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1、2018年9月19日星期三,遥感原理与应用（第二版）,孙家抦 主编武汉大学出版社 2009年6月,2,第 1 章 电磁波及遥感物理基础,概述 物体发射辐射 地物反射辐射 地物波谱特性测定,3,1、概述,基本概念 电磁波 电磁波的波粒二相性 电磁波谱,4,1.1、遥感（Remote Sensing),（广义）遥感：不直接接触，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术 遥远感知 1962年，美国地理学会在密执安大学召开的“环境遥测讨论会” 上确定“遥感”这一新概念,5,1.1、遥感数据采集,一切可通过特定仪器感知并记录的信息，均可作为遥感数据进行采集 遥感手段 电磁波：光、热、无线电、 力场：重
2、力场、地磁场、 机械波：声波、P波、S波、 遥感基础：探测对象针对特定遥感手段表现的差异性特征 物体在电磁波反射、发射辐射方面的差异性特征,6,1.1、本课程遥感范畴,遥感媒介：电磁波 遥感对象：地球（表层） 陆圈、水圈、生物圈、大气圈 物理过程、化学过程、生物过程、地学过程 遥感平台：卫星、飞机遥感：以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，探测、分析和研究地球资源与环境，揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律的一门技术与科学,节,7,1.2、电磁波,Electromagnetic Radiation: the energy propagation in open space by th
3、e mutually induced electric field and magnetic field,7,: frequencyh : Plancks constant6.610-34 J s,8,1.2、电磁波,电磁辐射：电磁能量的传输过程 辐射、吸收、反射和透射 麦柯斯韦（Maxwell）方程电磁辐射与物质的相互作用依赖于物质的电、磁性质 不受辐射频率、波长、振幅的限制 电、磁物理量的基本关系,D：电位移矢量、E：电场强度矢量 B：磁感应矢量、H：磁场强度矢量 J：电流密度、 ：介电常数， 1 ：磁导率、 ：电导率,9,9,1.2、电磁波公式与速度,电磁波在介质中的传播速度,10,10
4、,1.2、电磁波波长与频率,: wavelength : frequencyc : speed of light3108 m/s,节,11,1.3、波粒二相性,波粒二相性 电磁波在传播过程中，主要表现为波动性 衍射 干涉 偏振 在与物质相互作用时，主要表现为粒子性 光量子 统计规律上的波动性，单个具体的粒子性 波是粒子流的统计平均 粒子是波的量子化,12,1.3.1、衍射（Diffraction）,衍射现象：波在传播过程中遇到障碍物时，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的阴影区的现象 声波可传到拐角后面 光谱仪的分光衍射光栅：一组平行、等宽、等间隙的狭缝 小孔衍射现象,经过小孔
5、的光线打在屏幕上并不是一个点，而是呈环形亮斑分布 伴有逐渐减弱的圆环 亮斑大小与孔径的直径成反比,13,1.3.1、衍射（Diffraction）,泊松亮斑：不透光圆版的成像 法国科学家泊松：根据菲涅尔的光波动性公式推算其成像中心会出现一个亮斑，并得出结论 “非常荒谬可笑” 实验中的确出现这个亮斑,14,1.3.2、干涉（Interference）,干涉现象：频率、振动方向相同，相位相同或相差恒定的 2 列（或多列）波的叠加合成而引起震动强度重新分布的现象 杨式双缝试验,15,1.3.3、偏振（Polarization）,偏振现象：电磁波电场振动平面保持不变的现象 横波特有 偏振面：偏振电磁波
6、电场振动平面 偏振光：偏振面完全固定在一个平面内的光线 激光、某些散射光、反射光、投射光、 微波技术中称偏振为“极化” 对于相同地物，水平极化、垂直极化雷达图像有差异 非偏振光：偏振面在与电磁波传播方向相垂直的360范围内均匀分布 太阳光、普通照明灯、 半偏振光：介于偏振光和非偏振光之间，部分能源有明显的极化特征 激光、无线电、雷达波、,16,1.3.4、电磁波参数,波长（Wavelength）：波在一个振动周期内传播的距离 单位：米、厘米、毫米、微米、纳米、埃 可见光红外遥感多用波长描述波谱范围 频率（Frequency）f：波在单位时间内振动的次数 电磁波以光速传播：Cf 单位：赫兹、千赫
