遥感电磁辐射基础课件

,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,2,电磁波辐射源,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。,人工制造的接近黑体的吸收体,2.1,黑体辐射,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,Ws,2,k,:,玻尔兹曼常数，,k=1.380658*10,-23,Ws,K,-1,c:,光速,;,:,波长（,m,）,;T:,绝对温度（,K,）,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。,普朗克公式图示：,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。,含义？,:,斯蒂芬玻尔兹曼常数，,5.6697,0.00297,）,10,12,Wcm,-2,K,-4,红外装置测试温度的理论根据。,2.2.3,维恩位移定律,b,:,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。,常温（如地表,300K,左右，发射电磁波的峰值波长,9.66,m,）,针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。,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。,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：,1,）黑体,2,）灰体,3,）选择性辐射体,2.3,一般辐射体和发射率,2.4,基尔霍夫定律,在给定温度下，任何地物的辐射通量密度,W,与,吸收率,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，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。,热红外遥感,主要内容,热红外遥感概况,地表物质的热学性质,地表温度的反演,热红外遥感图像的特点,白天热效应,热红外遥感应用,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,热红外遥感波段范围,其中（,3-5,微米）热辐射和太阳辐射的反射部分同时考虑；（,7-18,微米）辐射热红外,有人把“热红外”叫做“远红外”,热红外遥感概况,热作用与温度,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。,分子运动温度为,热力学温度,，又称为物体的,真实温度,。,辐射温度：对于黑体，物体 的辐射温度等于它的动力学温度，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，因为发射率小于,1,亮度温度,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为该物体的亮度温度（亮温）。,亮度温度具有温度的亮纲，但不具有温度的物理含义。,为什么要测量地表温度？,地表温度是地,-,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,-,气界面所有的通量都可参数化为温度的一个函数,是全球的水循环，地表、大气能量循环的重要因素,作为,GCM,模型,（全球环流模型）,的初始化数据。,可,直接验证,GCM,输出的地表温度,是植物生长的重要因素,如何获得地表温度？,利用温度计或其它点接触探测头测定,受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据,受其它外界环境的影响很难获得精确的表面温度,利用热红外辐射仪来测定,在局部尺度上：地面测量,在大、中尺度上：卫星（,遥感反演,）空间测量,测量的量是波谱辐射能,T,s,，,e,大气和周围环境,比辐射率,描述非黑体热辐射能力与热辐射方向性的重要参数,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，是波长和观测角度的函数,如何获得表面比辐射率？,根据室内、外测量,波谱辐射仪,辐射仪结合,CO,2,激光仪（主动与被动结合）,黑箱子,需要假定表面温度和比辐射率在测量过程中不变,从卫星上测定,根据可见光和近红外光谱信息的统计关系,根据热红外光谱仪里最小,e,和在最大相对比辐射率之差（,MMD,）的统计关系,利用多时相数据假定：,e,day,=,e,night,或,e,day1,=,e,day2,地球表面的热辐射,地球地表温度大约,300K,，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素决定,地表温度是地球、太阳、大气相互作用的结果,水的循环,地表热学性质,热容,Heat Capacity,(C):,温度每升高,1,度，对应热能,(Q),增加量的度量。表示了一种材料存储热的能力,单位为,cal,-1,。,(,与物体大小有关,),比热,specific heat(c),:,一定条件下,单位质量,的物质升高,1,所需的热量，单位为,Jg,-1,-1,地表物质的热学性质,热传导率,Thermal Conductivity,(K):,热量通过物体的速率的度量。