第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ)

第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ)第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2電磁波輻射源2.1黑體輻射2.2黑體輻射定律2.3一般輻射體和發(fā)射率2.4基爾霍夫定律第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月黑體：對任何波長的輻射，反射率和透射率都等于0。黑體是一種理想的吸收體，自然界沒有真正的黑體。

人工制造的接近黑體的吸收體2.1黑體輻射第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2黑體輻射的定律2.2.1普朗克公式2.2.2斯蒂芬－玻爾茲曼定律2.2.3維恩位移定律第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月描述黑體輻射通量密度與溫度、波長分布的關(guān)系。2.2.1普朗克公式h:普朗克常數(shù)6.6260755*10-34W·s2k:玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380658*10-23W·s·K-1

c:光速;λ:波長（μm）;T:絕對溫度（K）

第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月變化特點：(1)輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，只有一個最大值；(2)溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不相交；(3)隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動。普朗克公式圖示：第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2斯蒂芬－玻爾茲曼定律對普朗克定律在全波段內(nèi)積分，得到斯蒂芬－玻爾茲曼定律。輻射通量密度隨溫度增加而迅速增加，與溫度的4次方成正比。含義？σ:斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)，5.6697＋－0.00297）×10－12Wcm-2K-4

紅外裝置測試溫度的理論根據(jù)。第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3維恩位移定律b:常數(shù)，2897.8±0.4μm·K高溫物體發(fā)射較短的電磁波，低溫物體發(fā)射較長的電磁波。常溫（如地表300K左右，發(fā)射電磁波的峰值波長9.66μm）針對要探測的目標(biāo)，選擇最佳的遙感波段和傳感器。第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3一般輻射體和發(fā)射率對于一般物體而言，需要引入發(fā)射率（熱輻射率、比輻射率），表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。非黑體的輻射通量密度與同一溫度下黑體輻射通量密度的比值。發(fā)射率與物質(zhì)種類、表面狀態(tài)、溫度等有關(guān)，還與波長有關(guān)。按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，輻射源可以分為：1）黑體2）灰體3）選擇性輻射體

第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3一般輻射體和發(fā)射率第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4基爾霍夫定律在給定溫度下，任何地物的輻射通量密度W與吸收率α之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。發(fā)射率等于吸收率。好的吸收體也是好的發(fā)射體，如果不吸收某些波長的電磁波，也不發(fā)射該波長的電磁波。第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱紅外遙感第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容熱紅外遙感概況地表物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)地表溫度的反演熱紅外遙感圖像的特點白天熱效應(yīng)熱紅外遙感應(yīng)用第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱紅外遙感就是利用星載或機(jī)載的傳感器收集、記錄地物的熱紅外信息，并利用這種信息來識別地物和反演地表參數(shù)（溫度、濕度、熱慣量）的技術(shù)系統(tǒng)熱紅外遙感波段范圍其中（3-5微米）熱輻射和太陽輻射的反射部分同時考慮；（7-18微米）輻射熱紅外有人把“熱紅外”叫做“遠(yuǎn)紅外”熱紅外遙感概況第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱作用與溫度溫度是物質(zhì)分子熱運(yùn)動平均動能的度量，描述了物質(zhì)內(nèi)部分子熱運(yùn)動的劇烈程度。分子運(yùn)動溫度為熱力學(xué)溫度，又稱為物體的真實溫度。輻射溫度：對于黑體，物體的輻射溫度等于它的動力學(xué)溫度，但是真實物體：熱遙感器所記錄的輻射溫度小于它的真實溫度，因為發(fā)射率小于1第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月亮度溫度當(dāng)一個物體的輻射亮度與某一黑體的輻射亮度相等時，該黑體的物理溫度就被稱之為該物體的亮度溫度（亮溫）。亮度溫度具有溫度的亮綱，但不具有溫度的物理含義。第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

