遥感物理基础.ppt

上节回顾 1 1遥感与遥感技术的概念 2遥感技术的发展情况 3遥感技术分类 4遥感技术的历史 5遥感技术的特点 6当前遥感技术发展趋势 遥感物理基础 1电磁波和电磁波谱 2电磁波辐射源 3太阳辐射和大气对太阳辐射的作用 4地物波谱特征 ElectromagneticEnergyInteractions Energyrecordedbyremotesensingsystemsundergoesfundamentalinteractionsthatshouldbeunderstoodtoproperlyinterprettheremotelysenseddata Forexample iftheenergybeingremotelysensedcomesfromtheSun theenergy isradiatedbyatomicparticlesatthesource theSun propagatesthroughthevacuumofspaceatthespeedoflight interactswiththeEarth satmosphere interactswiththeEarth ssurface interactswiththeEarth satmosphereonceagain and finallyreachestheremotesensorwhereitinteractswithvariousopticalsystems filters emulsions ordetectors FundamentalPropertiesofElectromagneticRadiation Energyistheabilitytodowork Intheprocessofdoingwork energyisoftentransferredfromonebodytoanotherorfromoneplacetoanother Thethreebasicwaysinwhichenergycanbetransferredinclude conduction convection andradiation Mostpeoplearefamiliarwithconductionwhichoccurswhenonebody moleculeoratom transfersitskineticenergytoanotherbycollidingwithit Thisishowapangetsheatedonastove Inconvection thekineticenergyofbodiesistransferredfromoneplacetoanotherbyphysicallymovingthebodies Agoodexampleistheconvectionalheatingofairintheatmosphereintheearlyafternoon ThetransferofenergybyelectromagneticradiationisofprimaryinteresttoremotesensingbecauseitistheonlyformofenergytransferthatcantakeplaceinavacuumsuchastheregionbetweentheSunandtheEarth 1电磁波和电磁波谱 电磁波 波 是振动在空间的传播 如声波 水波 地震波等 电磁波 电场矢量和磁场矢量在空间的传播 ElectromagneticRadiation 1 不需要传播介质 2 横波 3 波动性 4 粒子性 1 1 2电磁波的特点和遥感意义 电磁波的叠加原理 干涉 当两列波在同一空间传播时 空间尚各点的振动为各列波单独振动的合成 任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波 比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波 白光的色散和合成 计算机显示器的工作原理 混合像元的分解 电磁波的衍射和偏振 电磁波遇到有限大小的障碍物时 能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播 把这种通过障碍物边缘改变传播方向地现象 称为电磁波的衍射 设计遥感器空间分辨率具有重要意义 电磁波遇到 狭缝 的障碍物时 能够通过狭缝地振动分量 称为电磁破的偏振 偏振光 非偏振光 部分偏振 最小分辨角 d物镜的有效孔径 电磁波的波长 动量 P 能量 E h 普朗克常数 