第二章遥感电磁辐射基础精选PPT.ppt

第二章遥感电磁辐第二章遥感电磁辐射基础射基础第1页，本讲稿共50页2 2 电磁波辐射源电磁波辐射源2.1 黑体辐射黑体辐射2.2 黑体辐射定律黑体辐射定律2.3一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率2.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律第2页，本讲稿共50页黑体：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2.1 黑体辐射黑体辐射第3页，本讲稿共50页2.2 黑体辐射的定律黑体辐射的定律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4页，本讲稿共50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。2.2.1 2.2.1 普朗克公式普朗克公式普朗克公式普朗克公式h:普朗克常数普朗克常数6.6260755*10-34 Ws2k:玻尔兹曼常数，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5页，本讲稿共50页变化特点：变化特点：(1)辐射通量密度随辐射通量密度随波长连续变化，只波长连续变化，只有一个最大值；有一个最大值；(2)温度越高，辐射温度越高，辐射通量密度越大，不同通量密度越大，不同温度的曲线不相交；温度的曲线不相交；(3)随温度升高，辐随温度升高，辐射最大值向短波方向射最大值向短波方向移动。移动。普朗克公式图示：普朗克公式图示：普朗克公式图示：普朗克公式图示：第6页，本讲稿共50页2.2.2 2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律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对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。律。辐射通量密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次方成正比。次方成正比。含义？含义？: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7页，本讲稿共50页2.2.3 2.2.3 维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律b: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。针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。第8页，本讲稿共50页2.3 一般辐射体和发射率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），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。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。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。按照发射发射率与物质种类、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：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 第9页，本讲稿共50页2.3 2.3 一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率第10页，本讲稿共50页2.4 2.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律在给定温度下，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与与吸收率吸收率之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如发射率等于吸收率。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果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。波。