大气对太阳辐射的散射作用.ppt

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1、 n nn n第二章第二章 遥感的物理基础遥感的物理基础 遥感器接受的电磁辐射n n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。第二章第二章 遥感的物理基础遥感的物理基础n n电磁波和电磁波谱n n电磁波辐射规律n n太阳辐射太阳辐射n n地球辐射第一节电磁波与电磁波谱电磁波电磁波的性质电磁波谱波的概念：波是振动在空间的传播。波是振动在空间的传播。机械波：声波、水波和地震波等，振动的是弹声波、水波和地震波等，振动的是弹性媒质中质点的位移矢量性媒质中质点的位移矢量电磁波（Elec

2、troMagneticSpectrum)由振源发出的电场矢量和磁场矢量在空间的由振源发出的电场矢量和磁场矢量在空间的传播。传播。1.1 电磁波n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1)1)电磁波是横波电磁波是横波2)2)在真空中以光速传播在真空中以光速传播3)3)电磁波具有电磁波具有波粒二象性：波粒二象性：电磁

3、波在传播过程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，这就是电磁波的波时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。粒二象性。vv波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性的，因此具有波动性vv粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电粒子性：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。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电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性统计性v波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波

4、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。电磁波的波动性电磁波在传播中遵循波的干射、衍射、散射等规律n波长n频率电磁波的波动性波长wavelenthn n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，n n如米(m)、厘米(cm)、毫米(mm)、微米n n(m)、纳米(nm)等。频率(Frenquency)n n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，n n在真空少电磁波以光速传播，是它们的波长()

5、与频率()满足如下关系：n nn nC电磁波的衍射n n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 电磁波的偏振n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。

6、n非偏振光，偏振光，部分偏振电磁波的叠加原理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）n n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n n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

7、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。n n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(blueshift)。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(redshift)。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因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观

8、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）电磁波的粒子性n n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。动量：P能量：Eh:普朗克常数，6.62607551034 J sc:光速；v:频率 ：波长能量和动量是粒子属性电磁波的粒子性n辐射能量与它的波长成反比。辐射能量与它的波

9、长成反比。即电磁辐射波长越长，其辐射即电磁辐射波长越长，其辐射能量越低。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 电磁波谱电磁波谱电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其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。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。波长最短按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是的是 射线射线电磁波的波长不同，是因为产生它的波源

10、不电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。同。电磁波谱n n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1.31.3电磁波谱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（0.010.4微米），碳酸盐，油污可见光（0.40.76微米），人眼、单色、全色红外线（0.761000微米）微 波 （11000毫米）。4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

11、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，自然界没有真正的黑体。2.1 黑体辐射黑体辐射n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。n光谱吸收系数（吸收率）：（，T）n光谱反射系数（反射率）：（，T）绝对黑体：绝对黑体：（，T）=1；（，T）=0 对于任何温度，任何波长吸收对于任何温度，任何波长吸收比始终等于一的物体比始终等于一的物体BTal(,)=1显然，绝对黑体的单色吸收比等于一，即：显然，绝对黑体的单色吸收比等于一，即：绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体 模型模型模型模型绝对黑体绝对黑体人工制造的

12、接近黑体的吸收体2.2 黑体辐射的定律黑体辐射的定律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。2.2.12.2.1普朗克公式普朗克公式h:普朗克常数6.6260755*10-34 Ws2k:玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK-1 c:光速;:波长（m）;T:绝对温度（K）变化特点：变化特点：(1)辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2)温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3)随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。图示普朗克公式图示普朗克公式2.2.22.2.2斯蒂芬玻尔兹

13、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。:斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.66970.00297）1012 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（T）最大值所对应的波长为最大值所对应的波长为m维恩位移定律维恩位移定律:维恩位移定律指出，当绝对黑体的温度升高维恩位移定律指出，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。时，单色辐出度最大值向短波方向移动。mbK

14、=-310.2.897Tmb=mMB（T）2.2.3 维恩（维恩（Wien)位移定律位移定律n高温物体发射较短的电磁波，低温物体发高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波射较长的电磁波。n常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66m）n n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。n n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。针对要探测的目标，选择最佳的遥感波针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器段和传感器。温度越高温度越高,所有波长上的所有波长上的波谱辐射通量波谱辐射通量越大越大下

15、图为绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线下图为绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线MB（T）0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K2.3 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），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。n实际物体的辐射n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。nn 发射率等于吸收率。好的吸发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不收体也是好的

16、发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。发射该波长的电磁波。n黑体的=1；灰体的=常数1;选择性辐射体的8mm，微波。第四节地球的辐射n n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。n n地球本身还有自己的电磁波辐射地球的辐射n n主动遥感主动遥感n n遥感遥感太阳辐射的反射太阳辐射的反射n n被动遥感被动遥感n n地球地球:辐射集中在长波辐射集中在长波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

17、微米地表物体自身热辐射为主n n地球辐射可分为短波辐射(o325微米)及长波辐射(6微米以上)。团17显示n n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。n n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。n n介于两者之间的中红外波段(256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n n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n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。

18、地球的电磁波反射n n镜面反射n n漫反射n n方向反射n n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n n假若表面相对于入射波长是光滑的(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。n n漫反射n n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n n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。n n一个完全的漫射体称为朗伯体，其电磁波的反射服

19、从于朗伯余弦定律。从任何角度n n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。朗朗伯余弦定律：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。n n方向反射：n n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

20、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。n n镜面反射可以认为是方向反射的一个特例。地物的反射率地物的反射率（反射率）反射率）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：l l入射电磁波的波长入射电磁波的波长l l入射角的大小入射角的大小l l地表颜色与粗糙度地表颜色与粗糙度地物的反射光谱：地物的反射光谱：地物的反射率随入射波地物的反射率随入射波长变化的规律。长变化的规律。地物反射光谱曲线地物反射光谱曲线：根据地物反根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电

21、磁波光谱特征的差异是遥感识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。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、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n n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。n n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。n植被叶片对太阳辐射不仅吸收还有透射练习题：n n1 1、大气对通过其中传播的电磁波的散射有哪几、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。类？他们各有什么特点。2 2、什么是大气窗口？常用于遥感的大气窗口有什么是大气窗口？常用于遥感的大气窗口有哪些？哪些？n n33综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回到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。遥感传感器这一整个过程中所发生的物理现象。