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1、第二章 遥感的物理基础,遥感器接受的电磁辐射,遥感图像是电磁辐射与地表相互作用的一种记录。为了更好地理解与认识这些图像，我们必须首先了解电磁辐射原理以及它通过大气层再被地表反射辐射的过程，这是遥感的物理基础。,第二章 遥感的物理基础,电磁波和电磁波谱 电磁波辐射规律 太阳辐射 地球辐射,第一节 电磁波与电磁波谱,电磁波 电磁波的性质 电磁波谱,波的概念：波是振动在空间的传播。,机械波：声波、水波和地震波等，振动的是弹性媒质中质点的位移矢量 电磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源发出的电场矢量和磁场矢量在空间的传播。,1.1 电磁波,电磁波 :根据麦克斯韦电磁场理论
2、,变化的电场能够在它的周围引起变化的磁场,这个变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场,并在更远的区域内引起新的变化磁场.这种变化的电场和磁场交替产生,以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波.,电磁辐射: 电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。,1.2 电磁波的特性 电磁波是横波 在真空中以光速传播 电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。 波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性 粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电
3、磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性,波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。,电磁波的波动性,电磁波在传播中遵循波的干射、衍射、散射等规律,波长 频率,电磁波的波动性,波长 wavelenth,波长指波在一个振动周期内传播的距离即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰或波谷)间的距离，波长常用人们熟悉的长度单位来度量，只是往往将之划分得很小， 如米(m)、厘米(cm)、毫米(mm)、微米 (m)、纳米(nm)等。,频率(Frenquency),频率指单位时间内、完成振动或振荡的次数或周期。即在给定时间内，通过一个固 定点的波
4、峰数，它常以赫兹(Hz)为单位，,在真空少电磁波以光速传播，是它们的波长()与频率()满足如下关系： C ,电磁波的衍射,波在传播过程中通到障碍物时，在障碍物的边缘一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的“阴影区”的现象称为衍射现象。它是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化，导致波在空间上振幅或强度重新分布的现象，也是波的重要特性之一。如，声波可传到拐角后而；光通过小孔，在孔后的屏上出现的不是一个亮点，而是一个亮斑。其亮班周围有逐渐减弱的明暗相间的圆环。,电磁波的小孔衍射亮斑的大小(衍射角)与小孔的直径d成反比,(设计遥感器地空间分辨率具有重要意义。),最小分辨角:,d 物镜的有效孔径,电磁波的偏振
5、,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。 非偏振光，偏振光，部分偏振,电磁波的叠加原理,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 ）,一列波在空间传播时，将引起空间各点的振动，两列(或多列)波在同一空间传播时，每列波对各点的振动都有贡献，因此空间各点的振动就是各列波单独在该点产生的振动的矢量和。,多普勒效应,在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时，他
6、会发现火车汽笛的声调由高变低. 为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来就高；反之声调听起来就低.这种现象称为多普勒效应，它是用发现者克里斯蒂安多普勒的名字命名的，多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应。,物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移 (blue shift)。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 (红移 (red shift)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观
7、测方向运动的速度。,电磁波的多普勒效应,电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。 类似声波的多普勒效应。 （合成孔径雷达的工作原理）,电磁波的粒子性,电磁波的粒子性是指电磁辐射除了它的连续波动状态外还能以离散形式存在。其离散单元称为光子(photo)或量子(quanta)。大量实验证明，光照射在金屑上能激发出电子，称为光电子。且光电子的能量与光的强度、光照的时间的长短无关，而仅与入射光的频率有关。即光强仅增加光电子的数量，而光电子的动能只与入射光的频率有关。,动量：P,能量：E,h : 普朗克常数，6.62607551034 J
