遥感的物理基础1

第二章 遥感的物理基础遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。本章主要介绍遥感的物理基础，包括电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。 1第一节 电磁波谱与电磁辐射 一、 电磁 波及其特性二、 电磁波谱三、 电磁辐射的度量四、 黑体辐射2一、电磁波及其特性1.波的概念： 2.机械波： 33.电磁波 :（ ElectroMagnetic Spectrum )交互变化的电磁场在空间的传播。4.描述电磁波特性的指标5.电磁辐射 4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。6.电磁波的特性1) 电磁波是横波2) 在真空中以光速传播3) 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。5n 思考：n 电磁波谱是什么？n 电磁波的来源？n 太阳光中是否有 YX射线？二、电磁波谱1.电磁波谱 ：7电磁波谱The Electromagnetic SpectrumMore than meets the eye!9太阳辐射光谱13特点：可见光线（ 0.4 0.76m ）、红外线（ 0.76m ）和紫外线（ 0.4m ）分别占 50、 43和 7，即集中于短波波段，故将太阳辐射称为短波辐射。 = 短波光谱特点？陆地 光谱14长波光谱 = 红外光谱 陆地是否会辐射电磁波？其波长范围？特点？CO2 H2OO36微米太阳辐射：高能量 短波辐射地球辐射低能量长波辐射0.5 mm156微米n 了解太阳和地球辐射有什么意义？传感器必须设计探测 6微米以上波长的电磁波，才能了解地物的辐射特性v 紫外线： 波长范围为 0.01 0.38m ，太阳光谱中，只有 0.3 0.38m 波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在 2000 m以下。（？）v 可见光： 波长范围： 0.38 0.76m ，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。v 红外线： 波长范围为 0.76 1000m ，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。v 微波： 波长范围为 1 mm 1 m，穿透性好，不受云雾的影响 。 发展潜力大。2.遥感应用的电磁波波谱段17为什么紫外线探测高度要在 2000m以下？三、电磁辐射的度量1.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 5900K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。192） .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。222、 辐射测量（ radiometry）以伽玛射线到电磁波的整个波段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。 辐射能量（ W）：电磁辐射的能量。辐射通量（ ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量。辐照度（ I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。辐射出射度（ M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。22vI为物体接收的辐射， M为物体发出的辐射。四、 黑体辐射地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。1.绝对黑体 ： 如果一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部吸收（即吸收系数恒等于 1），则这个物体称为绝对黑体。232. 黑体辐射定律(1)普朗克热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。24(2)玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmanns law 即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。25温度 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000波 长 9。 66 5。 80 2。 90 1。 45 0。 97 0。 72 0。 58 0。 48 0。 41(3)维恩位移定律 ： Wiens displacement law 随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。620 K380 Kn 炉温的高低可以根据炉火的颜色进行判断 ，如何判断？明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高； 黑体辐射的三个特性（ 1）黑体辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。（ 2）温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大，不同温度的曲线是不相交的。绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的 4次方成正比。（斯忒藩 玻尔兹曼定律）（ 3）黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。（维恩位移定律）。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。3.实际物体的辐射 自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。 如果物体的吸收本领大，它的发射本领也大，即越接近黑体辐射。 实际物体的辐射比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同。v所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。1）发射率 (Emissivity )： 地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量） M与同温下的黑体辐射出射度 M黑 的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。v 在相同的温度下，实际物体的辐射通量密度比绝对黑体要低按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为 1，常数。灰体 (grey body)：发射率小于 1，常数选择性辐射体：发射率小于 1，且随波长而变化。2) 基尔霍夫定律 ： 在一定温度下，地物单位面积上的黑体辐射出射度 M和吸收率之比，等于该温度下同面积黑体辐射出射度 M 黑在给定的温度下，物体的发射率 =吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差