02第二章遥感物理基础1

1、第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础第一节第一节 电磁波的基本特征电磁波的基本特征一、电磁辐射的基本特征一、电磁辐射的基本特征 （一）电磁波和电磁波的传播（一）电磁波和电磁波的传播 电磁波电磁波是在空间传播的交变电磁场。宇宙射线宇宙射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微波微波无线电波无线电波 电磁辐射电磁辐射是电磁波在介质中传播的物理现象，是电磁波在介质中传播的物理现象， 即电磁即电磁能量以波的形式发射的过程。能量以波的形式发射的过程。电磁波的传播电磁波的传播电磁波的传播是能量存在的一种形式。电场电场磁场磁场磁场强度场电强度传播方向 横波质点的振动方向和传播方向是相互垂直的。横波质点的振

2、动方向和传播方向是相互垂直的。横波在振动时波峰和波谷在向前传播，介质中的质点横波在振动时波峰和波谷在向前传播，介质中的质点只是在平衡位置附近做振动而不随波传播前进。只是在平衡位置附近做振动而不随波传播前进。振振动动方方向向传播方向传播方向电磁波是横波电磁波是横波电磁波通电磁波通过四个基过四个基本参量反本参量反映出所传映出所传递的信息递的信息偏振面偏振面反映物体的回波 强弱和物体特性传播方向传播方向反映物体的位 置、形状等。强度强度反映物体对电磁波响 应程度的物理性质波长波长反映物体的颜色， 辐射类型等。1电磁波的叠加电磁波的叠加当振动方向和振动频率均均 不相同不相同的多列电磁波在空中相迂时，相

3、迂点 的复合振动等于各列波在该点的矢量和。（二）电磁波的叠加和相干（二）电磁波的叠加和相干2电磁波的相干电磁波的相干当两列频率、振动方向、 相位都相同或相位差恒定都相同或相位差恒定的电磁波叠加时， 某些部位处于振动永远加强，而另一些部位 则处于振动永远减弱或完全抵消的现象。（三）电磁波的衍射（三）电磁波的衍射 电磁波在通过有限大小障碍物边缘时，使电磁波辐射量方向改变的现象。（四）电磁波的偏振（极化）（四）电磁波的偏振（极化） 如果使在各个方向振动相等的电场强度如果使在各个方向振动相等的电场强度总是固定在某个方向上振动，则称电磁波在总是固定在某个方向上振动，则称电磁波在该方向被极化。该方向被极化

4、。入射面电场方向入射面电场方向水平极化水平极化垂直极化垂直极化水平极化水平极化电场矢量与入射面相垂直电场矢量与入射面相垂直。垂直极化垂直极化电场矢量与入射面相平行。（五）电磁波的多普勒效应（五）电磁波的多普勒效应 由观察者和辐射源的相对运由观察者和辐射源的相对运动所引起的电磁辐射的频率改变。动所引起的电磁辐射的频率改变。奥地利物理学家奥地利物理学家多普勒（多普勒（1803-1853）两边频率相同两边频率相同运动中运动中静止中静止中频率变高频率变高频率变低频率变低 （六）电磁波的波粒两象性（六）电磁波的波粒两象性波动性波动性电磁波的时空周期性，可以用波长、波速、周期和频率来表征。表现为：电磁波的

5、干涉、衍射、偏振、散射等。表现为：电磁波的干涉、衍射、偏振、散射等。粒子性粒子性电磁波是由密集的粒子流组成的，电磁波实质上是光子微粒有规律的运动。表现为：光电效应等。二、电磁波谱二、电磁波谱电磁波谱电磁波谱将各种电磁波按其波长（或频率将各种电磁波按其波长（或频率) )的大小，依次排列成的图表。的大小，依次排列成的图表。 宇宙射线 工业电波X射线宇宙射线射线紫外线可见光红外线毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波工业电波无 线 电 波波 长短短长长 0.38 0.76 3.0 6.0 15.0微米 1 10 100 1000毫米 波长波长 紫紫外外可可见见光光 近红外近红外 中红外中红外 热红外热

6、红外 远红外远红外 毫米波毫米波 厘米波厘米波 分米波分米波 米波米波 红外波段红外波段 微波波段微波波段遥感技术应用的电磁波谱段遥感技术应用的电磁波谱段 0.38 0.43 0.47 0.50 0.56 0.59 0.62 0.76 微米可见光波段可见光波段第二节第二节 电磁辐射源电磁辐射源一、电磁辐射度量与单位辐射测量（红外光波段）光度测量（可见光波段）名称符号单位名称符号单位辐射能Qe焦耳光量Q流明秒辐射通量e瓦光通量流明辐射强度Ie瓦球面度光强度I坎德拉辐射散射度 Me瓦米-2光通量散射度M流明米-2辐射照度Ee瓦米-2照度E勒克斯辐射亮度Le瓦米-2球面度亮度L坎德拉米-2二、物体的

