第二章遥感电磁辐射基础课件.ppt

1、电磁波（电磁辐射）：电磁波（电磁辐射）：当电磁振荡进入空间，变化的磁场引当电磁振荡进入空间，变化的磁场引起变化的电场，变化的电场又引起新的变化的磁场，这种变化起变化的电场，变化的电场又引起新的变化的磁场，这种变化的磁场和电场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的磁场和电场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。电磁波是随着电磁振荡向各个不同方向传的过程称为电磁波。电磁波是随着电磁振荡向各个不同方向传播的。播的。一、电磁波的产生一、电磁波的产生二、电磁波的性质：二、电磁波的性质：横波；横波；在真空中以光速传播；在真空中以光速传播；波长与频率成反比，波长与频率成反比，c=

2、，两者的乘两者的乘积为光速；积为光速；具有波粒二象性；具有波粒二象性；不需要媒质也能传播，与物质发生作用不需要媒质也能传播，与物质发生作用时，如气体、固体、液体介质时，会发生时，如气体、固体、液体介质时，会发生反射、吸收、透射、折射等现象。反射、吸收、透射、折射等现象。根据能量守恒定律，根据能量守恒定律，全部反射、吸收、全部反射、吸收、透射、折射的能量之和应该与入射的总能透射、折射的能量之和应该与入射的总能量相等。量相等。n任何地物都有向周围空间辐射红外线和微波的能力。任何地物都有向周围空间辐射红外线和微波的能力。n遥感探测实际上是对地物辐射能量的测定。遥感探测实际上是对地物辐射能量的测定。n

3、与辐射有关的几个概念：与辐射有关的几个概念：电磁辐射电磁辐射 指能量以电磁波形式由辐射源发射到空间的现象。指能量以电磁波形式由辐射源发射到空间的现象。地物的电磁波发射能力主要与其温度有关。为地物的电磁波发射能力主要与其温度有关。为了衡量电磁波发射能力的大小，常以黑体辐射作为了衡量电磁波发射能力的大小，常以黑体辐射作为度量的标准。度量的标准。1860年，基尔霍夫年，基尔霍夫（Kirchhoff）得出了好的吸收体也是好得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明：凡是吸收热辐射能力强的物体，的辐射体这一定律。它说明：凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它

4、它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。们的热发射能力也就弱。实验用黑体实验用黑体 1 1、斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzman）某个温度时黑体的辐射（发射）能量某个温度时黑体的辐射（发射）能量辐射出射度（辐射出射度（M），随物体温度的升），随物体温度的升高以高以4次方的比例增大。次方的比例增大。M=TT4 4：斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼玻尔兹曼常数，常数，=5.6710-8W/（m2K4）（二）黑体辐射规律黑体辐射规律（P31，图2.5）应用：对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以应用：对于一般物体来讲，传感器检测到它

5、的辐射能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度。热红外遥用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。感就是利用这一原理探测和识别目标物的。2 2、维恩位移定律、维恩位移定律（Wein）黑体辐射光谱中最强的辐射波长黑体辐射光谱中最强的辐射波长max 与与 黑体绝对温度黑体绝对温度T 成反比。成反比。max T=bb为常数,b=2.89810-3mK表明：黑体的绝对温度增高时，它的辐射最大值向短波方表明：黑体的绝对温度增高时，它的辐射最大值向短波方向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出

6、它所辐射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。目标物进行热红外遥感的最佳波段。问：如果遥感器的目的是探测人体，请问设计的遥感器应该对那个波段最问：如果遥感器的目的是探测人体，请问设计的遥感器应该对那个波段最敏感为宜？（注：人体表温度约为敏感为宜？（注：人体表温度约为34）黑MM1.1.黑体或绝对黑体，其发射率黑体或绝对黑体，其发射率=1=1，即黑体发射率对所有波长，即黑体发射率对所有波长都是一个常数，并且等于都是一个常数，并且等于1 1。2.2.灰体，其发射率灰体，其发射率=常数常数1 1（因吸收率

7、（因吸收率 1 1）。即灰体的）。即灰体的发射率始终小于发射率始终小于1 1，不随波长变化。不随波长变化。3.3.选择性辐射体，其发射率随波长而变化，而且选择性辐射体，其发射率随波长而变化，而且1 1（因吸（因吸收率收率也随波长而变化并且也随波长而变化并且1 1）。）。在红外遥感传感器设计中，可以把一些红外辐射体看成灰体（例如人体、喷气式飞在红外遥感传感器设计中，可以把一些红外辐射体看成灰体（例如人体、喷气式飞机尾喷管、无动力空间飞行器、地球背景及空间背景等），也可以在某些波段内把机尾喷管、无动力空间飞行器、地球背景及空间背景等），也可以在某些波段内把选择性辐射体看成灰体（如果其发射率选择性辐

