遥感原理和应用 第一章电磁波及遥感物理基础

遥感原理和应用刘丹丹第一章电磁波及遥感物理基础n 1 遥感的概念n 2 电磁波和电磁波谱n 3 物体的发射辐射n 1)黑体辐射n 2)太阳辐射n 3)大气对辐射的影响n 4) 一般物体的发射 辐 射n 5)地球发射4 地物的反射辐射n 1)地物的反射类别n 2)光谱反射率以及 地物的反射光谱特性n 3) 影响地物光谱反射率变 化的因素n 5 地物波谱特性的测定n 1)地物波谱特性的概念n 2) 地物波谱特性的测定原 理n 3)地物波谱特性的测定步骤遥感概念的理解n 遥感 :遥远的感知 ,是在不直接接触的情况下 ,对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术 .一般指的是电磁波遥感 .全球昼夜温差 98年长江洪水的遥感监测（雷达与 TM影象的复合）北京地区 4米遥感影图（美国 SPACE IMAGE 公司的 IKONOS卫星）北京地区 1米遥感影象图（同时也发布了北朝鲜导弹基地的1米影象图）陈述彭先生指出 ， 没有遥感 ， 就提不出全球变化这样的科学问题 。所以遥感对地学本身有巨大的推动作用，就象望远镜对天文学和物理学的推动作用一样。n 电磁波 :根据麦克斯韦电磁场理论 ,变化的电场能够在它的周围引起变化的磁场 ,这个变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场 ,并在更远的区域内引起新的变化磁场 .这种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 .n 电磁波的特点：波粒二象性， 波动性 和粒子性n 波动性形成了光的干涉，衍射，偏振现象n 电磁波谱n 不同的电磁波由不同的波源产生如果按照电磁波在真空中传播的波长递增（或频率递减）的顺序排列，就能得到电磁波谱图对于任何温度，任何波长吸收比始终等于一的物体B Ta l( , ) = 1显然，绝对黑体的单色吸收比等于一，即：绝对黑体绝对黑体绝对黑体模型模型模型绝对黑体绝对黑体绝对黑体1.2 物体的发射辐射物体的发射辐射理解基尔霍夫定律的假想实验理解基尔霍夫定律的假想实验理解基尔霍夫定律的假想实验黑体真空容器内处于热平衡状态温度为T因为温度不变，所以每个物体吸收辐射能应等于它发射的辐射能。吸收本领大的物体也是辐射本领大的物体所以各物体辐出度和吸收比之比为一常量。B2A1A3A基尔霍夫定律基尔霍夫定律：基尔霍夫定律： 任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度绝对黑体的单色辐出度。绝对黑体的辐射定律T绝对黑体实验装置1、绝对黑体单色辐出度按波长分布实验e n= h-= 346 63 10h J s. .式 中 h 称为普朗克常数振子在辐射或吸收能量 时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克得到了黑体辐射公式：对于频率为 的谐振子最小能量为B hck TM hcetlll p l( , ) = -2 5121这一公式称为普朗克公式 ,它和实验符合得很好。c 光速k 玻尔兹曼恒量e 自然对数的底 B 曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度 即：B BM MT T d( ) ( )= l l由实验及理论都可以得到BM TT( ) =s4斯忒藩 玻尔兹曼定律( )TM B ( )TMs = 5.67 10 8+ w.m K2. 4推导 1 斯忒藩（ Stefan) 玻尔兹曼定律0M B（ T） 最大值所对应的波长为 m维恩位移定律 :维恩位移定律指出，当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。例子：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在蓝、绿色。mb K= - 310 .2.897T m b= mM B（ T）推导推导 2 维恩（维恩（ Wien) 位移定律位移定律推导 3 温度越高 ,所有波长上的波谱辐射通量越大下图为绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线MB（ T）0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K1.2.2 太阳辐射n 太阳常数 :就是指在日地平均距离处垂直于太阳光线的平面上，在单位时间内单位面积上所接收到的太阳辐射能。 n 1.361000 瓦每平方米n 太阳光谱辐照度指投射到单位面积上的太阳辐射通量密度，该值随波长不同而异。太阳表面发出的连续光谱，近似于 5800。 K的黑体辐射。而且由于太阳大气的吸收，光谱辐照度按波长的分布具有不连续性，这种太阳光谱中的吸收线称为 “夫琅和费谱线 ”。这些吸收谱线与太阳大气中的化学成份一一对应。如在波长为 5892A处的吸收线对应于钠原子的吸收。图 2.7显示了太阳辐射能量的分布情况，比较大气上界和海平面上的太阳辐照度，可见由于地球大气的吸收，在红外波段形成若干个吸收带。 太阳辐照度分布曲线1.2.3 大气对辐射的影响n 地球大气n 组成 ：不变成分 （氮氧氩二氧化 碳氦）n 可变成分 （甲烷氢水蒸汽液态和固态水盐粒尘烟）n 垂直分布：n 大气层中的温度分布和铅直分层n 大气层中的温度分布和铅直分层n 1.对流层 (troposphere) 厚度： 012km （低纬 1718km ，高纬 89km ；夏季高于冬季） 对流层的主要特点： n 集中了 80%以上的大气质量和几乎全部的水汽 n 温度随高度的升高而降低，平均每 100m降低 0.65 n 具有强烈的对流(convection)与乱流(turbulence)运动 n 气象要素 (meteorological element)的水平分布很不均匀 n .平流层 (stratosphere) 厚度从对流层顶向上，一直到 55km左右为平流层。这一层集中了大气中的大部分臭氧，空气密度很小。n 气温随高度而升高；平流层顶气温可达 -3 -17 n 空气以水平运动为主，气流运行平稳，没有强烈的对流 n 水汽和尘埃很少，很少有云，透明度好n 4.热层 (thermosphere) 从中间层顶向上，到大约 800km左右为热层（又称热成层、暖层）。其主要特点有： n 气温随高度而升高； 300km处气温可达1000 ，顶部可高达 2000 n 空气在强烈的太阳紫外线与宇宙射线作用下处于高度电离状态，故又称为电离层（ionosphere） n 5.散逸层 ( exosphere) 热成层以上为外层（又称散逸层），是大气圈与星际空间的过渡带。其主要特点有： n 空气非常稀薄 n 空气质点的运动速度很快，受到的地球引力很小，可逃逸到星际空间 大气对太阳辐射的吸收，散射，辐射作用n 太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用。吸收作用使辐射的能量转变为分子的内能，从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。 氧气：小于 0.2 m ； 0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。 臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此， 水对红外遥感有极大的影响。 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。n n 辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加其他各方向的辐射。由于太阳辐射需二次通过大气至传感器，且二次影响增加了信号中的噪声成分，造成遥感图像的质量下降。散射作用 ： 太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。 因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。n散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象。因此，这种现象只有当大气中的分子或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生。 大气散射 有三种情况：n 1.瑞利散射 瑞利散射 ：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。 散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍， 0.4微米