【遥感导论】 第二章 电磁辐射与地物光谱特征

第二章 电磁辐射与地物光谱特征

一、电磁波谱与电磁辐射

1.1 磁波谱

我们说波谱波谱，那么什么是波，什么是谱呢？注意看，这个男人叫小帅 振动的传播称为波，那电磁波又是啥？啥叫电磁振动？

'当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发涡旋电场，变化的电场又激发涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，形成了电磁波'

所谓波动，是各质点在平衡位置振动，而能量向前传播的现象(梦回初中有木有)。

我们来简单介绍下波的性质和分类：

分类	描述
纵波	质点振动方向与波的传播方向相同
横波	质点振动方向与波的传播方向垂直

性质	描述
偏振	横波的振动矢量(垂直于波的传播方向)偏于某些方向的现象
叠加	两列以上波在同一空间传播时，单个质点的振动表现为波的叠加

那啥子是谱呢？谱就是，一个物理量随另一个物理量的变化情况，嚯，这不就是自变量和因变量嘛，换了个说法罢了。

于是我们就得到了电磁波谱的概念：

'电磁波在真空中传播的波长或频率按递增或递减排序，则构成电磁波谱'

有了概念后，我们再说说电磁波的性质：

1️⃣ 电磁波是横波，所以会发生偏振(极化)现象，在真空中以光速传播

2️⃣ 电磁波满足以下公式：

$$f\cdot\lambda=c\\E=h\cdot f$$

其中，$E$表示能量，单位为$J$，$h$是普朗克常数，$h=6.626\times10^{-34}j/s$；$f$是频率，$\lambda$是波长，$c$是真空中的光速，$c=3\times10^8 m/s$

波长越长，频率越小，能量越小，穿透能力越小，但是抗散射能力越强(一定程度上)

3️⃣ 电磁波具有波粒二象性

• 电磁波会发生反射、折射、吸收、透射、衍射等现象
• 遇到粒子会发生散射，从而引起电磁波的强度、方向上发生改变

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1.2 磁辐射的度量

辐射Radiation这个词，让你想到了什么呢？如果有玩过红色警戒这个游戏，应该会想到伊拉克的辐射工兵吧~

所谓的辐射，就是发射源发出的电磁能量中，一部分脱离场源向远处传播，而后不再返回的现象。这些能量呢，可以以电磁波的形式，也可以以粒子的形式向外扩散。

在自然界中，只要温度高于绝对零度（-273.15）的物体，都会无时无刻地向外发射能量，拿人体举例，人辐射出去的就是热量，这种传送能量的方式也称为热辐射。

任何物体都是辐射源，不仅可以吸收其他物体对它的辐射，也可以向外发射辐射~

那我们现在来介绍如何对辐射量进行度量！

概念1️⃣ 辐射能量 $ W$

• 辐射能量是指电磁辐射的能量，单位为$J$

概念2️⃣ 辐射通量 $\phi$

• 辐射通量是指单位时间内通过某一面积的辐射能量，$\phi=\frac{dW}{dt}$，单位是$W$，辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或者积分值。

概念3️⃣ 辐射通量密度 $E$

• 辐射通量密度实质单位时间通过单位面积的辐射能量，$E=\frac{d\phi}{dS}$,单位是$W/m^2$，$S$是单位面积

概念4️⃣ 辐照度 $I$

• 辐照度是指被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量,$I=\frac{d\phi}{dS}$，单位是$W/m^2$

概念5️⃣ 辐亮度 $L$

• 辐亮度是辐射源在某一方向上单位投影表面，单位立体角内的辐射通量

概念6️⃣ 辐射度 $R$

• 辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，$M=\frac{d\phi}{dS}$

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1.3 黑体辐射

概念：

绝对黑体

• 如果一个物体对任何波长的电磁辐射全部吸收，那么这个物体是绝对黑体。小黑子

绝对黑体辐射规律

• 普朗克公式

  • 这个热力学公式可以广泛运用在遥感领域，说是近现代遥感的奠基公式也不为过。

  • $$M_\lambda(\lambda,T)=\frac{2\pi hc^2}{\lambda^5}\cdot\frac{1}{e^{hc/\lambda K T}-1}$$

式中，$c$为真空中的光速，$k$为玻尔兹曼常数，$k=1.38*10^{-23}J/K$，$h$为普朗克常数，$h=6.626*10^{-34}Js$，$M$表示辐射出射度

