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1、遥感遥感电磁磁辐射根底射根底2中国中国农业大学大学信息与信息与电气工程学院气工程学院 张超超地理信息工程系地理信息工程系26 七月七月 20242 2 电电磁波磁波辐辐射源射源2.1 黑体辐射黑体辐射2.2 黑体辐射定律黑体辐射定律2.3普通辐射体和发射率普通辐射体和发射率2.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律黑体：对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于黑体：对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于0 0。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。 人工制造的接近黑体的吸收体人工制造的接近黑体的吸收体2.1 黑体黑体辐辐射射2.2 黑体黑体辐辐射的定律
2、射的定律2.2.1 普朗克公式普朗克公式2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律2.2.3 维恩位移定律维恩位移定律描画黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。描画黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。2.2.1 2.2.1 普朗克公式普朗克公式普朗克公式普朗克公式h: 普朗克常数普朗克常数6.6260755*10-34 Ws2k: 玻玻尔尔兹兹曼常数，曼常数，k=1.380658*10-23 WsK-1 c: 光速光速; : 波波长长 m ; T: 绝对绝对温度温度 K 变化特点：变化特点：(1) 辐射通量密度辐射通量密度随波长延续变化，随波长延续变化，只需一个最大值；只需一个最大
3、值；(2) 温度越高，辐温度越高，辐射通量密度越大，射通量密度越大，不同温度的曲线不同温度的曲线不相交；不相交；(3) 随温度升高，随温度升高，辐射最大值向短辐射最大值向短波方向挪动。波方向挪动。普朗克公式普朗克公式普朗克公式普朗克公式图图示：示：示：示：2.2.2 2.2.2 斯蒂芬玻斯蒂芬玻斯蒂芬玻斯蒂芬玻尔尔尔尔兹兹兹兹曼定律曼定律曼定律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对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。定律。辐射通量密度随温度添加而迅速添加，与温度的辐射通量密度随温度添加而迅速添加，与温度的4次方成次方成正比。含义？正比。含义？: : 斯蒂芬玻斯蒂芬
4、玻尔尔兹兹曼常数，曼常数，5.66975.66970.002970.00297 101012 Wcm-2K-4 12 Wcm-2K-4 红外安装测试温度的实际根据。红外安装测试温度的实际根据。2.2.3 2.2.3 维维维维恩位移定律恩位移定律恩位移定律恩位移定律b : 常数，常数，2897.80.4 m K高温物体高温物体发射射较短的短的电磁波，低温物体磁波，低温物体发射射较长的的电磁波。磁波。常温如地表常温如地表300K左右，左右，发射射电磁波的峰磁波的峰值波波长9.66m 针对要探测的目的，选择最正确的遥感波段和传感器。针对要探测的目的，选择最正确的遥感波段和传感器。2.3 普通普通辐辐
5、射体和射体和发发射率射率对于普通物体而言，需求引入发射率热辐射率、比对于普通物体而言，需求引入发射率热辐射率、比辐射率，阐明物体的发射身手。辐射率，阐明物体的发射身手。非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。发射率与物质种类、外表形状、温度等有关，还与波长有关。发射率与物质种类、外表形状、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：按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：1黑体黑体2灰体灰体3选择性辐射体选择性辐射体 2.3 2.3 普通普通普通普通辐辐辐辐射体和射体和射体和射体和发发发发射率射率射率
