遥感物理基础课件.ppt

1、上节回顾(1)1 遥感与遥感技术的概念2 遥感技术的发展情况3 遥感技术分类4 遥感技术的历史5 遥感技术的特点6 当前遥感技术发展趋势遥感物理基础1 电磁波和电磁波谱2 电磁波辐射源3 太阳辐射和大气对太阳辐射的作用4 地物波谱特征Electromagnetic Energy InteractionsEnergy recorded by remote sensing systems undergoes fundamental interactions that should be understood to properly interpret the remotely sensed dat

2、a.For example,if the energy being remotely sensed comes from the Sun,the energy:is radiated by atomic particles at the source(the Sun),propagates through the vacuum of space at the speed of light,interacts with the Earths atmosphere,interacts with the Earths surface,interacts with the Earths atmosph

3、ere once again,and finally reaches the remote sensor where it interacts with various optical systems,filters,emulsions,or detectors.Fundamental Properties of Electromagnetic RadiationEnergy is the ability to do work.In the process of doing work,energy is often transferred from one body to another or

4、 from one place to another.The three basic ways in which energy can be transferred include,conduction,convection,and radiation.Most people are familiar with conduction which occurs when one body(molecule or atom)transfers its kinetic energy to another by colliding with it.This is how a pan gets heat

5、ed on a stove.In convection,the kinetic energy of bodies is transferred from one place to another by physically moving the bodies.A good example is the convectional heating of air in the atmosphere in the early afternoon.The transfer of energy by electromagnetic radiation is of primary interest to r

6、emote sensing because it is the only form of energy transfer that can take place in a vacuum such as the region between the Sun and the Earth.1 电磁波和电磁波谱电磁波 波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。电磁波：电场矢量和磁场矢量在空间的传播。1）不需要传播介质 2）横 波 3）波动性 4）粒子性 1.1.2 电磁波的特点和遥感意义电磁波的叠加原理(干涉)当两列波在同一空间传播时，空间尚各点的振动为各列波单独振动的合成。任何复杂的电磁波都可

7、以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理，混合像元的分解）电磁波的衍射和偏振电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。(设计遥感器空间分辨率具有重要意义。)电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。偏振光，非偏振光，部分偏振最小分辨角:d22.10d 物镜的有效孔径/hchvE/hP 动量：P能量：Eh:普朗克常数，6.62607551034 J sc:光速；v:频率 能量和动量是粒子属性，频率和波长是波

8、动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和X射线Y射线。电磁波的粒子性 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。1.1.3 遥感记录的电磁波信息)sin(kxtA1.2 电磁波谱按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列支撑的图表，成为电磁波谱。1.2 电磁波谱（2）传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同。无线电波：电磁振荡红外线、可见光、紫外线、X射线等由分子、原子、核子的运动状态的改变或能级跃迁。紫外线（0.010.4微米），碳酸盐，油污可见光（0.40.76微米），人眼、单色、全色红外线（0.761000

9、微米）共性：传播速度相同 遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律电磁辐射的度量 辐射能量 Q 定义：以电磁波形式向外传送的能量 单位：焦（J）辐射通量(辐射功率)Radiant flux 定义：单位时间内，通过某一表面的辐射能量=dQ/dt 单位：瓦（W）即 焦/秒（Js-1）电磁辐射的度量 辐射出射度(辐射通量密度)Radiant exitance M 定义：面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量，即物体单位面积上发出的辐射通量 M=d/dA 单位：瓦/米2 （W m-2）电磁辐射的度量 辐射照度（幅照度）Irradiance E 定义：面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收

10、到的辐射能量，即照射到物体单位面积上辐射通量E=d/dA 单位：瓦/米2 （W m-2）电磁辐射的度量 辐射强度 Radiant intensity I 定义：点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量；即点辐射源在单位立体角发出的辐射通量I=d/d 单位：瓦/球面度（Wsr-1）电磁辐射的度量 辐射亮度（幅亮度）Radiance L 定义：面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积）上辐射出的辐射能量；即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量。设dA在 内的辐射通量为 ,则在单位立体角内的辐射通量为把面辐射源A分成无数无限小面元，dA为其

11、中之一，将dA投影到垂直于n的方向，得ds,显然 ,dS包含在立体角 内辐射亮度(L)：辐射源在单位投影面积上，单位立体角内的辐射通量 dd22()c o sdddddd Sdd Sdd A2cosdLddA*cosdSdAddd从而，dA在单位投影面积上，单位立体角内的辐射通量为由上述定义知,电磁辐射的度量 以上各辐射量都是波长的函数。右图表示单位波长间隔内的辐射通量，称为光谱辐射通量。()=d/d 单位：瓦/微米（W m-1）2 电磁波辐射源2.1 黑体辐射2.2 黑体辐射定律2.3一般辐射体和发射率2.4 基尔霍夫定律黑体：对任何波长的辐射，反射率和投射率都等于0。黑体是一种理想的吸收体

12、，自然界没有真正的黑体。人工制造的接近黑体的吸收体2.1 黑体辐射黑体辐射2.2 黑体辐射的定律黑体辐射的定律2.2.1 普朗克公式2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律2.2.3 维恩位移定律描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。2.2.1 普朗克公式)1(2),(5kThc2bechTMh: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：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，不同温度的曲线不相交；(3)随温度升高，辐射最大

13、值向短波方向移动。图示普朗克公式2.2.2 斯蒂芬玻尔兹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定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的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。次方成正比。TbW4: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。2.2.3 维恩位移定律bT maxb: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，发射电磁波的峰值波长9.66m）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。2.3 一般辐射体和发射率一般辐射

