遥感技术第二章 遥感物理基础2015

电磁波辐射的分段特性
电磁波辐射分段特性的遥感意义 •可见光与近红外波段遥感图像上的信息来自地物反 射特性； •中红外波段遥感图像上既有地表反射太阳辐射的信 息，也有地球自身的热辐射信息； •热红外波段遥感图像上的信息来自地物本身的热辐 射特性；
可见光近红外波段遥感图像：记录各类地物对可见光的反射情况
c *
c *
电磁波的种类
若依传播方向与电场或磁场的关系，我们可以把电磁波分为三 大类： TEM波，此波又称为横向电磁波（Transverse Electromagnetic Wave），即电磁波的传播方向无电场及磁场成分，电场及磁场 的变化方向是在与传播方向垂直的平面上，固又称为平面电磁 波（Plane Wave）。
1．光电效应 现象：在光的照射下，使物体中的电子 逸出的现象叫做光电效应。 实验规律： （1）任何一种金属都有一个极限频率， 入射光的频率必须大于这个极限频率， 才能产生光电效应；低于这个频率的光 不能产生光电效应。 （2）光电子的最大初动能与入射光的 强度无关，只随入射光的频率的增大而 增大。 （3）入射光照到金属上时，光电子的 发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒。 （4）当入射光的频率大于极限频率时， 光电流的强度与入射光的强度成正比。
光的干涉和光的衍射是光具有波动性的有力证据。 1．光的干涉 现象：两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始 终加强，在另一些区域始终减弱，形成稳定的明暗相间条纹的 现象。产生条件：（1）两列波频率必须相同；（2）在相遇点 的震动方向要一致；（3）在观察的时间内，在相遇点的两个 振动的位相差保持不变
太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性 基本一致。各波长范围内辐射能量大小不同，太阳能量约99%集 中在0.2~4µm间，可见光部分约集中了38%的太阳能量。
地球辐射
遥感探测中被动遥 感的辐射源主要来 自与人类最密切相 关的两个星球，即 太阳和地球。太阳 辐射近似于温度为 6000K的黑体辐射， 而地球辐射则接近 于温度为300K的黑 体辐射。最大辐射 的对应波长分别为 0.48um和9.66um
M B ( )
2hc2

5
*
1 ech / kT 1
不同温度的黑体辐射
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4次方成正比。 温度越高，幅射能力就越强。
Wb T
4
σ: 斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.6697×10－12 Wcm-2K-4
石英岩的辐射曲线与250K黑体的辐射曲线
太阳辐射
太阳常数：是指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂 直于太阳光辐射方向上，单位面积时间黑体所接收的太阳辐射 能量：
E 1.360*10 W / m
3
2
可以认为太阳常数是在大气顶端接受的太阳能量。
天文单位”指的是太阳到地球的距离,天文学家就把太阳到地球这段距离当成一个单 位，叫做“天文单位”，作为测量天体（特别是太阳系天体）之间距离的“尺子”。 如冥王星距离太阳为39.87天文单位。
被辐照物 辐照度 辐 射 出 射 度 辐射体
辐射源
辐射通量密度的单位是瓦/米² （W/m² ）
辐射强度 (radiant intensity) I
辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位 立体角内的辐射通量： I= Φ / Ω
辐射强度
点辐射源
辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）
第三节 地物反射辐射
基本概念： 朗伯体，半球反射率、半球透射率、半球吸收率 要求：掌握基本概念
实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗糙表面。当目标 物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的反射辐射亮度 在以目标物的中心的2π空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观 测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。漫反射 又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。 严格讲自然界中只存在近似意义下的朗伯体。只有黑体才是真 正的朗伯体。
第二章 遥感物理基础
马龙 home218@126.com
• 第一节 电磁波谱与电磁辐射（掌握） • 第二节 物体发射辐射（掌握） • 第三节 地物反射辐射（掌握） • 第四节 大气对电磁辐射的影响（掌握） • 第五节 地物的光谱特征
第一节 电磁波谱与电磁辐射
基本概念： 电磁辐射的度量 要求：掌握基本概念
黑体辐射：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收， 则这个物体是绝对黑体。当电磁波入射到一个不透明的物体上， 在物体上只出现对电磁波的反射现象和吸收现象。对于绝对黑 体，其反射率为零。
恒星和太阳的辐射也被看作是接近黑 体的辐射源
为什么要引入黑体？
黑体辐射定律
描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
光的产生
Creation of light from atomic particles in a sodium vapor lamp. After being energized by several thousand volts of electricity, the outermost electron in each energized atom of sodium vapor climbs to a high rung on the energy ladder and then returns down the ladder in a predictable fashion. The last two rungs in the descent are 2.1 eV apart. This produces a photon of yellow light, which has 2.1 eV of energy.
能量是如何传播的?
Electromagnetic energy is the only form of energy transfer that can take place in a vacuum such as the region between the Sun and the Earth.
