ch2电磁波与遥感物理基础_图文

2.1、 电磁波与电磁波谱2.2、 物体的电磁波特性（一）物体的发射 辐射 特性（二）物体的反射辐射特性2.3 地物波谱特性的测定第二章 电磁波及遥感物理基础2.1、电磁波与电磁波谱2o 电磁辐射产生于各种形式的能量（机械能、化学能、热能、电能、磁能、核能）o 凡是温度高于绝对零度（ -273.16摄氏度 )的物体都发射电磁波，波长由物质内部状态的变化决定电磁波的特性o 电磁波是 横波o 电磁波具有 波粒二象性电磁波的来源 -电磁振源电磁波谱把各种电磁波（包括无线电波、微波、红外波、可见光、紫外线、 x射线、伽玛射线等）按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。3遥感中所用的电磁波段：微波、红外波、可见光 为什么遥感系统很少用紫外波段呢？ 传感器通过探测或感测不同波段电磁波谱的发射、反射辐射能级而成像的，电磁波的存在是获取图像的物理前提。根据不同的目的选择不同的波谱段。电磁辐射的度量：几个概念 辐射能量：电磁波辐射的能量 焦 辐射通量：单位时间内通过某一表面的辐射能量。焦 /秒，瓦 辐射出射度 ：面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量。即物体单位面积上发出的辐射通量。瓦 /平方米 辐射照度 ：面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收的辐射能量。即照射到物体单位面积上的辐射通量。瓦 /平方米 辐射强度：点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量。即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量。瓦 /球面度7立体角球面上一块截得的面积同球面半径平方的比值 球面面积为 上半球面或者下半球面的球面度 辐射亮度：面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量。即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量。瓦 /平方米 *球面度2.2 物体的电磁波特性 物体的发射辐射 地物的辐射波谱 热红外遥感的理论基础 物体的反射辐射 地物的反射波谱 可见光和近红外遥感的理论基础 物体的微波后向散射辐射 地物的后向散射波谱 微波遥感的理论基础910（一）物体的发射辐射（一）物体的发射辐射宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、一定厚度的大气层、人造飞行器、地球及地球上各种生物、非生物都是热辐射源。为了便于讨论一般物体的热辐射性质，需要有一个理想的标准热辐射体作为参照源，这个参照源就是绝对黑体。一般物体的发射率小于绝对黑体的发射率，因而，物体的辐射温度小于它的实际温度。为了求出一般物体的辐射温度，必须采用与绝对黑体进行比较的方法。111、 黑体辐射2、 实际地物的发射辐射（一）物体的发射辐射1.黑体辐射黑体是一种理想的辐射体。能够完全吸收任何波长入射能量的物体，称为黑体。黑体是一种理想的辐射体，在自然界里则很难找到。自然界里有些物质的性质接近黑体，如黑色的烟煤、恒星和太阳等。12黑体辐射定律普朗克定律：13其中： h为普朗克恒量K为波耳兹曼常数普朗克定律表明：黑体的单色辐射出射度是温度和波长的函数。普朗克定律表明：黑体的单色辐射出射度是温度和波长的函数。 14不同温度黑体的辐射度曲线15得出黑体辐射的三个特性：-斯忒藩 -波耳兹曼常数：（ 1）斯忒藩 -波耳兹曼定律：对普朗克公式积分得特性特性 1：总辐射通量密度：总辐射通量密度 W随温度随温度 T的增加而迅速增加的增加而迅速增加16（ 2）维恩位移定律 ：为分谱辐射通量密度曲线的峰值所对应波长；b为常数 2898m.k 。特性特性 2：分谱辐射通量密度的峰值波长随温度的：分谱辐射通量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。（思考）增加向短波方向移动。（思考）特性特性 3：每根曲线彼此不相交：每根曲线彼此不相交2.实际地物的发射辐射 发射率 太阳辐射与大气窗口 地球辐射 地物的辐射波谱特性17（ 1）发射率18为无量纲纯数根据发射率可将实际地物分为三类：（ 1）黑体（ 2）灰体（ 3）选择性辐射体发射率随波长 变化而变化。（ 2）太阳辐射与大气窗口 19太阳辐射大气层对太阳辐射的作用大气窗口大气透射的定量分析20被动遥感最主要的辐射源太阳辐射接近 6000K的黑体辐射，能量集中在 0.32.5微米的波段之间。太阳常数：不受大气影响， 距太阳一个天文单位，垂直太阳光入射方向上，单位时间单位面积黑体所接受的太阳辐射能量。 I太阳光谱太阳辐射2122大气层次结构与成分大气层对太阳辐射的作用吸收作用散射作用反射作用折射作用大气层对太阳辐射的作用23大气层次结构与成分大气层次结构与成分大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度和大气湿度。它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，所以在研究大气效应问题时可以假定大气具有水平均一、垂直的分层结构。对流层 ：（ 012KM）温度、密度、气压随高度的增加而降低，空气明显垂直对流，上界随季节和温度而变化。 平流层 ：（ 1280KM），空气密度继续随高度增加而降低，几乎没有对流和天气现象。其中 2530KM处，臭氧含量较大，为臭氧层。电离层 ：（ 801000KM）， 空气稀薄，分子被太阳辐射作用而电离成离子和自由电子状态。该层对无线电波可全反射。外大气层 （ 1000KM以外的大气层）， 大气厚度一般认为约 1000KM。24大气成分大气是由多种 气体 及 气溶胶 所组成 的混合物大气的气体成份可分为常定成份和可变成份两部分25 吸收作用 主要是气态分子的吸收。可使电磁辐射的能量衰减。大气上层臭氧的存在，对小于 的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，很少存在波长小于 的短波辐射。对电磁波 传播 起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧、二氧化碳、甲烷和水汽。大气吸收的影响：主要是造成遥感影像暗淡，由于大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段遥感中很少用到紫外线波段。大气层对太阳辐射的作用26大气在 015 波长的吸收27 散射作用 主要是气体分子和气溶胶的散射 散射是由于电磁辐射与物质相互作用导致部 分能量再辐射到其他方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰减。 与吸收作用不同的是，散射并未引起能量的损失，而只是导致能量在其他方向上重新分配 。影响：强度不大，从遥感数据角度分析，太阳辐照到地面影响：强度不大，从遥感数据角度分析，太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光。这二次影响增加了到的能量除了反射光还增加了散射光。这二次影响增加了信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。28Rayleigh散射u 是气态分子的散射u当气体分子的尺度远小于光波的波长时会发生 Rayleigh散射。uRayleigh散射属于小颗粒散射。u 散射光强度与波长的 4次方成反比，由此可以解释天空为什么呈蓝色。29Mie 散射u云滴、气溶胶的散射。u当颗粒的直径与入射光的波长相当时，往往发生 Mie散射。uMie散射是强烈的前向散射。u属于大颗粒散射。大颗粒散射的特征： 电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒内部。 由于颗粒的尺寸与波长相当，所以颗粒的不