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文章关键词:manbetx体育版,朗伯模型

  第二章 遥感的物理基础 遥感图像是电磁辐射与地表相互作用的一种记录。为了更好地理解与认识这些图像,我们必须首先了解电磁辐射原理以及它通过大气层再被地表反射辐射的过程,这是遥感的物理基础。 第二章 遥感的物理基础 电磁波和电磁波谱 电磁波辐射规律 太阳辐射 地球辐射 第一节 电磁波与电磁波谱 波的概念:波是振动在空间的传播。 电磁波 :根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场能够在它的周围引起变化的磁场,这个变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场,并在更远的区域内引起新的变化磁场.这种变化的电场和磁场交替产生,以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波. 电磁辐射: 电磁能量的传递过程(包括辐射、吸收、反射和透射)称为电磁辐射。 1.2 电磁波的特性 电磁波是横波 在真空中以光速传播 电磁波具有波粒二象性:电磁波在传播过程中,主要表现为波动性;在与物质相互作用时,主要表现为粒子性,这就是电磁波的波粒二象性。 波动性:电磁波是以波动的形式在空间传播的,因此具有波动性 粒子性:它是由密集的光子微粒组成的,电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性,使得电磁辐射的能量具有统计性 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。 电磁波的波动性 波长 频率 波长 wavelenth 波长指波在一个振动周期内传播的距离.即沿波的传播方向,两个相邻的同相位点(如波峰或波谷)间的距离,波长常用人们熟悉的长度单位来度量,只是往往将之划分得很小, 如米(m)、厘米(cm)、毫米(mm)、微米 (μm)、纳米(nm)等。 频率(Frenquency) 频率指单位时间内、完成振动或振荡的次数或周期。即在给定时间内,通过一个固 定点的波峰数,它常以赫兹(Hz)为单位, 在真空少电磁波以光速传播,是它们的波长(λ)与频率(ν)满足如下关系: C= λ ν 电磁波的衍射 波在传播过程中通到障碍物时,在障碍物的边缘一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的“阴影区”的现象称为衍射现象。它是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化,导致波在空间上振幅或强度重新分布的现象,也是波的重要特性之一。如,声波可传到拐角后而;光通过小孔,在孔后的屏上出现的不是一个亮点,而是一个亮斑。其亮班周围有逐渐减弱的明暗相间的圆环。 电磁波的偏振 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。 非偏振光,偏振光,部分偏振 电磁波的叠加原理 一列波在空间传播时,将引起空间各点的振动,两列(或多列)波在同一空间传播时,每列波对各点的振动都有贡献,因此空间各点的振动就是各列波单独在该点产生的振动的矢量和。 多普勒效应 在日常生活中,我们都会有这种经验:当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时,他会发现火车汽笛的声调由高变低. 为什么会发生这种现象呢?这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的,如果频率高,声调听起来就高;反之声调听起来就低.这种现象称为多普勒效应,它是用发现者克里斯蒂安·多普勒的名字命名的,多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应。 物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高 (蓝移 (blue shift))。在运动的波源后面,产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低 (红移 (red shift))。波源的速度越高,所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。 电磁波的多普勒效应 电磁波的粒子性 电磁波的粒子性是指电磁辐射除了它的连续波动状态外还能以离散形式存在。其离散单元称为光子(photo)或量子(quanta)。大量实验证明,光照射在金屑上能激发出电子,称为光电子。且光电子的能量与光的强度、光照的时间的长短无关,而仅与入射光的频率有关。即光强仅增加光电子的数量,而光电子的动能只与入射光的频率有关。 辐射能量与它的波长成反比。即电磁辐射波长越长,其辐射能量越低。 这对遥感是有重要意义的.如地表待征的微波发射要比波长相对短的热红外辐射更难感应。因此对于长波的低能辐射,遥感系统必须采取相应的对策,以尽量获得可探测的能量信 1.3 电磁波谱 电磁波谱:将各种电磁波在真空中的波长按其长短,依次排列制成的图表。 在电磁波谱中,波长最长的是无线电波,其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是γ射线 电磁波的波长不同,是因为产生它的波源不同。 电磁波谱 不同的电磁波由不同的波源产生.如果按照电磁波在真空中传播的波长递增(或频率递减)的顺序排列,就能得到电磁波谱图. ☆ 绝对黑体: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。 