6、射率2.4 2.4 基基基基尔尔尔尔霍夫定律霍夫定律霍夫定律霍夫定律在在给定温度下，任何地物的定温度下，任何地物的辐射通量密度射通量密度W与吸收与吸收率率之比是常数，即等于同温度下黑体的之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量射通量密度。密度。发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，假设不吸收某些波长的电磁波，也不发射体，假设不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。该波长的电磁波。热红外遥感热红外遥感主要内容主要内容热红外遥感概略外遥感概略地表物地表物质的的热学性学性质地表温度的反演地表温度的反演热红外遥感外遥感图像的特点像的特点白天白天热效
7、效应热红外遥感运用外遥感运用n n热红外遥感就是利用星外遥感就是利用星载或机或机载的的传感感器搜集、器搜集、记录地物的地物的热红外信息，并利外信息，并利用用这种信息来种信息来识别地物和反演地表参数地物和反演地表参数温度、湿度、温度、湿度、热惯量的技量的技术系系统n n热红外遥感波段范外遥感波段范围n n其中其中3-5微米微米热辐射和太阳射和太阳辐射的射的反射部分同反射部分同时思索；思索；7-18微米微米辐射射热红外外n n有人把有人把“热红外叫做外叫做“远红外外热红外遥感概略热红外遥感概略热作用与温度作用与温度n n温度是物温度是物质分子分子热运运动平均平均动能的度量，能的度量，描画了物描画了
8、物质内部分子内部分子热运运动的猛烈程度。的猛烈程度。n n分子运分子运动温度温度为热力学温度，又称力学温度，又称为物体物体的真的真实温度。温度。n n辐射温度：射温度：对于黑体，物体于黑体，物体 的的辐射温度等射温度等于它的于它的动力学温度，但是真力学温度，但是真实物体：物体：热遥感器所记录的辐射温度小于它的真实温度，热遥感器所记录的辐射温度小于它的真实温度，由于发射率小于由于发射率小于1亮度温度亮度温度n n当一个物体的当一个物体的辐射亮度与某一黑体的射亮度与某一黑体的辐射射亮度相等亮度相等时，该黑体的物理温度就被称之黑体的物理温度就被称之为该物体的亮度温度亮温。物体的亮度温度亮温。n n亮
9、度温度具有温度的亮亮度温度具有温度的亮纲，但不具有温度，但不具有温度的物理含的物理含义。 为什么要丈量地表温度？为什么要丈量地表温度？ 地表温度是地地表温度是地-气系统研讨能量平衡的一个关键因子。气系统研讨能量平衡的一个关键因子。除了太阳辐照度之外，地除了太阳辐照度之外，地-气界面一切的通量都可参气界面一切的通量都可参数化为温度的一个函数数化为温度的一个函数是全球的水循环，地表、大气能量循环的重要要素是全球的水循环，地表、大气能量循环的重要要素作为作为GCM模型全球环流模型的初始化数据。可模型全球环流模型的初始化数据。可直接验证直接验证GCM输出的地表温度输出的地表温度 是植物生长的重要要素是
10、植物生长的重要要素如何获得地表温度？如何获得地表温度？ 利用温度计或其它点接触探测头测定利用温度计或其它点接触探测头测定受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据受其它外界环境的影响很难获得准确的外表温度受其它外界环境的影响很难获得准确的外表温度 利用热红外辐射仪来测定利用热红外辐射仪来测定 在部分尺度上：在部分尺度上： 地面丈量地面丈量 在大、中尺度上：在大、中尺度上： 卫星遥感反演空间丈量卫星遥感反演空间丈量 丈量的量是波谱辐射能丈量的量是波谱辐射能 Ts，e, 大气和周围环境大气和周围环境比比辐射率射率n n描画非黑体描画非黑体热辐射才干与射才干
11、与热辐射方向性的射方向性的重要参数重要参数n n比比辐射率是物理的固有的物理属性，不射率是物理的固有的物理属性，不仅仅依依赖于地物的于地物的组成成分，与物体的外表成成分，与物体的外表形状外表粗糙度及物理性形状外表粗糙度及物理性质介介电常常数、含水量、温度等有关，是波数、含水量、温度等有关，是波长和和观测角度的函数角度的函数如何获得外表比辐射率？如何获得外表比辐射率？ 根据室内、外丈量根据室内、外丈量波谱辐射仪波谱辐射仪辐射仪结合辐射仪结合CO2激光仪自动与被动结合激光仪自动与被动结合黑箱子黑箱子需求假定外表温度和比辐射率在丈量过程中不变需求假定外表温度和比辐射率在丈量过程中不变 从卫星上测定从
12、卫星上测定 根据可见光和近红外光谱信息的统计关系根据可见光和近红外光谱信息的统计关系 根据热红外光谱仪里最小根据热红外光谱仪里最小e和在最大相对比辐射率和在最大相对比辐射率之差之差MMD的统计关系的统计关系利用多时相数据假定：利用多时相数据假定：eday = enight 或或 eday1 = eday2 地球外表的地球外表的热辐射射n n地球地表温度大地球地表温度大约300K，地表的，地表的热红外外辐射能量由地表比射能量由地表比辐射率和地表温度两个要射率和地表温度两个要素决素决议n n地表温度是地球、太阳、大气相互作用的地表温度是地球、太阳、大气相互作用的结果果水的循水的循环地表地表热学性学
