2、遥感的物理基础

遥感与信息技术遥感与信息技术第二章 遥感的物理基础本章主要内容 电磁波与电磁波谱 地物的光谱特性 大气和环境对遥感的影响遥感与信息技术遥感与信息技术第一节 电磁波与电磁波谱一、电磁波及其特性1. 波的概念 ： 波是振动在空间的传播。2. 机械波： 声波、水波和地震波3. 电磁波（ ElectroMagnetic Spectrum )由振源发出的电磁振荡在空气中传播。遥感与信息技术遥感与信息技术一、电磁波及其特性n 电磁波 是通过电场和磁场之间相互联系传播的n 电磁辐射 :这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。遥感与信息技术遥感与信息技术一、电磁波及其特性 电磁波的特性 电磁波是横波 在真空中以光速传播 电磁波具有 波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。遥感与信息技术遥感与信息技术一、电磁波及其特性v 波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性v 粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。 电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性v 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。遥感与信息技术遥感与信息技术一、电磁波及其特性7、几个基本概念辐射能量 (Radiant Energy W)： 以电磁波形式传送的能量，单位为 J(焦耳 ).辐射通量 (Radiant Flux， ): 单位时间内传送的辐射能量， dW dt，单位为 w(瓦 ) t为时间；辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或辐射通量的积分值。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 dt，单位为 w m2，。辐射强度 (Radiant Intensity,I)： 在单位立体角、单位时间内，从点辐射源向某方向辐射的能量， I d dw，单位为 w sr(瓦球面度 ),W为立体角。遥感与信息技术遥感与信息技术二、电磁波谱 电磁波谱 ：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表 。在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是 射线电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。遥感与信息技术遥感与信息技术二、电磁波谱UM： 纳米 M： 微米 MM： 毫米 CM： 厘米 M： 米 KM： 千米 遥感与信息技术遥感与信息技术二、电磁波谱2、遥感常用的电磁波波段的特性 紫外线 (UV)： 0.01-0.4m ， 碳酸盐岩分布、水面油污染。 可见光： 0.4-0.76 m ， 鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。 红外线 (IR) ： 0.76-1000 m 。 近红外 0.76-3.0 m 中红外 3.0-6.0 m ； 远红外 6.0-15.0 m； 超远红外 15-1000 m 。（ 近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。 微波： 1mm-1m。 全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。遥感与信息技术遥感与信息技术三、电磁辐射源辐射源 :能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。人工辐射源 人为发射，如雷达（微波雷达辐射 源，激光雷达辐射源）自然辐射源太阳辐射 可见光及近红外遥感的 重要辐射源地球电磁辐射 远红外遥感的辐射源遥感与信息技术遥感与信息技术第二节 地物的光谱特性 一、地物的发射光谱特性 二、地物的反射光谱特性 三、地物的透射光谱特性遥感与信息技术遥感与信息技术光谱特性： 任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为地物的光谱特性。遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性定义： 地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。1、 黑体 ：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于 1（ 100%）的物体。2、 黑体辐射 (Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性n 黑体辐射定律 :n 普朗克 (plank)热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。W ( 、 T):绝对黑体发射的单位波长的辐射能量密度 (W/M2.um)C:光速 C=3108M/Sh:普朗克常数 h=6.6310-34J.SK:波尔兹曼常数 K=1.3810-23J/KT:黑体的绝对温度遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性黑体辐射的三个特性黑体辐射的三个特性 辐射通量密度随辐射通量密度随波长连续变化，波长连续变化，每条曲线只有一每条曲线只有一个最大值。个最大值。 温度越高，辐射温度越高，辐射通量密度越大，通量密度越大，不同温度的曲线不同温度的曲线不同。不同。 随着温度的升高随着温度的升高，辐射最大值所，辐射最大值所对应的波长向短对应的波长向短波方向移动。波方向移动。遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性(2)玻耳兹曼定律 ( Stefan-Boltzmanns law )即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。(3)维恩位移定律维恩位移定律 (Wiens displacement law) 随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。长向短波方向移动。遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性4、 地物的发射率和基尔霍夫定律 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。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。遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性n 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。遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性 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，物体的发射率在给定的温度下，物体的发射率 =吸收率（同一波段）；吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。吸收率越大，发射率也越大。地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。构成了红外遥感的理论基础。遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性5、黑体的微波辐射 任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。 瑞里 金斯公式遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。平方成反比。微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别微波波段中则容易识别遥感与信息技术遥感与信息技术一、地物的发射光谱特性6、地物的发射光谱 发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。 发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。亮度温度：衡量地物辐射特征的重要指标。指某物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。遥感与信息技术遥感与信息技术问题 1、维恩位移定律表明绝对黑体的 和 的乘积是常数 2897.8。当绝对黑体的温度增高时，它的辐射峰值波长向 方向移动。 2、根据普朗克热辐射定律，绝对黑体辐射通量密度是 和 的函数。 3、假定恒星表面的辐射遵循黑体辐射规律。如果测得北极星表面辐射波谱的最强波长为max=0.35m，则北极星每平方米表面积上所发射出的功率为 。（ b=2.89810-3mK， 5.6710-8Wm-2K-4） 4、黑体的性质是吸收率为 ，反射率为 。 遥感与信息技术遥感与信息技术 对于绝对黑体，其 （ ）A. 反射率等于 1 ，吸收率等于 0 B. 反射率等于 1 ，吸收率等于 1C. 反射率等于 0 ，吸收率等于 0 D. 反射率等于 0 ，吸收率等于 1 自然界的一切物体均发射红外线，其发射能力取决于其温度的大小。（ ） 微波遥感与红外遥感一样都是全天时遥感。（ ） 热红外遥感不能在夜晚进行。（ ） 黑体辐射通量密度是温度和波长的函数，温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的光谱曲线不同。（ ） 物体的温度越高，则其辐射的电磁波能量越强，波长越长。 （ ） 遥感与信息技术遥感与信息技术 震动的传播称为波，电磁波是典型的横波（ ） 任何物体都是辐射源。不仅能吸收其它物体对它的辐射，也能够向外辐射。（ ） 绝对黑体则是吸收率 和反射率 恒为 1，与物体的温度和电磁波波长无关。 （ ） 没有显著的选择吸收，吸收率虽然小于 1，但基本不随波长变化，这种物体叫灰体。 （ ）遥感与信息技术遥感与信息技术二、地物反射光谱特征地物反射光谱特征： 对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。 地物的反射光谱： 地物的反射率随入射波长变化的规律 。 地物的反射三种形式： 镜面反射 漫反射 方向反射遥感与信息技术遥感与信息技术二、地物反射光谱特征镜面反射反射有方向性，即：反射角等于入射角漫反射在物体的各个方向都有反射（这种表面称 朗伯面 ）方向反射某一方向反射特别强遥感与信息技术遥感与信息技术 地物的反射率 （反射系数或亮度系数）： 地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。 影响地物反射率大小的因