第二章遥感的物理基础1-图文

第二章电磁波及遥感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。1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。•为什么要了解电磁波？1.电磁波谱与电磁辐射2.太阳辐射及大气对辐射的影响3.地球辐射与地物波谱4.地物波谱测量第二章电磁波及遥感物理基础21、电磁波谱与电磁辐射（1）电磁波与电磁波谱（2）电磁波的特性的遥感应用（3）物体的发射辐射3（1）电磁波与电磁波谱电磁波电磁波交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等。4（1）电磁波与电磁波谱电磁波谱5紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。可见光：波长范围：0.38～0.76μm，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。红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。（1）电磁波与电磁波谱遥感应用谱段波6近红外：0.76～3.0µm，与可见光相似。中红外：3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。（1）电磁波与电磁波谱红外划分78（1）电磁波与电磁波谱9（1）电磁波与电磁波谱10（1）电磁波与电磁波谱1、电磁波的衍射2、电磁波的偏振3、电磁波的叠加、相干与多普勒效应11（2）电磁波的特性的遥感应用（2）电磁波特性的遥感应用--衍射衍射---光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象。12（2）电磁波特性的遥感应用--衍射13（2）电磁波特性的遥感应用--衍射14（2）电磁波特性的遥感应用--衍射15研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要意义。另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。（2）电磁波特性的遥感应用--衍射16电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。（2）电磁波特性的遥感应用—偏振17什么是偏振光？自然光线偏振光或平面偏振光VHE（2）电磁波特性的遥感应用—偏振18振动方向对于传播方向的不对称性椭圆偏振光和圆偏振光EExExEyEyE偏振在微波技术中称为“极化”水平极化----垂直极化----（2）电磁波特性的遥感应用—偏振19影像判读意义重大（2）电磁波特性的遥感应用—偏振20（2）电磁波的特性遥感应用•波的叠加：几列波在相遇的区域内，质点的振动为各波存在时单独引起的位移矢量和。波的叠加原理--遥感中的作用叠加、相干、多普勒效应21（2）电磁波的特性遥感应用•相干波：两列频率相同、振动方向一致、相位差恒定的波。波的相干原理--遥感中的作用叠加、相干、多普勒效应22（2）电磁波的特性遥感应用相干波：雷达干涉测量应用叠加、相干、多普勒效应（2）电磁波的特性遥感应用相干波：雷达干涉测量应用叠加、相干、多普勒效应（2）电磁波的特性遥感应用叠加、相干、多普勒效应相干波：雷达干涉测量应用（2）电磁波的特性遥感应用多普勒效应：奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒于1842年提出，主要内容为：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象。叠加、相干、多普勒效应26任何物体不停地向外辐射能量。地物发射的能力通常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。黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。（3）物体的发射辐射27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。1/5212)(kTchehcTW、MaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918黑体辐射的能量是由温度决定的普朗克热辐射定律（3）物体的发射辐射黑体辐射28三个特性1、温度越高，总的辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。2、随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。3、辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。（3）物体的发射辐射黑体辐射2930上述规律在遥感中有何用处？（3）物体的发射辐射31温度在绝对零度以上的物体，向外发射辐射能量例：异常温度监测热红外波段观测监测温度异常热红外观测（3）物体的发射辐射321.辐射能量能体现异常温度么？2.为什么对地观测利用热红外波段？能量波长•两个基本问题：（3）物体的发射辐射4001/1522TdkTchehcWStefan-Boltzmann'slaw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。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同(1)玻耳兹曼定律33（3）物体的发射辐射温度3005001000200030004000500060007000波长9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(2)维恩位移定律bTmax620K380KWien'sdisplacementlaw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。34（3）物体的发射辐射带入地球表面温度T=308=9.66微米max(3)瑞里—金斯公式2)(2kTW黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。微波波段与红外波段发射辐射的比较：不同地物之间微波发射的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。35（3）物体的发射辐射1）发射率(Emissivity)定义：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W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。（3）物体的发射辐射一般物体的发射36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(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。（3）物体的发射辐射一般物体的发射37定义：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W黑。黑WW黑WW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。4TW（3）物体的发射辐射基尔霍夫定律38回顾：电磁波谱与电磁辐射（1）电磁波与电磁波谱波段划分（可见光、红外、微波）（2）电磁波的特性的遥感应用衍射、偏振、叠加（遥感意义）（3）物体的发射辐射黑体辐射定律（三大定律）39发射光谱特性：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。（3）物体的发射辐射表征辐射的几个名词40大理石发射光谱曲线水泥发射光谱曲线1.任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。2.微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。41（3）物体的发射辐射物体的微波辐射（3）物体的发射辐射不同发射率比较42亮度温度：它是衡量地物辐射特征的重要指标。指等物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。BTT（3）物体的发射辐射表征辐射的几个名词434TT等效等效温度：为了分析物体的辐射能力，常用最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线来表达，这时黑体辐射温度称为该物体的等效辐射温度。等效温度与实地温度的关系：也总小于实地温度。（3）物体的发射辐射表征辐射的几个名词441.电磁波谱与电磁辐射2.太阳辐射及大气对辐射的影响3.地球辐射与地物波谱4.地物波谱测量第二章电磁波及遥感物理基础45462、太阳辐射及大气对辐射的影响（1）太阳辐射（2）大气成分与大气层（3）大气对电磁波的作用47（1）太阳辐射48太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。（1）太阳辐射49太阳辐射通过大气后，其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多，在可见光谱区减少至40％，而在红外光谱区增至60％。（1）太阳辐射50太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。（1.360×103W/m2）；太阳辐射和黑体辐射基本一致；太阳光谱相当于6000K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47µm左右；太阳辐射的光谱是连续的；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3---3.0µm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；x射线、r射线、远紫外和微波波段能力小，且不稳定，经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡。（1）太阳辐射51大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合物。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3气溶胶大气的成分可分为常定成分（N2，O2，CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶胶）。（2）大气成分与大气层大气成分52大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：对流层：高度在7～12km,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而变化。平流层：高度在12～50km，没有对流和天气现象。底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。（2）大气成分与大气层大气层53大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：电离层：高度在50～1000km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：800～35000km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。（2）大气成分与大气层大气层54（2）大气成分与大气层大气层55大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内（0.2um的电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um的短波辐射。真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽。（3）大气对电磁波的作用吸收56水蒸气对太阳光谱的吸收57二氧化碳对太阳光谱的吸收58大气中其它气体对太阳光谱的吸收59散射：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向的一种现象。不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。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。散射主要发生在可见光区。（3）大气对电磁波的作用散射60为什么？A、均匀散射当不均匀颗粒的直径aλ时，发生均匀散射，散射强度与波长无关。B、米氏(Mie)散射如果介质中不均匀颗粒的直径