遥感重点第二章.doc

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1、2电磁辐射与地物光谱特征 电磁波谱和黑体的概念 太阳辐射和地球辐射特征 大气对电磁辐射的影响 地物反射波谱特征与测量目的：1.理解地物反射对遥感数据产生的影响和利用遥感数据反演地物特征的原理 2.理解大气吸收、散射、透射特征，大气窗口形成原因及遥感数据校正的必要性2.1 电磁波谱与电磁辐射一. 电磁波波的概念：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。电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的电磁辐射:这种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。电磁波的特点1） 不需要传播

2、介质 2） 横 波3）在真空中以光速传播4）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。v 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v 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电磁波的电（E）、磁（H）向量 波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失位相信息。全息摄影中，同时记录了振幅信息和位相信息。 电磁波的有关参数 波长(Wavelength)：指波在一个振动周期内传播的距离。即沿波的传播方向，

3、两个相邻的同相位点(如波峰或波谷)间的距离。用l表示，单位为厘米(cm)、毫米(mm)、微米(mm)、纳米(nm)等1 mm = 1000nm。 周期：波前进一个波长那样距离所需的时间（T） 频率(frequency)：指单位时间内，完成振动或振荡的次数或周期（T）.用V示。单位为赫兹(Hz)、千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等 。 振幅(Amplitude)：表示电场振动的强度。它被定义为振动物理量偏离平衡位置的最大位移。即每个波峰的高度。单位为瓦特米2厘米 电磁波的波长、频率、及速度间有如下关系： ulV 电磁波在真空中以光速C2.998108米秒(ms)传播，在大气中小于光

4、速但接近于光速传播。 一般可用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。在可见光一红外遥感中多用波长，如mm、nm等：在微波遥感中多用频率，如MHz、GHz等 二. 电磁波谱定义：按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列成的图表，称为电磁波谱。 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。可见光波长范围大约为400nm(紫色)700nm(红色)，可见光谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间： 红：610700nm 橙：590610nm 黄：570590nm 绿：500570nm 青：450500nm 蓝：

5、430450nm 紫：400430nm 红外波段波长范围0.7300m，可进一步划分为如下波段： 近红外(NIR)： 0.71.5m短波红外(SWIR)： 1.53 m中波红外(MWIR)： 38 m 长波红外(LWIR)： 815 m远红外(FIR)： 大于15mNIR和SWIR也称为反射红外，因为在地球表面反射的太阳辐射中，主要的红外成分为NIR和SWIR。而MWIR和LWIR也称为热红外。微波波长范围1mm到1m，可进一步划分为若干不同频率(波长)的波段：(1GHz=109Hz) P波段：0.31GHz (30100 cm) L波段：12GHz (1530 cm) S波段：24GHz (

6、7.515 cm) C波段：48GHz (3.87.5 cm) X波段：812.5GHz (2.43.8 cm) Ku波段：12.518Ghz (1.72.4 cm) K波段：1826.5Ghz (1.11.7 cm) Ka波段：26.540Ghz (0.751.1 cm)不同点：传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同。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 都是横波，遵循横波的一切特性三. 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

7、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。 太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和大气层。其能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。太阳大气 位置 温度 厚度 辐射特点 辐射的光谱 光球层 内4300-7500500km 连续辐射 可见光和红外 色球层 中四五千度升高到几万度 7000-80

8、00km 线状辐射无线厘米波 日冕层 外100万以上 形状多变，厚度不定，一般太阳直径的几倍到十几倍连续辐射米波 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0.40.76um的可见光范围内，51在红外部分） 太阳常数太阳常数：当太阳至地球的距离处于平均距离时(一个天文距离,大约为15,000万公里 )，太阳在单位时间内投射到大气层顶部，垂直于射线方向的单位面积上的辐射能量。（1.95W/cm2 min）在世纪时标内，变化小于百分之一，只有千分之一和二的水平。 在近日点垂直于大气上界的太阳辐射强度比太阳常数大3.4；而在远日点则比太阳常数小3.5。

9、太阳常数的数值，由于观测年代不同，以及观测方法和推算方法的不同，在不同的书籍和资料中，其数值常不一致，变动幅度在1.90-2.90 W/cm2 min之间。1957年国际地球物理年决定采用1.98 W/cm2 min 。 近年来，在宇航事业取得新资料的情况下，经过大量观测和分析，测得新的太阳常数为1.95W/cm2 min 。据研究，太阳常数也有周期性的变化，这可能与太阳黑子的活动周期有关。 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。几个辐射度量概念辐射能量：电磁辐射的能量，单位

10、为焦耳（J）。辐射通量（Radiant flux）：单位时间内通过某一面的辐射能量，单位是瓦（W），表示为： F=d /dt立体角（Solid angle)：为锥体所拦截的球面积与半径r的平方之比，表示为： W=s/r2立体角的单位用球面度（Steradian，简写为Sr）表示，面积为4r2的球，其立体角为4球面度。 辐射照度E（Irradiance）：单位面积上所接收的辐射通量，单位是瓦/米2（W/m2）。表示为E=dF/dS 辐射出射度M（Radiant emittance）：单位面积上辐射出的辐射通量，单位是瓦/米2（W/m2）。表示为 M=dF/dS辐射亮度(Radiance)L：辐射

11、亮度L确定面辐射源的辐射强度。L具有方向性，指辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量，单位是瓦/米2球面度（W/m2Sr）。表示为 L(q)=d2F/dW(dAcos q)通常情况下，面元的L()随观测的角度而改变。当某一辐射源的L()与无关时，这种辐射源被称为朗伯（Lambert）源。严格地说，只有绝对黑体（Black body）才是朗伯源。 u 黑体辐射u 黑体辐射定律u 一般辐射体和发射率u 基尔霍夫定律黑体：对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于0。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。 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

12、标准。黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。黑体辐射三大定律 普朗克定律（Plancks Law） 斯蒂芬玻尔兹曼定律（Stephen Boltzmann Law） 维恩位移定律（Wiens Displacement Law）描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。h: 普朗克常数, 6.6260755*10-34 Ws2k: 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

13、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（Stephen Boltzmann Law）对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。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。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 红外装置测试温度的理论根据。维恩位移定律 b : 常数，2897.80.4 m K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

14、值波长9.66m ） 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。针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。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。 地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）与同温下的黑体辐射出射度黑的比值。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。 发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为： 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通量W 黑。