7、热辐射二、物体的热辐射（一）绝对黑体及辐射测定热辐射热辐射由物体内部粒子的热运动所引起的由物体内部粒子的热运动所引起的电磁辐射。电磁辐射。 温度高于绝对零度（温度高于绝对零度（0K=273.16oC）物体都热运动，并产生热辐射。物体都热运动，并产生热辐射。绝对黑体绝对黑体在任何温度下，对于任何波长的入射辐射的吸在任何温度下，对于任何波长的入射辐射的吸收系数（率）恒等于收系数（率）恒等于1 1的物体，简称黑体的物体，简称黑体。 黑体是一种具有最大辐射能力的物体。黑体是一种具有最大辐射能力的物体。吸收率吸收率 （ ， ）=1，反射率，反射率 = 0，透射率，透射率 c = 0发射率（发射率（）以黑

8、体为基准所表达辐射率，某以黑体为基准所表达辐射率，某物体的发射率是指该物体的辐射量与同温度下黑体物体的发射率是指该物体的辐射量与同温度下黑体辐射量之比，也称辐射量之比，也称比发射率比发射率。实验证明，在同一温度下，任何物体实验证明，在同一温度下，任何物体发射发射某一波长电某一波长电磁波的能力，磁波的能力，与它对该波长的电磁波的与它对该波长的电磁波的吸收能力吸收能力成成正正比比。 黑体吸收电磁波的能力最强，因而它发射电磁波的能黑体吸收电磁波的能力最强，因而它发射电磁波的能力也最强。力也最强。 射入空腔中的光线经过射入空腔中的光线经过n n次反射后，所剩下次反射后，所剩下的能量（的能量（5/100

9、5/100）n n，如如n=10n=10，则能量全部被，则能量全部被吸收，空腔视为黑体。吸收，空腔视为黑体。实验室内的理想黑体实验室内的理想黑体 普朗克热辐射定律普朗克热辐射定律 M（，T）= 2hc2-5exp（hc/kT）-1-1 c真空中光速， h普朗克常数（6.62610-34焦耳秒) k波耳兹曼常数（1.3806 10-23焦耳/开） M辐射出射度 维恩位移定律维恩位移定律对普朗克公式求导，得出对普朗克公式求导，得出:max T = b T = b /max b = 2.89810-3m k（常数常数）黑体辐射光谱中最强辐射的波长黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度与黑体

10、绝对温度T成反比。成反比。 斯蒂芬斯蒂芬波耳兹曼定律波耳兹曼定律在在 0波长内对普朗克公式积分得：波长内对普朗克公式积分得： M（，T）= T 4= 5.67 10-8瓦瓦/米米2开开 4（为斯蒂芬（为斯蒂芬波耳兹曼常数）波耳兹曼常数） M电磁波总辐射出射度电磁波总辐射出射度0.80.20.40.60210864 14 波长（m）12900K800K700K600K500K辐射密度M（w/cm2m）几种温度下的黑体波谱曲线几种温度下的黑体波谱曲线每条曲线彼此互不相交，辐射通量密度M随温度T的增加而迅速增大； M（，T）= T 4辐射通量密度的峰值波长max随温度T的增加向短波方向移动。 max

11、 = b/ T 物体按其发射特性一般分为三种类型物体按其发射特性一般分为三种类型 黑体，发射辐射最大（黑体，发射辐射最大（=1），发射率与波长无关。），发射率与波长无关。 灰体，发射率与波长无关，发射辐射比黑体小。灰体，发射率与波长无关，发射辐射比黑体小。 选择性辐射体，发射率随波长而改变，一般小于黑体的发射率选择性辐射体，发射率随波长而改变，一般小于黑体的发射率黑体 =1灰体 =选择性辐射体波长分光发射率物体发射的三种类型物体发射的三种类型选择性辐射体黑体=1灰体1波长发射辐射通量密度E（二）物体的热惯量（二）物体的热惯量热惯量（热惯量（P）是物体对环境温度变化的反映灵敏性的一是物体对环境温