6 6260755 10 34Js c 光速 v 频率 能量和动量是粒子属性 频率和波长是波动属性 可见光 红外线 微波和无线电波 紫外线和X射线Y射线 电磁波的粒子性 电磁波波长 频率 波函数由振幅和位相组成 一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息 丢失位相信息 全息摄影中 同时记录了振幅信息和位相信息 1 1 3遥感记录的电磁波信息 1 2电磁波谱 按照电磁波的波长 频率的大小 长短 依次排列支撑的图表 成为电磁波谱 1 2电磁波谱 2 传播的方向性 穿透性 可见性 颜色不同 无线电波 电磁振荡红外线 可见光 紫外线 X射线等由分子 原子 核子的运动状态的改变或能级跃迁 紫外线 0 01 0 4微米 碳酸盐 油污 可见光 0 4 0 76微米 人眼 单色 全色 红外线 0 76 1000微米 共性 传播速度相同遵守相同的反射 折射 透射 吸收和散射定律 电磁辐射的度量 辐射能量Q定义 以电磁波形式向外传送的能量单位 焦 J 辐射通量 辐射功率 Radiantflux 定义 单位时间内 通过某一表面的辐射能量 dQ dt单位 瓦 W 即焦 秒 J s 1 电磁辐射的度量 辐射出射度 辐射通量密度 RadiantexitanceM定义 面辐射源在单位时间内 从单位面积上辐射出的辐射能量 即物体单位面积上发出的辐射通量M d dA单位 瓦 米2 W m 2 电磁辐射的度量 辐射照度 幅照度 IrradianceE定义 面辐射源在单位时间内 从单位面积上接收到的辐射能量 即照射到物体单位面积上辐射通量E d dA单位 瓦 米2 W m 2 电磁辐射的度量 辐射强度RadiantintensityI定义 点辐射源在单位立体角 单位时间内 向某一方向发出的辐射能量 即点辐射源在单位立体角发出的辐射通量I d d 单位 瓦 球面度 W sr 1 电磁辐射的度量 辐射亮度 幅亮度 RadianceL定义 面辐射源在单位立体角 单位时间内 在某一垂直于辐射方向单位面积 法向面积 上辐射出的辐射能量 即辐射源在单位投影面积上 单位立体角内的辐射通量 设dA在内的辐射通量为 则在单位立体角内的辐射通量为 把面辐射源A分成无数无限小面元 dA为其中之一 将dA投影到垂直于n的方向 得ds 显然 dS包含在立体角内 辐射亮度 L 辐射源在单位投影面积上 单位立体角内的辐射通量 从而 dA在单位投影面积上 单位立体角内的辐射通量为 由上述定义知 电磁辐射的度量 以上各辐射量都是波长的函数 右图表示单位波长间隔内的辐射通量 称为光谱辐射通量 d d 单位 瓦 微米 W m 1 2电磁波辐射源 2 1黑体辐射 2 2黑体辐射定律 2 3一般辐射体和发射率 2 4基尔霍夫定律 黑体 对任何波长的辐射 反射率和投射率都等于0 黑体是一种理想的吸收体 自然界没有真正的黑体 人工制造的接近黑体的吸收体 2 1黑体辐射 2 2黑体辐射的定律 2 2 1普朗克公式 2 2 2斯蒂芬 玻尔兹曼定律 2 2 3维恩位移定律 描述黑体辐射通量密度与温度 波长分布的关系 2 2 1普朗克公式 h 普朗克常数6 6260755 10 34W s2 k 玻尔兹曼常数 k 1 380658 10 23W s K 1 c 光速 波长 m T 绝对温度 K 变化特点 1 辐射通量密度随波长连续变化 只有一个最大值 2 温度越高 辐射通量密度越大 不同温度的曲线不相交 3 随温度升高 辐射最大值向短波方向移动 图示普朗克公式 2 2 2斯蒂芬 玻尔兹曼定律 对普朗克定律在全波段内积分 得到斯蒂芬 玻尔兹曼定律 辐射通量密度随温度增加而迅速增加 与温度的4次方成正比 斯蒂芬 玻尔兹曼常数 5 6697 0 00297 10 12Wcm 2K 4 红外装置测试温度的理论根据 2 2 3维恩位移定律 b 常数 2897 8 0 4 m K 高温物体发射较短的电磁波 低温物体发射较长的电磁波 常温 如人体300K左右 发射电磁波的峰值波长9 66 m 针对要探测的目标 选择最佳的遥感波段和传感器 2 3一般辐射体和发射率 对于一般物体而言 需要引入发射率 热辐射率 比辐射率 表明物体的发射本领 非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值 发射率与物质种类 表面状态 温度等有关 还与波长有关 按照发射率与波长的关系 辐射源可以分为 1 黑体 2 灰体 3 选择性辐射体 如线谱 带谱 2 3一般辐射体和发射率 2 4基尔霍夫定律 给定温度下 任何地物的率与吸收率 之比是常数 由波长与温度的函数所决定 