遥感的物理基础2

第二章 遥感的物理基础本章主要内容电磁波与电磁波谱大气和环境对遥感的影响地物的光谱特性第一节 电磁波与电磁波谱v电磁波及其特性v电磁波谱v电磁辐射源v黑体辐射一、电磁波及其特性 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。演示 电磁波 是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理 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。 电磁波的特性p电磁波是横波p在真空中以光速传播p满足：频率与波长的乘积是光速能量等于普朗克常数 h与频率 f的乘积p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。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。二、电磁波谱 电磁波谱 ： 将各种电磁波在真空中的波长或频率,递增或递减排列，则构成了电磁波谱。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。遥感原理The Electromagnetic SpectrumMore than meets the eye!遥感原理Examples from Space! 射线射线 X 射线射线 紫外线紫外线 可见光可见光 红外线红外线 微波微波 无线电波无线电波遥感原理Wavelength The distance from one wave crest to the next Radio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest 。遥感原理Wavelength unitsMeters （ 米）More commonly in nanometers (1 nm = 10 -9 meters) Angstroms （ 埃）Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths1 nanometer = 10 Ao Speed of light = wavelength (l) * frequency = 3 x 108 m/s in vacuum Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1) Frequency in GHz (1 Hz = sec 1) Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumEnergyWavelength lSolar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mmCO2 H2OO3Terrestrial Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum = Thermal Spectrum: Sahara Desert on Nimbus 4 SatelliteTheoretical Planck curves:Earth 300K, peak emission 15 mmEarth SpectrumIncoming from Sun:High energy、 short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 mm10 mm20 mmElectromagnetic SpectrumHigh energyShort wavelength / high frequencyEmitted at high TSunEarth紫外线 (UV)： 0.01-0.4m ， 碳酸盐岩分布、水面油污染 ,摄影紫外。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 ,摄影和扫描方式。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（摄影红外 )；中红外和远红外又称热红外 (扫描方式 )。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。2、 遥感常用的电磁波波段的特性三、电磁辐的度量 辐射源1)自然辐射源太阳辐射 ： 是可见光和近红外的主要辐射源；常用 6000的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中 -短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。地球的电磁辐射 ： 小于 3 m 的波长主要是太阳辐射的能量；大于 6 m 的 波长，主要是地物本身的热辐射； 3-6 m 之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。太阳辐射照度分布曲线太阳光谱相当于太阳光谱相当于 6000 K的黑体辐射；的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中中 0.38 0.76 m的可见光能量占太阳的可见光能量占太阳辐射总能量的辐射总能量的 46%，最大辐射强度位于，最大辐射强度位于波长波长 0.47 m左右；左右；到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在 0.3 3.0 m波段，包括近紫外、可见光、近波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。太阳与地球辐射的电磁波谱2)人工辐射源 ：主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。 微波辐射源 ： 0.8-30cm 激光辐射源 ： 激光雷达 测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。2 辐射测量辐射测量 表征电磁辐射的物理量：表征电磁辐射的物理量：1)辐射能量辐射能量 WW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辐射能量（辐射能量（ Q） 的单位是焦耳（的单位是焦耳（ J）E=h.f h为普朗克常数，为普朗克常数， 6.63*10-34J/sF为频率。为频率。1/112)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：=W/ 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 ）2/113)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 = W / A M辐射出射度辐射出射度 = / 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 ）辐射源辐射源辐照度辐照度 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3/114)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？4/115)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）通量通量 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？6/11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 w 焦耳焦耳 (J)辐辐 射通量射通量 (2) w/ t( ) 瓦瓦 (W)辐辐 照度照度 E (2) / s ( ) 瓦瓦 /米米 (W/m )辐辐 射出射度射出射度 M (2) / s ( ) 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/