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1、遥 感 物理基础,20010-9 YYY,波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等.电磁振动的传播称为电磁波。 横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直(相同），称横（纵）波。 电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减排列构成了电磁波谱。 该波谱以频率从高到低排列，可以划分为Y射线、x射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。在真空状态下频率与波长之积等于光速。,电磁波谱,电磁辐射的度量 辐射源:够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波 辐射能量（W） ：电磁辐射的能量，单位：J 辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射能量， =dw/
2、dt ，单位是w 辐射通量密度（E） ：单位时间通过单位面积上的辐射能量，E=d /ds ，单位：w/m 2 ，S面积 辐照度（I） ：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量，I=E=d /ds ，单位：w/m 2 ，S面积 辐射出射度（M ）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=E=d /ds ，单位：w/m 2 ，S面积,电磁波性质是横波； 在真空以光速传播；满足：c=f E=hf 式中，E为能量，单位：J；电磁波具有波、粒二象性。电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会发生反射、折射、吸收、透射等现象。波动性：电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会发生反射、折射、吸收、透射等现象粒子性：传
3、播过程中，若碰到会发生散射现象，从而引起电磁波的强度、方向等发生改变。 叠加原理：两列以上的波在同一空间传播时，空间质点的振动表现为各单列波质点振动的矢量合成。,（类似电量、电流、功率的概念） 辐射能量（W） ：电磁辐射的能量，单位：J 辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射能量， =dw/dt ，单位是w 辐射通量密度（E） ：单位时间通过单位面积上的辐射能量，E=d /ds ，单位：w/m 2 ，S面积 辐照度（I） ：被辐射物表面单位面积上的辐射通量，I=E=d /ds ，单位：w/m 2 ，S面积 辐射出射度（M ）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=E=d /ds ，单位：
4、w/m 2 ，S面积,电磁辐射度量,黑体如果一个物体对于任何波长的电磁波都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。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现象和吸收现象. 绝对黑体则是吸收率恒等1，反射率为0，与物体的温度和电磁波波长天关。对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于0 。吸收系数 （ ，T） =100%反射系数 （ ，T ）=0% 黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。 黑色的烟煤 （ ，T ）=99%,人工制造的接近黑体的吸收体经n次反射后出射光线几乎等于0。空腔符合绝对黑体的要求。黑色的烟煤，因其吸 收系数接近99，被认为是最接近绝对黑体的自然物质，恒里和
5、太阳的辐射也被石作是接近黑体辐射的辐射源。,h: 普朗克常数6.626075510 J/K k : 玻尔兹曼常数，k=1.38065810 Js c: 光速; : 波长（ m ）; T: 绝对温度（K ），M为辐射出射度。黑体辐射出射度是波长和温度的函数,黑体辐射规律,黑体在某一单位波长间隔内( )的辐射出射度与波长的关系如图：,黑体辐射的三个特征（变化特点）： (1) 辐射出射度随波长连续变化，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。,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。绝
6、对黑体辐射出射度随温度增加而迅速增加，与温度的4方成正比。 : 斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6710Wm K,维恩位移定律黑体辐射光谱中最强辐射的波长A max与黑体绝对温度T成反比： b = Tb : 常数，b=2.898 10 mK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9.66 m ）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。波长比热红外长的区域，如在微波区域，辐射能量水平很低。因此，我们经常使人工能量源去照射目标物体（诸如雷达）并收集来自目标物体的后向散射。,假定有一封闭的空腔，腔内有四个物体，首先腔内为真空，腔内能量交换不可
7、能通过传 导和对流进行，只能以辐射方式完成。 空腔内保持恒温不变，因此每个物体向外辐射和吸收的能量必然相等。,(2)实际物体的辐射基尔霍夫定律实现了实际物体的辐射出射度M与同一温度、同一波长绝对黑体辐射出射度的关系，a是此条件下的吸收系数(oa1)。有时也称为比辐射率或发射率，记作，表示实际物体辐射与黑体辐射之比，MMo 。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。,太阳是被动遥感最主要的辐射源。太阳辐射有时习惯称作太阳光，太阳光通过地球大气照射到地面，经过地面物体反射又返回，再经过大气到达传感器。,1太阳常数太阳是太阳系的中心天体。地球上的能源主要来自太阳
