第03講 地物電磁波發(fā)射特性.ppt

1、遙感技術(shù)基礎(chǔ),第三講 地物電磁波發(fā)射特性,Electromagnetic Wave Emission Characteristics of object,一、電磁波的概念 二、電磁波的產(chǎn)生 三、電磁波的基本性質(zhì) 四、電磁波譜,內(nèi)容回顧,電磁波、電磁波譜概念,電磁波：在真空或物質(zhì)中通過傳播電磁場的振動而傳輸電磁能量的波。,電磁波譜： 將電磁波在真空中按照波長或頻率的大小依順序劃分成波段，排列成譜即稱為電磁波譜。,光的波動性和粒子性是光在不同條件下的不同表現(xiàn)：,從數(shù)量上看：少量光子的運動表現(xiàn)出粒子性；大量光子的運動表現(xiàn)出波動性。 從頻率上看：頻率高的光子粒子性強(qiáng)，頻率低的光子波動性強(qiáng)。,當(dāng)光和其它

2、物質(zhì)發(fā)生相互作用時表現(xiàn)為粒子性，當(dāng)在傳播時表現(xiàn)為波動性。,波粒二象性,在水面上的油膜、肥皂泡等在白光照射下為什么會出現(xiàn)燦爛的彩色？,一、輻射量的定義 二、黑體輻射 三、太陽輻射 四、地物的波譜發(fā)射特性 五、紅外輻射特性,提綱:,在遙感中測量從目標(biāo)反射或目標(biāo)本身發(fā)射的電磁波的能量的過程稱為輻射量的測定。 輻射量的測定方式：輻射測量和光度測量（不同的術(shù)語和單位） 輻射測量：從射線到電波（整個波長范圍） 光度測量：可見光波段,一、輻射量的定義,一、輻射量的定義,輻射照度 ： 在單位時間內(nèi)、單位面積上接受的輻射能量,一、輻射量的定義,所謂“外表面的面積”是指從受到輻射的方向看過去的單位面積，它是以投射

3、到與輻射方向成正交的平面上的正射投影為單位面積的物體表面部分的面積。,在輻射測量的各個量中，當(dāng)加上“光譜”（spectral）這一術(shù)語時，則是指單位波長寬度的量。例如：光譜輻射通量（spectral radiant flux），光譜輻射亮度（spectral radiance）,一、輻射量的定義,二、黑體輻射,1、什么是黑體 2、為什么要研究黑體 3、黑體輻射規(guī)律,1、什么是黑體 (black body),定義：能全部吸收外來電磁波輻射而毫無反射和透射的理想物體。也稱絕對黑體。 近似黑體的例子： 黑色的煙煤（吸收系數(shù)99%） 太陽（接近黑體輻射的輻射源） 白天看遠(yuǎn)處的屋內(nèi) 空腔模型,？,空腔模

4、型,2、為什么要研究黑體,客觀現(xiàn)象：凡是溫度大于絕對溫度0K （-273.16）的任何物體都具有發(fā)射電磁波的能力。因為地球上所有物體的溫度都大于0K，因此所有物體均具備發(fā)射電磁波的能力，能力大小與溫度有關(guān)。 如何比較物體的發(fā)射能力？ 必須有比較的標(biāo)準(zhǔn)。常以黑體輻射為標(biāo)準(zhǔn)。,3、黑體輻射規(guī)律,1860年基爾霍夫得出了好的吸收體也是好的輻射體的定律。 1900年普朗克用量子論的概念推出了黑體的輻射定律，它表明了黑體輻射的能量大小即輻射通量密度（單位時間內(nèi)單位面積所通過的輻射能量）與溫度波長的關(guān)系。,W ： 分譜輻射通量密度，單位為（W/m3）； h ： 普朗克常數(shù)（h=6.625610-34 Ws

