第2章 遥感的物理基础

第二章 遥感物理基础2本章内容1. 电磁波谱与电磁辐射2. 太阳辐射和地球辐射3. 地球辐射与地物波谱31.电磁波谱与电磁辐射 遥感机理： 遥感是利用 传感器 主动或被动地接受地面目标反射或发射的 电磁波 ，通过电磁波所传递的信息来识别目标，从而达到探测目标物的目的。41.电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射一、电磁波及其传输特性电磁波的产生电磁波是 变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。 射线、 X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。电磁波是 横波 ，质点的震动方向与波的传播方向垂直 。真空中以光速传播。5一、电磁波及其传输特性一、电磁波及其传输特性电磁波示意图E 电场， M 磁场， C 传播方向6电磁波特性电磁波特性波动性1860年麦克斯韦（ C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振等。粒子性1900年 ,普朗克（ Max.Planck)提出了辐射的量子论； 1905年，爱因斯坦（ Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的反射、吸收、散射。因此，电磁波具有 波粒二象性7波粒二向性波粒二向性麦克斯韦（ 1831-1879）普朗克（ 1858-1947）爱因斯坦（ 1879-1955）8（二）电磁波的性质（二）电磁波的性质遇到介质（气体、液体、固体）时，会发生下列现象：反射： 镜面反射：入射角等于反射角 漫反射：反射向四面八方折射：射入介质，折射角一般不等于入射角吸收：部分被介质吸收透射：从入射延伸方向射出介质发射：自身向外辐射能量9（二）电磁波的性质（二）电磁波的性质电磁波与物体间的相互作用10（二）电磁波的性质（二）电磁波的性质入射的总能量 =反射 +吸收 +透射反射率 =（反射能量 /入射总能量） 100%吸收率 =（吸收能量 /入射总能量） 100%透射率 = （透射反射能量 /入射总能量） 100%散射：辐射传播中，若遇到小粒子，会向四面八方散去，电磁波强度和方向发生各种变化，散射的强度随波长改变。偏振：指 电磁波传播的方向性，电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，许多散射光、反射光、透射光都是部分偏振光。偏振在微波技术中称为 “极化”。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。11（二）电磁波的性质（二）电磁波的性质电磁波的散射121. 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射二、电磁波谱 概念： 按照电磁波在真空中传播的波长或频率 进行递增 /递减 排列形成的一个连续谱带。13三棱镜三棱镜 1666年，牛顿红外线紫外线白光三棱镜宇宙射线 X 射线 紫外线 红外线 雷达 无线淡薄 交流电可见光： 380nm-760nm14电磁波谱段划分（按波长）电磁波谱段划分（按波长）15 紫外光 0.01m 0.38m 可见光波段 0.38m-0.76m 紫色光 0.38m-0.43m 兰色光 0.43m-0.47m 青色光 0.47m-0.50m 绿色光 0.50m -0.56m 黄色光 0.56m -0.59m 橙色光 0.59m -0.62m 红色光 0.62m -0.76m 红外波段 0.76m -1000m 近红外 0.76m -3.0m 中红外 3.0m -6.0m 热红外 6.0m -15.0m 远红外 15.0m -1000m 微波波段 1mm-1m 毫米波 1mm-10mm 厘米波 1cm-10cm 分米波 0.1m-1m 常用 的电磁波谱16TM（专题绘图仪）传感器共 7个波段分别是： Tm1波段：兰光波段，波长范围是 0.45m-0.50mTm2波段：绿光波段，波长范围是 0.52m-0.60m Tm3波段：红光波段，波长范围是 0.63m-0.69mTm4波段：近红外波段，波长范围是 0.76m-0.94mTm5波段：中红外波段，波长范围是 1.55m-1.75mTm6波段：热红外波段，波长范围是 10.4m-12.5mTm7波段：中红波段，波长范围是 2.08m-2.35mSPOT多光谱图像三个波段：SPOT1波段：绿光波段，范围是 0.50m-0.59mSPOT2波段：红光波段，范围是 0.61m-0.69mSPOT3波段：近红外波段，范围是 0.79m-0.89m 