遥感电磁辐射基础2PPT学习教案

1、会计学1黑体：对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于黑体：对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于0。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。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人工制造的接近黑体的吸收体第1页/共49页2.2.1 普朗克公式普朗克公式2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律2.2.3 维恩位移定律维恩位移定律第2页/共49页描述描述黑体辐射通量密度黑体辐射通量密度与与温度温度、波长波长分布的关系。分布的关系。) 1(2),(5kThc2bechTMh: 普朗克常数普朗克常数6.6260755*10-34 Ws2k: 玻尔兹曼常

2、数，玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK K-1-1 c: 光速光速; : 波长（波长（m）; T: 绝对温度（绝对温度（K） 第3页/共49页变化特点：变化特点：(1) 辐射通量密度辐射通量密度随波长连续变化，随波长连续变化，只有一个最大值；只有一个最大值；(2) 温度越高，辐温度越高，辐射通量密度越大，射通量密度越大，不同温度的曲线不同温度的曲线不相交；不相交；(3) 随温度升高，随温度升高，辐射最大值向短辐射最大值向短波方向移动。波方向移动。第4页/共49页对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。定律。辐射通量密

3、度随温度增加而迅速增加，与温度的辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方次方成正比。成正比。含义？含义？TbW4: 斯蒂芬玻尔兹曼常数，斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4 红外装置测试温度的理论根据。红外装置测试温度的理论根据。第5页/共49页bT maxb : 常数，常数，2897.80.4 m K高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。常温（如地表常温（如地表300K左右，发射电磁波的峰值波长左右，发射电磁波的峰值波长9.66m ）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。针

4、对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。第6页/共49页对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。辐射率），表明物体的发射本领。),(),(),(TMTMTb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。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。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：按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：1）黑体）黑体2）灰体）灰体3）选择性辐射体）选择性辐射体

5、 第7页/共49页第8页/共49页在给定温度下，任何地物的辐射通量密度在给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与与吸吸收率收率之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。通量密度。),(),(),(TMTMTb发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。该波长的电磁波。第9页/共49页热红外遥感热红外遥感第10页/共49页第11页/共49页热红外遥感概况热红外遥感概况第12页/共49页kinradTT4/1热遥感器所记录的辐射温

6、度小于它的真实温度，热遥感器所记录的辐射温度小于它的真实温度，因为发射率小于因为发射率小于1第13页/共49页第14页/共49页 为什么要测量地表温度？为什么要测量地表温度？ 地表温度是地地表温度是地-气系统研究能量平衡的一个关气系统研究能量平衡的一个关键因子。除了太阳辐照度之外，地键因子。除了太阳辐照度之外，地-气界面所有气界面所有的通量都可参数化为温度的一个函数的通量都可参数化为温度的一个函数是全球的水循环，地表、大气能量循环的重要是全球的水循环，地表、大气能量循环的重要因素因素作为作为GCM模型模型（全球环流模型）（全球环流模型）的初始化数的初始化数据。据。可可直接验证直接验证GCM输出

7、的地表温度输出的地表温度 是植物生长的重要因素是植物生长的重要因素第15页/共49页如何获得地表温度？如何获得地表温度？ 利用温度计或其它点接触探测头测定利用温度计或其它点接触探测头测定受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据受其它外界环境的影响很难获得精确的表面温度受其它外界环境的影响很难获得精确的表面温度 利用热红外辐射仪来测定利用热红外辐射仪来测定 在局部尺度上：在局部尺度上： 地面测量地面测量 在大、中尺度上：在大、中尺度上： 卫星（卫星（遥感反演遥感反演）空间测量）空间测量 测量的量是波谱辐射能测量的量是波谱辐射能 Ts， , 大气和周围环

8、大气和周围环境境第16页/共49页（介电常数、含水量、温度等）（介电常数、含水量、温度等）有关，是波长和观测角度的函有关，是波长和观测角度的函数数),(),(),(TMTMTb第17页/共49页如何获得表面比辐射率？如何获得表面比辐射率？ 根据室内、外测量根据室内、外测量波谱辐射仪波谱辐射仪辐射仪结合辐射仪结合CO2激光仪（主动与被动结合）激光仪（主动与被动结合）黑箱子黑箱子需要假定表面温度和比辐射率在测量过程中不变需要假定表面温度和比辐射率在测量过程中不变 从卫星上测定从卫星上测定 根据可见光和近红外光谱信息的统计关系根据可见光和近红外光谱信息的统计关系 根据热红外光谱仪里最小根据热红外光谱

9、仪里最小 和在最大相对比辐射和在最大相对比辐射率之差（率之差（MMD）的统计关系）的统计关系利用多时相数据假定：利用多时相数据假定： day = night 或或 day1 = day2 第18页/共49页第19页/共49页第20页/共49页热容热容Heat Capacity (C): 温度每升高温度每升高1度，对应热能度，对应热能(Q)增加量的度量。表示增加量的度量。表示了一种材料存储热的能力了一种材料存储热的能力, 单位为单位为cal -1 。(与物与物体大小有关体大小有关)比热比热specific heat (c) : 一定条件下一定条件下单位质量单位质量的物质升高的物质升高1 所需的热