7、、兆赫、吉赫等 微波遥感多用频率描述波谱范围 电磁波传播时，频率不变 振幅（Amplitude）A：振动物理量偏离平衡位置最大位移距离 相位/位相（Phase）：某物理量随时间或空间位置变化作正弦变化时，该量在某一时刻的位置或状态,17,1.3.5、粒子性特点,电磁波除了连续波动状态外，还能以离散形式存在 光子（photo）、量子（quantum） 光电效应：光照射在金属上能激发出电子（光电子），其能量仅与光的频率有关 Max Planck的光电效应公式 Qhvhc/ h：普朗克常数 光电成像 热红外辐射比 可见光辐射更难感应 微波辐射 比 热红外辐射更难感应 光的强度：决定于单位时间内通过某
8、截面的光子数目（光子流密度） ，光强度的变化并不改变光电子最大动能,18,1.3.5、粒子性特点,光粒子性：光的作用是“一份一份”地进行的 双缝干涉实验成像：曝光时间很短时可以清楚地观察到光的粒子性,19,1.3.6、电磁辐射的度量,电磁波辐射以电磁波的形式向外传送能量 辐射能量Q：以电磁波形式向外传送的能量，焦（J） 辐射通量/辐射功率（Radiant flux）：单位时间内通过某一表面Q，瓦（W、焦/秒、Js-1），dQ/dt 波谱辐射通量：单位波长间隔、单位时间内辐射的Q，瓦/微米（Wm-1）()d/d,20,1.3.6、电磁辐射的度量,电磁波辐射以电磁波的形式向外传送能量 辐射出射度/
9、辐射通量密度（Radiant exitance）M：面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的Q，瓦/米2（Wm-2），Md/dA 辐射照度/辐照度（Irradiance）E：单位时间内、单位面积上接收的Q，瓦/米2（Wm-2），Ed/dA 辐射强度（Radiant intensity）I：点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的Q，瓦/球面角（Wsr-1），Id/d,21,1.3.6、电磁辐射的度量,电磁波辐射以电磁波的形式向外传送能量 辐射亮度/辐亮度（Radiance）L：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Q，瓦/米2球面角（W
10、m-2sr-1）Ld2/ddAcos,节,22,1.4、电磁波谱,Electromagnetic Spectrum: The complete and sequentially arranged table of electromagnetic waves according to the wavelengths, including gamma rays, x rays, ultraviolet, visible, infrared, microwaves, and radio waves,22,23,23,1.4、电磁波谱,24,1.4、电磁波谱,25,1.4.1、红外线,26,1.4.2
11、、可见光,27,2、物体的发射辐射,黑体辐射 太阳、地球辐射 大气影响 一般物体辐射 热传导基础理论,28,2.1、黑体辐射,黑体：能够全部吸收电磁波辐射的理想物体 近似黑体：黑色烟煤（99%）、恒星、太阳 4 个定律 基尔霍夫定律（1860） 普朗克定律（1900） 斯特潘波尔兹曼定律 维恩定律 朗伯体微波辐射亮度,表面95%吸收,29,2.1.1、基尔霍夫定律,Kirchhoff Law：在热平衡条件下，物体的波谱发射率等于其波谱吸收率 局地热平衡：瞬时间热交换非常缓慢，物体向外辐射的能量基本等于从外界吸收的能量 经验证明：Kirchhoff Law 适用大多数地面条件,水：热红外谱段反射
12、率接近于 0 ，发射率接近于 1 金属：高反射率、低发射率,30,2.1.2、普朗克定律,Planck LawM(T)：波谱辐射通量密度Wm-2m-1h：普朗克常数6.62610-34 Jsk：波尔兹曼常数1.380610-23 JK-1c：光速， 2.998108 ms-1 ：波长，米T：热力学温度， 开（K）,不同温度的辐射谱线互不相交,31,2.1.3、斯特潘波尔兹曼定律,StefanBoltzmann LawM：黑体表面总辐射出射度（辐射谱线面积，W m-2） ：斯波常数5.669710-8 （Wm-2 K-4） Tb：黑体温度，K TR：地物温度，K ：地物发射率，无量纲,32,2.
