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第二章 遥感电磁辐射基础 本章提要() 1 电磁波与电磁波谱 2 太阳辐射 3 太阳辐射与大气的作用 4 太阳辐射与地物的作用 5 各典型地物的光谱曲线 返回返回下一章下一章 n电磁波及其特性 波是振动在空间的传播。 光波、热辐射、微波、无线电波等都是由振源发出的 电磁振荡在空间的传播，这些波叫做电磁波。 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。 是交互变化的电磁场在空间的传播。 1 电磁波谱与黑体辐射 To be To be continuedcontinued n电磁波及其特性 电磁波是物质存在的一种形式，它是以场的形式表现出来的。 电磁波的传播，即使在真空中也能传播。这一点与机械波有着 本质的区别，但两者在运动形式上都是波动。 基本的波动形式有两种：横波和纵波。 波动的基本特点是时、空周期性,由波动方程的波函数来表 示： =Asin（t-x）+ 波函数（表示电场强度）； A振幅； （t-kx）位相； 初位相；k=2/圆波数； t、x时、空变量（t 表示时间，x 表示距离）。 1 电磁波谱与黑体辐射 n电磁波及其特性 波函数由振幅和位相组成。一般传感器仅记录电磁波的振 幅信息，而舍弃位相信息；在全息摄影中，除了记录电磁波的 振幅信息，同时也记录位相信息。 1 电磁波谱与黑体辐射 To be To be continuedcontinued 1 遥感的电磁波原理 描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。 n 电磁波的特性 电磁波是横波， 传播速度为3108 m/s，不需要媒质也能传播，与物质发 生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。 满足： 式中，E为能量，单位：J； h=6.626X10-34J/s 电磁波具有波粒二象性。 波长愈短，辐射的粒子特性愈明显，波长愈长，辐射波动 特性愈明显。 n 电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成的图 表叫电磁波谱。 依次为： 射线X射线紫外线可见光红外线 微波无线电波。 电磁波谱示图 To be To be continuedcontinued 1 遥感的电磁波原理 v射线：波长小于0.03nm, 来自太阳辐射的射线完全 被高空大气层所吸收，不能用于遥感。来自放射性矿 物的射线可以被低空探测器所探测，是一个有前景 的遥感波区。 v紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中， 只有0.30.38m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：0.380.76m，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0.761000m，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 mm1 m，穿透性好，不受云雾 的影响。 遥感应用的电磁波波谱段 返回返回下一节下一节 n波长单位的换算如下： n1nm10-3m=10-7cm10-9m n1m=10-3mm=10-4cm=10-6m n 除了用波长来表示电磁波外，还可以用频 率来表示，如无线电波常用的单位为吉赫（ GHz）。习惯上常用波长表示短波（如射线 、X 射线、紫外线、可见光、红外线等），用 频率表示长波（如无线电波、微波等）。 遥感应用的电磁波波谱段 返回返回下一节下一节 电磁辐射的度量 n 辐射源：任何物体都是辐射源，遥感探测实际上是辐 射能量的测定 。 n 辐射测量 ： 辐射能量辐射能量(W)(W)：电磁辐射的能量，单位：电磁辐射的能量，单位：J J； 辐射通量辐射通量 ：单位时间内通过某一面积的辐射能量：单位时间内通过某一面积的辐射能量 ， ，单位是， ，单位是W W 辐射通量密度辐射通量密度(E(E：单位时间内通过单位面积的辐：单位时间内通过单位面积的辐 射能量， ，单位：射能量， ，单位：W/mW/m 2 2 返回返回下一节下一节 n研究黑体辐射的原因 黑体辐射(black body radiation) 遥感探测离不开电磁辐射源，太阳、地球作为遥 感研究的主要辐射源，对于其研究常常是从其极端 状态即理想状态，然后再根据实际情况作一些修正 或近似。 对于辐射源的辐射规律研究首先从绝对黑体这一 理想模型开始。 n 物体表面吸收电磁辐射的能力和发射电磁辐射的能力 成正比 n绝对黑体 ：如果某物体对所有各种波长的电磁辐 射都完全不反射、都完全吸收，就称为“绝对黑体” 。 