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1、第二章 电磁波及遥感物理基础,遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。,1,理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。,为什么要了解电磁波？,1.电磁波谱与电磁辐射 2.太阳辐射及大气对辐射的影响 3.地球辐射与地物波谱 4.地物波谱测量,第二章 电磁波及遥感物理基础,2,1、电磁波谱与电磁辐射,（1）电磁波与电磁波谱（2）电磁波的特性的遥感应用（3）物体的发射辐射,3,（1）电磁波与电磁波谱 电磁波,电磁波 交互变化的电磁场在空间的传
2、播。描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。,4,（1）电磁波与电磁波谱 电磁波谱,5,紫外线：波长范围为0.010.38m，太阳光谱中，只有0.30.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000 m以下。可见光：波长范围：0.380.76m，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。红外线：波长范围为0.761000m，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为1 mm1 m，穿透性好，不受云雾的影响。,（1）电磁波与电磁波谱 遥感应用谱段波,6,近红外：0.763.0 m，与可见光相似。中红外：3.06.0 m，地面常温下的辐射波长，有
3、热感，又叫热红外。远红外：6.015.0 m，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.01 000 m，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。,（1）电磁波与电磁波谱 红外划分,7,8,（1）电磁波与电磁波谱,9,（1）电磁波与电磁波谱,10,（1）电磁波与电磁波谱,1、电磁波的衍射2、电磁波的偏振3、电磁波的叠加、相干与多普勒效应,11,（2）电磁波的特性的遥感应用,（2）电磁波特性的遥感应用-衍射,衍射-光通过有限大小的障碍物时偏离直线 路径的现象。,12,（2）电磁波特性的遥感应用-衍射,13,（2）电磁波特性的遥感应用-衍射,14,（2）电磁波特性的遥感应用-衍射,1
4、5,研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要意义。另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。,（2）电磁波特性的遥感应用-衍射,16,电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。,（2）电磁波特性的遥感应用偏振,17,什么是偏振光？,自然光,线偏振光或平面偏振光,（2）电磁波特性的遥感应用偏振,18,振动方向对于传播方向的不对称性,椭圆偏振光和圆偏振光,E,E,偏振在微波技术中称为“极化”水平极化-垂直极化-,（2）电磁波特性的遥感应用偏振,19,影像判读意义重大,（2）电磁波特性
5、的遥感应用偏振,20,（2）电磁波的特性遥感应用,波的叠加：几列波在相遇的区域内，质点的振动为各波存在时单独引起的位移矢量和。波的叠加原理-遥感中的作用,叠加、相干、多普勒效应,21,（2）电磁波的特性遥感应用,相干波：两列频率相同、振动方向一致、相位差恒定的波。波的相干原理-遥感中的作用,叠加、相干、多普勒效应,22,（2）电磁波的特性遥感应用,相干波：雷达干涉测量应用,叠加、相干、多普勒效应,（2）电磁波的特性遥感应用,相干波：雷达干涉测量应用,叠加、相干、多普勒效应,（2）电磁波的特性遥感应用,叠加、相干、多普勒效应,相干波：雷达干涉测量应用,（2）电磁波的特性遥感应用,多普勒效应：奥地
6、利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒于1842年提出，主要内容为：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象。,叠加、相干、多普勒效应,26,任何物体不停地向外辐射能量。地物发射的能力通常以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。黑体辐射(Black Body Radiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。,（3）物体的发射辐射,27,表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。,Max Planck(1858 1947)Nobel Prize 1918,黑体辐射的
7、能量是由温度决定的,普朗克热辐射定律,（3）物体的发射辐射 黑体辐射,28,三个特性,1、温度越高，总的辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。2、随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。3、辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。,（3）物体的发射辐射 黑体辐射,29,30,上述规律在遥感中有何用处？,（3）物体的发射辐射,31,温度在绝对零度以上的物体，向外发射辐射能量,例：异常温度监测,（3）物体的发射辐射,32,1.辐射能量能体现异常温度么？2.为什么对地观测利用热红外波段？,能量,波长,两个基本问题：,（3）物体的发射辐射,Stefan-Boltzmanns
8、law 即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。,温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同,(1)玻耳兹曼定律,33,（3）物体的发射辐射,(2)维恩位移定律,Wiens displacement law 随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。,34,（3）物体的发射辐射,(3)瑞里金斯公式,黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。微波波段与红外波段发射辐射的比较：不同地物之间微波发射的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地
9、物，在微波波段中则容易识别。,辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。,35,（3）物体的发射辐射,1）发射率(Emissivity)定义：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。,（3）物体的发射辐射 一般物体的发射,36,按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体(grey body)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波
10、长而变化。,（3）物体的发射辐射 一般物体的发射,37,定义：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W 黑。,在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。,（3）物体的发射辐射 基尔霍夫定律,38,回顾：电磁波谱与电磁辐射,（1）电磁波与电磁波谱 波段划分（可见光、红外、微波）（2）电磁波的特性的遥感应用 衍射、偏振、叠加（遥感意义）（3）物体的发射辐射 黑体辐射定律（三大定律）,39,发射光谱特性：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。,（3）
