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1、环境遥感课件,杨泽元（博士，副教授） 环工学院环境科学系,教学内容：本章主要介绍遥感物理基础的电磁学部分，包括电磁波谱、电磁辐射和黑体的概念，太阳辐射和地球辐射的特征，大气对电磁辐射的影响，地物电磁辐射特性。 教学目的：通过本章的学习，要求掌握电磁波谱、电磁辐射和黑体的概念，太阳辐射和地球辐射的特征；了解大气对电磁辐射的影响，地物电磁辐射特性。 教学重点：电磁辐射的度量、黑体辐射的两大定律和实际物体辐射规律。,第二章 遥感物理基础,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,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,一、电磁波及其特性,波的概念
2、：波是振动在空间的传播。波动是各质点在平衡位置振动而能量向前传播的现象。,声波,水波,弹簧纵波,绳波,光波,无线电波,无处不在的波,地震波,横波,纵波,一、电磁波及其特性,2.机械波,声波,水波,弹簧纵波,绳波,地震波,一、电磁波及其特性,3.电磁波（Electromagnetic Spectrum ) 由电磁振源发出的电磁振荡在空间中的传播。,光波,无线电波,电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。原理：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传播，形成电磁波。 5.电磁辐射:这种电磁能量的传递过程（包括发射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。,电磁波的特性 电磁波是横波 在真空
3、中以光速传播，c=3.0108m/s 满足： f=c E=hf P=h/ 式中f：频率，：波长；E：光子能量，h:普朗克常数，=6.62610-34J/s;P:光子动量。,4） 电磁波具有波粒二相性 波动性（时空周期性）：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性，可以用、c、T和f来表征，表现为电磁波有干涉、衍射、偏振、散射等现象。 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。主要表现为电磁辐射的光电效应、康普顿效应等。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性。 与过程有关，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；
4、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。,二、电磁波谱,1889年，赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波。 电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长/频率按其长短/高低，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。,Examples from Space!,Wavelength,The distance from one wave crest to the next Radio waves have longest wavelength and G
5、amma rays have shortest!,Wavelength Units,Meters (like on last slide and in book, p. 613) More commonly in nanometers 1 nm = 10-3 m = 10-7cm= 10-9 m 1 m = 10-3mm= 10-4 cm= 10-6 m Angstroms still used Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths 1 nanometer = 10 Ao,Speed of light =
6、wavelength (l) x frequency = 3 x 108 m/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 = Infra
7、red Spectrum = Thermal Spectrum:,Theoretical Planck curves: Earth 300K, peak emission9.66 mm,Outgoing from Earth Low energy Long wavelength,Incoming from Sun: High energy, short wavelength,Electromagnetic Spectrum,The Electromagnetic Spectrum,More than meets the eye!,注： 也有人将0.76-15m看作近红外，将15-1000m 看
8、作远红外。,紫外线(UV)：0.01-0.38m，主要用于探测碳酸盐岩分布、水面油污染。 可见光：0.38-0.76m，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。 红外线(IR) ：0.76-1000m。近红外0.76-3.0m;中红外3.0-6.0m；远红外6.0-15.0 m；超远红外15-1000m。（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,二、电磁辐射的度量,任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其它物体对它的辐射，也能够向外辐射，只是辐射的强度和波长不同而已。因