8、 s,c : 光速； v : 频率 ：波长,能量和动量是粒子属性,电磁波的粒子性,辐射能量与它的波长成反比。即电磁辐射波长越长，其辐射能量越低。 这对遥感是有重要意义的如地表待征的微波发射要比波长相对短的热红外辐射更难感应。因此对于长波的低能辐射，遥感系统必须采取相应的对策，以尽量获得可探测的能量信,1.3 电磁波谱,电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。 在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是射线 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。,电磁波谱,不同的电磁波由不同的波源产生如果按照电磁波在真空中传播的波长递增（
9、或频率递减）的顺序排列，就能得到电磁波谱图,1.3 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。,传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同。,紫外线 （0.010.4微米），碳酸盐，油污,可见光 （0.40.76微米），人眼、单色、全色,红外线 （0.761000微米）,微 波 （11000毫米）。4个优点。,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,第二节 电磁波辐射规律,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
10、界没有真正的黑体。,2.1 黑体辐射, 绝对黑体：如果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。 光谱吸收系数（吸收率）： （，T） 光谱反射系数（反射率）： （，T） 绝对黑体： （，T）= 1 ； （，T）= 0,对于任何温度，任何波长吸收,比始终等于一的物体,B,T,a,l,(,),=,1,显然，绝对黑体的单色吸收比等于一，即：,绝对黑体,绝对黑体,模型,模型,绝对黑体,人工制造的接近黑体的吸收体,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
11、公式,h: 普朗克常数6.6260755*10-34 Ws2,k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK-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，5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4,任一物
12、体辐射能量的大小是物体表面温度的函数。斯玻定律表达了物体的这一性质。红外装置测试温度的理论根据。,M,B,（T）,最大值所对应的波长为,m,维恩位移定律:,维恩位移定律指出，当绝对黑体的温度升高 时，单色辐出度最大值向短波方向移动。,m,b,K,=,-,3,10,.,2.897,m,M,B,（T）,2.2.3 维恩（Wien)位移定律,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9.66m ）,上式表明，黑体最大辐射强度所对应的波长与黑体的绝对温度成反比。 如当对一块铁加热时，我们可以观察到随着铁块的逐渐变热铁块的颜色也从暗红-橙一黄一白
13、色，向短波变化的现象。,针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。,温度越高,所有波长上的波谱辐射通量越大 下图为绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线,M,B,（T）,0 1 2 3 4 5 6,(m),1700K,1500K,1300K,1100K,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。,实际物体的辐射 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。,发射率等于
14、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。,黑体的 = =1；灰体的 =常数1;选择性辐射体的 1,且随波长而变。,太阳是一个电磁辐射源，是遥感的主要能源。作为一个炽热气体球的太阳，其中心 温度15x106K，表而温度约6000K。太阳辐射的总功率为3826x1026w，太阳表面的辐射出射度为6284x107w/m2。太阳的辐射波谱从x射线一有延伸到无线电波，是个综合波谱。,第三节 太阳辐射,太阳常数:就是指在日地平均距离处垂直于太阳光线的平面上，在单位时间内单位面积上所接收到的太阳辐射能。 1.3661000瓦每平方米,太阳辐照度分布曲线,太阳光谱
15、辐照度指投射到单位面积上的太阳辐射通量密度，该值随波长不同而异。 上图显示了太阳辐射能量的分布情况，比较大气上界和海平面上的太阳辐照度，可见由于地球大气的吸收，在红外波段形成若干个吸收带。,到达地球大气外边界的太阳辐射，约30被云层和其他大气成分反射返回太空： 约有17的太阳能入射辐射被地球大气吸收；还有22披散射并成为漫射辐射到达地球表面。 因此，在进入地球外边界的太阳辐射中仅有31作为直射太阳辐射到达地球表面。,2.3.1大气对太阳辐射的影响,大气对辐射的影响,地球大气 组成：不变成分（氮氧氩二氧化碳氦） 可变成分（甲烷氢水蒸汽液态和固态水盐粒尘烟）,垂直分布：,1.对流层(troposp
16、here) 厚度：012km（低纬1718km，高纬89km；夏季高于冬季） 对流层的主要特点： 集中了80%以上的大气质量和几乎全部的水汽 温度随高度的升高而降低，平均每100m降低0.65 具有强烈的对流(convection)与乱流(turbulence)运动 气象要素(meteorological element)的水平分布很不均匀,2.平流层(stratosphere) 厚度从对流层顶向上，一直到55km左右为平流层。这一层集中了大气中的大部分臭氧，空气密度很小。 气温随高度而升高；平流层顶气温可达-3 -17 空气以水平运动为主，气流运行平稳，没有强烈的对流 水汽和尘埃很少，很少有云，透明度好,3中间层的范围约50一80km。它们介于上下两个暖层之间又称“冷层”。其温度随高度的增加而递减，平均每上升1km温度下降3