5、2）； K ： 波耳茲曼常數(shù)（k=1.3810-23 Ws/K）； ： 波長，單位為m ； c ： 光速，3108 m/s； T ： 黑體的絕對溫度，單位為K。,普朗克公式,3、黑體輻射規(guī)律,上式可看出：W與T和輻射能量的波長有關(guān)。 小、 以T為第一變量、為第二變量可在直角平面坐標(biāo)系中繪出W與T、的關(guān)系曲線，該曲線也叫做黑體的波譜輻射曲線。,3、黑體輻射規(guī)律,W大；,T高，,W大。,得到從1cm2的面積上黑體輻射到半球空間中的總輻射通量密度W為：W =T4 ：斯帝芬玻耳茲曼常數(shù) 結(jié)論： 黑體的總輻射通量密度與其絕對溫度的4次方成正比，即溫度愈高，黑體輻射的能量愈大，被遙感器記錄的能力也愈大；反

6、之亦然。,將普朗克公式對從零到無窮大進(jìn)行積分可得,（1）斯帝芬玻耳茲曼定律,遙感應(yīng)用： 不同溫度的物體具有不同的輻射能量，記錄它們的輻射能量差別就為區(qū)別它們提供了基礎(chǔ)。 這為在遙感圖像上識別不同溫度的物體提供了基礎(chǔ)。,（1）斯帝芬玻耳茲曼定律,對普朗克公式微分并求極值：,（2）維恩位移定律,maxT = 2897.8 mK常數(shù),從 maxT=常數(shù) 可得結(jié)論： 黑體輻射能量的主波長max（峰值波長）與溫度成反比 黑體輻射能量主要集中在max附近 不同黑體的輻射通量密度在其max處差別最大 舉例： 鐵塊加熱后逐漸變熱 繼續(xù)加熱鐵塊變紅 max發(fā)生了向左的偏移 藍(lán)火焰與紅火焰相比誰的溫度高？,（2）

7、維恩位移定律,-發(fā)射紅外、熱紅外光,-發(fā)射紅光,（2）維恩位移定律,應(yīng)用啟示： 為很好的記錄黑體的輻射特性，應(yīng)選擇在其max附近為好，因而在設(shè)計遙感器通道時應(yīng)以記錄黑體的max為參考。 維恩位移定律為識別特定物體而設(shè)計傳感器響應(yīng)波段提供了理論基礎(chǔ)。 分波段記錄時（因在max附近），溫度高的黑體，其影像呈亮色調(diào)。,每根曲線互不相交，溫度越高，黑體在所有波長處的W也越大。 表明：不同溫度的黑（物）體，在任何波長處的輻射通量密度都是有所區(qū)別的，因而在分波段記錄的遙感圖像上，黑（物）體影像之間都是有色調(diào)或色彩差別的，也就是說它們是可區(qū)別的。,（3）,三、太陽輻射,1、太陽和太陽常數(shù) 2、太陽光譜,太陽

8、基本物理參數(shù),半徑: 696295 千米 質(zhì)量: 1.9891030 千克溫度: 5800 (表面) 1560萬 (核心)總輻射功率: 3.831026焦耳/秒平均密度: 1.409 克/立方厘米日地平均距離: 150,000,000 Km 年齡: 約50億年 組成太陽的物質(zhì)大多是些普通的氣體，其中氫約占71, 氦約占27, 其它元素占2。,太陽系行星大小對比,1、太陽和太陽常數(shù),太陽從中心向外可分為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)和太陽大氣。 太陽大氣又可分成光球、色球和日冕三層。,1、太陽和太陽常數(shù),1個天文單位：日地平均距離（=149 597 870 km）,歷史上是利用金星凌日(即太陽、金星、

9、地球剛好在一條直線上)方法測出地球到太陽的距離的。,金星凌日（1639）,凌日：指地內(nèi)行星圓面經(jīng)過日面的現(xiàn)象。 水星和金星距離太陽比地球距離太陽近，在繞日運行過程中有時會處在太陽與地球之間。這時，地球上的觀測者可看到一小黑圓點在日面緩慢移動，這就是凌日現(xiàn)象。 金星有凌日現(xiàn)象，它以兩次凌日為一組，兩次凌日間隔8年，但兩組之間的間隔卻長達(dá)100多年，因此金星凌日是百年難遇的。金星凌日看起來就像太陽面龐上的一顆黑痣。英國天文學(xué)家哈雷（Edmond Halley)曾提出利用觀測凌日可得出精確的日地距離。俄羅斯天文學(xué)家羅蒙諾索夫在1761年觀測金星凌日時發(fā)現(xiàn)了金星大氣。19世紀(jì)，天文學(xué)家通過觀測金星凌日