光谱吸收系数(吸收率): α(λ,T) 光谱反射系数(反射率): ρ(λ,T) 绝对黑体: α(λ,T)= 1 ; ρ(λ,T)= 0 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(如人体300K左右,发射电磁波的峰值波长9.66μm ) 上式表明,黑体最大辐射强度所对应的波长与黑体的绝对温度成反比。 如当对一块铁加热时,我们可以观察到随着铁块的逐渐变热铁块的颜色也从暗红-橙一黄一白色,向短波变化的现象。 实际物体的辐射 物体的发射率是温度和波长的函数。物体的发射率与身的性质、物理状况(如粗糙度、颜色等)有关;物体的表面温度受自身的比热、热惯量、热导率、热扩散率等影响较大。 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,也不发射该波长的电磁波。 黑体的ελ = ε=1;灰体的ελ =ε=常数1;选择性辐射体的ελ 1,且随波长而变。 第三节 太阳辐射 太阳是一个电磁辐射源,是遥感的主要能源。作为一个炽热气体球的太阳,其中心 温度15x106K,表而温度约6000K。太阳辐射的总功率为3.826x1026w,太阳表面的辐射出射度为6.284x107w/m2。太阳的辐射波谱从x射线一有延伸到无线电波,是个综合波谱。 太阳常数:就是指在日地平均距离处垂直于太阳光线的平面上,在单位时间内单位面积上所接收到的太阳辐射能。 1.366×1000瓦每平方米. 太阳辐照度分布曲线 太阳光谱辐照度指投射到单位面积上的太阳辐射通量密度,该值随波长不同而异。 上图显示了太阳辐射能量的分布情况,比较大气上界和海平面上的太阳辐照度,可见由于地球大气的吸收,在红外波段形成若干个吸收带。 2.3.1大气对太阳辐射的影响 到达地球大气外边界的太阳辐射,约30%被云层和其他大气成分反射返回太空: 约有17%的太阳能入射辐射被地球大气吸收;还有22%披散射并成为漫射辐射到达地球表面。 因此,在进入地球外边界的太阳辐射中仅有31%作为直射太阳辐射到达地球表面。 大气对辐射的影响 地球大气 组成:不变成分(氮.氧.氩.二氧化碳.氦.) 可变成分(甲烷.氢.水蒸汽.液态和固态水.盐粒.尘烟) 垂直分布: 1.对流层(troposphere) 厚度:0—12km(低纬17—18km,高纬8—9km;夏季高于冬季) 对流层的主要特点: 集中了80%以上的大气质量和几乎全部的水汽 温度随高度的升高而降低,平均每100m降低0.65℃ 具有强烈的对流(convection)与乱流(turbulence)运动 气象要素(meteorological element)的水平分布很不均匀 2.平流层(stratosphere) 厚度从对流层顶向上,一直到55km左右为平流层。这一层集中了大气中的大部分臭氧,空气密度很小。 气温随高度而升高;平流层顶气温可达-3 —-17℃ 空气以水平运动为主,气流运行平稳,没有强烈的对流 水汽和尘埃很少,很少有云,透明度好 3·中间层的范围约50一80km。它们介于上下两个暖层之间.又称“冷层”。其温度随高度的增加而递减,平均每上升1km温度下降3 ℃ 。大约在80km处降到最低点约—95℃,也是整个大气最低点。 4.热层(thermosphere) 从中间层顶向上,到大约800km左右为热层(又称热成层、暖层)。其主要特点有: 气温随高度而升高;300km处气温可达1000℃,顶部可高达2000℃ 空气在强烈的太阳紫外线与宇宙射线作用下处于高度电离状态,故又称为电离层(ionosphere) 5.散逸层 ( exosphere) 热成层以上为外层(又称散逸层),是大气圈与星际空间的过渡带。其主要特点有: 空气非常稀薄 空气质点的运动速度很快,受到的地球引力很小,可逃逸到星际空间 大气的影响 太阳辐射经大气传输后,其强度和光谱分布均会发生变化。大气净效应取决于路径长度、电磁辐射能量信号的强弱、大气条件以及波长等,它对遥感图像和数据质量均有重要的影响。因此,遥感应用研究必须了解电磁波与大气的相互作用。电磁波与大气的相互作用,主要有两种基本的物理过程——散射、吸收.其他作用如折射等,可忽略不计。 大气对太阳辐射的吸收作用 太阳辐射穿过大气层时,大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用。吸收作用使辐射的能量转变为分子的内能,从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减,甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。 大气对太阳辐射的吸收作用 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。 臭氧:数量极少,但吸收很强。两个吸收带;对航空遥感影响不大。 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,水对红外遥感有极大的影响。 二氧化碳:量少;吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。manbetx体育版 大气对太阳辐射的散射作用 辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变,并向各个方向散开,称为散射。散射使原传播方向的辐射强度减弱,而增加其他各方向的辐射。由于太阳辐射需二次通过大气至传感器,且二次影响增加了信号中的噪声成分,造成遥感图像的质量下降。 