02遥感物理基础

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辐射通量:单位时间内通过某一面积的辐射能量
总辐射通量:各波段辐射通量之和或辐射通量的 积分值
(3)维恩位移定律 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。
max •T b
b=2897±0.4m ·k
温度 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 波长 9.66 5.80 2.90 1.45 0.97 0.72 0.58 0.48 0.41
四、大气窗口
1、大气窗口:通过大气而较少被反射、吸收或 散射的透射率较高的电磁辐射波段。
大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。
常见的大气窗口
0.3~1.3μm 紫外 可见 近红外 1.5~1.8μm和2.0~3.5μm 近红外、中红外 3.5~5.5μm 中红外 8~14μm 远红外 0.8~2.5cm 微波
2kT
W() 2
k波尔兹曼常数
4)微波波段与红外波段发射率的比较
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
0 λ=4μm λ=10μm
λ=3mm
λ=3cm
水 干沙 混凝土
结论:一些在红外波段不容易识别的 地物,在微波波段中则容易识别。
6、地物的发射光谱
① 发射光谱:地物的发射率随波长变 化的规律。
② 发射光谱曲线:按照发射率和波长 之间的关系绘成的曲线。
三、地物的透射光谱特性
透射率:入射光透射过地物的能量与入射 总能量的百分比。
透射率随着电磁波的波长和地物的性质而 不同。
可见光、红外、微波的透射能力
2.3 大气和环境对遥感的影响
大气的成分和结构 大气对太阳辐射的影响 大气窗口 环境对地物光谱特性的影响
三、电磁辐射源
1. 自然辐射源 ➢ 地球的电磁辐射:
小于2.5μm的波长主要是太阳辐射的 能量;大于6μm的波长,主要是地物 本身的热辐射;2.5-6μm之间,太阳 和地球的热辐射都要考虑。
2. 人工辐射源
主动式遥感的辐射源,被称为 雷 达探测;分为微波雷达和激光雷达。
微波辐射源:0.8-30cm、优点
一、大气的成分
大气的传输特性:大气对电磁波的吸收、 散射和透射的特性。这种特性与电磁波波 长、大气的成分和环境的变化有关。
大气的成分:多种气体、固态和液态悬浮 的微粒混合组成的。
大气物质与太阳辐射相互作用,是太阳辐 射衰减的重要原因。
二、大气的结构
大气的垂直分层:对流层、平流层、中间层、 热层和大气外层。
植被、 土壤、水体、岩石的光谱曲线
3) 同类地物的反射光谱具有相似性,但也有差 异性。不同植物;植物病虫害
4) 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。
时间特性
空间特性
5) 同物异谱,异物同谱
课下阅读课本41页2.3.4 地物波谱特性的测量
二、地物的发射光谱特性
地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量 标准;地物的发射率是以黑体辐射作为参 照标准。 1. 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。 2. 黑体辐射(Black Body Radiation ):黑体 的热辐射称为黑体辐射。
入射电磁波的波长 入射角的大小 地表颜色与粗糙度
地物的反射率总是小于等于1
2. 地物的反射光谱:地物的反射率随入射波 长变化的规律。
1) 地物反射光谱曲线:根据地物反射率与 波长之间的关系而绘成的曲线。地物电 磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性 质的基本原理。
2) 不同地物在不同波段反射率存在差异:
大气的透射率 透射率与路程、大气的吸收、散射有关。
1.大气的吸收作用
A. 氧气:小于0.2 μm;0.155为峰值。高空遥 感很少使用紫外波段的原因。
B. 臭氧:数量极少,但吸收很强。对航空遥感 影响不大。0.2-0.36 μm, 0.6 μm
C. 水:吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都 是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光 的红光部分。因此,水气对红外遥感有极大 的影响。
4、实际物体的辐射
1) 地物发射率: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:
W W黑
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。
得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件 的波段中,任何波段的散射强度相同。
➢ 水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选 择性散射。
➢ 云雾为什么通常呈现白色?
结论
大气的散射是太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。 微波为何穿云透雾?