10、成功地得出日地較準(zhǔn)確的距離。,1、太陽和太陽常數(shù),1個天文單位：日地平均距離（=149 597 870 km）,電磁輻射傳播的時間為499.004782 s。 把太陽近似看作黑體時，溫度約為6000K，其輻射峰值在0.470.50之間，輸送到地面能量約1.721016焦耳/秒。,歷史上就是利用金星凌日(即太陽、金星、地球剛好在一條直線上)方法測出地球到太陽的距離的。,1、太陽和太陽常數(shù),太陽常數(shù)：在日地平均距離的條件下，在地球大氣上界，垂直于太陽光線的1平方厘米的面積上，在1分鐘內(nèi)所接受的太陽輻射能量。 太陽常數(shù)=1.95卡/cm2分=1.360103 W/m2 地球繞太陽沿橢圓軌道運行，日地

11、距離在一年內(nèi)是變化的。 由于大氣對電磁波傳輸?shù)挠绊懚固栞椛淠芰繐p失，太陽輻射到達(dá)地面的有效輻射通量密度為903W/m2，僅占大氣上界太陽輻射的64.5%。,2、太陽光譜,海平面上太陽輻射,6000K黑體輻射,大氣上界太陽輻射,太陽的輻射光譜范圍從x射線一直到無線電波，絕大部分能量集中在0.23.0之間，大致分布如下： 0.21.4 占90.8% 從紫外到近紅外 1.41.8 占5.2% 近紅外 1.82.5 占2.6% 近紅外 3.04.2 占1.1% 中紅外 4.55.5 占0.18% 中紅外 7.514 占0.11% 熱紅外 遙感中常用波段： 0.321.1，占85%（可見光紅外線）

12、1.42.5，占8%（短波紅外,在地質(zhì)遙感中有重要作用） 這兩個波段在RS中有重要的應(yīng)用,2、太陽光譜,0.21.4 1.41.8 1.82.5 3.04.2 4.55.5 7.514 ,2、太陽光譜,四、地物的波譜發(fā)射特性,1、地物波譜發(fā)射率 2、地物波譜發(fā)射特性,1、地物波譜發(fā)射率,為了衡量不同的地物發(fā)射電磁波能力的大小，常用波譜發(fā)射率來表示地物的發(fā)射能力。 定義： 單位面積上地物發(fā)射某一波長的輻射通量密度W與同溫下黑體在同一波長的輻射通量密度W之比，記做， = W/ W 注意：1、定義中強(qiáng)調(diào)了“同一溫度”，為什么？ 2、符號中有波長，為什么？,常溫(200C)下部分地物的發(fā)射率 人體皮膚

13、 0.99 石 油 0.27 木 板 0.98 灌 木 0.98 柏 油 路 0.93 稻 田 0.89 土 路 0.83 小麥 地 0.93 干 沙 0.95 黑 土 0.87 混 凝 土 0.90 黃 粘土 0.85 大 理 石 0.95 草 地 0.84,該表說明什么？ 1、地物性質(zhì)不同，波譜發(fā)射率是不同的。 2、如果遙感中記錄地物發(fā)射的電磁波信息，就可以區(qū)分不同的地物性質(zhì)和位置。,1、地物波譜發(fā)射率,地物波譜發(fā)射率隨溫度的變化 地物溫度 石英石 花崗巖 200C 0.694 0.787 00C 0.682 0.783 200C 0.621 0.780 400C 0.664 0.777,

14、該表說明什么: 1、發(fā)射率隨溫度變化。 2、溫度愈高，發(fā)射率為什么不一定就高呢？ （是與同溫度下黑體發(fā)射能量的比值） 3、如果遙感器獲取得是地物的電磁波發(fā)射信息，在不同時間獲取得圖像上，圖像的深淺程度或顏色是不同的，仍然可以區(qū)分地物。,1、地物波譜發(fā)射率,1、地物波譜發(fā)射率,結(jié)論： 不同的地物有不同的波譜發(fā)射率，同一地物在不同波段的波譜發(fā)射率也不同。 不同地物間的波譜發(fā)射率的差異也代表了地物間發(fā)射能力的不同，發(fā)射率大的地物，其發(fā)射電磁波的能力強(qiáng)。,2、地物波譜發(fā)射特性,地物波譜發(fā)射特性的定義： 地物的波譜發(fā)射率隨波長和溫度的變化而變化的性質(zhì)。 地物波譜發(fā)射特性曲線的定義： 以地物的波譜發(fā)射率為