為什么要測量地表溫度？地表溫度是地-氣系統(tǒng)研究能量平衡的一個關(guān)鍵因子。除了太陽輻照度之外，地-氣界面所有的通量都可參數(shù)化為溫度的一個函數(shù)是全球的水循環(huán)，地表、大氣能量循環(huán)的重要因素作為GCM模型（全球環(huán)流模型）的初始化數(shù)據(jù)?？芍苯域炞CGCM輸出的地表溫度是植物生長的重要因素第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月如何獲得地表溫度？利用溫度計或其它點接觸探測頭測定受時間和空間的限制，沒有足夠的空間覆蓋數(shù)據(jù)受其它外界環(huán)境的影響很難獲得精確的表面溫度利用熱紅外輻射儀來測定在局部尺度上：地面測量在大、中尺度上：衛(wèi)星（遙感反演）空間測量測量的量是波譜輻射能

Ts，e,大氣和周圍環(huán)境第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月比輻射率描述非黑體熱輻射能力與熱輻射方向性的重要參數(shù)比輻射率是物理的固有的物理屬性，不僅僅依賴于地物的組成成分，與物體的表面狀態(tài)（表面粗糙度）及物理性質(zhì)（介電常數(shù)、含水量、溫度等）有關(guān)，是波長和觀測角度的函數(shù)第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月如何獲得表面比輻射率？根據(jù)室內(nèi)、外測量波譜輻射儀輻射儀結(jié)合CO2激光儀（主動與被動結(jié)合）黑箱子需要假定表面溫度和比輻射率在測量過程中不變從衛(wèi)星上測定根據(jù)可見光和近紅外光譜信息的統(tǒng)計關(guān)系

根據(jù)熱紅外光譜儀里最小e和在最大相對比輻射率之差（MMD）的統(tǒng)計關(guān)系利用多時相數(shù)據(jù)假定：eday=enight

或eday1=eday2

第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月地球表面的熱輻射地球地表溫度大約300K，地表的熱紅外輻射能量由地表比輻射率和地表溫度兩個因素決定地表溫度是地球、太陽、大氣相互作用的結(jié)果第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月水的循環(huán)第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月地表熱學(xué)性質(zhì)熱容HeatCapacity(C):溫度每升高1度，對應(yīng)熱能(Q)增加量的度量。表示了一種材料存儲熱的能力,單位為cal℃

-1。(與物體大小有關(guān))比熱specificheat(c)

:一定條件下單位質(zhì)量的物質(zhì)升高1℃

所需的熱量，單位為Jg-1

℃

-1第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月地表物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)熱傳導(dǎo)率ThermalConductivity(K):

熱量通過物體的速率的度量。單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量與垂直于表面方向上的溫度梯度絕對值之比。單位為Wm-1K-1。熱慣量ThermalInertia(P):物質(zhì)對溫度變化的熱反應(yīng)的一種量度（一種材料對溫度變化的阻抗，保持原有溫度的能力），決定于熱傳導(dǎo)率(K)，熱容量(C)和密度(r)。P=(Kcρ)1/2

單位：Jm-2s-1/2℃

-1P是對熱傳過兩種材料邊界處的速率的度量，比如空氣/土壤。大的P對應(yīng)一個加熱/制冷周期的小的溫度變化。第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月地表物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)熱擴(kuò)散率Thermaldiffusivity(d):

表征物質(zhì)內(nèi)部溫度變化的速率，其值決定于單位時間內(nèi)沿法線方向通過單位面積的熱量與物質(zhì)的比熱、密度、法向上溫度梯度三者的乘積之比。d=K/(cr)

