环境遥感第二章

《环境遥感》课件杨泽元（博士，副教授）环工学院环境科学系教学内容：本章主要介绍遥感物理基础的电磁学部分，包括电磁波谱、电磁辐射和黑体的概念，太阳辐射和地球辐射的特征，大气对电磁辐射的影响，地物电磁辐射特性。教学目的：通过本章的学习，要求掌握电磁波谱、电磁辐射和黑体的概念，太阳辐射和地球辐射的特征；了解大气对电磁辐射的影响，地物电磁辐射特性。教学重点：电磁辐射的度量、黑体辐射的两大定律和实际物体辐射规律。第二章遥感物理基础本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响第一节电磁波与电磁波谱电磁波及其特性电磁波谱电磁辐射源一、电磁波及其特性1.波的概念：波是振动在空间的传播。波动是各质点在平衡位置振动而能量向前传播的现象。声波水波弹簧纵波绳波光波无线电波无处不在的波地震波横波纵波一、电磁波及其特性2.2.机械波声波水波弹簧纵波绳波地震波一、电磁波及其特性3.电磁波（ElectromagneticSpectrum)由电磁振源发出的电磁振荡在空间中的传播。光波无线电波4.电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。原理：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传播，形成电磁波。5.电磁辐射:这种电磁能量的传递过程（包括发射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。6.电磁波的特性1)电磁波是横波2)在真空中以光速传播，c=3.0×108m/s3)满足：fλ=cE=hfP=h/λ式中f：频率，λ：波长；E：光子能量，h:普朗克常数，=6.626×10-34J/s;P:光子动量。4）电磁波具有波粒二相性波动性（时空周期性）：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性，可以用λ、c、T和f来表征，表现为电磁波有干涉、衍射、偏振、散射等现象。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。主要表现为电磁辐射的光电效应、康普顿效应等。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性。与过程有关，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；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。二、电磁波谱1889年，赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波。1.电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长/频率按其长短/高低，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。ExamplesfromSpace!WavelengthThedistancefromonewavecresttothenextRadiowaveshavelongestwavelengthandGammarayshaveshortest!WavelengthUnitsMeters(likeonlastslideandinbook,p.613)Morecommonlyinnanometers1nm=10-3μm=10-7cm=10-9m1μm=10-3mm=10-4cm=10-6mAngstromsstillusedNamedforSwedishAstronomerwhofirstnamedthesewavelengths1nanometer=10AoSpeedoflight=wavelength(l)xfrequency=3x108m/sinvacuumWavenumber=1/wavelength(cm-1)FrequencyinGHz(1Hz=sec–1)LanguageoftheEnergyCycle:TheElectromagneticSpectrumEnergyWavelengthlSolarSpectrum=Shortwavespectrum=visiblespectrum:Sunat6000K;peakemissionat0.5mmTerrestrialSpectrum=LongwaveSpectrum=InfraredSpectrum=ThermalSpectrum:TheoreticalPlanckcurves:Earth~300K,peakemission9.66mmOutgoingfromEarthLowenergyLongwavelengthIncomingfromSun:Highenergy,shortwavelengthElectromagneticSpectrumHighenergyShortwavelength/highfrequencyEmittedathighTSunEarthTheElectromagneticSpectrumMorethanmeetstheeye!bandsBandnameWavelengthγ射线λ10-6μmχ射线10-6～10-3μm紫外线10-3～0.38μm可见光0.38～0.76μm红外线0.76～1000μm微波1mm～1m超短波1～10m短波、中波和长波λ10m注：①也有人将0.76-15μm看作近红外，将15-1000μm看作远红外。紫外线(UV)：0.01-0.38μm，主要用于探测碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：0.38-0.76μm，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线(IR)：0.76-1000μm。近红外0.76-3.0μm;中红外3.0-6.0μm；远红外6.0-15.0μm；超远红外15-1000μm。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。）微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。2、遥感常用的电磁波波段的特性二、电磁辐射的度量任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其它物体对它的辐射，也能够向外辐射，只是辐射的强度和波长不同而已。因此，电磁波传递就是电磁能量的传递，RS探测实际上是辐射能量的测定。辐射能Qc—以电磁波形式传递的能量（J，焦耳）。