第2章遥感原理.ppt

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1、第二章 遥感原理 本章提要()1 电磁波谱 2电磁辐射 3 太阳辐射 4 太阳辐射与大气的作用 5 太阳辐射与地表的相互作用 6 地表自身的热辐射 7 地物的反射 8 微波与地物的作用 本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、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。波波振动的传播称为波。振动的传播称为波。纵波纵波(弹簧弹簧)、横波（绳子）（根据、横波（绳子）（根据质点振动方向与波的传播方向来判断）质点振动方向与波的传播方向来判断）电磁波电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播：当电磁振荡进入空间，变交互变化的电磁场在空间

2、的传播：当电磁振荡进入空间，变化的电场激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播。化的电场激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播。描述电磁波特性的指标描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为电磁波是横波，传播速度为3 310108 8 m/s m/s，不需要媒质也能传，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。同一规律。在近代物理中电磁波也称为电磁辐射。在近代物理中电磁波也称为电磁辐射。1 电磁波谱电磁波是横波，在真空中传播

3、满足满足方程：*f=c;E=h*f 电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。叫电磁波谱。依次为：射线射线X X射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外红外线线微波微波无线电波。无线电波。电磁波谱示图电磁波谱示图 1电磁波谱电磁波谱：v紫外线：紫外线：波长范围为波长范围为0.010.010.38m0.38m，太阳光谱中，只，太阳光谱中，只有有0.30.30.38m0.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在探测高度在2000 m2000 m以下。以下。v可见光：可见光：波长范围：波长范围：0.380

4、.380.76m0.76m，人眼对可见光有，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。敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。v红外线红外线：波长范围为波长范围为0.760.761000m1000m，根据性质分为近，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。红外、中红外、远红外和超远红外。v微波：微波：波长范围为波长范围为1 mm1 mm1 m1 m，穿透性好，不受云雾的，穿透性好，不受云雾的影响影响。遥感应用的电磁波波谱段一、辐射源一、辐射源任何物体都是辐射源，不仅能吸收其它物体对它的辐射，也能够向外辐射。任何物体都是辐射源，不仅能吸收其它物体对它的辐射，也能够向外辐射。电磁

5、波传递就是电磁能量的传递。电磁波传递就是电磁能量的传递。遥感探测实际上是辐射能量的测定。遥感探测实际上是辐射能量的测定。二、辐射测量二、辐射测量 辐射能量（辐射能量（W W）：电磁波辐射的能量，单位（：电磁波辐射的能量，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，=dW/dt=dW/dt，单位，单位是是W W；辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该是各谱段辐射通量之和或辐射；辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该是各谱段辐射通量之和或辐射通量的积分值。通量的积分值。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

6、射能量，：单位时间内通过单位面积的辐射能量，E=E=d/dSd/dS，单位是，单位是W/mW/m2 2。辐照度（辐照度（I I）:被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，I=I=d/dSd/dS，单位，单位是是W/mW/m2 2 。辐射出射度（辐射出射度（M M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=M=d/dSd/dS，单位是，单位是W/mW/m2 2。2 电磁辐射 辐射亮度辐射亮度（L L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则随辐射方向而不同，则L L定

7、义为辐射源在某一方向，单位投影表定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即面，单位立体角内的辐射通量，即 朗伯源朗伯源：辐射亮度辐射亮度L L与观察角与观察角无关的辐射源。无关的辐射源。一些粗糙的表面可以近似看作朗伯源；一些粗糙的表面可以近似看作朗伯源；涂有氧化镁的表面也可近似看作朗伯源，常被用作涂有氧化镁的表面也可近似看作朗伯源，常被用作遥感光谱测量时的标准板；遥感光谱测量时的标准板；太阳通常近似地被看成朗伯源，简化研究；太阳通常近似地被看成朗伯源，简化研究；严格地讲，只有绝对黑体才是朗伯严格地讲，只有绝对黑体才是朗伯源源。2 电磁辐射)cos(AL三、黑体辐射三、黑体

8、辐射 1 1、绝对黑体、绝对黑体一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。是绝对黑体。对于不透明物体，对电磁波只有反射和吸收现象，该物体的对于不透明物体，对电磁波只有反射和吸收现象，该物体的光谱吸收系数与光谱反射系数之和恒为光谱吸收系数与光谱反射系数之和恒为1 1。对于绝对黑体，有对于绝对黑体，有绝对黑体模拟试验：用一个带有小孔的空腔（空墙壁由不透绝对黑体模拟试验：用一个带有小孔的空腔（空墙壁由不透明的材料制成）。明的材料制成）。自然界中近似绝对黑体：黑色的烟煤（吸收系数达自然界中近似绝对黑体：黑色的烟煤（吸收系数达99

9、%99%）2 电磁辐射0),(,1),(TT1),(),(TT2 2、黑体辐射规律、黑体辐射规律(1)(1)绝对黑体辐射公式（普朗克公式）绝对黑体辐射公式（普朗克公式）c c真空中的光速，真空中的光速，k k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，k=1.38k=1.381010-23-23 J/K J/Kh h普朗克常数，普朗克常数，h=6.63h=6.631010-34-34 J/K J/KM M辐射出射度辐射出射度 2 电磁辐射112),(/52kThcehcTM（2 2）斯忒藩）斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律整个电磁波谱的总辐射出射度整个电磁波谱的总辐射出射度M M，为某一单位波长的辐射出，为某