大气散射分类 散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象。因此,这种现象只有当大气中的分子或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生。大气散射有三种情况: 瑞利散射、米氏散射、无选择散射 瑞利散射 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。紫外线微米红外线万倍。 瑞利散射对可见光的影响较大,对红外辐射的影响很小,对微波的影响可以不计。 ??? 多波段中不使用蓝紫光的原因 交通灯红光作指示灯 车用后雾灯是指在雾、雪、雨或尘埃弥漫等能见度较低的环境中,为使车辆后方其他道路交通参与者易于发现而安装在车辆尾部,发光强度比尾灯更大的红色信号灯 米氏散射 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接近,所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。 无选择性散射 无选择性散射:当微粒的直径比辐射波长大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。 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? 云是白色的? “蓝天”正是瑞利散射的一种表现。当日光与大气相互作用时,其可见光的蓝光散射要比可见光其他波段的散射强得多,manbetx体育版出而天空呈现天蓝色。 然而当日山、日落时,太阳接近地干线,太阳高度角低,太阳光线穿过大气层路径变长,蓝光被充分散射、因而天空呈现橙红色。 大气反射作用 电磁波在传播过程中,如果通过两种介质的交界面,会出现反射现象。主要是大气中的云层,大的尘埃。 云量越多、云层越厚, 反射越强。反射主要发生在云层顶部,取决于云量,而且各波段受到不同程度的影响,因此应尽量选择无云的天气接收遥感信号。 大气的影响结果 30%被云层反射回;17%被大气吸收;22%被大气散射;31%到达地面。 2.3.2 大气窗口 因为折射并不改变辐射强度,所以太阳辐射经过大气传输后,主要是反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度,剩余部分即为透过的部分。对遥感传感器而言,只能选择透过率高的波段,才对观测有意义。 通常把电磁波通过大气层时较少被反射,吸收或散射的,透过率较高的波段称为大气窗口。 大气窗口的光谱段主要有: 遥感中的常用大气窗口如下: ??????? (1) 0.3-1.5μm,可见光、部分紫外和近红外; ??????? (2) 1.3-2.5μm,部分近红外; ??????? (3) 3.5-5.5μm,中红外; ??????? (4) 8-14μm,远红外; ??????? (5) 8mm,微波。 第四节 地球的辐射 太阳电磁辐射能与地表的相互作用,主要有三种基本的物理过程——反射、吸收、透射,遵守能量守恒定律。 地球本身还有自己的电磁波辐射 地球的辐射 主动遥感 遥感 太阳辐射的反射 被动遥感 地球: 辐射集中在长波 地球辐射可分为短波辐射(o.3—2.5微米)及长波辐射(6微米以上)。团1.7显示 地球的短波辐射以地球表面对太阳的反射为主,地球自身的热辐射可忽略不计。 地球的长波辐射只考虑地表物体自身的热辐射,在这区域内太阳辐照的影响极小。 介于两者之间的中红外波段(2.5—6微米)太阳辐射和热辐射的影响均有,不能忽略。对于地球的短波辐射的反射辐射而言,其辐射亮度与太阳辐照度及地物反射率有关。 地球自身的辐射 地球的长波辐射只考虑地表物体自身的热辐射,在这区域内太阳辐照的影响极小 地物的发射率随波长变化的规律,称为地物的发射光谱。地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据。 地球的电磁波反射 镜面反射 漫反射 方向反射 镜面反射:当入射能量全部或几乎全部按相反方向反射,且反射角等于入射角 假若表面相对于入射波长是光滑的(λ》界面粗糙度),则出现镜面反射。对可见光而言,在镜面、光滑金属表面、平静水体表面均可发生镜面反射;而对微波面言,由于波长较长,故马路面也符合镜面反射规律。 漫反射 当入射能量在所有方向均匀反射,即入射能量以入射点为中心,在整个半球空间内 向四周各向同性的反射能量的现象,称为漫反射,又称朗伯(Lambert)反射,也称各向同性反射。漫反射相位和振幅的变化无规律,且无极化。 一个完全的漫射体称为朗伯体,其电磁波的反射服从于朗伯余弦定律。从任何角度 观察朗伯表面,其反射辐射能量都相同。若表面相对于入射波长是粗粮的,即当入射波长比地表高度小或比地表组成物质粒度小时,则表面发生漫反射。对可见光而言,土石路面、均一的草地表面均属漫射体。 方向反射: 朗伯体表面实际上是一个理想化的表面。它被假定为介质是均匀的、各向同性的,并在遥感中多用以作为近似的自然表面。但事实上,自然界大多数地表既不完全是粗粮的朗伯表面,也不完全是光滑的“镜面“,面是介于两者之间的非朗伯表面。其反射并非各向同性,而具有明显的方向性,即方向反射。 镜面反射可以认为是方向反射的一个特例。 地物的反射率(反射率): 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: 入射电磁波的波长 入射角的大小 地表颜色与粗糙度 地物的反射光谱:地物的反射率随入射波长变化的规律。 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。 