遥感物理教学课件 第一章 基本概念 第一节 基本定义

第一章第一章 基本概念基本概念遥遥 感感 物物 理理第一节第一节 基本定义基本定义 1.1.1 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量1.1.2 电磁波与介质的相互作用电磁波与介质的相互作用1.1.3 物体表面的反射特性物体表面的反射特性 1.1.4 遥感数据定标遥感数据定标辐射能量辐射能量 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）1/13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：=Q/ t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 ）2/13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辐射通量密度：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：E辐照度辐照度 = / A M辐出度辐出度 = / A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 ）辐射源辐射源辐射照射度辐射照射度 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3/13辐射强度辐射强度 (radiant intensity) I辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，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= / 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？4/13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： = / 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5/13分谱？分谱？分谱辐射通量分谱辐射通量分谱辐照度、分谱辐出度分谱辐照度、分谱辐出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6/13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）亮度亮度 L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？7/13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 (2) Q/ t( ) 瓦瓦 (W)辐辐 照度照度 E (2) / A ( ) 瓦瓦 /米米 (W/m )辐辐 出度出度 M (2) / A ( ) 瓦瓦 /米米 (W/m )辐辐 射射 强强 度度 I (2) / ( ) 瓦瓦 /球面度球面度 (W/Sr)辐辐 射亮度射亮度 L 2(3) / A ( ) 瓦瓦 /米米 球面度球面度(W/m Sr)8/13太阳辐射太阳辐射太阳发射的电磁辐射（辐照度）在地球大气太阳发射的电磁辐射（辐照度）在地球大气顶层随波长的分布称为顶层随波长的分布称为 太阳光谱太阳光谱 。极大值位于极大值位于 0.47m， 维恩位移定律维恩位移定律 maxT=2.897810-3mK， 色温色温 Tsun?9/13Wiens displacement law夫琅和费夫琅和费(Fraunhofer)吸收线吸收线太阳常数太阳常数在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数。位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数。F0 = 1353(21) W/m 2 (1976, NASA)上式中太阳常数是对太阳光谱的积分。太阳对地球的张角很小上式中太阳常数是对太阳光谱的积分。太阳对地球的张角很小 (界面界面粗糙度），则反射是镜粗糙度），则反射是镜面的。面的。i rtn1n23/17根据菲涅耳公式（此处省略），当根据菲涅耳公式（此处省略），当 i+t=/2时，垂时，垂直极化波出现零反射点，即反射波中没有垂直极直极化波出现零反射点，即反射波中没有垂直极化的偏振波，因此用镜面反射的方法可以得到线化的偏振波，因此用镜面反射的方法可以得到线偏振波束。此时的入射角称为起偏角，又称为布偏振波束。此时的入射角称为起偏角，又称为布儒斯特（儒斯特（ Brewster）角：）角： p = tan-1(n2/n1) 4/17若入射辐射无偏振，反射辐射通常是偏振的。若入射辐射无偏振，反射辐射通常是偏振的。水水 与与 空气间的相对折射率空气间的相对折射率 n2/n1=1.3， 对应的布儒斯特角约为？对应的布儒斯特角约为？漫反射漫反射实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗糙表面。当目标物的表面足够粗糙，以致于它糙表面。当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的中心的中心的 2空间中呈常数，即反射辐射亮度不随空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦观测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。漫反射又称朗伯称朗伯体。漫反射又称朗伯 (Lambert)反射，也反射，也称各向同性反射。称各向同性反射。严格讲自然界中只存严格讲自然界中只存在近似意义下的朗伯在近似意义下的朗伯体。只有黑体才是真体。只有黑体才是真正的朗伯体。正的朗伯体。5/17回忆辐射亮度：回忆辐射亮度： L= / A 关于天顶角关于天顶角 在表述辐射中的作用：在表述辐射中的作用：若辐射亮度为若辐射亮度为 L0的辐射，以入射角的辐射，以入射角 0， 辐射到物体表面，辐射到物体表面，则入射辐射亮度则入射辐射亮度 Li为：为： L i= L0cos0设朗伯体反射率为设朗伯体反射率为 ， 则出射辐射亮度则出射辐射亮度 Lr与与 L0关系为？关系为？亮度与通量的关系？亮度与通量的关系？0 6/17方向反射方向反射介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射，介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射，也称非朗伯反射。产生方向反射的物体在自然界也称非朗伯反射。产生方向反射的物体在自然界中占绝大多数，即它们对太阳短波辐射的散射具中占绝大多数，即它们对太阳短波辐射的散射具有各向异性性质。当遥感应用进入定量分析阶段有各向异性性质。当遥感应用进入定量分析阶段，我们必须抛弃，我们必须抛弃 “目标是朗伯体目标是朗伯体 ”的假设。的假设。目前大部分应用还都采用目前大部分应用还都采用朗伯近似。朗伯近似。描述方向反射不能简单用描述方向反射不能简单用反射率表述，因为各方向反射率表述，因为各方向的反射率都不一样。的反射率都不一样。7/17地物波谱特征与方向谱特征地物波谱特征与方向谱特征 对非朗伯体而言，它对太阳短波辐射的反射、散射对非朗伯体而言，它对太阳短波辐射的反射、散射能力不仅随波长而变，同时亦随空间方向而变。能力不仅随波长而变，同时亦随空间方向而变。所谓地物的波谱特征是指该地物对太阳辐射的反射所谓地物的波谱特征是指该地物对太阳辐射的反射、散射能力随波长而变的规律。地物波谱特征与地、散射能力随波长而变的规律。地物波谱特征与地物的组成成份，物体内部的结构关系密切，通俗讲物的组成成份，物体内部的结构关系密切，通俗讲地物波谱特征也就是地物的颜色特征。地物波谱特征也就是地物的颜色特征。而地物的方向特征是用来描述地物对太阳辐射反射而地物的方向特征是用来描述地物对太阳辐射反射、散射能力在方向空间变化的，这种空间变化特征、散射能力在方向空间变化的，这种空间变化特征主要决定于两种因素，其一是物体的表面粗糙度，主要决定于两种因素，其一是物体的表面粗糙度，它不仅取决于表面平均粗糙高度值与电磁波波长之它不仅取决于表面平均粗糙高度值与电磁波波长之间的比例关系，而且还与视角关系密切。间的比例关系，而且还与视角关系密切。 8/17双向反射率分布函数双向反射率分布函数 (Bi-directional ReflectanceDistribution Function, BRDF) 设波长为设波长为 ， 空间具有空间具有 分布函数的入射辐射，从分布函数的入射辐射，从 (0， 0) 方向，方向，以辐射亮度以辐射亮度 L0 (0， 0， )投射向