8、射体看成灰体（如果其发射率在某些波段内近似不变），这样就简化了在某些波段内近似不变），这样就简化了计算工作。计算工作。太阳常数：太阳常数：在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，约（通常指日地平均距离，约1.496108km）内，垂直于太阳辐射方）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑体接受到的太阳辐射能量。其数量为：向上，单位面积单位时间内黑体接受到的太阳辐射能量。其数量为：1.360 103 瓦瓦/平方米（平方米（1.95cal/cm2minmin）。1卡卡=4.184焦焦 太阳辐射（太阳光谱）的主要特征太阳辐射（太

9、阳光谱）的主要特征(P35,图图2.8)（1）太阳辐射的能量大部分集中在可见光波段。）太阳辐射的能量大部分集中在可见光波段。（2）太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射）太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致。特性基本一致。被动遥感主要利用可见光、近红外、中红外等稳定的辐射。被动遥感主要利用可见光、近红外、中红外等稳定的辐射。太阳辐射和地球辐射红外波段红外波段38%见见P37,图图2.10这些这些气体分子气体分子和和微粒微粒对电磁辐射具有吸收和散射作用。对电磁辐射具有吸收和散射作用。瑞利散射瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时发：当大气中粒子的直径比波

10、长小得多时发生的散射；主要由大气分子和原子引起；散射强度生的散射；主要由大气分子和原子引起；散射强度与波长的四次方成反比。与波长的四次方成反比。(P43)-天为什么是蓝的？日出日落的太阳为何红？天为什么是蓝的？日出日落的太阳为何红？米氏散射米氏散射：当大气中粒子的直径与波长相当时发生：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引的散射；主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引起。散射强度与波长的二次方成反比。米氏散射在起。散射强度与波长的二次方成反比。米氏散射在光线前进方向比向后方的散射更强。光线前进方向比向后方的散射更强。(P43)非选择性散射非选择性散射：大气

11、中粒子的直径比波长大得多时大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射；散射强度与波长无关发生的散射；散射强度与波长无关。-云为什么是白色的？云为什么是白色的？(P44)大气散射作用与波长的关系大气散射作用与波长的关系P44P44：在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。当波长超过的。当波长超过1m 1m 时，可忽略瑞利散射的影时，可忽略瑞利散射的影响。米氏散射对近紫外直到红外波段的影响都响。米氏散射对近紫外直到红外波段的影响都存在。但在当波长大于存在。但在当波长大于0.5m 0.5m 时，米氏散射超时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。在微波波段，由于波长过了瑞利

12、散射的影响。在微波波段，由于波长比云中小雨滴的直径还要大，所以小雨滴对微比云中小雨滴的直径还要大，所以小雨滴对微波波段散射是属于瑞利散射，散射强度与波长波波段散射是属于瑞利散射，散射强度与波长的四次方成反比，因此，的四次方成反比，因此，微波有极强的穿透云微波有极强的穿透云层的能力层的能力。而红外辐射穿透云层的能力虽然不。而红外辐射穿透云层的能力虽然不如微波，但比可见光的穿透能力大如微波，但比可见光的穿透能力大10 10 倍以上。倍以上。概念：概念：%1000PP 不同地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，地物反射率的大小，与不同地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，地物反射率的大小，与入射电磁

13、波的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。一般入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。一般地说，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，在黑白遥地说，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，在黑白遥感图像上呈现的色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在感图像上呈现的色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遥感图像上呈现的色调就深。在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像黑白遥感图像上呈现的色调就深。在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像的重要标志。的重要标志。地物反射光地物反射光谱曲线谱曲线不同波段地物反不同波段地

14、物反射率不同，这就射率不同，这就便人们很容易想便人们很容易想到用多波段进行到用多波段进行地物探测。例如地物探测。例如在地物的光谱分在地物的光谱分析以及识别上用析以及识别上用多光谱扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪等传成像光谱仪等传感器。感器。土壤反射曲线呈比较平滑的特征，因此在不同光谱段土壤反射曲线呈比较平滑的特征，因此在不同光谱段的影象上，土壤亮度区别不明显。的影象上，土壤亮度区别不明显。不像植被那样有明显的相不像植被那样有明显的相似特征。似特征。用光谱测定仪器用光谱测定仪器(置于不同波长或波谱段置于不同波长或波谱段)分别探分别探测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个被谱测地物和标准板，测

15、量、记录和计算地物对每个被谱段的反射率，其反射率的变化规律即为该地物的波谱段的反射率，其反射率的变化规律即为该地物的波谱特性。特性。测定地物反射波语特性的仪器分为分光光度计、光谱仪、摄谱仪等。分光光度计一般结构分光光度计一般结构品 名:紫外可见光谱仪紫外可见光谱仪型 号:U-3010品 牌:Hitachi厂 商:日本波长范围190900nm UV-2100 单光束紫外可单光束紫外可见分光光度计见分光光度计 型号:UV-2100 厂家:性能指标:波长范围：200-1000nm 波长准确度：2nm7IGF10定光栅摄谱定光栅摄谱仪仪 广泛应用于光源制造及研究（如LED等）、农业、化工、医药、生物、石油及印染等行业的光谱及色度特性的在线测量，还可以进行透射、吸收及荧光光谱等的测量