單位為m2s-1第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月地表物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)幾種地物的熱學(xué)度量水沙土玄武巖不銹鋼K0.00140.00140.00500.030c1.00.240.200.12d1.01.822.807.83P0.0380.0240.0530.168以上物質(zhì)中，哪種物質(zhì)在一天24小時的周期中，溫度波動最大？K熱傳導(dǎo)率c比熱d密度P熱慣量（不銹鋼最大）第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱輻射與地面的相互作用在熱平衡條件下：E1=Ea+Er+EtE1入射能；Ea吸收能；Er為反射能；Et為透射能，他們都是波長的函數(shù)1=Ea/E1+Er/E1+Et/E1分別表示局地?zé)崞胶?，指瞬時間熱交換非常緩慢，物體向外輻射的能量基本等于從外界吸收的能量，此時處于熱平衡狀態(tài)。一般為0第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月地表溫度的反演—熱紅外遙感的主要原理假設(shè)地表和大氣對熱輻射具有朗伯體性質(zhì)，大氣下行輻射強(qiáng)度在半球空間內(nèi)為常數(shù)，則熱輻射傳輸方程Ll=elt0lBl(Ts)+(1-el)t0lL0l+L0l

Ll為傳感器所接收的波長為λ的熱紅外輻射亮度Ts地表溫度，Bl(Ts)為地表溫度Ts時的普朗克黑體輻射度L0l

大氣下行輻射L0l

大氣上行輻射

l為波長為λ的地表輻射率tl大氣透過率第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月被測目標(biāo)大氣傳輸光學(xué)系統(tǒng)探測器信號讀出制冷裝置信號處理顯示熱紅外系統(tǒng)組成第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱紅外遙感圖像的特點熱紅外遙感圖像與可見光/近紅外圖像具有明顯差別MorroBayasRecordedInDifferentTMbands

TM1TM2第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱紅外遙感圖像的特點

TM3TM4

TM5TM6warmerslopes第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱紅外遙感圖像的特點TM1TM7TM6WaterpocketFoldwhitesandstone第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月白天熱效應(yīng)熱紅外圖像隨時間變化明顯白天的圖像類似于常規(guī)的航空相片（光照、陰影）；黎明前溫差明顯減?。o陰影），可以看到局部熱島效應(yīng)，以及由瀝青鋪設(shè)的路面。白天黎明前第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月白天熱效應(yīng)在一天的周期中(diurnalcycle),地表50~100cm被交替地加熱、制冷。日平均地表溫度通常與平均氣溫相近。5種表面24小時的輻射溫度變化思考：依據(jù)右圖預(yù)測沙漠表面及非流動水體在凌晨4點和下午2點的相對灰度變化第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱紅外遙感的復(fù)雜性熱紅外遙感的大氣影響更為復(fù)雜熱紅外波段，大氣散射作用不強(qiáng)，但大氣分子與懸浮粒的吸收作用卻十分明顯。熱紅外信息，除受大氣干擾外，還受地表層熱狀態(tài)的影響，如風(fēng)，氣溫，濕度等微氣象參數(shù)，土壤參數(shù)，植被覆蓋，地表粗糙度，地形地貌影響地物本身的熱過程是復(fù)雜的。地物從熱輻射的能量吸收到能量發(fā)射，存在一個熱存儲和熱釋放過程，整個過程存在滯后效應(yīng)熱能的傳遞有多種方式（傳導(dǎo)、對流、輻射）顯熱交換：地表熱能與大氣交換；潛熱交換：地表水分蒸發(fā)的能量交換。第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱探測器所獲得的物體發(fā)射信息包含兩個重要的信息，即物體的溫度和以及表示物體輻射能力的比輻射率，溫度與比輻射率的分離是熱紅外遙感的難點；熱紅外遙感圖像的空間分辨率一般低于可見光-近紅外遙感圖像，所以，混合像元問題非常嚴(yán)重。第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱紅外遙感應(yīng)用災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測，如林火監(jiān)測土壤水分監(jiān)測地質(zhì)找礦，地?zé)嵴{(diào)查環(huán)境污染監(jiān)測城市熱島效應(yīng)等等第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱紅外遙感應(yīng)用林火初期，幾處可見在和俄羅斯接壤處，但我國境內(nèi)沒有第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱紅外遙感應(yīng)用1987年5月7日.