第11页，本讲稿共50页热红外遥感热红外遥感第12页，本讲稿共50页主要内容主要内容n n热红外遥感概况热红外遥感概况n n地表物质的热学性质地表物质的热学性质n n地表温度的反演地表温度的反演n n热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点n n白天热效应白天热效应n n热红外遥感应用热红外遥感应用第13页，本讲稿共50页n n热红外遥感就是利用星载或机载的传感器热红外遥感就是利用星载或机载的传感器收集、记录地物的热红外信息，并利用这收集、记录地物的热红外信息，并利用这种信息来识别地物和反演地表参数（温度、种信息来识别地物和反演地表参数（温度、湿度、热惯量）的技术系统湿度、热惯量）的技术系统n n热红外遥感波段范围热红外遥感波段范围其中（其中（3-5微米）热辐射和太阳辐射的反射部微米）热辐射和太阳辐射的反射部分同时考虑；（分同时考虑；（7-18微米）辐射热红外微米）辐射热红外有人把有人把“热红外热红外”叫做叫做“远红外远红外”热红外遥感概况热红外遥感概况第14页，本讲稿共50页热作用与温度热作用与温度n n温度是物质分子热运动平均动能的度量，温度是物质分子热运动平均动能的度量，描述了物质内部分子热运动的剧烈程度。描述了物质内部分子热运动的剧烈程度。n n分子运动温度为分子运动温度为热力学温度热力学温度，又称为物体，又称为物体的的真实温度真实温度。n n辐射温度：对于黑体，物体辐射温度：对于黑体，物体 的辐射温度等的辐射温度等于它的动力学温度，但是真实物体：于它的动力学温度，但是真实物体：热遥感器所记录的辐射温度小于它的真实温度，因为发热遥感器所记录的辐射温度小于它的真实温度，因为发射率小于射率小于1第15页，本讲稿共50页亮度温度亮度温度n n当一个物体的辐射亮度与某一黑体的辐射当一个物体的辐射亮度与某一黑体的辐射亮度相等时，该黑体的物理温度就被称之亮度相等时，该黑体的物理温度就被称之为该物体的亮度温度（亮温）。为该物体的亮度温度（亮温）。n n亮度温度具有温度的亮纲，但不具有温度亮度温度具有温度的亮纲，但不具有温度的物理含义。的物理含义。第16页，本讲稿共50页n 为什么要测量地表温度？为什么要测量地表温度？n 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键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，地因子。除了太阳辐照度之外，地-气界面所有的通气界面所有的通量都可参数化为温度的一个函数量都可参数化为温度的一个函数n是全球的水循环，地表、大气能量循环的重要因是全球的水循环，地表、大气能量循环的重要因素素n作为作为GCM模型模型（全球环流模型）（全球环流模型）的初始化数据。的初始化数据。可可直接验证直接验证GCM输出的地表温度输出的地表温度n 是植物生长的重要因素是植物生长的重要因素第17页，本讲稿共50页n如何获得地表温度？如何获得地表温度？n 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n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n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n 利用热红外辐射仪来测定利用热红外辐射仪来测定n 在局部尺度上：在局部尺度上：地面测量地面测量n 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n 测量的量是波谱辐射能测量的量是波谱辐射能 Ts，,大气和周围环境大气和周围环境第18页，本讲稿共50页比辐射率比辐射率n n描述非黑体热辐射能力与热辐射方向性的描述非黑体热辐射能力与热辐射方向性的重要参数重要参数n n比辐射率是物理的固有的物理属性，不仅比辐射率是物理的固有的物理属性，不仅仅依赖于地物的组成成分，与物体的表面仅依赖于地物的组成成分，与物体的表面状态（表面粗糙度）及物理性质（介电常状态（表面粗糙度）及物理性质（介电常数、含水量、温度等）有关，是波长和观数、含水量、温度等）有关，是波长和观测角度的函数测角度的函数第19页，本讲稿共50页n如何获得表面比辐射率？如何获得表面比辐射率？n 根据室内、外测量根据室内、外测量n波谱辐射仪波谱辐射仪n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）n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n 从卫星上测定从卫星上测定n 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n 根据热红外光谱仪里最小根据热红外光谱仪里最小 和在最大相对比辐射率之和在最大相对比辐射率之差（差（MMD）的统计关系）的统计关系n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20页，本讲稿共50页地球表面的热辐射地球表面的热辐射n n地球地表温度大约地球地表温度大约300K，地表的热红外辐，地表的热红外辐射能量由地表比辐射率和地表温度两个因射能量由地表比辐射率和地表温度两个因素决定素决定n n地表温度是地球、太阳、大气相互作用的地表温度是地球、太阳、大气相互作用的结果结果第21页，本讲稿共50页水的循环水的循环第22页，本讲稿共50页地表热学性质地表热学性质n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。表示了一增加量的度量。表示了一种材料存储热的能力种材料存储热的能力,单位为单位为cal -1。