17可见光可见光紫外线 （ 0.01-0.4 m ）可见光 :（ 0.38-0.76 m ）蓝： 0.4-0.5 m绿： 0.5-0.6 m红： 0.6-0.7 m18三、电磁波谱三、电磁波谱 近红外（ NIR, near-infrared）： 0.7-1.1 m 短波红外(SWIR, shortwave IR):1.1-3.0(2.5) m 中红外(MWIR, Mid wave IR)： 3.0-6.0（ 8.0） m 热红外(TIR, Thermal IR)： 6.0-15 m 远和超远红外（ 15-1000 m ）19三、电磁波谱三、电磁波谱微波波段(1mm-1m, 最常用 1cm-1m)微波遥感常用波段符号P： 30-100cmL: 15-30cmS: 7.5-15cmC: 3.75-7.5cmX: 2.4-3.75cmKu: 1.57(1.7)-2.4cmK: 1.1-1.57(1.7)cmKa: 0.75-1.1cm201. 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射三、电磁辐射的测量为了定量地描述电磁辐射，必须了解下面辐射测量的定义及其度量单位。 辐射能量 W: 电磁辐射的能量，单位是 J 。 辐射通量 : 单位时间内通过某一面积的辐射能量，是辐射能流的单位，记为=dW/dt 。用 W（ J/s）表示；辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各波段辐射通量之和。 辐射通量密度 （ E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量。21三、电磁辐射的测量 辐照度 (I)： 被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，记为 :I=d/dS 。单位是 W/m2,S为面积。 辐射出射度 M： 温度为 T的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，记为 :d/dS 。单位也是 W/m2， S为面积。辐照度 I与辐射出射度 M 都是 辐射通量密度 的概念，只不过前者为物体接收的辐射，后者为物体发出的辐射 , 它们都与波长 有关。 辐射亮度（ L）： 面状辐射源，其向外辐射的强度在不同方向上是不同的，在某一方向上，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。221. 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射四、黑体辐射和实际物体辐射任何地物都具有发射电磁波的能力绝对黑体 （ Blackbody）： 如果一个物体对于 任何波长 的电磁辐射都 全部吸收 ，则称物体为黑体。 性质吸收率为 1，反射率为 0，与温度和波长无关达到最大的吸收，最大的发射 举例黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体 实际物体入射辐射 =吸收 +反射当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射和吸收现象时，物体的光谱吸收系数和反射系数之和恒等于 1。实际物体的温度不同或入射电磁波的波长不同，都会导致不同的吸收和反射。231. 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射黑体实验用不透明材料制成的开有小孔的空腔 (如右图 )就是一个黑体模型。空腔外面的辐射能够通过小孔进入空腔，进入空腔的射线，在空腔内进行多次反射，每反射一次内壁吸收一部分能量，最后全部被吸收掉，从小孔穿出的辐射能可以略去不计。小孔即相当于黑体的表面。右图演示了这样一个黑体模型。241900年，普朗克用量子理论概念推导了绝对黑体辐射通量密度与温度、波长的关系：25黑体辐射波谱曲线 262728实际物体实际物体 随温度变化表随温度变化表实际物体的辐射相同温度下，实际物体的辐射出射度（辐射通量密度）比绝对黑体的要低。地物发射某一波长的辐射出射度（辐射通量密度）与同温下黑体在同一波长上的辐射出射度之比，称地物光谱发射率（ emissivity） (也称 比辐射率 )，即： = M /M 发射率是一个数字，其值介于 0和 1之间，不同地物有不同的，同一地物在不同波段的波谱发射率也不同。29实际物体辐射实际物体辐射 实际地物的发射分两种情况（ 1）选择性辐射体，在各波长处的发射率不同；（ 2）灰体，在一定温度下，其各处的发射率相等。 按发射率变化情况，将地物分为以下几个类型： 绝对黑体： = =1 灰体： = 01