02第二章遙感物理基礎(chǔ)1

1、第二章第二章 遙感物理基礎(chǔ)遙感物理基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 電磁波的基本特征電磁波的基本特征一、電磁輻射的基本特征一、電磁輻射的基本特征 （一）電磁波和電磁波的傳播（一）電磁波和電磁波的傳播 電磁波電磁波是在空間傳播的交變電磁場(chǎng)。宇宙射線宇宙射線紫外線紫外線可見(jiàn)光可見(jiàn)光紅外線紅外線微波微波無(wú)線電波無(wú)線電波 電磁輻射電磁輻射是電磁波在介質(zhì)中傳播的物理現(xiàn)象，是電磁波在介質(zhì)中傳播的物理現(xiàn)象， 即電磁即電磁能量以波的形式發(fā)射的過(guò)程。能量以波的形式發(fā)射的過(guò)程。電磁波的傳播電磁波的傳播電磁波的傳播是能量存在的一種形式。電場(chǎng)電場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度場(chǎng)電強(qiáng)度傳播方向 橫波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和傳播方向是相互垂直的。橫波質(zhì)點(diǎn)的振

2、動(dòng)方向和傳播方向是相互垂直的。橫波在振動(dòng)時(shí)波峰和波谷在向前傳播，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)橫波在振動(dòng)時(shí)波峰和波谷在向前傳播，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)只是在平衡位置附近做振動(dòng)而不隨波傳播前進(jìn)。只是在平衡位置附近做振動(dòng)而不隨波傳播前進(jìn)。振振動(dòng)動(dòng)方方向向傳播方向傳播方向電磁波是橫波電磁波是橫波電磁波通電磁波通過(guò)四個(gè)基過(guò)四個(gè)基本參量反本參量反映出所傳映出所傳遞的信息遞的信息偏振面偏振面反映物體的回波 強(qiáng)弱和物體特性傳播方向傳播方向反映物體的位 置、形狀等。強(qiáng)度強(qiáng)度反映物體對(duì)電磁波響 應(yīng)程度的物理性質(zhì)波長(zhǎng)波長(zhǎng)反映物體的顏色， 輻射類型等。1電磁波的疊加電磁波的疊加當(dāng)振動(dòng)方向和振動(dòng)頻率均均 不相同不相同的多列電磁波在空中相迂時(shí)，相

3、迂點(diǎn) 的復(fù)合振動(dòng)等于各列波在該點(diǎn)的矢量和。（二）電磁波的疊加和相干（二）電磁波的疊加和相干2電磁波的相干電磁波的相干當(dāng)兩列頻率、振動(dòng)方向、 相位都相同或相位差恒定都相同或相位差恒定的電磁波疊加時(shí)， 某些部位處于振動(dòng)永遠(yuǎn)加強(qiáng)，而另一些部位 則處于振動(dòng)永遠(yuǎn)減弱或完全抵消的現(xiàn)象。（三）電磁波的衍射（三）電磁波的衍射 電磁波在通過(guò)有限大小障礙物邊緣時(shí)，使電磁波輻射量方向改變的現(xiàn)象。（四）電磁波的偏振（極化）（四）電磁波的偏振（極化） 如果使在各個(gè)方向振動(dòng)相等的電場(chǎng)強(qiáng)度如果使在各個(gè)方向振動(dòng)相等的電場(chǎng)強(qiáng)度總是固定在某個(gè)方向上振動(dòng)，則稱電磁波在總是固定在某個(gè)方向上振動(dòng)，則稱電磁波在該方向被極化。該方向被極化

4、。入射面電場(chǎng)方向入射面電場(chǎng)方向水平極化水平極化垂直極化垂直極化水平極化水平極化電場(chǎng)矢量與入射面相垂直電場(chǎng)矢量與入射面相垂直。垂直極化垂直極化電場(chǎng)矢量與入射面相平行。（五）電磁波的多普勒效應(yīng)（五）電磁波的多普勒效應(yīng) 由觀察者和輻射源的相對(duì)運(yùn)由觀察者和輻射源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的電磁輻射的頻率改變。動(dòng)所引起的電磁輻射的頻率改變。奧地利物理學(xué)家?jiàn)W地利物理學(xué)家多普勒（多普勒（1803-1853）兩邊頻率相同兩邊頻率相同運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)中靜止中靜止中頻率變高頻率變高頻率變低頻率變低 （六）電磁波的波粒兩象性（六）電磁波的波粒兩象性波動(dòng)性波動(dòng)性電磁波的時(shí)空周期性，可以用波長(zhǎng)、波速、周期和頻率來(lái)表征。表現(xiàn)為：電磁波的