(与物体大小有与物体大小有关关)n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 所需的热量，单所需的热量，单位为位为Jg-1 -1第23页，本讲稿共50页地表物质的热学性质地表物质的热学性质n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位面单位面积积的热量与垂直于表面方向上的温度梯度绝对值之的热量与垂直于表面方向上的温度梯度绝对值之比。单位为比。单位为Wm-1K-1。n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（一种材料对温度变化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），决定于热传导率的阻抗，保持原有温度的能力），决定于热传导率(K)，热容，热容量量(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24页，本讲稿共50页地表物质的热学性质地表物质的热学性质n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，其值决定于单位时间内温度变化的速率，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比热、密度、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。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25页，本讲稿共50页地表物质的热学性质地表物质的热学性质地表物质的热学性质地表物质的热学性质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岩玄武岩不锈钢不锈钢K 0.00140.00140.00500.030c1.00.240.200.12d1.01.822.807.83P0.0380.0240.0530.168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，温小时的周期中，温度波动最大？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26页，本讲稿共50页热辐射与地面的相互作用热辐射与地面的相互作用在热平衡条件下：在热平衡条件下：E1=Ea+Er+EtE1入射能；入射能；Ea吸收能；吸收能；Er为反射能；为反射能；Et为透为透射能，他们都是波长的函数射能，他们都是波长的函数 1=Ea/E1+Er/E1+Et/E1分别表示分别表示局地热平衡，指瞬时间热交换非常缓慢，物局地热平衡，指瞬时间热交换非常缓慢，物体向外辐射的能量基本等于从外界吸收的能体向外辐射的能量基本等于从外界吸收的能量，此时处于热平衡状态。量，此时处于热平衡状态。一般为一般为0第27页，本讲稿共50页地表温度的反演地表温度的反演热红外遥感的主要原理热红外遥感的主要原理热红外遥感的主要原理热红外遥感的主要原理n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，则空间内为常数，则 热辐射传输方程热辐射传输方程Ll l=l lt t0l0lBl l(Ts)+(1-l l)t t0l0lL0l l+L0l l Ll 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，Bl l(Ts)为地表温度为地表温度Ts时的普朗克黑体辐射时的普朗克黑体辐射度度L0l l 大气下行辐射大气下行辐射L0l l 大气上行辐射大气上行辐射 l l为波长为为波长为的地表辐射率的地表辐射率t tl l大气透过率大气透过率第28页，本讲稿共50页第29页，本讲稿共50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30页，本讲稿共50页热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点热红外遥感图像与可见光热红外遥感图像与可见光热红外遥感图像与可见光热红外遥感图像与可见光/近红外图像具有明显差别近红外图像具有明显差别近红外图像具有明显差别近红外图像具有明显差别Morro Bay as Recorded In Different TM bandsTM 1TM 2第31页，本讲稿共50页热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点 TM 3TM 4 TM 5TM 6warmer slopes 第32页，本讲稿共50页热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点TM1TM7TM6Waterpocket Fold white sandstone 第33页，本讲稿共50页白天热效应白天热效应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（光照、阴影）；黎明前温差明显减小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，以及由沥青铺设的路面。（无阴影），可以看到局部热岛效应，以及由沥青铺设的路面。