14、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。),(),(),(TMTMTb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、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：1）黑体2）灰体3）选择性辐射体 (如线谱，带谱)2.3 一般辐射体和发射率2.4 基尔霍夫定律给定温度下，任何地物的率与吸收率之比是常数，由波长与温度的函数所决定。),(),(),(TMTMTb发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。),(Tf13 3 大气对太阳辐射的衰减大

15、气对太阳辐射的衰减3.1 太阳辐射源3.2 大气成分组成3.3 大气分层3.4 大气对太阳辐射的衰减3.5 大气窗口3.1 太阳辐射源太阳辐射源太阳太阳大气大气 位置位置 温度温度 厚度厚度 辐射特点辐射特点 辐射的光谱辐射的光谱 光球层 内4 3 0 0-7500300km 连续辐射 可见光和红外 色球层 中7000-8000km 线状辐射无线厘米波 日冕层 外形状多变，厚度不定，一般太阳直径的4-5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46集中于0.40.76um的可见光范围内）太阳常数太阳常数：当太阳至地球的距离处于平均距离时，垂直

16、于太阳射线单位面积上所接受的全部太阳辐射能 E01.36 103W/m-2地面所接受全部太阳辐射能，忽略大气损失时为20DcosEE为太阳天顶角，日地距离（以日地平均距离为单位）tcoscoscossinsincos3.2 大气成分组成大气成分组成3.3 大气分层结构大气分层结构均匀层均匀层，对太阳辐射的相互作用是太阳能衰减的主要原因。其中，：太阳辐射通过的大气路程，与太阳高度角有关：衰减因子，：大气对太阳辐射的吸收率和散射率，是电磁波波长（频率）的函数。3.4 大气对太阳辐射的衰减大气对太阳辐射的衰减反射吸收散射exEE000 x,0太阳辐射衰减的原因：太阳辐射通过大气的路程：太阳高度角 3

17、.4.1 散射作用太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子的散射和大气中固体、微粒、液体的散射。1 1 瑞利（瑞利（Rayleigh）散射散射质点的直径 d (电磁波波长)时，一般认为（d）,散射率与波长没有关系 1)(人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果 3.4.2 吸收作用大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。水：分为气态水和液态水水：分为气态水和液态水 水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波，都有水汽的吸收带。液态水的吸收更强，主要在长波方向。二氧化碳二氧化碳 主要在红外区。1.352.85um 之间有3个弱吸收带，2.7，4.3，14.5 um 为

18、强吸收带。臭氧臭氧 紫外线其它吸收电磁波的物质 氧气氧气主要吸收波长小于0.2um的，尘埃尘埃吸收作用很少。3.4.3 反射作用主要是大气中的云层，大的尘埃。云量越多、云层越厚，反射越强。大气对太阳辐射的衰减总体规律大气对太阳辐射的衰减总体规律：大气吸收15，散射和反射42，其余43 太阳辐射到达地面。又一说：大气吸收17，散射22，反射30，其余31 太阳辐射到达地面。太阳辐射经大气衰减图3.5 大气窗口大气窗口大气窗口大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。大气窗口解释1）1）0.31.4um：包括全部可见光可见光

19、（95），部分紫外光（70），部分近红外光近红外光（80）。摄影和扫描成像的方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息。2）1.42.5um：近红外窗口，6095，扫描成像，白天记录3）3.55.5um：中红外窗口，6070，白天夜间，扫描成像记录4）814 um：远红外窗口，超过80，白天夜间，扫描记录5）1.4300mm：微波窗口，白天夜间，扫描记录。4 地物波谱特征4.1 地物的发射波谱4.2 地物的透射波谱4.3 地物的反射波谱4.1 地物发射光谱地物发射光谱地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光谱。地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据。4.2 地物的透射光谱地物的透射光谱透明

20、物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。透射率（）：入射光透国物体的能量与入射总能量之比。举例：1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10-20米。2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长决定。4.3 地物的反射光谱地物的反射光谱电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。)()()()(EEEEs1)()()(4.3.1 物体反射分类判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则：cos8h根据物体表面的粗糙程度，反射分为：1）镜面反射2）漫反射（朗伯反射）3）有向反射4）混合反射反射分类图示(a)镜面反射(b)漫反射（朗伯反射）(c)有向反射(d)混合反射

21、1)镜面反射镜面反射2)朗伯反射朗伯反射朗伯定律朗伯定律：漫反射的反射辐射亮度（单位面积单位立体角内的辐射通量）和观察方向与表面法线夹角的余弦成正比。cos0BB 航天遥感中，地球表面相对于遥感器的高度，近似视为朗伯面。3)有向反射有向反射4)混合反射混合反射一部分镜面反射，一部分朗伯反射。有向反射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函数。)()(),(sZsEsiZiMisZiZs有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向有关，在航空遥感中具有重要意义。4.3.2 常见地物的反射波谱曲线1)白橡树不同生长期的反射光谱曲线白橡树不同生长期的反射光谱曲线2)不同健康状态松树的反射光谱曲线不同健康状态松树的反射光谱曲线3)不同植被的反射光谱曲线不同植被的反射光谱曲线遥感器接受的电磁辐射遥感器接受的电磁辐射到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射直接辐射：太阳辐射经大气衰减后到达地面的部分。天空辐射：太阳辐射经过大气散射后辐射到地面的部分。ABBsB忽略遥感器接受到的太阳辐射遥感器接受到的太阳辐射 Bs：太阳辐射经地面目标反射后到达遥感器的辐射能。BA：太阳辐射经大气散射到遥感器的辐射能。