1遥感技术与应用-遥感电磁辐射基础1

第二章电磁辐射与地物光谱特征,2014-09-20,简介,2,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。,3,遥感电磁辐射基础,4,A:能量来源：电磁能量B：辐射与大气C：与目标的作用D：记录电磁辐射（传感器/平台）E：传输、接收与处理（地面站）F：解释与分析G：应用,遥感过程的要素,课程将依次介绍遥感过程的每个环节,5,2.1电磁辐射,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应掌握有关电磁波的知识,6,1.电磁波,（1）电磁波的产生电磁波是电磁振动的传播。当电磁振荡进入空间时，变化的电场和变化的磁场相互依存、又相互激发，并以有限的速度在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射周期性变化的磁场必定会激发周期性变化的电场，而周期性变化的电场也会激发周期性变化的磁场。电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直,7,电磁波示意图,E电场，M磁场，C传播方向,8,WavemodelofelectromagneticRadiation,9,2、电磁波的性质,电磁辐射具有波的性质和粒子的性质（波粒二相性）电磁波的性质与光波相同，在真空中传播速度c为3*108m/sc=f*,f频率，波长,（1）横波（2）在真空以光速传播（3）满足：f=C；E=hf（4）具有波粒二象性（波长越长波性越强，波长越短粒子性越强）,10,波长与频率,频率越高，波长越短；频率越低，波长越长,11,电磁波的性质电磁波的传播，也是能量的传递，也称电磁辐射光子的能量：E=h=hc/h:普朗克常数,6.262*10-34J.S波长越短（频率越高），能量越高,12,电磁波的性质,遇到介质（气体、液体、固体），发生一系列现象：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,电磁波与物体间的相互作用图,13,电磁波的性质,反射、吸收和透射的能量和等于入射的总能量反射率=（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，即散射。强度随波长改变。散射：方向不可预测，反射：方向可预测,14,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。强度随波长改变。,15,3、电磁波谱,电磁波信号是遥感研究的对象，区分电磁波特性的主要因子之一是波长（频率），电磁波依据波长轴线的分布称为电磁波谱。,16,电磁波谱分段波段（Band）、通道(Channel)、区域(Region):电磁波谱中波长（频率）间隔（或分段）几个主要的分段：宇宙射线、伽玛射线、X射线、紫外、可见光、红外（近、中、远）、微波、无线电波,17,电磁波谱,微波,大气窗口,20,可见光(visible)：0.38-0.76m,21,红外(Infrared,IR)反射红外（ReflectiveIR）：0.7-3.0m热红外(ThermalIR)：6.0-100m以往用法：近红外：0.7-1.1m中红外：1.1-3.0（6.0，8.0）m远红外：8.0-100m目前遥感界习惯用法：近红外（NIR,near-infrared）：0.7-1.1m短波红外(SWIR,shortwaveIR）：1.1-3.0（2.5）m中红外(MWIR,MidwaveIR)：3.0-6.0（8.0）m热红外(TIR,ThermalIR)：8.0-15m,22,微波波段(1mm-1m,最常用1cm-1m)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:0.75-1.1cm,（请自己查找这些字母各自代表的含义！）,23,4、电磁辐射的度量,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，总辐射通量应该是各波段辐射通量之和或辐射通量的积分值。辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量辐照度I(irradiance)：被辐照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(exitance)：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。(在单位时间内从物体表面单位面积上发出的各种波长的电磁波能量的总和)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。,辐射能量Q,电磁辐射是具有能量的，它表现在：使被辐照的物体温度升高改变物体的内部状态使带电物体受力而运动,辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）,1/13,辐射通量(radiantflux),在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量：=Q/t,辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）,2/13,辐射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M,单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：E辐照度=/AM辐出度=/A,辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）,法向,3/13,辐射强度(radiantintensity)I（非强制理解）,辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量：I=/,辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）,=A/R2、4各向同性源？,4/13,辐射亮度(radiance)L（非强制理解）,单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度：L=/A,辐射亮度（L）的单位是瓦/米微米球面度（W/mmSr）,图中出射辐射亮度是多少？,7/13,辐射度量一览表,8/13,30,5、电磁辐射规律（黑体辐射和实际物体辐射）,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，又能全部发射，则该物体是绝对黑体。-理想的辐射体吸收率为1，反射率为0，发射率为1，与温度和波长无关达到最大的吸收，最大的发射黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体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。,任何温度高于0k物体都会产生电磁辐射,31,用不透明材料制成的开有小孔的空腔(如上图)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。上图演示了这样一个黑体模型。,黑体实验,32,黑体的辐射规律,根据实验结果和理论分析，得到关于黑体辐射的基本定律：斯忒藩-玻尔兹曼定律（J.Stefan,1835-1893;LEBoltzmann,1844-1906）维恩位移定律(W.Wein,1846-1928)普朗克定律(Planklaw),33,斯忒藩-玻尔兹曼定律：绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比，M=T4式中，为斯忒藩-玻尔兹曼常数，=5.6710-8W/m2K4。整个电磁波谱的总辐射出射度M,可以用某一单位波长间隔的辐射出射度M对波长由0到无穷大的整个电磁波段积分，,34,维恩位移定律：黑体辐射光谱中最强辐射的波长（主波长）max与黑体绝对温度T成反比：max=b/Tb为常数，b=2.898*10-3mK温度越高，最强辐射波长越短，如若知道最强辐射波长，则可计算温度，成为光谱方法测高温物体温度的一种方法太阳辐射：6000K，max=0.483m=2898mK/6000K地球辐射：300K，max=9.66m=2898mK/300K主波长(dominantwavelength):黑体辐射强度最大值所对应的波长当绝对黑体的温度升高时，其辐射强度最大值对应的波长（主波长）向短波方向移动,35,BlackbodyRadiationCurves,BlackbodyradiationcurvesforseveralobjectsincludingtheSunandtheEarthwhichapproximate6,000Kand300Kblackbodies,respectively.Noticethatasthetemperatureoftheobjectincreases,itsdominantwavelengthshiftstowardtheshortwavelengthportionofthespectrum.,36,普朗克定律,普朗克公式：c,真空中的光速；k,波尔兹曼常数，为1.38*10-23J/K；h,普朗克常数，6.63*10-34Js;M,辐射出射度；T温度，波长根据量子理论，将辐射、波长和温度联系起来，可以解释上述所有经验关系,37,实际物体的辐射（选择理解）,实际物体的辐射不同于绝对黑体的辐射，在相同温度下，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，作为比较一辐射源接近黑体的程度。不同地物有不同