白天白天黎明前黎明前第34页，本讲稿共50页白天热效应白天热效应在一天的周期中在一天的周期中(diurnal cycle),地表地表50100cm被交替地加热、制冷。被交替地加热、制冷。日平均地表温度通常与平均气温相近。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：依据思考：依据右图预测沙右图预测沙漠表面及非漠表面及非流动水体在流动水体在凌晨凌晨4点和点和下午下午2点的点的相对灰度变相对灰度变化化第35页，本讲稿共50页热红外遥感的复杂性热红外遥感的复杂性n n热红外遥感的大气影响更为复杂热红外遥感的大气影响更为复杂热红外遥感的大气影响更为复杂热红外遥感的大气影响更为复杂 热红外波段，大气散射作用不强，但大气分子与悬浮粒的吸收热红外波段，大气散射作用不强，但大气分子与悬浮粒的吸收热红外波段，大气散射作用不强，但大气分子与悬浮粒的吸收热红外波段，大气散射作用不强，但大气分子与悬浮粒的吸收作用却十分明显。作用却十分明显。作用却十分明显。作用却十分明显。n n热红外信息，除受大气干扰外，还受地表层热状态的影响，热红外信息，除受大气干扰外，还受地表层热状态的影响，热红外信息，除受大气干扰外，还受地表层热状态的影响，热红外信息，除受大气干扰外，还受地表层热状态的影响，如风，气温，湿度等微气象参数，土壤参数，植被覆盖，如风，气温，湿度等微气象参数，土壤参数，植被覆盖，如风，气温，湿度等微气象参数，土壤参数，植被覆盖，如风，气温，湿度等微气象参数，土壤参数，植被覆盖，地表粗糙度，地形地貌影响地表粗糙度，地形地貌影响地表粗糙度，地形地貌影响地表粗糙度，地形地貌影响n n地物本身的热过程是复杂的。地物从热辐射的能量吸收地物本身的热过程是复杂的。地物从热辐射的能量吸收地物本身的热过程是复杂的。地物从热辐射的能量吸收地物本身的热过程是复杂的。地物从热辐射的能量吸收到能量发射，存在一个热存储和热释放过程，整个过程到能量发射，存在一个热存储和热释放过程，整个过程到能量发射，存在一个热存储和热释放过程，整个过程到能量发射，存在一个热存储和热释放过程，整个过程存在存在存在存在滞后滞后滞后滞后效应效应效应效应n n热能的传递有多种方式（传导、对流、辐射）热能的传递有多种方式（传导、对流、辐射）热能的传递有多种方式（传导、对流、辐射）热能的传递有多种方式（传导、对流、辐射）显热交换：地表热能与大气交换；显热交换：地表热能与大气交换；显热交换：地表热能与大气交换；显热交换：地表热能与大气交换；潜热交换：地表水分蒸发的能量交换。潜热交换：地表水分蒸发的能量交换。潜热交换：地表水分蒸发的能量交换。潜热交换：地表水分蒸发的能量交换。第36页，本讲稿共50页n n热探测器所获得的物体发射信息包含两个热探测器所获得的物体发射信息包含两个重要的信息，即物体的温度和以及表示物重要的信息，即物体的温度和以及表示物体辐射能力的比辐射率，温度与比辐射率体辐射能力的比辐射率，温度与比辐射率的分离是热红外遥感的难点；的分离是热红外遥感的难点；n n热红外遥感图像的空间分辨率一般低于可热红外遥感图像的空间分辨率一般低于可见光见光-近红外遥感图像，所以，混合像元问近红外遥感图像，所以，混合像元问题非常严重。题非常严重。第37页，本讲稿共50页热红外遥感应用热红外遥感应用n灾害调查与监测，如林火监测灾害调查与监测，如林火监测n土壤水分监测土壤水分监测n地质找矿，地热调查地质找矿，地热调查n环境污染监测环境污染监测n城市热岛效应城市热岛效应 等等等等 第38页，本讲稿共50页热红外遥感应用热红外遥感应用热红外遥感应用热红外遥感应用林火初期，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39页，本讲稿共50页热红外遥感应用热红外遥感应用1987年年5月月7日日.我国有三处火我国有三处火源，其中一处源，其中一处没有扩散没有扩散 第40页，本讲稿共50页热红外遥感应用热红外遥感应用1987年年5月月8日早晨，日早晨，我国境内的森林大火我国境内的森林大火迅速扩散迅速扩散第41页，本讲稿共50页热红外遥感应用热红外遥感应用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42页，本讲稿共50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43页，本讲稿共50页夜视系统夜视系统小鹿的不同部小鹿的不同部位，温度不同位，温度不同第44页，本讲稿共50页夜视系统夜视系统夜视系统夜视系统房子的不同部位，温度不同房子的不同部位，温度不同第45页，本讲稿共50页夜视系统中的人、汽车（启动的、未启动的）、房子夜视系统中的人、汽车（启动的、未启动的）、房子第46页，本讲稿共50页穿衣人：裸露部位（脸部、颈部、胳膊）温度高、衣穿衣人：裸露部位（脸部、颈部、胳膊）温度高、衣服覆盖处温度低服覆盖处温度低第47页，本讲稿共50页热红外检测疾病，白色部位为意思病变部位热红外检测疾病，白色部位为意思病变部位第48页，本讲稿共50页n n课后小作业：课后小作业：假设森林火的温度为假设森林火的温度为1000度，请问用那个波度，请问用那个波段最适宜监测森林火灾。段最适宜监测森林火灾。第49页，本讲稿共50页本次课程结束，请提问！本次课程结束，请提问！第50页，本讲稿共50页