不同地物在不同波段反射率存在差异:雪、 沙漠、湿地、小麦的光谱曲线 不同植物光谱曲线比较 植被的病虫害 时间特征 地面透射 当电磁波入射到两种介质的分界面时,部分入射能穿越两介质的分界面的现象,称为透射。 透射的能量穿越介质时,往往部分被介质吸收并转换成热能再发射。 植被叶片对太阳辐射不仅吸收还有透射 练习题: 1、大气对通过其中传播的电磁波的散射有哪几类?他们各有什么特点。 2、 什么是大气窗口?常用于遥感的大气窗口有哪些? 3 综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回到遥感传感器这一整个过程中所发生的物理现象。 朗伯余弦定律:漫反射的反射辐射亮度(单位面积单位立体角内的辐射通量)和观察方向与表面法线夹角的余弦成正比。 航天遥感中,地球表面相对于遥感器的高度,近似视为朗伯面。 Absorption of EM energy by the atmosphere Scattering of EM energy by the atmosphere 散射作用:太阳辐射在传播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。 30.0 5.4 4.9 3.3 2.2 1.6 1 散射率 0.3 0.4 0.47 0.53 0.57 0.62 0.7 波长 紫外线 紫 青兰 绿 黄 橙黄 红 颜色 波段名称 波长 地球辐射的分 段特性特性 可见光和近红外 0.3-2.5微米 地表反射太阳 辐射为主 中红外 2.5-6微米 地表反射太阳辐射 和自身的热辐射 远红外 大于6微米 地表物体自身热 辐射为主 1.3 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。 传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同。 紫外线微米),碳酸盐,油污 可见光 (0.4-0.76微米),人眼、单色、全色 红外线个优点。 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 第二节 电磁波辐射规律 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,自然界没有线 黑体辐射 对于任何温度,任何波长吸收 比始终等于一的物体 B T a l ( , ) = 1 显然,绝对黑体的单色吸收比等于一,即: 绝对黑体 绝对黑体 模型 模型 绝对黑体 人工制造的接近黑体的吸收体 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 h: 普朗克常数6.6260755*10-34 W·s2 k: 玻尔兹曼常数,k=1.380658*10-23 W·s·K-1 c: 光速; λ: 波长(μm); T: 绝对温度(K) 变化特点: (1) 辐射通量密度随波长连续变化,manbetx体育版只有一个最大值; (2) 温度越高,辐射通量密度越大,不同温度的曲线) 随温度升高,辐射最大值向短波方向移动。 图示普朗克公式 2.2.2 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。 σ: 斯蒂芬-玻尔兹曼常数,5.6697+-0.00297)×10-12 Wcm-2K-4 任一物体辐射能量的大小是物体表面温度的函数。斯—玻定律表达了物体的这一性质。红外装置测试温度的理论根据。 M B λ (T) 最大值所对应的波长为 λ m 维恩位移定律: 维恩位移定律指出,当绝对黑体的温度升高 时,单色辐出度最大值向短波方向移动。 m b K = - 3 10 . 2.897 T λ m b = λ m M B λ (T) λ 2.2.3 维恩(Wien)位移定律 针对要探测的目标,选择最佳的遥感波段和传感器。 温度越高,所有波长上的波谱辐射通量越大 下图为绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线 M B λ (T) 0 1 2 3 4 5 6 λ (μm) 1700K 1500K 1300K 1100K 2.3 一般辐射体和发射率 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。 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。 * * 遥感器接受的电磁辐射 电磁波 电磁波的性质 电磁波谱 机械波:声波、水波和地震波等,振动的是弹性媒质中质点的位移矢量 电磁波(ElectroMagnetic Spectrum ) 由振源发出的电场矢量和磁场矢量在空间的传播。 1.1 电磁波 电磁波的波动性 电磁波在传播中遵循波的干射、衍射、散射等规律 电磁波的小孔衍射亮斑的大小(衍射角)与小孔的直径d成反比 (设计遥感器地空间分辨率具有重要意义。) 最小分辨角: d 物镜的有效孔径 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 ) 电磁波因辐射源(或者观察者)相对于传播介质的运动,而使观察者接受到的频率发生变化,这种现象称为多普勒效应。 类似声波的多普勒效应。 (合成孔径雷达的工作原理) 动量:P 能量:E h : 普朗克常数,6.6260755×10-34 J s c : 光速; v : 频率 λ :波长 能量和动量是粒子属性 电磁波的粒子性 * *

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