13、性质热容容Heat Capacity (C): 温度每升高温度每升高1度，度，对应热能能(Q)添加量的度量。添加量的度量。表示了一种表示了一种资料存料存储热的才干的才干, 单位位为cal -1 。(与物体大小有关与物体大小有关)比比热specific heat (c) : 一定条件下一定条件下单位位质量的物量的物质升高升高1 所需所需的的热量，量，单位位为Jg-1 -1地表物地表物质的的热学性学性质热传导率热传导率Thermal Conductivity (K): 热量经过物体的速率的度量。单位时间内热量经过物体的速率的度量。单位时间内经过单位面积的热量与垂直于外表方向上的经过单位面积的热量与
14、垂直于外表方向上的温度梯度绝对值之比。单位为温度梯度绝对值之比。单位为Wm-1K-1 。热惯量量Thermal Inertia (P): 物物质对温度温度变化的化的热反响的一种量度一种反响的一种量度一种资料料对温度温度变化的阻抗，化的阻抗，坚持原有温度的才干，持原有温度的才干，决决议于于热传导率率(K)，热容量容量(C)和密度和密度(r)。P = (Kc )1/2 单位：位：Jm-2s-1/2 -1P是是对热传过两种两种资料料边境境处的速率的度量，的速率的度量，比如空气比如空气/土壤。土壤。大的大的P对应一个加一个加热/制冷周期的小的温度制冷周期的小的温度变化。化。地表物地表物质的的热学性学性
15、质热分散率热分散率Thermal diffusivity (d): 表征物质内部温度变化的速率，其值决议表征物质内部温度变化的速率，其值决议于单位时间内沿法线方向经过单位面积的热于单位时间内沿法线方向经过单位面积的热量与物质的比热、密度、法向上温度梯度三量与物质的比热、密度、法向上温度梯度三者的乘积之比。者的乘积之比。d= K/(c r) 单位为单位为m2s-1 地表物地表物质的的热学性学性质几种地物的热学度量几种地物的热学度量水水沙土沙土玄武岩玄武岩不锈钢不锈钢K 0.00140.00140.00500.030c1.00.240.200.12d1.01.822.807.83P0.0380.0
16、240.0530.168以上物质中，哪种物质在一天以上物质中，哪种物质在一天24小时的周期中，小时的周期中，温度动摇最大？温度动摇最大？K热传导率热传导率c比热比热d密度密度P热惯量不锈钢最大热惯量不锈钢最大热辐射与地面的相互作用射与地面的相互作用在在热平衡条件下：平衡条件下：E1=Ea+Er+EtE1入射能；入射能；Ea吸收能；吸收能；Er为反射能；反射能；Et为透透射能，他射能，他们都是波都是波长的函数的函数 1=Ea/E1+Er/E1+Et/E1分分别表示表示局地局地热平衡，指瞬平衡，指瞬时间热交交换非常非常缓慢，物慢，物体向外体向外辐射的能量根本等于从外界吸收的能射的能量根本等于从外界
17、吸收的能量，此量，此时处于于热平衡形状。平衡形状。普通为普通为0地表温度的反演地表温度的反演热红外遥感的主要原理外遥感的主要原理假设地表和大气对热辐射具有朗伯体性质，大气下行辐射强假设地表和大气对热辐射具有朗伯体性质，大气下行辐射强度在半球空间内为常数，那么度在半球空间内为常数，那么 热辐射传输方程热辐射传输方程Ll = elt0lBl(Ts)+(1-el) t0lL0l+L0lLl为传为传感器所接感器所接纳纳的波的波长为长为的的热红热红外外辐辐射亮度射亮度Ts地表温度，地表温度，Bl(Ts)为为地表温度地表温度Ts时时的普朗克黑体的普朗克黑体辐辐射度射度L0l 大气下行大气下行辐辐射射L0l
18、 大气上行大气上行辐辐射射l为为波波长为长为的地表的地表辐辐射率射率tl大气透大气透过过率率被测目的被测目的大气传输大气传输光学系统光学系统探测器探测器信号读出信号读出制冷安装制冷安装信号处置信号处置显示显示热红外系统组成热红外系统组成 热红外遥感外遥感图像的特点像的特点热红热红外遥感外遥感外遥感外遥感图图像与可像与可像与可像与可见见光光光光/ /近近近近红红外外外外图图像具有明像具有明像具有明像具有明显显差差差差别别Morro Bay as Recorded In Different TM bandsTM 1TM 2热红外遥感外遥感图像的特点像的特点TM 3TM 4TM 5TM 6warme
19、rslopes热红外遥感外遥感图像的特点像的特点TM1TM7TM6WaterpocketFoldwhitesandstone白天白天热效效应热红外图像随时间变化明显热红外图像随时间变化明显白天的图像类似于常规的航空相片光照、阴影；黎明前温白天的图像类似于常规的航空相片光照、阴影；黎明前温差明显减小无阴影，可以看到部分热岛效应，以及由沥青差明显减小无阴影，可以看到部分热岛效应，以及由沥青铺设的路面。铺设的路面。白天白天黎明前黎明前白天白天热效效应在一天的周期中在一天的周期中 (diurnal cycle), 地表地表50100cm被交替地加被交替地加热、制冷。日平均地表温度通常与平均气温相近。热