12、度变化的反映灵敏性的一种量度，是描述物体热特性的一个宏观物理量。种量度，是描述物体热特性的一个宏观物理量。P = （k c ）1/2 单位为焦耳单位为焦耳/厘米厘米2 秒秒1/2 度；度； k 为热扩散系数，单位为厘米为热扩散系数，单位为厘米2/秒，表示物体内温度变化的速率；秒，表示物体内温度变化的速率；为密度，单位为克为密度，单位为克/厘米厘米3； c 为比热，单位为焦耳为比热，单位为焦耳/克克度。度。热惯量热惯量越大越大，对环境温度变化的热反应，对环境温度变化的热反应越迟钝越迟钝。热惯量热惯量越小越小，对环境温度变化的热反应，对环境温度变化的热反应越灵敏越灵敏。三、太阳辐射和地球辐射三、太

13、阳辐射和地球辐射（一）太阳辐射（一）太阳辐射太阳是太阳系中最大的电磁辐射源。最大辐射值在可见太阳是太阳系中最大的电磁辐射源。最大辐射值在可见光波段，其波长峰值在光波段，其波长峰值在0.47m 。太阳常数太阳常数太阳辐射在大气上界处的垂直入射通量密度。太阳辐射在大气上界处的垂直入射通量密度。平均太阳常数平均太阳常数1400W/m2通过大气到达地面的大气有效辐射通量密度通过大气到达地面的大气有效辐射通量密度913W/m2 108106104102100.11.0100 波长m辐射度（Wm-2 m-1）可见光热红外太阳5900K地球290K0.47 9.72.52.01.01.50.50.50.21

14、.02.01.52.53.0大气上界太阳辐照度分布曲线海平面太阳辐照度分布曲线辐射度（KWm-2m-1）波长m大气上界面和海平面太阳平均辐照度分布曲线绝大部分太阳辐射能分布范围 （二）地球辐射（二）地球辐射 地球辐射的能量来源 太阳短波辐射和太阳短波辐射和地球内部热能 与地球热辐射直接相关联的是 地表的热平衡热平衡太阳短波辐射地球内部热能受地球内部热能影响的地温受太阳辐射影响的地温地热平衡线 地球表面地球表面温度分布图温度分布图第三节第三节 大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响一、大气散射一、大气散射二、大气吸收二、大气吸收三、大气反射三、大气反射四、大气窗口四、大气窗口吸收吸收大大气气层

15、层一、大气散射一、大气散射 散射比值因子：散射比值因子： q q =2/=2/ 大气中微粒的半径大气中微粒的半径 电磁波的波长电磁波的波长 （一）瑞利（一）瑞利（RayleighRayleigh）散射）散射 当当q 1 ， 3 ， 时的大气分子散射时的大气分子散射 散射强度与波长无关，水滴的散射使云、雾成散射强度与波长无关，水滴的散射使云、雾成白色。白色。从空中向下看从空中向下看云是白色的云是白色的从地面向上看从地面向上看云是白色的云是白色的日升时太阳光线斜射入大气日落时太阳光线斜射入大气 二、大气吸收二、大气吸收 大气中吸对电磁辐射影响比大气散射更大。大气中吸对电磁辐射影响比大气散射更大。

16、收太阳辐射的主要成分有：收太阳辐射的主要成分有： 水汽（水汽（H2O）、臭氧（）、臭氧（O3）、二氧化碳（）、二氧化碳（CO2）。）。 CO2三、大气反射三、大气反射 大气反射主要是云层的反射大气反射主要是云层的反射 云层厚度达50m时 反射量达50% 云层厚度达500m时 反射量达80% 大气中直径大于大气中直径大于1010-6-6米的微粒米的微粒 也可产生反射作用也可产生反射作用四、大气窗口四、大气窗口 电磁辐射与大气相互作用产生的电磁辐射与大气相互作用产生的效应，使得能够穿透大气的电磁效应，使得能够穿透大气的电磁辐射，局限在某些波长范围内，辐射，局限在某些波长范围内，通常将这些透射率高的

17、电磁辐射通常将这些透射率高的电磁辐射波段称为波段称为大气窗口。大气窗口。在工作中要注意：1.所用传感器的光灵敏性；2.所要探测波段是否在“窗口”内； 3.这些波段内可能有能源、强度、光谱成分。电磁波性 质大气窗口常用波段应用条件成像方式成像遥感仪 器图像或像片类型0.3 1.3m紫外波段0.3 0.315m0.315- 0.4m可见光波段0 4 0.7m近红外波段0.7-0.9m0.9-1.3m必须在强光下摄影和成 像,即只能在白作业摄影 和扫描紫外分光光度成像仪照相机反束光导管摄象机多光谱扫描仪激光雷达紫外图像全色图像红外图像多波段扫描仪反 射1.5 - 1.7m2.0 - 2.5m 近红外2.0 2.5m强光下