5、干涉、衍射、偏振、散射等。表現(xiàn)為：電磁波的干涉、衍射、偏振、散射等。粒子性粒子性電磁波是由密集的粒子流組成的，電磁波實(shí)質(zhì)上是光子微粒有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。表現(xiàn)為：光電效應(yīng)等。二、電磁波譜二、電磁波譜電磁波譜電磁波譜將各種電磁波按其波長(zhǎng)（或頻率將各種電磁波按其波長(zhǎng)（或頻率) )的大小，依次排列成的圖表。的大小，依次排列成的圖表。 宇宙射線 工業(yè)電波X射線宇宙射線射線紫外線可見(jiàn)光紅外線毫米波厘米波分米波超短波短波中波長(zhǎng)波工業(yè)電波無(wú) 線 電 波波 長(zhǎng)短短長(zhǎng)長(zhǎng) 0.38 0.76 3.0 6.0 15.0微米 1 10 100 1000毫米 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 紫紫外外可可見(jiàn)見(jiàn)光光 近紅外近紅外 中紅外中紅外 熱紅外熱

6、紅外 遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外 毫米波毫米波 厘米波厘米波 分米波分米波 米波米波 紅外波段紅外波段 微波波段微波波段遙感技術(shù)應(yīng)用的電磁波譜段遙感技術(shù)應(yīng)用的電磁波譜段 0.38 0.43 0.47 0.50 0.56 0.59 0.62 0.76 微米可見(jiàn)光波段可見(jiàn)光波段第二節(jié)第二節(jié) 電磁輻射源電磁輻射源一、電磁輻射度量與單位輻射測(cè)量（紅外光波段）光度測(cè)量（可見(jiàn)光波段）名稱符號(hào)單位名稱符號(hào)單位輻射能Qe焦耳光量Q流明秒輻射通量e瓦光通量流明輻射強(qiáng)度Ie瓦球面度光強(qiáng)度I坎德拉輻射散射度 Me瓦米-2光通量散射度M流明米-2輻射照度Ee瓦米-2照度E勒克斯輻射亮度Le瓦米-2球面度亮度L坎德拉米-2二、物體的

7、熱輻射二、物體的熱輻射（一）絕對(duì)黑體及輻射測(cè)定熱輻射熱輻射由物體內(nèi)部粒子的熱運(yùn)動(dòng)所引起的由物體內(nèi)部粒子的熱運(yùn)動(dòng)所引起的電磁輻射。電磁輻射。 溫度高于絕對(duì)零度（溫度高于絕對(duì)零度（0K=273.16oC）物體都熱運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生熱輻射。物體都熱運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生熱輻射。絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體在任何溫度下，對(duì)于任何波長(zhǎng)的入射輻射的吸在任何溫度下，對(duì)于任何波長(zhǎng)的入射輻射的吸收系數(shù)（率）恒等于收系數(shù)（率）恒等于1 1的物體，簡(jiǎn)稱黑體的物體，簡(jiǎn)稱黑體。 黑體是一種具有最大輻射能力的物體。黑體是一種具有最大輻射能力的物體。吸收率吸收率 （ ， ）=1，反射率，反射率 = 0，透射率，透射率 c = 0發(fā)射率（發(fā)射率（）以黑

8、體為基準(zhǔn)所表達(dá)輻射率，某以黑體為基準(zhǔn)所表達(dá)輻射率，某物體的發(fā)射率是指該物體的輻射量與同溫度下黑體物體的發(fā)射率是指該物體的輻射量與同溫度下黑體輻射量之比，也稱輻射量之比，也稱比發(fā)射率比發(fā)射率。實(shí)驗(yàn)證明，在同一溫度下，任何物體實(shí)驗(yàn)證明，在同一溫度下，任何物體發(fā)射發(fā)射某一波長(zhǎng)電某一波長(zhǎng)電磁波的能力，磁波的能力，與它對(duì)該波長(zhǎng)的電磁波的與它對(duì)該波長(zhǎng)的電磁波的吸收能力吸收能力成成正正比比。 黑體吸收電磁波的能力最強(qiáng)，因而它發(fā)射電磁波的能黑體吸收電磁波的能力最強(qiáng)，因而它發(fā)射電磁波的能力也最強(qiáng)。力也最強(qiáng)。 射入空腔中的光線經(jīng)過(guò)射入空腔中的光線經(jīng)過(guò)n n次反射后，所剩下次反射后，所剩下的能量（的能量（5/100