电磁波谱
TM、AVHRR和MODIS传感器的探测波段波位置
遥感较多应用的电磁波波谱段
• 可见光：波长范围为0.38～0.76μm，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0.76～1000μm，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 mm～1 m，穿透性好，不受 云雾的影响。
3．光的偏振
线偏振光
方向 播 传
EBaidu Nhomakorabea
振
动
面
·
面对光的传播方向看
圆偏振光, 椭圆偏振光
右旋圆 偏振光
右旋椭圆 偏振光 y 传播方向 E 0 x x y
/2
z
粒
在1905年的前100年，光一直被作为波进行研究和讨论，后来 爱因斯坦（1879-1955）发现当光同电子作用时，它呈现一种 完全不同的特征。 • 他发现光同物质作用时，表现出粒子的特征，指出光是由很 多被称为光子的粒子组成。因此，今天科学家在回答“光是什 么？”的时候，会说“光是一种特殊的物质”。 • 这样，有的时候我们会用波的属性来描述电磁能量。当电磁 能量同物质相互作用时，我们用粒子的属性来描述电磁能量。
瓦(W) 瓦 /米 ² (W/m² ) 瓦 /米 ² (W/m² ) 瓦/球面度(W/Sr) 瓦/米²•球面度 (W/m²• Sr)
λ反映不同波长处， 电磁辐射的大小是不一样的
辐射能量 Q
电磁辐射是具有能量的，它表现在： • 使被辐照的物体温度升高 • 改变物体的内部状态 • 使带电物体受力而运动 …… 辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）
波尔 (1885–1962) 和普朗克认识到了辐射能量的离散本质，提 出了电磁辐射的量子理论。该理论认为能量以光子或量子在空 中传播。
Q h *
其中 Q 是一个量子的能量，单位J。h为普朗克常数 (6.626 10-34 J s), ν是辐射频率。
利用波长较长的电磁波观测目标物，如何能够获得较高的分辨率？
辐射通量 (radiant flux) Φ
在单位时间内，通过某一表面的辐射能量称为辐射通 量，又称为辐射功率： Φ=Q/ t 辐射通量（Φ）的单位是： 瓦特=焦耳/秒（W=J/S）
辐射通量密度 (irradiance) E, (radiant exitance) M
单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： E辐照度= Φ / A M辐射出射度= Φ / A
辐射亮度 (radiance) L
单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度： L=³ Φ / A λ Ω
亮度 L
θ 面辐射源
A
图中出射辐射亮度是多少？
辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米²•微米•球面度（W/m² • μm • Sr）
第二节 物体发射辐射
基本概念： 绝对黑体，黑体辐射定律，斯蒂芬－玻尔兹曼定律， 维恩位移定律，发射率，太阳常数 知识点： 电磁波辐射的分段特性 要求：掌握基本概念：绝对黑体，发射率，太阳常数， 其余理解 掌握知识点
TE波，此波又称为横向电波（Transverse Electric Wave），即 电磁波的传播方向无电场成分，电场只在与传播方向垂直的平 面上变化，但是磁场却存在传播方向以及垂直传播方向的平面 上变化。这种电磁波的频率很高，而且要高过某一个截止频率 （cut-off frequency）才会传播，低于截止频率则停止传播。 TM波，此波又称为横向磁波（Transverse Magnetic Wave）， 即电磁波的传播方向无磁场成分，磁场只在与传播方向垂直的 平面上变化，但是电场却存在传播方向以及垂直传播方向平面 上变化。这种电磁波的特性类似TE波，也具有截止频率的限 制。
2．光的衍射
现象：光线绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在光屏 上出现明暗相间条纹的现象。 产生条件：障碍物或孔的尺寸比光波的波长小或者相差不多。
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 辨率具有重要的意义，要尽量避免衍射现象的发生。另外，在 数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。
红外装置测试温度的理论根据
维恩位移定律
利用普朗克公式还可导出维恩位移定律，黑体辐射光谱中最强 辐射的波长与黑体绝对温度T成反比。
max T b
高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。
煤气炉子的火焰为什么刚开始 的时候是黄色，后来呈蓝色？
一般辐射体的发射率
对于一般物体而言，需要引入发射率 α （即热辐射率 ε 、比辐 射率ε），表明物体的发射本领。
电磁辐射的度量
辐射量
辐射能量 辐射通量 辐照度 辐射出射度 辐射强度 辐射亮度
符号
Q Φ E M I L
定义
单位
焦耳(J)
(2) Q/ t( λ) (2) Φ / A ( λ) (2) Φ / A ( λ) (2) Φ / Ω ( λ) (3) Φ / A Ω ( λ)
关于波
为了理解电磁辐射如何发生，电磁波如何在空间传 播，如何同物体相互作用，我们需要用两种不同的 模型描述这种过程： •波 •粒
波
18世纪60年代， James Clerk Maxwell (1831–1879) 定义了电磁 辐射的概念，指出电磁波在以光速（c，3×108m）在空中传 播。
电磁波是典型的横波。在横波中，传播方向可以是垂直振动方 向的任何方向，且振动方向一般会随时间变化。如果振动方向 不随时间变化，则称为线偏振的横波，电磁波具有偏振现象。
M ( , T ) (, T )
Mb(, T )
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：吸收率最大，发射率最大，均为1，反射率为0； （2）灰体 ：没有显著的选择吸收，吸收率随小于1，基本不随 波长变化； （3）选择性辐射体 ：选择性地吸收、反射和发射；