发射率等于吸收率 好的吸收体也是好的发射体 如果不吸收某些波长的电磁波 也不发射该波长的电磁波 3大气对太阳辐射的衰减 3 1太阳辐射源 3 2大气成分组成 3 3大气分层 3 4大气对太阳辐射的衰减 3 5大气窗口 3 1太阳辐射源 太阳辐射及其能量分布 1 5900K的黑体辐射 2 短波辐射 太阳辐射总能量的46 集中于0 4 0 76um的可见光范围内 太阳常数 太阳常数 当太阳至地球的距离处于平均距离时 垂直于太阳射线单位面积上所接受的全部太阳辐射能E0 1 36 103W m 2 地面所接受全部太阳辐射能 忽略大气损失时为 为太阳天顶角 日地距离 以日地平均距离为单位 3 2大气成分组成 3 3大气分层结构 均匀层 对太阳辐射的相互作用是太阳能衰减的主要原因 其中 太阳辐射通过的大气路程 与太阳高度角有关 衰减因子 大气对太阳辐射的吸收率和散射率 是电磁波波长 频率 的函数 3 4大气对太阳辐射的衰减 反射 吸收 散射 太阳辐射衰减的原因 太阳辐射通过大气的路程 太阳高度角 3 4 1散射作用 太阳辐射通过大气层时 受到大气中气体分子的散射和大气中固体 微粒 液体的散射 1瑞利 Rayleigh 散射 质点的直径d 电磁波波长 时 一般认为 d 10 大气中的气体分子 晴朗的天空为蓝色 出现蓝色蒙雾 紫外区不适于进行遥感 质点直径和电磁波波长差不多时 d 2米散射 主要是大其中的气溶胶引起的散射 云 雾等的悬浮粒子的直径和0 76 15um之间的红外线波长差不多 需要注意 3非选择性散射 当质点直径大于电磁波波长时 d 散射率与波长没有关系 人看到的云和雾是白色的 就是非选择性散射的结果 3 4 2吸收作用 大气吸收电磁辐射的主要物质是 水 二氧化碳和臭氧 水 分为气态水和液态水水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽 从可见光 红外直至微波 都有水汽的吸收带 液态水的吸收更强 主要在长波方向 二氧化碳主要在红外区 1 35 2 85um之间有3个弱吸收带 2 7 4 3 14 5um为强吸收带 臭氧紫外线其它吸收电磁波的物质氧气主要吸收波长小于0 2um的 尘埃吸收作用很少 3 4 3反射作用 主要是大气中的云层 大的尘埃 云量越多 云层越厚 反射越强 大气对太阳辐射的衰减总体规律 大气吸收15 散射和反射42 其余43 太阳辐射到达地面 又一说 大气吸收17 散射22 反射30 其余31 太阳辐射到达地面 太阳辐射经大气衰减图 3 5大气窗口 大气窗口 电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小 透射率很高的波段 要获得地面的信息 必须在大气窗口中选择遥感波段 大气窗口解释 1 1 0 3 1 4um 包括全部可见光 95 部分紫外光 70 部分近红外光 80 摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息 2 1 4 2 5um 近红外窗口 60 95 扫描成像 白天记录3 3 5 5 5um 中红外窗口 60 70 白天夜间 扫描成像记录4 8 14um 远红外窗口 超过80 白天夜间 扫描记录5 1 4 300mm 微波窗口 白天夜间 扫描记录 4地物波谱特征 4 1地物的发射波谱 4 2地物的透射波谱 4 3地物的反射波谱 4 1地物发射光谱 地物的发射率随波长变化的规律 称为地物的发射光谱 地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据 4 2地物的透射光谱 透明物体 具有透射一定波长电磁波能力的物体 透射率 入射光透国物体的能量与入射总能量之比 举例 1 水体在蓝绿波段 混水1 2米 一般水体10 20米 2 微波对地物具有明显的透射能力 由入射波的波长决定 4 3地物的反射光谱 电磁波与物体相互作用过程中 会出现三种情况 反射 吸收 透射 遵守能量守恒定律 4 3 1物体反射分类 判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则 根据物体表面的粗糙程度 反射分为 1 镜面反射 2 漫反射 朗伯反射 3 有向反射 4 混合反射 反射分类图示 a 镜面反射 b 漫反射 朗伯反射 c 有向反射 d 混合反射 1 镜面反射 2 朗伯反射 朗伯定律 漫反射的反射辐射亮度 单位面积单位立体角内的辐射通量 和观察方向与表面法线夹角的余弦成正比 航天遥感中 地球表面相对于遥感器的高度 近似视为朗伯面 3 有向反射 4 混合反射 一部分镜