15、縱軸，以波長為橫軸，將發(fā)射率與波長的對應(yīng)關(guān)系在平面直角坐標(biāo)系中繪制成的曲線。,黑體,選擇性 輻射體,灰體,絕對黑體 1 2) 灰體 但（01) 3) 選擇性輻射體 f() 4）絕對白體 0,2、地物波譜發(fā)射特性,2、地物波譜發(fā)射特性,對地物來講是個變值，但在比較不同的地物發(fā)射間發(fā)射能力的不同，常用平均發(fā)射率來表達(dá)。,2、地物波譜發(fā)射特性,地物熱輻射 地物因自身存在溫度而向外發(fā)射電磁波的現(xiàn)象。,沙漠中的蜥蜴,2、地物波譜發(fā)射特性,由于地物熱學(xué)性質(zhì)的差異，對太陽輻射的吸收能力不一樣，各地物的溫度也不一樣，它們隨太陽周期變化的幅度也不相同，衡量此變化情況的術(shù)語是地物熱慣性。 地物熱慣性：又叫“熱接觸

16、系數(shù)”，指兩種不同介質(zhì)交界面上熱傳遞速率的量，或簡單講，它表示地物吸收熱量后保持溫度的能力，保溫能力大，熱慣性亦大。 舉例：鐵、鋁。,該圖說明： 1、同樣的地物，由于在一天的時間內(nèi)的溫度不同，波譜發(fā)射率是不同的。 2、不同的地物，由于熱學(xué)性質(zhì)的差異，吸收太陽輻射的能力不同，相同的時間內(nèi)，波譜發(fā)射率也是不同的。,2、地物波譜發(fā)射特性,2、地物波譜發(fā)射特性,的測定方法 常溫下地物的發(fā)射率常用814的輻射計通過量測地物輻射溫度Tr來測定。Tr與實際溫度T和發(fā)射率的關(guān)系為：,2、地物波譜發(fā)射特性,入射到物體表面的電磁波與物體之間產(chǎn)生三種作用：反射(reflection)、吸收(absorption)和

17、透射(transmission)。設(shè)入射到物體表面的電磁波能量為E，被物體反射的能量為E，被物體吸收的能量為E，透過物體的電磁波能量為E，根據(jù)能量守恒定理有：,2、地物波譜發(fā)射特性,基爾霍夫（1860年）定律指出：一個物體的波譜發(fā)射率等于它的波譜吸收率，即 =。換句話說就是：好的吸收體也是好的發(fā)射體。它說明了凡是吸收熱輻射能力強(qiáng)的物體，它們的熱發(fā)射能力也強(qiáng)；凡是吸收熱能力差的物體，它們的熱發(fā)射能力也就弱。 在給定溫度下，地物的輻射通量密度與其吸收率之比對任何物體都是一個常數(shù)。即,所以有=。 對一般地物而言，均不透射，即=0，則有：=1-。 它表明了與的關(guān)系。,五、紅外輻射特性,大氣中的紅外電磁

18、波由兩部分組成：太陽輻射中的紅外部分和地物輻射的紅外部分。 1、近紅外（含短波紅外） 范圍0.73.0，能量主要來自太陽輻射，而地物的輻射很小，二者之比約為1000：1，因而在此波段的圖像上反映的是地物對太陽輻射的反射情況，而不是反映地物本身溫度的高低，離開了太陽輻射就不能進(jìn)行近紅外遙感。此波段只能在白天成像。,2、中紅外 波段范圍35，既有太陽輻射，又有地物發(fā)射，它正好處于太陽輻射峰值（10）之間，太陽的W為1010-3 W/cm2，地物的W為10-3 W/cm2，二者之比為10：1，白天RS記錄的主要是地物的反射信息，夜間記錄的主要是地物的發(fā)射信息，但白天獲取的影像解譯較困難。,五、紅外輻射特性,3、熱紅外 范圍814，此波段太陽輻射的能量很小，地物熱輻射的W隨溫度不同而變化（如一年四季溫度變化，天氣的變化），因