13、1.4、维恩位移定律,Wiens Lawmax：辐射强度最大的波长，m hc/5k：常数，2897.8 mKT：热力学温度，K峰值波长 太阳：0.48 m 地球：9.70 m,33,2.1.5、朗伯体微波辐射亮度,黑体在微波范围内的辐射能量，与温度的一次方成正比 L T,节,34,34,2.2、太阳、地球辐射,35,2.2、太阳、地球辐射,表面温度：6000 K、中心温度：15106 K 辐射总功率：3.8261026 W 表面辐射出射度：6.284107 Wm-2 辐射波谱：X射线 无线电波，综合波谱,36,2.2、太阳、地球辐射,地面接收到的太阳辐照度,E ：到达某地面的最大地面辐照度 E
14、0 ：太阳常数，1.36103 wm-2 D ：日地平均距离单位 ：太阳天顶角，是经度、纬度、日时间的函数,37,2.2、太阳、地球辐射,短波辐射：0.3 2.5 m，主要为对太阳光的反射 中红外波段：2.5 6 m 太阳的辐射和地球表面的热辐射影响并存 长波辐射：6 m，以地表物体自身的热辐射为主，太阳的辐射的影响极小,节,38,2.3、大气影响,大气概况 大气散射 大气吸收 大气对不同波段的影响 大气窗口 辐射传输方程,39,2.3.1、大气概况成分,大气影响：大气对电磁波的吸收、散射和透射，与波长和大气的成分有关 大气成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。 主要成分（99%）
15、：氮、氧， 微量气体：CO2、He、甲烷、NO、H2、 其他可变成分：水蒸气（0.3%） 、O3、 悬浮微粒：霾、尘埃、液态水（水滴如云雾、降雨）、固态水（冰粒）、盐粒、尘烟、 粒径 0.01 20 m，具有重要光学效应 集中在地面上几公里范围的大气层中 大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因 大气净效应因素：路径长度、电磁辐射能量强弱、大气条件、波长,40,2.3.1、大气概况分层表（标注下限高度）,41,2.3.1、大气概况分层特征,大气的垂直分层：由下而上 对流层 ：极地上界7 8 km，赤道上界16 19 km，气流上下混合作用、主要大气现象都集中于此，6.5 Kkm-1
16、 平流层：上界35 km，分为底部的同温层（25km）和上面的暖层（臭氧吸收紫外线），只有季节性风 中间层/冷层：上界80 km，温度随高度增加而递减至大气最低温度95C，3K/km。 电离层/增温层/热层：大气最外层，上界1000 km，电离现象（太阳辐射），无线电波全反射 大气外层：1000 km以外的星际空间,42,2.3.2、大气散射,散射：电磁辐射在非均匀介质或各向异性介质中传播时，改变原来传播方向的现象 大气散射：由大气中微粒（大气分子、气溶胶等）引起的散射现象 天空散射光：降低影像反差 地面、大气：“变亮” 亮物体：“变暗” 集中在可见光波段 太阳辐射衰减主因,43,2.3.2、大气散射,3 种大气散射 瑞利散射 米氏散射 均匀散射,44,2.3.2a、瑞利散射,Rayleigh Scattering：d 的大气微粒所产生的散射现象射，多发生在 9 10 km 的晴朗高空 散射率与波长四次方成反比，且前向、后向散射强度相等 紫外线是红光散射的 30 倍 0.4 m 的蓝光是4 m 红外线散射的10,000倍 多波段中常常不使用蓝紫光 微波的穿透能力强 瑞利散射的影响 可见光：较大 红外辐射：很小 微波：可以不计,
