《第二章遥感的物理基础2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章遥感的物理基础2（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,第二章 遥感的物理基础,本章主要内容 电磁波与电磁波谱 地物的光谱特性 大气和环境对遥感的影响,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,第一节 电磁波与电磁波谱,电磁波及其特性 电磁波谱 电磁辐射源,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,一、电磁波及其特性,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 电磁波（ElectroMagnetic Spectrum )由振源发出的电磁振荡在空气中传播。,演示,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理电磁辐射:这种电磁能量的传递过程（包括辐射
2、、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,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。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,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。,遥感原理,烟台师范学院地理
3、与资源管理学院,二、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。 2、遥感常用的电磁波波段的特性,The Electromagnetic Spectrum,More than meets the eye!,Examples from Space!,Wavelength,The distance from one wave crest to the nextRadio waves have longest wavelength and
4、 Gamma rays have shortest!,Wavelength Units,Meters (like on last slide and in book, p. 613) More commonly in nanometers (1 nm = 10-9 meters) Angstroms still used Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths 1 nanometer = 10 Ao,Speed of light = wavelength (l) x frequency = 3 x 108 m
5、/s in vacuum Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1) Frequency in GHz (1 Hz = sec 1),Language of the Energy Cycle: The Electromagnetic Spectrum,Energy,Wavelength l,Solar Spectrum = Shortwave spectrum =visible spectrum:,Terrestrial Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum = Thermal Spectrum: Sahar
6、a Desert on Nimbus 4 Satellite,Theoretical Planck curves: Earth 300K, peak emission 15 mm,Earth Spectrum,Incoming from Sun: High energy, short wavelength,Outgoing from Earth Low energy Long wavelength,0.5 mm,10 mm,20 mm,Electromagnetic Spectrum,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,紫外线(UV)：0.01-
7、0.4m，碳酸盐岩分布、水面油污染。 可见光：0.4-0.76 m，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。 红外线(IR) ：0.76-1000 m。近红外0.76-3.0 m中红外3.0-6.0 m；远红外6.0-15.0 m；超远红外15-1000 m。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。 微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。,2、遥感常用的电磁波波段的特性,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,三、电磁辐射源,自然辐射源 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用5900的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量
8、集中-短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。 地球的电磁辐射：小于3 m的波长主要是太阳辐射的能量；大于6 m的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6 m之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,太阳辐射照度分布曲线,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,太阳与地球辐射的电磁波谱,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。 微波辐射源：0.8-30cm 激光辐射源：激光雷达测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,第二节 地物的光谱特性,任何
9、地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,地物的反射率、吸收率和透射率 对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。,一、地物的反射光谱特性,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,地物的反射率（反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。 影响地物反射率大小的因素： 入射电磁波的波长 入射角的大小 地表颜色与粗糙度,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,地物的反射光谱：地物的反
10、射率随入射波长变化的规律。 地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。 不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、 沙漠、湿地、小麦的光谱曲线,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,传感器探测波段的设计，是通过分析比较地物光谱数据而确定的。 多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：MSS1(0.5-0.6 m) MSS2(0.6-0.7 m)MSS3(0.7-0.8 m) MSS4(0.8-1.1 m),遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异
11、性。不同植物；植物病虫害 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。 时间特性 空间特性,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,不同植物光谱曲线比较,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,植被的病虫害,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,时间特征,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,地物发射电磁波的能力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(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。,二、地物的发射光谱特性,1. Power Source:
12、 Blackbody Radiation,Plancks Law: The amount and spectrum of radiation emitted by a blackbody is uniquely determined by its temperature,Max Planck (1858 1947) Nobel Prize 1918,Emission from warm bodies peak at short wavelengths,wavelength,3、黑体辐射定律,(1)朗克热辐射定律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。,遥感原理,烟台师范学院地
13、理与资源管理学院,黑体辐射的三个特性( p20 ),辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。 温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。 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。,(2)玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmanns law 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。,(3)维恩位移定律：Wiens displacement law 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。,4、地物的发射率和基尔霍夫定律,发射率(Emissi
14、vity )：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。,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,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(grey body)：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。,基尔霍夫定律：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
15、通量W 黑。,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。,地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,5、黑体的微波辐射,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。 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。,瑞里金斯公式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率的比较：不同地物之间微波发射率
16、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。（表2-6）,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,6、地物的发射光谱,发射光谱：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。 岩石的发射光谱分析（图2-12）,亮度温度：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。The temperature of the black body which radiates the same radiant energy as an observed object is called the brightness temperature of the object. 亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。,遥感原理,烟台师范学院地理与资源管理学院,透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。 透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。 可见光、红外、微波的透射能力。,