辐射通量Φ—在单位时间内通过某一面积的辐射能量。Φ=dQc/dt单位：w,瓦大多数传感器响应的是辐射能传递的时间效率。辐射通量密度E—单位时间内通过单位面积的辐射能量。E=dΦ/ds单位：w/m2辐照度Ee—被辐射物体表面单位面积上的辐射通量。Ee=dΦ/ds单位：w/m2辐射出射度Me—辐射物体表面单位面积上的辐射通量。Me=dΦ/ds单位：w/m2Ee、Me都是辐射通量密度的概念，不过Ee为物体接收的辐射，Me为物体发出的辐射，都与λ有关。辐射强度(radiantintensity)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单位:瓦/球面度（W/Sr）辐射强度点辐射源SΩ：立体角，单位：球面度，无量纲。Ω=S/R2,R:点辐射源与球面上面元S的距离，即球半径；S:与球半径R垂直的某小面元的面积。球心对全球面所张的立体角为：Ω=4π。ΩR辐射亮度L—假定有一辐射源呈面状，辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。L=Φ/[Ω(Acosθ)]式中L：W/（Sr·m2）瓦·m-2·球面度-1Φ：辐射通量；Ω：立体角，单位：球面度，无量纲。A:小辐射面元的面积；θ:球半径与地表法线之间的夹角，又称观察角。S辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源，称为朗伯源。如新鲜的氧化镁、硫酸钡、碳酸镁表面，在反射天顶角θ=45°时，可近似看成朗伯面。S小结辐射度量一览表辐射量符号定义单位辐射能量Qc焦耳(J)辐射通量Φ(2)Qc/t(λ)瓦(W)辐照度E(2)Φ/A(λ)瓦/米²(W/m²)辐射出射度M(2)Φ/A(λ)瓦/米²(W/m²)辐射强度I(2)Φ/Ω(λ)瓦/球面度(W/Sr)辐射亮度L2(3)Φ/AΩ(λ)瓦/(米²•球面度)(W/m²•Sr)8/131.吸收系数：当物体的温度为T，波长在λ～λ+△λ内，吸收能量与入射能量之比。2.绝对黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体，又称为完全辐射体。3.黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。在一切方向上都均等。三、黑体辐射自然界并不存在绝对黑体，黑色的烟煤是最接近绝对黑体的自然物质。恒星和太阳的辐射被看作是接近黑体辐射的辐射源。理想的绝对黑体在实验上是用一个带有小孔的空腔做成的(图2.6)，空腔壁由不透明的材料制成，空腔器壁对于辐射只有吸收和反射，当从小孔进入的辐射照射到器壁时大部分被吸收，仅有5％或更少部分被反射。PowerSource:BlackbodyRadiationPlanck’sLaw:TheamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperatureMaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengthswavelength620K380K4、黑体辐射定律(1)普朗克热辐射定律（MaxPlanck）表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。1/1522)(kTchehcTMllll、黑体辐射的三个特性(p20)A.辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。B.温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。C.随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。(2)斯特藩—玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmann'slaw即黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化，这是红外装置测定温度的理论基础。401/1522TdkTchehcMlll式中：M:黑体表面的总辐射出射度（w/m2）；σ：斯特藩—玻耳兹曼常数，取值为5.6697×10-8W·m-2·k-4；T:发射物体的热力学温度。(3)维恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw黑体辐射光谱中最强辐射的波长λmax与黑体绝对温度T成反比。ATmaxl式中:为最大波谱辐射出射度对应的波长（μm）;:=2898μm·k。maxlA从图2．7也可以看出，黑体温度越高，其曲线的峰顶就越往左移，即往波长短的方向移动，这就是位移的含义。如果辐射最大值落在可见光波段，物体颜色会随着温度的升高而变化，波长逐渐变短，颜色由红外到红色再逐渐变蓝变紫(表2.2)。---------温度3005001000200030004000500060007000波长9.665.802.901.450.970.720.580.480.41表2.2绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系四、电磁辐射源1.自然辐射源（1）太阳辐射太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源，表面温度约6000K(5900K),其辐射波长范围极大，最大辐射波长强度位于波长0.47μm；辐射能量集中在中-短波辐射。大气层对太阳辐射具有吸收、反射和散射作用。太阳常数：当地球处于日地平均距离时，单位时间内投射到位于地球大气上界，且垂直于太阳光射线的单位面积上的太阳辐射能量为：I⊙=1.36×103W/m2。（2）地球辐射地球的电磁辐射：是远红外遥感的主要辐射源，地球外围的温度大约为300K（27℃）,其最大辐射强度位于波长9.66μm；辐射能量属于远红外波段（热红外能量）小于3μm的波长主要是反射太阳辐射的能量为主；大于6μm的波长，主要是地物本身的热辐射为主；3-6μm之间，地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射都要考虑。进行红外遥感探测时，选择清晨时间，目的是为了避免太阳辐射的影响。2.人工辐射源主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。微波辐射源：0.8-30cm激光辐射源：激光雷达—测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。例1已知由太阳常数推算出太阳表面的