电磁波的同时，也被其它物体发射电磁波所辐射。n 遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类，它们之间没有什么原则区别。就象电磁波谱一样，从高频率到低频率是连续的。物质发射的电磁辐射也是连续的。n 自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射。太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源。2.2.1 太阳辐射n 太阳辐射是地球上生物、大气运动的能源，也是被动式遥感系统中重要的自然辐射源。太阳表面温度约有 6000K， 内部温度则更高。n 太阳常数 太阳辐射在大气上界处的垂直入射通量密度。平均太阳常数 1400W/m 2,通过大气到达地面的大气有效辐射通量密度 913W/m22.52.01.01.50.50.50.2 1.0 2.01.5 2.5 3.0大气上界太阳辐照度分布曲线海平面太阳辐照度分布曲线辐射度（KWm-2m-1）波长 m大气上界面和海平面太阳平均辐照度分布曲线绝大部分太阳辐射能分布范围n太阳辐射能主要集中在 0.33m 段，最大辐射强度位于波长 0.47m左右。n由于太阳辐射的大部分能量集中在 0.40.76m 之间的可见光波段，所以太阳辐射一般称为短波辐射。2.2.2 大气和环境对遥感的影响n 传感器在天底方向所接收到的辐射是两次通过大气而受到衰减的太阳辐射： 一次 是太阳辐射从大气外界通过倾斜