9、5/100）n n，如如n=10n=10，則能量全部被，則能量全部被吸收，空腔視為黑體。吸收，空腔視為黑體。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的理想黑體實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的理想黑體 普朗克熱輻射定律普朗克熱輻射定律 M（，T）= 2hc2-5exp（hc/kT）-1-1 c真空中光速， h普朗克常數(shù)（6.62610-34焦耳秒) k波耳茲曼常數(shù)（1.3806 10-23焦耳/開） M輻射出射度 維恩位移定律維恩位移定律對(duì)普朗克公式求導(dǎo)，得出對(duì)普朗克公式求導(dǎo)，得出:max T = b T = b /max b = 2.89810-3m k（常數(shù)常數(shù)）黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng)黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng)max與黑體絕對(duì)溫度與黑體

10、絕對(duì)溫度T成反比。成反比。 斯蒂芬斯蒂芬波耳茲曼定律波耳茲曼定律在在 0波長(zhǎng)內(nèi)對(duì)普朗克公式積分得：波長(zhǎng)內(nèi)對(duì)普朗克公式積分得： M（，T）= T 4= 5.67 10-8瓦瓦/米米2開開 4（為斯蒂芬（為斯蒂芬波耳茲曼常數(shù)）波耳茲曼常數(shù)） M電磁波總輻射出射度電磁波總輻射出射度0.80.20.40.60210864 14 波長(zhǎng)（m）12900K800K700K600K500K輻射密度M（w/cm2m）幾種溫度下的黑體波譜曲線幾種溫度下的黑體波譜曲線每條曲線彼此互不相交，輻射通量密度M隨溫度T的增加而迅速增大； M（，T）= T 4輻射通量密度的峰值波長(zhǎng)max隨溫度T的增加向短波方向移動(dòng)。 max

11、 = b/ T 物體按其發(fā)射特性一般分為三種類型物體按其發(fā)射特性一般分為三種類型 黑體，發(fā)射輻射最大（黑體，發(fā)射輻射最大（=1），發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。），發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。 灰體，發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，發(fā)射輻射比黑體小。灰體，發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，發(fā)射輻射比黑體小。 選擇性輻射體，發(fā)射率隨波長(zhǎng)而改變，一般小于黑體的發(fā)射率選擇性輻射體，發(fā)射率隨波長(zhǎng)而改變，一般小于黑體的發(fā)射率黑體 =1灰體 =選擇性輻射體波長(zhǎng)分光發(fā)射率物體發(fā)射的三種類型物體發(fā)射的三種類型選擇性輻射體黑體=1灰體1波長(zhǎng)發(fā)射輻射通量密度E（二）物體的熱慣量（二）物體的熱慣量熱慣量（熱慣量（P）是物體對(duì)環(huán)境溫度變化的反映靈敏性的一是物體對(duì)環(huán)境溫

12、度變化的反映靈敏性的一種量度，是描述物體熱特性的一個(gè)宏觀物理量。種量度，是描述物體熱特性的一個(gè)宏觀物理量。P = （k c ）1/2 單位為焦耳單位為焦耳/厘米厘米2 秒秒1/2 度；度； k 為熱擴(kuò)散系數(shù)，單位為厘米為熱擴(kuò)散系數(shù)，單位為厘米2/秒，表示物體內(nèi)溫度變化的速率；秒，表示物體內(nèi)溫度變化的速率；為密度，單位為克為密度，單位為克/厘米厘米3； c 為比熱，單位為焦耳為比熱，單位為焦耳/克克度。度。熱慣量熱慣量越大越大，對(duì)環(huán)境溫度變化的熱反應(yīng)，對(duì)環(huán)境溫度變化的熱反應(yīng)越遲鈍越遲鈍。熱慣量熱慣量越小越小，對(duì)環(huán)境溫度變化的熱反應(yīng)，對(duì)環(huán)境溫度變化的熱反應(yīng)越靈敏越靈敏。三、太陽(yáng)輻射和地球輻射三、太

13、陽(yáng)輻射和地球輻射（一）太陽(yáng)輻射（一）太陽(yáng)輻射太陽(yáng)是太陽(yáng)系中最大的電磁輻射源。最大輻射值在可見(jiàn)太陽(yáng)是太陽(yáng)系中最大的電磁輻射源。最大輻射值在可見(jiàn)光波段，其波長(zhǎng)峰值在光波段，其波長(zhǎng)峰值在0.47m 。太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)輻射在大氣上界處的垂直入射通量密度。太陽(yáng)輻射在大氣上界處的垂直入射通量密度。平均太陽(yáng)常數(shù)平均太陽(yáng)常數(shù)1400W/m2通過(guò)大氣到達(dá)地面的大氣有效輻射通量密度通過(guò)大氣到達(dá)地面的大氣有效輻射通量密度913W/m2 108106104102100.11.0100 波長(zhǎng)m輻射度（Wm-2 m-1）可見(jiàn)光熱紅外太陽(yáng)5900K地球290K0.47 9.72.52.01.01.50.50.50.21