8、。太阳常数：太阳常数：是指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。 .Min,太阳辐射及其能量分布 1 ）5900K 的黑体辐射。 2 ）短波辐射（太阳辐射总能量的40 集中于0.38 0.76m 的可见光范围内）,太阳辐射,太阳辐射从近紫外到中红外区间能量最集中，而起相对最稳定，太阳强度变化小。就遥感而言，被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射，使太阳活动对遥感的影响减至最小。,大气成分,大气对辐射的吸收,大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。水：分为气态水和液态水，水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至
9、微波，都有水汽的吸收带。液态水的吸收更强，主要在长波方向。二氧化碳主要在红外区。1.35 2.85m 之间有3 个弱吸收带，2.7 ，4.3 ，14.5 m 为强吸收带。,累积吸收率曲线,太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子的散射和大气中固体、微粒、液体的散射。辐射波传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变并向各个方向散开，称散射。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向的辐射。,大气散射,思考：为什么云雾是白色，微波有最大的穿透能力。,对于大气分于、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段。对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外波段都有影响，当波长进入红外波段后，米氏散射的
10、影响超过瑞利散射。大气云层中，小雨滴的直径相对其他微粒最大，对可见光只有无选择性散射发生，云层越厚散射越强，而对微波来说，微波波长比粒子的直径大得多则又属于瑞利散射的类型，散射强度与波长四次方成反比，波长越长散射强度越小，所以微波才可能有最小散射，最大透射，而被称为具有穿云透雾的能力。,无选择性散射,大气的折射率与大气的密度有关，密度越大，折射率越强，离开地面越高，空气越稀薄，因此，电磁波在空气中传播轨迹是一条曲线。,为什么早上看到的太阳比下午大,大气窗口及透射分析,大气反射,电磁波传播的过程中，通过两种介质的交接面的时候发生反射，反射现象主要发生在云层的顶部。,大气窗口,通常把电磁波通过大气
11、层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段称为大气窗口。电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。,1 ）0.3 1.3 m m 包括全部可见光（95 ），部分紫外光（70 ），部分近红外光（80 ）。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成伤的常用波段，如Tandsat卫星的TM14波段，SPOT卫星的HRV波段。 2 ）1.5 2.8 m m近红外窗口，60 95 ，扫描成像，白天记录。15一l 8 m 和20一35 m即近、
12、中红外波段；是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如TM的5，7波段等，用以探测植物含水量以及云、雷，或用于地质制图等。,3 ）3.5 5.5 m 中红外窗口，60 70 ，白天夜间，扫描成像记录。该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射的能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.553.93探测海面温度，获得昼夜云图。 4 ）8 14 m 远红外窗口，超过80 ，夜间，扫描记录。主要边远来白地物热辐射的能量，适于仅N成像。 5 ）1.4 300mm 微波窗口，白天夜间，扫描记录。 由于微波穿云远雾能力强，这区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。,大气透射分析太阳辐
13、射通过大气时，就可见光和近红外而言，被云层或其他粒子反射回去的比例最大，约占加30%，散射约占22，吸收约占17，透过大气到达地面的能量仅占入射射总能量的31。除气象卫星探测云层外，大多数被动遥感传感器都选择无云大气观测，这时大气对太阳辐射的衰减就只考虑散射和吸收了。,太阳辐射与地表的相互作用太阳辐射近似6000K时的黑体辐射，而地球辐射则接近于温度为300K的黑体辐射。最大波长相差较大。,地表自身热辐射,地物的反射光谱电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。I（到达地面的太阳辐射能量）=R(反射能量)+A（吸收能量）+T（透射能量）,地物的反射率物体反
14、射的辐射能量占总入射能量的百分比，称为反射率： 不同物体的反射率也不向，这文要取决于物体本身的性质(友面状况)，以及人射电磁波的波长和入射角度，反射率的范围总是1，利用反射率可以判断物体的性质。物体的反射包括镜面反射和漫反射。,雪、沙漠、湿地、小麦的反射辐射率曲线,此图描述的是雪、小麦、沙漠、湿地的反射率曲线，雪在0.3微米处有一个强反射峰，小麦在0.55微米附近有一个反射峰，在0.7-0.8微米附近反射强烈，在红光和蓝光附近有吸收带。沙漠在0.6微米附近反射率最高，在0.75、0.95、1.15微米附近有吸收带，湿地的反射率总体比较低。不同地物对入射电磁波的反射能力不一样，不同地物由于物质组
15、成不同，具有不同的反射光谱特性，因而可根据遥感传感器接收到的电磁波光谱特征的差异来识别不同地物。,植被的反射波谱曲线主要分三段：可见光波段(0.4076m)有一个小的反射峰，位置在055m (绿)处，两侧0.45m (蓝)和067m (红)则有两个吸收带。这特征是出于叶绿素的影响，叶绿素对蓝光相红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。在近红外波段(07一08m)有反射的“陡坡”，至1.lm附近有“峰值”，形成植被的独有特征。这是由于植被叶细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中红外波段(132.5m)受到绿色植物含水亟的影响，吸收串大增，反射率大大下降，特别以1.45m 、l95m和2.7m为中心是水的吸收带，形成低谷。,三种土壤反射率曲线,作业： 1 电磁波谱的概念？ 2 绝对黑体的概念？ 3 由不同温度的黑体辐射曲线说明了什么?（page20） 4 太阳常数的概念？ 5 三种大气散射发生的条件，特点、作用的微粒？ 6 雪、沙漠、湿地、小麦反射率曲线说明了什么？,