10、量，所需的热量，单位为单位为Jg-1 -1第21页/共49页热传导率热传导率Thermal Conductivity (K): 热量通过物体的速率的度量。热量通过物体的速率的度量。单位时间单位时间内通过内通过单单位面积位面积的热量与垂直于表面方向上的温度梯度绝的热量与垂直于表面方向上的温度梯度绝对值之比。单位为对值之比。单位为Wm-1K-1 。热惯量热惯量Thermal Inertia (P): 物质对温度变化的热反应的一种量度（一种材料对温物质对温度变化的热反应的一种量度（一种材料对温度变化的阻抗，保持原有温度的能力），决定于热传度变化的阻抗，保持原有温度的能力），决定于热传导率导率(K)，

11、热容量，热容量(C)和密度和密度(r r)。P = (Kc )1/2 单位：单位：Jm-2s-1/2 -1P是对是对热传过两种材料边界处的速率的度量热传过两种材料边界处的速率的度量，比如空气，比如空气/土壤。土壤。大的大的P对应一个加热对应一个加热/制冷周期的小的温度变化。制冷周期的小的温度变化。第22页/共49页热扩散率热扩散率Thermal diffusivity (d): 表征物质表征物质内部内部温度变化的速率，其值决定于单位温度变化的速率，其值决定于单位时间内沿法线方向通过单位面积的热量与物质的时间内沿法线方向通过单位面积的热量与物质的比热、密度、法向上温度梯度三者的乘积之比。比热、密

12、度、法向上温度梯度三者的乘积之比。d= K/(c r)r) 单位为单位为m2s-1 第23页/共49页几种地物的热学度量几种地物的热学度量水水沙土沙土玄武玄武岩岩不锈钢不锈钢K0.00140.00140.00500.030c1.00.240.200.12d1.01.822.807.83P0.0380.0240.0530.168以上物质中，哪种物质在一天以上物质中，哪种物质在一天24小时的周期中，小时的周期中，温度波动最大？温度波动最大？K热传导率热传导率c比热比热d密度密度P热惯量（不锈钢最大）热惯量（不锈钢最大）第24页/共49页基本等于从外界吸收的能量，基本等于从外界吸收的能量，此时处于热

13、平衡状态。此时处于热平衡状态。1)()()(ra一般为一般为0第25页/共49页假设地表和大气对热辐射具有朗伯体性质，大气下行辐射假设地表和大气对热辐射具有朗伯体性质，大气下行辐射强度在半球空间内为常数，则强度在半球空间内为常数，则 热辐射传输方程热辐射传输方程L = 00B (Ts)+(1 ) 00L0 L0 L 为传感器所接收的波长为为传感器所接收的波长为的热红外辐射亮度的热红外辐射亮度Ts地表温度，地表温度，B (Ts)为地表温度为地表温度Ts时的普朗克黑体时的普朗克黑体辐射度辐射度L0 大气下行辐射大气下行辐射L0 大气上行辐射大气上行辐射 为波长为为波长为的地表辐射率的地表辐射率 大

14、气透过率大气透过率第26页/共49页第27页/共49页被测目标被测目标大气传输大气传输光学系统光学系统探测器探测器信号读出信号读出制冷装置制冷装置信号处理信号处理显示显示热红外系统组成热红外系统组成 第28页/共49页Morro Bay as Recorded In Different TM bandsTM 1TM 2第29页/共49页 TM 3TM 4 TM 5TM 6warmer slopes 第30页/共49页TM1TM7TM6Waterpocket Fold white sandstone 第31页/共49页热红外图像随时间变化明显热红外图像随时间变化明显白天的图像类似于常规的航空相片

15、（光照、阴影）；黎明前温白天的图像类似于常规的航空相片（光照、阴影）；黎明前温差明显减小（无阴影），可以看到局部热岛效应，以及由沥青差明显减小（无阴影），可以看到局部热岛效应，以及由沥青铺设的路面。铺设的路面。白天白天黎明前黎明前第32页/共49页在一天的周期中在一天的周期中 (diurnal cycle), 地表地表50100cm被交替地加被交替地加热、制冷。日平均地表温度通常与平均气温相近。热、制冷。日平均地表温度通常与平均气温相近。5种表面种表面24小时的辐射温度变化小时的辐射温度变化思考：依思考：依据右图预据右图预测沙漠表测沙漠表面及非流面及非流动水体在动水体在凌晨凌晨4点和点和下午下

16、午2点的点的相对灰度相对灰度变化变化第33页/共49页第34页/共49页第35页/共49页热红外遥感应用热红外遥感应用第36页/共49页林火初期，几处林火初期，几处可见在和俄罗斯可见在和俄罗斯接壤处，但我国接壤处，但我国境内没有境内没有第37页/共49页1987年年5月月7日日. 我国有三我国有三处火源，其处火源，其中一处没有中一处没有扩散扩散 第38页/共49页1987年年5月月8日早晨日早晨，我国境内的森林大，我国境内的森林大火迅速扩散火迅速扩散第39页/共49页林火的最后状林火的最后状态林火表面和态林火表面和破坏面积清晰破坏面积清晰可见可见.第40页/共49页地表温度正常分布地表温度正常分布地震前出现热红外异常地震前出现热红外异常地震前热红外异常扩展地震前热红外异常扩展地震后热红外异常消失地震后热红外异常消失地震前西北向热红外异常增强地震前西北向热红外异常增强张北张北6.2级地级地震前热红外异震前热红外异常及其动态变常及其动态变化过程化过程震前热异常卫星遥感监测震前热异常卫星遥感监测第41页/共49页小鹿的不同小鹿的不同部位，温度部