遥感物理基础

上节回顾 (1)1 遥感与遥感技术的概念2 遥感技术的发展情况3 遥感技术分类4 遥感技术的历史5 遥感技术的特点6 当前遥感技术发展趋势遥感物理基础1 电磁波和电磁波谱2 电磁波辐射源3 太阳辐射和大气对太阳辐射的作用4 地物波谱特征Electromagnetic Energy InteractionsEnergy recorded by remote sensing systems undergoes fundamental interactions that should be understood to properly interpret the remotely sensed data. For example, if the energy being remotely sensed comes from the Sun, the energy: is radiated by atomic particles at the source (the Sun), propagates through the vacuum of space at the speed of light, interacts with the Earths atmosphere, interacts with the Earths surface, interacts with the Earths atmosphere once again, and finally reaches the remote sensor where it interacts with various optical systems, filters, emulsions, or detectors.Fundamental Properties of Electromagnetic RadiationEnergy is the ability to do work. In the process of doing work, energy is often transferred from one body to another or from one place to another. The three basic ways in which energy can be transferred include, conduction, convection, and radiation. Most people are familiar with conduction which occurs when one body (molecule or atom) transfers its kinetic energy to another by colliding with it. This is how a pan gets heated on a stove. In convection, the kinetic energy of bodies is transferred from one place to another by physically moving the bodies. A good example is the convectional heating of air in the atmosphere in the early afternoon. The transfer of energy by electromagnetic radiation is of primary interest to remote sensing because it is the only form of energy transfer that can take place in a vacuum such as the region between the Sun and the Earth.1 电磁波和电磁波谱电磁波波： 是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 电磁波：电场矢量和磁场矢量在空间的传播。Electromagnetic Radiation1） 不需要传播介质 2） 横 波 3） 波动性 4） 粒子性 1.1.2 电磁波的特点和遥感意义电磁波的叠加原理 (干涉 )当两列波在同一空间传播时，空间尚各点的振动为各列波单独振动的合成。任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（ 白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 混合像元的分解 ）电磁波的衍射和偏振电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。(设计遥感器空间分辨率具有重要意义。 )电磁波遇到 “ 狭缝 ” 的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。偏振光，非偏振光，部分偏振最小分辨角 :d 物镜的有效孔径 电磁波的波长电磁波的波长动量： P能量： Eh : 普朗克常数， 6.626075510 34 J sc : 光速； v : 频率 能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和 X射线 Y射线。电磁波的粒子性电磁波波长、频率电磁波波长、频率波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失位相信息。全息摄影中，同时记录了振幅信息和位相信息。 1.1.3 遥感记录的电磁波信息1.2 电磁波谱按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列支撑的图表，成为电磁波谱。 1.2 电磁波谱（ 2）传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同。无线电波：电磁振荡红外线、可见光、紫外线、 X射线等由分子、原子、核子的运动状态的改变或能级跃迁。紫外线 （ 0.01 0.4微米），碳酸盐，油污可见光 （ 0.4 0.76微米），人眼、单色、全色红外线 （ 0.76 1000微米）共性：传播速度相同遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律电磁辐射的度量 辐射能量 Q 定义：以电磁波形式向外传送的能量单位：焦（ J） 辐射通量 (辐射功率 ) Radiant flux 定义： 单位时间 内，通过某一表面的辐射能量=dQ/dt单位：瓦（ W） 即 焦 /秒（ Js-1）电磁辐射的度量 辐射出射度 (辐射通量密度 ) Radiant exitance M定义： 面 辐射源在 单位时间 内，从 单位面积 上辐射 出 的辐射能量，即物体 单位面积 上 发出 的辐射通量M=d/dA单位：瓦 /米 2 （ W m-2 ）电磁辐射的度量 辐射照度（幅照度） Irradiance E定义： 面 辐射源在 单位时间 内，从 单位面积 上 接收 到的辐射能量，即 照射 到物体 单位面积 上辐射通量E=d/dA 单位： 瓦 /米 2 （ W m-2 ）电磁辐射的度量 辐射强度 Radiant intensity I定义： 点 辐射源在 单位立体角 、 单位时间内，向某一方向发出的辐射能量；即 点 辐射源在 单位立体角 发出的辐射通量I=d/d单位：瓦 /球面度（ Wsr-1 ）电磁辐射的度量 辐射亮度（幅亮度） Radiance L定义： 面 辐射源在 单位立体角 、 单位时间 内，在某一垂直于辐射方向单位面积（ 法向面积 ）上辐射出的辐射能量；即辐射源在 单位投影面积上 、 单位立体角内 的辐射通量。设 dA在 内的辐射通量为 ,则在单位立体角内的辐射通量为把面辐射源 A分成无数无限小面元， dA为其中之一，将 dA投影到垂直于 n的方向，得 ds , 显然,dS包含在立体角 内辐射亮度 (L)： 辐射源在单位投影面积上，单位立体角内的辐射通量从而， dA在单位投影面积上，单位立体角内的辐射通量为由上述定义知 ,电磁辐射的度量 以上各辐射量都是波长的函数。 右图表示单位波长间隔内的辐射通量，称为 光谱辐射通量 。()=d/d单位：瓦 /微米（ W m-1）2 电磁波辐射源2.1 黑体辐射2.2 黑体辐射定律2.3一般辐射体和发射率2.4 基尔霍夫定律黑体：对任何波长的辐射，反射率和投射率都等于 0。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。 人工制造的接近黑体的吸收体2.1 黑体辐射2.2 黑体辐射的定律2.2.1 普 朗克 公式2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律2.2.3 维恩位移定律描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。2.2.1 普朗克公式