10、一单位波长的辐射出射度射度M M对波长对波长做做0 0到无穷大的积分。到无穷大的积分。用普朗克公式对波长积分，便导出斯忒藩用普朗克公式对波长积分，便导出斯忒藩-玻尔兹曼定律，玻尔兹曼定律，即绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。即绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，=5.67=5.671010-8-8 W Wm m-2-2K K-4-4在黑体辐射曲线中，曲线下面所围面积为积分值，即该温度在黑体辐射曲线中，曲线下面所围面积为积分值，即该温度时绝对黑体的总辐射出射度时绝对黑体的总辐射出射度M M。2 电磁辐射dMM0)(4TM（3 3

11、）维恩位移定律）维恩位移定律黑体辐射光谱中最强辐射的波长黑体辐射光谱中最强辐射的波长maxmax与黑体绝对温度与黑体绝对温度T T成反成反比：比：b b常数常数，b=2.898b=2.8981010-3-3 m mK K 几何意义：几何意义：在黑体辐射曲线中，在黑体辐射曲线中，黑体温度越高，其曲线的峰黑体温度越高，其曲线的峰值就越往左移，即往波长短的方向移动值就越往左移，即往波长短的方向移动（位移）。如果辐射最大（位移）。如果辐射最大值落在可见光波段，物体的颜色会随着温度的升高而变化，波长值落在可见光波段，物体的颜色会随着温度的升高而变化，波长逐渐变短，颜色由红外到红色再逐渐变蓝变紫（如烟煤燃

12、烧逐渐变短，颜色由红外到红色再逐渐变蓝变紫（如烟煤燃烧）。）。太阳、地球、恒星看作球形绝对黑体太阳、地球、恒星看作球形绝对黑体太阳光太阳光max=0.47max=0.47m m，则，则T=6150K;T=6150K;地球地球 max=9.66max=9.66m m（温暖季节白天），则（温暖季节白天），则T=300K(T=300K(侧重红侧重红外遥感外遥感)。2 电磁辐射bT max3 3、实际物体的辐射、实际物体的辐射 （1 1）研究思路）研究思路 问题：问题：斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律、维恩位移定律只适用于黑体辐玻尔兹曼定律、维恩位移定律只适用于黑体辐射，但在自然界中，黑体辐射是不存在的，一

13、般地物辐射能量总射，但在自然界中，黑体辐射是不存在的，一般地物辐射能量总要比黑体辐射能量要小。要比黑体辐射能量要小。发射率：发射率：在同温度下辐射源与黑体二者之辐射出射度的比值。在同温度下辐射源与黑体二者之辐射出射度的比值。发射率与地物的性质、表面状况（粗糙度、颜色等）有关，发射率与地物的性质、表面状况（粗糙度、颜色等）有关，且是波长和温度的函数。表面粗糙或颜色较深发射率较高。且是波长和温度的函数。表面粗糙或颜色较深发射率较高。地物发射率的差异也是遥感探测的基础和出发点。通常，将地物发射率的差异也是遥感探测的基础和出发点。通常，将发射率与波长的关系，将地物分为三类：发射率与波长的关系，将地物分

14、为三类：a)a)绝对黑体：绝对黑体：=1=1 b)b)灰体：灰体：=常数（常数（11）c)c)选择性辐射体：选择性辐射体：发射率随波长而变化，且发射率随波长而变化，且1 1 2 电磁辐射MM,3 3、实际物体的辐射、实际物体的辐射 （2 2）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律基尔霍夫现象基尔霍夫现象：在任何给定温度下，地物的辐射出射度：在任何给定温度下，地物的辐射出射度M M与与吸收率吸收率之比，对任何地物都是一个常数，并等之比，对任何地物都是一个常数，并等与该温度下绝对与该温度下绝对黑体的黑体的M M0 0 。出发点出发点：把实际物体看作辐射源，研究其辐射特性，将其与：把实际物体看作辐射源，研究其辐

15、射特性，将其与绝对黑体比较。首先研究物体在单位光谱区间内的辐射出射度绝对黑体比较。首先研究物体在单位光谱区间内的辐射出射度M M与吸收系数与吸收系数的关系。的关系。2 电磁辐射0MM3 3、实际物体的辐射、实际物体的辐射 （2 2）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律试验假设试验假设：假定在温度保持为：假定在温度保持为T T的真空容器（的真空容器（C C）内，有四个）内，有四个不同物体不同物体B B0 0、B B1 1、B B2 2、B B3 3。腔内能量交换不能通过对流和传导，。腔内能量交换不能通过对流和传导，只能以辐射方式进行。由于空腔内保持恒温不变，根据热辐射平只能以辐射方式进行。由于空腔内保持恒

16、温不变，根据热辐射平衡原理，每个物体向外辐射和吸收的能量必然相等。衡原理，每个物体向外辐射和吸收的能量必然相等。2 电磁辐射IMMM02211222222111111,IMIMIMIMI1=I2=IMM,意义：意义：A)A)任何物体的辐射出射度与吸收率的比值，都等于同温度任何物体的辐射出射度与吸收率的比值，都等于同温度下绝对黑体的辐射出射度。下绝对黑体的辐射出射度。B)B)发射率等于吸收率。发射率等于吸收率。C)C)强发射率的物体同时也是弱反射的物体；好的吸收体也强发射率的物体同时也是弱反射的物体；好的吸收体也是好的辐射体。是好的辐射体。D)D)绝对黑体不仅具有最大的吸收率，也具有最大的发射率，绝对黑体不仅具有最大的吸收率，也具有最大的发射率，丝毫不存在反射；丝毫不存在反射；E)E)对于实际物体，都可以看作辐射源，如果物体的吸收本对于实际物体，都可以看作辐射源，如果物体的吸收本领大，则其发射本领也大。领大，则其发射本领也大。2 电磁辐射 （3 3）实际物体的辐射）实际物体的辐射A)A)基尔霍夫定律表现了实际物体的辐射出射度与同一温度、基尔霍夫定律表现了实际物体的辐射出射度与同一温度、同