11、物体的发射辐射 表征辐射的几个名词,40,大理石发射光谱曲线,水泥发射光谱曲线,1.任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。2.微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。,41,（3）物体的发射辐射 物体的微波辐射,（3）物体的发射辐射 不同发射率比较,42,亮度温度：它是衡量地物辐射特征的重要指标。指等物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。,（3）物体的发射辐射 表征辐射的几个名词,43,等效温度：为了分析物
12、体的辐射能力，常用最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线来表达，这时黑体辐射温度称为该物体的等效辐射温度。等效温度与实地温度的关系：也总小于实地温度。,（3）物体的发射辐射 表征辐射的几个名词,44,1.电磁波谱与电磁辐射 2.太阳辐射及大气对辐射的影响 3.地球辐射与地物波谱 4.地物波谱测量,第二章 电磁波及遥感物理基础,45,46,2、太阳辐射及大气对辐射的影响,（1）太阳辐射（2）大气成分与大气层（3）大气对电磁波的作用,47,（1）太阳辐射,48,太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空
13、间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。,（1）太阳辐射,49,太阳辐射通过大气后，其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多，在可见光谱区减少至40，而在红外光谱区增至60。,（1）太阳辐射,50,太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。（1.360103W/m2）；太阳辐射和黑体辐射基本一致；太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最
14、大辐射强度位于波长0.47 m左右；太阳辐射的光谱是连续的；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3-3.0 m波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；x射线、r射线、远紫外和微波波段能力小，且不稳定，经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡。,辐射特点,（1）太阳辐射,51,大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合物。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 气溶胶 大气的成分可分为常定成分（N2，O2，CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶胶）。,（2）大气成分与大气层 大气成分,52,大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：对流层：高度在712 k
15、m,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而变化。平流层：高度在1250 km，没有对流和天气现象。底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。,（2）大气成分与大气层 大气层,53,大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：电离层：高度在501 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：80035 000 km,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。,（2）大气成分与大气层 大气层,54,（2）大气成分与大气层 大气层,5
16、5,大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内（0.2um 的电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽。,（3）大气对电磁波的作用 吸收,56,水蒸气对太阳光谱的吸收,57,二氧化碳对太阳光谱的吸收,58,大气中其它气体对太阳光谱的吸收,59,散射：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向的一种现象。不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太
17、阳辐射衰减的主要原因。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。,（3）大气对电磁波的作用 散射,60,为什么？,A、均匀散射 当不均匀颗粒的直径a时，发生均匀散射，散射强度与波长无关。B、米氏(Mie)散射 如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级，发生米氏散射；散射强度与波长的二次方成反比。C、瑞利（Rayleigh）散射 瑞利散射（也称分子散射）的条件是介质中的不均匀颗粒的直径a远小于入射电磁波波长，散射强度与波长的四次方成反比。,（3）大气对电磁波的作用 散射,61,大气对太阳光的散射示意图,（3）大气对电磁波的作用 散射,62,均匀散
18、射：大气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，在符合无选择散射的条件的波段中，任何波长的散射强度相同。,散射特性,63,米氏散射：大气中的气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等的直径与入射光的波长相似或大于入射光的波长时发生的散射。,瑞利散射：雨过天晴或秋高气爽时，就因空中较粗微粒比较少，青蓝色光散射显得更为突出，天空一片蔚蓝。,思考：蓝天、白云、红日,瑞利,均匀,频率关系,大气散射是群体散射强度和个体散射强度的线性和。大气散射系数与高度的关系：大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成。气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减。就平均状况而言，4km以下的气溶胶米氏散射占优势，4km以上的分子
19、散射占相对优势。分子散射与气溶胶散射光强之比随角度和能见度的变化而变化。,（3）大气对电磁波的作用 散射特性,64,空气纯净时天空是什么颜色？站在月球上看天时，天是什么颜色？,65,折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气密度越大，折射率越大。反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象主要出现在云顶（云造成的噪声）。,（3）大气对电磁波的作用 折射、反射,66,太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同
20、。电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。（对地遥感要用的部分）,（3）大气对电磁波的作用 大气窗口,67,大气窗口主要光谱波段,68,光学厚度：消光系数沿大气传输路径的积分，是表征大气介质对辐射衰减程度的无量纲量。大气的总光学厚度：在某一垂直路径上，从大气顶层到地表的总衰减系数。,（3）大气对电磁波的作用 光学厚度,例如：在可见光和近红外波段，太阳辐射30被云或其它粒子反射，22被散射，17被吸收，到达地面能量31。,69,太阳辐射透过大气并被地表反射（有用的）；太阳辐射被大气散射后被地表反射（纠正后有用）；太阳辐射被大气散射后直接进入传感器；太阳辐射透过大气被地物吸收后又被地表发射进入传感器；被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项。,（3）大气对电磁波的作用 传感器接收能量,70,小结：太阳辐射及大气对辐射的影响,（1）太阳辐射太阳常数、分布特性（2）大气成分与大气层两类成分、大气分层（3）大气对电磁波的作用吸收、散射、反射,71,