9、此，电磁波传递就是电磁能量的传递，RS探测实际上是辐射能量的测定。,辐射能Qc以电磁波形式传递的能量（J，焦耳）。 辐射通量在单位时间内通过某一面积的辐射能量。 =dQc/dt 单位：w,瓦 大多数传感器响应的是辐射能传递的时间效率。 辐射通量密度E单位时间内通过单位面积的辐射能量。 E=d/ds 单位：w/m2,辐照度Ee被辐射物体表面单位面积上的辐射通量。 Ee=d/ds 单位：w/m2 辐射出射度Me辐射物体表面单位面积上的辐射通量。 Me=d/ds 单位：w/m2 Ee、Me都是辐射通量密度的概念，不过Ee为物体接收的辐射，Me为物体发出的辐射，都与有关。,辐射强度 (radiant
10、intensity) I,辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量： I= / 单位:瓦/球面度（W/Sr）,S,：立体角，单位：球面度，无量纲。 =S/R2,R:点辐射源与球面上面元S的距离，即球半径；S:与球半径R垂直的某小面元的面积。球心对全球面所张的立体角为： =4。,R,辐射亮度L假定有一辐射源呈面状，辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。 L=/(Acos),式中L：W/（Sr m2）瓦m-2 球面度-1 ：辐射通量； ：立体角，单位：球面度，无量纲。 A:小辐射面元的面积； :球半径与地表法线之间的夹角，又称观察角。,辐射亮度L与
11、观察角无关的辐射源，称为朗伯源。如新鲜的氧化镁、硫酸钡、碳酸镁表面，在反射天顶角=45时，可近似看成朗伯面。,S,小 结,辐 射 度 量 一 览 表,8/13,吸收系数：当物体的温度为T，波长在+内，吸收能量与入射能量之比。 绝对黑体：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，又称为完全辐射体。 黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。在一切方向上都均等。,三、黑体辐射,自然界并不存在绝对黑体，黑色的烟煤是最接近绝对黑体的自然物质。恒星和太阳的辐射被看作是接近黑体辐射的辐射源。 理想的绝对黑体在实验上是用一个带有小孔的空腔做
12、成的(图2.6)，空腔壁由不透明的材料制成，空腔器壁对于辐射只有吸收和反射，当从小孔进入的辐射照射到器壁时大部分被吸收，仅有5或更少部分被反射。,Power Source: 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 shor
13、t wavelengths,wavelength,4、黑体辐射定律,(1)普朗克热辐射定律（Max Planck） 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。,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)斯特藩玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmanns law 即黑体的总辐射出射度与黑体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，这是红外装置测定温度的理论基础。,式中：M:黑体表面的总辐射
14、出射度（w/m2）；：斯特藩玻耳兹曼常数，取值为5.669710-8 Wm-2k-4；T:发射物体的热力学温度。,(3)维恩位移定律：Wiens displacement law 黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反比。,式中 :为最大波谱辐射出射度对应的波长（m）; : =2898 mk。,从图27也可以看出，黑体温度越高，其曲线的峰顶就越往左移，即往波长短的方向移动，这就是位移的含义。如果辐射最大值落在可见光波段，物体颜色会随着温度的升高而变化，波长逐渐变短，颜色由红外到红色再逐渐变蓝变紫(表2.2)。-,表2.2 绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系,四、电磁辐射源,
15、自然辐射源 （1）太阳辐射 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源，表面温度约6000K(5900K) ,其辐射波长范围极大，最大辐射波长强度位于波长0.47m；辐射能量集中在中-短波辐射。大气层对太阳辐射具有吸收、反射和散射作用。 太阳常数：当地球处于日地平均距离时，单位时间内投射到位于地球大气上界，且垂直于太阳光射线的单位面积上的太阳辐射能量为： I=1.36103 W/m2。,太阳辐射照度分布曲线,（2）地球辐射 地球的电磁辐射：是远红外遥感的主要辐射源，地球外围的温度大约为300K（27）,其最大辐射强度位于波长9.66m；辐射能量属于远红外波段（热红外能量） 小于3m的波长主要是反射太阳辐射的能量为主；大于6m的波长，主要是地物本身的热辐射为主；3-6m之间，地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射都要考虑。 进行红外遥感探测时，选择清晨时间，目的是为了避免太阳辐射的影响。,太阳与地球辐射的电磁波谱,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。,例1 已知由太阳常数推算出太阳表面的辐射出射度M6.284107W/m2，求太阳的有效温