n 黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，透射系数 为0。 n 绝对黑体是吸收电磁辐射能力最强的物体，也就是发 射电磁辐射能力最强的物体。 黑体辐射(black body radiation) 黑体辐射(black body radiation) n黑体辐射规律 黑体辐射(black body radiation) 1）普朗克辐射定律(Planck)：则给出了黑体辐射 的具体分布，在一定温度下，单位面积的黑体在单 位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的 能量为: M (，T)=2hc2 /5 1/exp(hc/kT)-1 M (，T)黑体的光谱辐射亮度 式中：C光速(2.998108 ms-1 ) h普朗克常数， 6.62610-34 JS K波尔兹曼常数， 1.38010-23 JK-1 M为辐射出射度。 黑体辐射规律 在任一波长处,高温黑体的谱辐 射亮度绝对大于低温黑体的谱辐 射亮度，不论这个波长是否是光 谱最大辐射亮度处。如果把M( ，T)对所有的波长积分，同时也 对各个辐射方向积分，那么可得 到斯特番波耳兹曼定律 M=T4 在一定温度下，黑体的谱辐射 亮度存在一个极值，这个极值的 位置与温度有关， 这就是维恩位 移定律 黑体辐射规律 例1：已知由太阳常数推算出太阳表面的福射出射度 M=6.284107W/m2；求太阳的有效温度和太阳光谱中辐射最强波 长max。 解: 根据斯戎藩一玻尔兹曼定律 M=T4 根据维恩位移定律 黑体辐射(black body radiation) 基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律: :在热平衡状态的物体所辐射的在热平衡状态的物体所辐射的 能量与吸收的能量之比与物体本身性质无关能量与吸收的能量之比与物体本身性质无关, ,只与只与 波长和温度有关。黑体是辐射本领最大的物体波长和温度有关。黑体是辐射本领最大的物体 绝对黑体一定满足吸收率为绝对黑体一定满足吸收率为1 1，反射率为，反射率为0 0。黑色的烟煤。黑色的烟煤 被认为是接近绝对黑体的自然物质，吸收率接近被认为是接近绝对黑体的自然物质，吸收率接近99%99%，太，太 阳也被看作是接近绝对黑体辐射的辐射源。阳也被看作是接近绝对黑体辐射的辐射源。 实际物体的辐射 返回返回下一节下一节 基尔霍夫定律 表现了实际物体的辐射出射 度Mi与同一温度和同一波长 区间的绝对黑体辐射出射度 的关系。 实际物体的辐射 发射率 （比辐射率）的概念：物体（地物 ）的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之 物体的发射率等于该物体的吸收率： = 一般情况下,物体的发射率: 0 1 物体的发射率是温度和波长的函数。物体的发 射率与身的性质、物理状况（如粗糙度、颜色等 ）有关；物体的表面温度受自身的比热、热惯量 、热导率、热扩散率等影响较大。 黑体的 = =1；灰体的 =常数 BACKBACK 大气的散射作用 n不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能 。 n大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 n对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造 成图像模糊不清。 n散射主要发生在可见光区。 n大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：d BACKBACK 大气窗口 概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各 波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。 我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口大气窗口 。 大气窗口波段透射率/%应用举例 紫外可见光 近红外 0.31.3 m90 TM1-4、SPOT的 HRV 近红外1.51.8 m80TM5 近-中红外2.03.5 m80TM7 中红外3.55.5 mNOAA的AVHRR 远红外814 m6070TM6 微波0.82.5cm100Radarsat BACKBACK 微波的波段划分 波段名称 波长长/cm K K Ku X C S L P 0.751.13 1.131.67 1.672.4