,单位时间,内通过,单位面积,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,Wm-,1,K,-1,。,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的阻抗，保持原有温度的能力），决定于热传导率,(K),，热容量,(C),和密度,(,r,),。,P=(Kc),1/2,单位：,Jm,-2,s,-1/2,-1,P,是对,热传过两种材料边界处的速率的度量,，比如空气,/,土壤。,大的,P,对应一个加热,/,制冷周期的小的温度变化。,地表物质的热学性质,热扩散率,Thermal diffusivity,(d):,表征物质,内部,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、法向上温度梯度三者的乘积之比。,d=K/(c,r),单位为,m,2,s,-1,地表物质的热学性质,几种地物的热学度量,水,沙土,玄武岩,不锈钢,K,0.0014,0.0014,0.0050,0.030,c,1.0,0.24,0.20,0.12,d,1.0,1.82,2.80,7.83,P,0.038,0.024,0.053,0.168,以上物质中，哪种物质在一天,24,小时的周期中，温度波动最大？,K,热传导率,c,比热,d,密度,P,热惯量（不锈钢最大）,热辐射与地面的相互作用,在热平衡条件下：,E1=Ea+Er+Et,E1,入射能；,Ea,吸收能；,Er,为反射能；,Et,为透射能，他们都是波长的函数,1=Ea/E1+Er/E1+Et/E1,分别表示,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量，此时处于热平衡状态。,一般为,0,地表温度的反演,热红外遥感的主要原理,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,热辐射传输方程,L,l,=,e,l,t,0l,B,l,(T,s,)+(1,-e,l,),t,0l,L,0,l,+,L,0,l,L,l,为传感器所接收的波长为,的热红外辐射亮度,T,s,地表温度，,B,l,(T,s,),为地表温度,T,s,时的普朗克黑体辐射度,L,0,l,大气下行辐射,L,0,l,大气上行辐射,l,为波长为,的地表辐射率,t,l,大气透过率,被测目标,大气传输,光学系统,探测器,信号读出,制冷装置,信号处理,显示,热红外系统组成,热红外遥感图像的特点,热红外遥感图像与可见光,/,近红外图像具有明显差别,Morro Bay as Recorded In Different TM bands,TM 1,TM 2,热红外遥感图像的特点,TM 3,TM 4,TM 5,TM 6,warmer slopes,热红外遥感图像的特点,TM1,TM7,TM6,Waterpocket Fold,white sandstone,白天热效应,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（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,黎明前,白天热效应,在一天的周期中,(diurnal cycle),地表,50100cm,被交替地加热、制冷。日平均地表温度通常与平均气温相近。,5,种表面,24,小时的辐射温度变化,思考：依据右图预测沙漠表面及非流动水体在凌晨,4,点和下午,2,点的相对灰度变化,热红外遥感的复杂性,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作用却十分明显。,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，地表粗糙度，地形地貌影响,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，整个过程存在,滞后,效应,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；,潜热交换：地表水分蒸发的能量交换。,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；,热红外遥感图像的空间分辨率一般低于可见光,-,近红外遥感图像，所以，混合像元问题非常严重。,热红外遥感应用,灾害调查与监测，如林火,监测,土壤水分监测,地质,找矿，,地热调查,环境污染监测,城市热岛效应 等等,热红外遥感应用,林火初期，几处可见在和俄罗斯接壤处，但我国境内没有,热红外遥感应用,1987,年,5,月,7,日,.,我国有三处火源，其中一处没有扩散,热红外遥感应用,1987,年,5,月,8,日早晨，我国境内的森林大火迅速扩散,热红外遥感应用,林火的最后状态林火表面和破坏面积清晰可见,.,地表温度正常分布,地震前出现热红外异常,地震前热红外异常扩展,地震后热红外异常消失,地震前西北向热红外异常增强,张北,6.2,级地震前热红外异常及其动态变化过程,震前热异常卫星遥感监测,夜视系统,小鹿的不同部位，温度不同,夜视系统,房子的不同部位，温度不同,夜视系统中的人、汽车（启动的、未启动的）、房子,穿衣人：裸露部位（脸部、颈部、胳膊）温度高、衣服覆盖处温度低,热红外检测疾病，白色部位为意思病变部位,课后小作业：,假设森林火的温度为,1000,度，请问用那个波段最适宜监测森林火灾。,本次课程结束，请提问！,