利用普朗克公式，就能推导出不同波长下的绝对黑体辐射出射度：

• 斯特藩-玻尔兹曼定理

  • 绝对黑体的辐射出射度与黑体温度的四次方成正比

  • $$M=\sigma T^4$$

式中，$\sigma$为斯特藩-玻尔兹曼常数，$\sigma=5.67*10^{-8}$

• 维恩位移定理

  • 黑体辐射中光谱最强辐射的波长与黑体的绝对温度成反比

  • $$\lambda_{max}\cdot T=b$$

  • $b$为常数，$b=2.898*10^{-3}$

实际物体的辐射

• 基尔霍夫定理

  • 假设有一个封闭空腔，空腔内部是真空，能量交换不可能通过传到和对流进行，只能通过辐射的方式完成。空腔内部保持恒温，每个空腔内的物体向外辐射和吸收的能量必然相等。

  • 基尔霍夫证明：辐射度仅与波长和温度有关，与物体本身的性质无关。假设物体$A$是绝对黑体，$B,C$是实际物体，则有：

  • $$\frac{M_b}{\alpha_b}=\frac{M_c}{\alpha_c}=M_a=I$$

其中，$I$为辐照度，$M$为辐射出射度，$\alpha$为吸收系数。

• 实际物体的辐射
  • 基尔霍夫定理表现了实际物体的辐射出射度与同一温度、同一波长下绝对黑体辐射出射度的关系，$\alpha_i\in[0,1]$是此条件下的吸收系数，也称为比辐射率或者发射率，记作$\varepsilon$，表示实际物体辐射与黑体辐射之比，$M=\varepsilon M_0$

定理	适用
普朗克公式	整个黑体辐射
维恩位移公式	普朗克定理在短波辐射上的衍生，黑体的最大波长与温度成反比
斯特藩-玻尔兹曼定理	普朗克公式的衍生，由黑体表面个点的辐射强度应用普朗克公式，然后再辐射进入的空间积分得到。反映黑体的辐射出射度与温度的四次方成正比
霍夫定理	物体的辐射度只与波长和温度有关，而与其形状等无关。物体的辐射度与绝对黑体之比，称为发射率或者比辐射率

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二、太阳辐射及大气对辐射的影响

2.1 太阳辐射

2.2 大气吸收

2.3 大气散射

2.4 大气窗口及透射

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三、地球的辐射与地物波谱

3.1 太阳辐射与地表的相互作用

3.2 地表自身热辐射

3.3 地物反射波谱特征

3.4 地物波谱特性的测量

将土地利用、高程、坡度、夜间光照、NDVImax和POI密度等共变量栅格数据叠加成一个单一栅格对象。然后将得到的随机森林模型树和协变量堆栈分布到一个或多个并行处理环境中，并对对数种群密度的每个像素进行预测。从以前的研究中我们知道，最好的、最无偏的预测是通过取森林中所有树木的平均值并对原木进行反向变换来得到每像素的人口密度的估计。得到的人口密度图被用作加权层(Wgrid)，用于标准的dasymetric映射方法，如下:

其中Wgrid表示100×100 m网格的总体分布权重;Wcounty为包含网格的某县的人口分布权重总和;人口县(POPcounty)表示一个县的总人口;POPgrid表示网格中的预测人口。

模型估计、拟合和预测均在r3.6.1中完成。

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改人口

• 多变量拟合预测
• DEM
• 夜间灯光
• 人口密度
• GDP

真实点（有人口数据)

$$Ax+By+Cz=Pre_{poi}$$

任意一个点预测

• 核心
  • 人口格网插值
  • 预测每个栅格点的值
• 人口格网

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A B C D

• 核密度

a b c d

• a : 100 200 True 3000

• b : 50 50 True 50

• a : 1500

• b: 1500

50%

人口格网： 数据 插值方法 -》 -》 模型误差 （）

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POI

• 居民点
• 商场 点数据
• 学校 点数据
• 公园
• 按照人口格网提取

放到 结论与展望

• 按权重分配

OD矩阵

• 空间分辨率很高
• 精度比较高
  • 他缺少地理要素

成本栅格

• 空间分辨率

  • 精度上 不如OD矩阵

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结果分析

• DEM出图

  • 坡度图
  • 高度图

• 土地利用类型出图

• NDVI 出图

• 原始数据

• 贪心算法 与自适应核密度

• 相关性分析

• 、

分析阶段

探索

• 正相关 负相关

我们的方法与地理要素之间的变量关系

• 没有加入到模型