20、、制冷。日平均地表温度通常与平均气温相近。5种外表种外表24小时的辐射温度变化小时的辐射温度变化思索：根思索：根据右图预据右图预测沙漠外测沙漠外表及非流表及非流动水体在动水体在凌晨凌晨4点和点和下午下午2点的点的相对灰度相对灰度变化变化热红外遥感的复外遥感的复杂性性n n热红热红外遥感的大气影响更外遥感的大气影响更外遥感的大气影响更外遥感的大气影响更为为复复复复杂杂n n 热红热红外波段，大气散射作用不外波段，大气散射作用不外波段，大气散射作用不外波段，大气散射作用不强强，但大气分子，但大气分子，但大气分子，但大气分子与与与与悬悬浮粒的吸收作用却十清楚浮粒的吸收作用却十清楚浮粒的吸收作用却十清
21、楚浮粒的吸收作用却十清楚显显。n n热红热红外信息，除受大气干外信息，除受大气干外信息，除受大气干外信息，除受大气干扰扰外，外，外，外，还还受地表受地表受地表受地表层热层热形形形形状的影响，如状的影响，如状的影响，如状的影响，如风风，气温，湿度等微气候参数，土，气温，湿度等微气候参数，土，气温，湿度等微气候参数，土，气温，湿度等微气候参数，土壤参数，植被覆盖，地表粗糙度，地形地貌影响壤参数，植被覆盖，地表粗糙度，地形地貌影响壤参数，植被覆盖，地表粗糙度，地形地貌影响壤参数，植被覆盖，地表粗糙度，地形地貌影响n n地物本身的地物本身的地物本身的地物本身的热过热过程是复程是复程是复程是复杂杂的。地
22、物从的。地物从的。地物从的。地物从热辐热辐射的能射的能射的能射的能量吸收到能量量吸收到能量量吸收到能量量吸收到能量发发射，存在一个射，存在一个射，存在一个射，存在一个热热存存存存储储和和和和热释热释放放放放过过程，整个程，整个程，整个程，整个过过程存在滞后效程存在滞后效程存在滞后效程存在滞后效应应n n热热能的能的能的能的传传送有多种方式送有多种方式送有多种方式送有多种方式传导传导、对对流、流、流、流、辐辐射射射射n n 显热显热交交交交换换：地表：地表：地表：地表热热能与大气交能与大气交能与大气交能与大气交换换；n n 潜潜潜潜热热交交交交换换：地表水分蒸：地表水分蒸：地表水分蒸：地表水分蒸
23、发发的能量交的能量交的能量交的能量交换换。n n热探探测器所器所获得的物体得的物体发射信息包含两个射信息包含两个重要的信息，即物体的温度和以及表示物重要的信息，即物体的温度和以及表示物体体辐射才干的比射才干的比辐射率，温度与比射率，温度与比辐射率射率的分的分别是是热红外遥感的外遥感的难点；点；n n热红外遥感外遥感图像的空像的空间分辨率普通低于可分辨率普通低于可见光光-近近红外遥感外遥感图像，所以，混合像元像，所以，混合像元问题非常非常严重。重。热红外遥感运用热红外遥感运用u灾灾祸调查与与监测，如林火，如林火监测u土壤水分土壤水分监测u地地质找找矿，地，地热调查u环境境污染染监测u城市城市热岛
24、效效应 等等等等 热红外遥感运用外遥感运用林火初期，几处林火初期，几处可见在和俄罗斯可见在和俄罗斯接壤处，但我国接壤处，但我国境内没有境内没有热红外遥感运用外遥感运用1987年年5月月7日日. 我国有三我国有三处火源，其中处火源，其中一处没有分散一处没有分散 热红外遥感运用外遥感运用1987年年5月月8日早晨，日早晨，我国境内的森林大火我国境内的森林大火迅速分散迅速分散热红外遥感运用外遥感运用林火的最后形林火的最后形状林火外表和状林火外表和破坏面积明晰破坏面积明晰可见可见.地表温度正常分布地表温度正常分布地震前出现热红外异常地震前出现热红外异常地震前热红外异常扩展地震前热红外异常扩展地震后热红
25、外异常消逝地震后热红外异常消逝地震前西北向热红外异常加强地震前西北向热红外异常加强张北张北6.2级地级地震前热红外异震前热红外异常及其动态变常及其动态变化过程化过程震前热异常卫星遥感监测震前热异常卫星遥感监测夜夜视系系统小鹿的不同小鹿的不同部位，温度部位，温度不同不同夜夜视系系统房子的不同部位，温度不同房子的不同部位，温度不同夜视系统中的人、汽车启动的、未启动的、房子夜视系统中的人、汽车启动的、未启动的、房子穿衣人：裸露部位脸部、颈部、胳膊温度高、穿衣人：裸露部位脸部、颈部、胳膊温度高、衣服覆盖处温度低衣服覆盖处温度低热红外检测疾病，白色部位为意思病变部位热红外检测疾病，白色部位为意思病变部位n n课后小作后小作业：n n 假假设森林火的温度森林火的温度为1000度，度，请问用那个用那个波段最适宜波段最适宜监测森林火灾。森林火灾。本次课程终了，请提问！本次课程终了，请提问！