14、.02.01.52.53.0大氣上界太陽(yáng)輻照度分布曲線海平面太陽(yáng)輻照度分布曲線輻射度（KWm-2m-1）波長(zhǎng)m大氣上界面和海平面太陽(yáng)平均輻照度分布曲線絕大部分太陽(yáng)輻射能分布范圍 （二）地球輻射（二）地球輻射 地球輻射的能量來(lái)源 太陽(yáng)短波輻射和太陽(yáng)短波輻射和地球內(nèi)部熱能 與地球熱輻射直接相關(guān)聯(lián)的是 地表的熱平衡熱平衡太陽(yáng)短波輻射地球內(nèi)部熱能受地球內(nèi)部熱能影響的地溫受太陽(yáng)輻射影響的地溫地?zé)崞胶饩€ 地球表面地球表面溫度分布圖溫度分布圖第三節(jié)第三節(jié) 大氣對(duì)電磁輻射的影響大氣對(duì)電磁輻射的影響一、大氣散射一、大氣散射二、大氣吸收二、大氣吸收三、大氣反射三、大氣反射四、大氣窗口四、大氣窗口吸收吸收大大氣氣層

15、層一、大氣散射一、大氣散射 散射比值因子：散射比值因子： q q =2/=2/ 大氣中微粒的半徑大氣中微粒的半徑 電磁波的波長(zhǎng)電磁波的波長(zhǎng) （一）瑞利（一）瑞利（RayleighRayleigh）散射）散射 當(dāng)當(dāng)q 1 ， 3 ， 時(shí)的大氣分子散射時(shí)的大氣分子散射 散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，水滴的散射使云、霧成散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，水滴的散射使云、霧成白色。白色。從空中向下看從空中向下看云是白色的云是白色的從地面向上看從地面向上看云是白色的云是白色的日升時(shí)太陽(yáng)光線斜射入大氣日落時(shí)太陽(yáng)光線斜射入大氣 二、大氣吸收二、大氣吸收 大氣中吸對(duì)電磁輻射影響比大氣散射更大。大氣中吸對(duì)電磁輻射影響比大氣散射更大。

16、收太陽(yáng)輻射的主要成分有：收太陽(yáng)輻射的主要成分有： 水汽（水汽（H2O）、臭氧（）、臭氧（O3）、二氧化碳（）、二氧化碳（CO2）。）。 CO2三、大氣反射三、大氣反射 大氣反射主要是云層的反射大氣反射主要是云層的反射 云層厚度達(dá)50m時(shí) 反射量達(dá)50% 云層厚度達(dá)500m時(shí) 反射量達(dá)80% 大氣中直徑大于大氣中直徑大于1010-6-6米的微粒米的微粒 也可產(chǎn)生反射作用也可產(chǎn)生反射作用四、大氣窗口四、大氣窗口 電磁輻射與大氣相互作用產(chǎn)生的電磁輻射與大氣相互作用產(chǎn)生的效應(yīng)，使得能夠穿透大氣的電磁效應(yīng)，使得能夠穿透大氣的電磁輻射，局限在某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)，輻射，局限在某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)，通常將這些透射率高的

17、電磁輻射通常將這些透射率高的電磁輻射波段稱為波段稱為大氣窗口。大氣窗口。在工作中要注意：1.所用傳感器的光靈敏性；2.所要探測(cè)波段是否在“窗口”內(nèi)； 3.這些波段內(nèi)可能有能源、強(qiáng)度、光譜成分。電磁波性 質(zhì)大氣窗口常用波段應(yīng)用條件成像方式成像遙感儀 器圖像或像片類型0.3 1.3m紫外波段0.3 0.315m0.315- 0.4m可見(jiàn)光波段0 4 0.7m近紅外波段0.7-0.9m0.9-1.3m必須在強(qiáng)光下攝影和成 像,即只能在白作業(yè)攝影 和掃描紫外分光光度成像儀照相機(jī)反束光導(dǎo)管攝象機(jī)多光譜掃描儀激光雷達(dá)紫外圖像全色圖像紅外圖像多波段掃描儀反 射1.5 - 1.7m2.0 - 2.5m 近紅外2.0 2.5m強(qiáng)光下