三种散射作用
1)瑞利散射:当微粒的直径比辐射波长小得多时, 此时的散射称为瑞利散射。
➢ 散射率与波长的四次方成反比,因此,瑞利散射 的强度随着波长变短而迅速增大。
➢ 瑞利散射的影响:对可见光的影响 ,对红外 辐射的影响 ,对微波的影响 。
较大,很小,可以不计 ➢ 在微波波段
一般发生瑞利散射,但强度甚小。
3、黑体辐射定律
(1)普朗克热辐射定律
表示出了黑体辐射出射度与温度的关系以
及按波长分布的规律。
M(、 T)2h5c2ech/1kT1
P19
辐射出射度:辐射源物体表面 在单位时间内,从单位面积上 辐射出的辐射能量
黑体辐射的三个特性
ห้องสมุดไป่ตู้
A. 辐射出射度随波长连 续变化,每条曲线只 有一个最大值。
B. 温度越高,辐射出射
➢无云的晴天,天空为什么呈现蓝色? ➢朝霞和夕阳为什么都偏橘红色? ➢多波段遥感中一般不用蓝紫光,为何?
2. 米氏散射:当微粒的直径与辐射波长差不多时
的大气散射。
➢ 云、雾的粒子大小与红外线的波长(0.76-15 μm )接近,所以云雾对红外线的米氏散射 不可忽视。
3. 无选择性散射:当微粒的直径比辐射波长大
1. 对流层 :航空遥感活动区。遥感侧重研究电 磁波在该层内的传输特性。
2. 平流层:较为微弱。 3. 中间层:温度随高度增加而递减。 4. 热层:增温层。电离层。卫星的运行空间。 5. 大气外层:1000公里以外的星际空间。
三、大气对太阳辐射的影响
太阳辐射的衰减过程: 30%被云层反射回宇宙空间;17%被大 气吸收;22%被大气散射;31%到达地 面。
激光辐射源:激光雷达—测定卫星 的位置、高度、速度、测量地形等。
2.2 地物的光谱特性
❖地物的反射光谱特性 ❖地物的发射光谱特性 ❖地物的透射光谱特性
一、地物的反射光谱特性
1. 地物的反射率(反射系数或亮度系数):
地物对某一波段的反射能量与入射能量之 比。反射率随入射波长而变化。 ➢ 影响地物反射率大小的因素:
D. 二氧化碳:量少;吸收作用主要在红外区内。 可以忽略不计。
2.大气的散射作用
散射作用:太阳辐射在长波过程中遇到小微 粒而使传播方向改变,并向各个方向散开。 改变了电磁波的传播方向;干扰传感器的接 收;降低了遥感数据的质量、影像模糊,影 响判读。
大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见 光区。因此,散射是太阳辐射衰减的主要原 因。
五、环境对地物光谱特性的影响
1. 地物的物理性状 2. 光源的辐射强度:
纬度与海拔高度 3. 季节:太阳高度角
不同 4. 探测时间:时间不
同,反射率不同。 5. 气象条件
谢谢大家!
度越大,不同温度的
辐 射
曲线是不相交的。
出 射

C. 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。
(2)斯忒藩-玻耳兹曼定律 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。
W 0 02h 5c2ech/1kT1dT4
三、电磁辐射源
1. 自然辐射源
➢ 太阳辐射:太阳是被动遥感主要的辐射源,又
叫太阳光,在大气上界和海平面测得的太阳辐射 曲线如图所示。
太阳辐射的能量主要集中在可见光和近红外,其 中0.38 - 0.76 µm的可见光能量占太阳辐射总能量 的43.5%,最大辐射强度位于波长0.47 µm左右; 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 -3.0 µm波段, 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的。
W W 黑 W 黑 T4
红外遥感的理论依据
5、黑体的微波辐射
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。
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。
是遥感最常用的波段。 ➢ 红外线(IR) :0.76-1000 μm。近红外0.76-3.0 μm;
中红外3.0-6.0 μm;远红外6.0-15.0 μm;超远红外 15-1000 μm。(近红外又称光红外或反射红外;中红 外和远红外又称热红外。) ➢ 微波:1mm-1m。全天时、全天候遥感;有主动与被 动之分;具有穿透能力;发展潜力大。
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,且随波长而变化。
2) 基尔霍夫定律: 3) 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。
❖ 波粒二象性的程度与电磁波的波长有 关: ➢ 波长愈短,辐射的粒子性愈明显; ➢ 波长愈长,辐射的波动特性愈明显。
二、电磁波谱
1. 电磁波谱:将各种电磁波在真空中的
波长(或频率)按其长短,依次排列制成的 图表。
电磁波谱示图
2、遥感常用的电磁波波段的特性
➢ 紫外线:0.01-0.38μm,碳酸盐岩分布、水面油污染。 ➢ 可见光:0.38-0.76 μm,鉴别物质特征的主要波段;
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