第二章 遥感的物理基础

第二章 遥感的物理基础本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响地物波谱特征的测定第一节 电磁波与电磁波谱v电磁波及其特性v电磁波谱v电磁辐射源一、电磁波及其特性 波的概念 ： 波是振动在空间的传播。2. 机械波： 声波、水波和地震波3. 电磁波 （ ElectroMagnetic Spectrum )由振源发出的电磁振荡在空气中传播。演示 电磁波 是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理 电磁辐射 :电磁能量随电磁波的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。其传播表现为光子（或称为量子）组成的粒子流的运动。E: 电场、 H: 磁场、 : 波长、 h: 振幅h电磁振源传播方向 电磁波的特性 电磁波是横波 在真空中以光速传播 电磁波在介质中的传播速度 V 为：C 为光速为光速 310 8 米米 /秒秒可见，电磁波在介质中的传播速度 V总是小于在真空中的传播速度 C3） 电磁波具有 波粒二象性： 电磁波在传播过程中，主要表现为波动性 ；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。v 波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待，用波长、频率、振幅等来描述。v 粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子 -光子，其能量大小用频率来描述。v 光光 是电磁波的一个特例 光的波动性 - 表现在光的干涉、衍射、偏振和色散等现象中； 光的粒子性 - 表现在光电效应、黑体辐射等现象中。v 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。电磁辐射电磁辐射 - 波动波动性性1干涉干涉 （ interference）一列波在空间传播时一列波在空间传播时 ， 将引起空间各点的振动将引起空间各点的振动 ； 两列两列 （ 或多列或多列 ）波在同一空间传播时波在同一空间传播时 ， 空间各点的振动是各列波在该点产生的振动空间各点的振动是各列波在该点产生的振动的叠加合成。这种波的叠加合成不是简单的代数和，而是矢量和。的叠加合成。这种波的叠加合成不是简单的代数和，而是矢量和。光的干涉同振幅、频率和初位相同振幅、频率和初位相 （具固定位（具固定位相关系）相关系） 的两列的两列 （或多列）（或多列） 波波 （相干波）（相干波）的叠加合成而引起振动强度重新分的叠加合成而引起振动强度重新分布的现象称为布的现象称为 “ 干涉现象干涉现象 ” 。干涉现象中，在波的交叠区有的干涉现象中，在波的交叠区有的地方振幅增加，有的地方振幅减小地方振幅增加，有的地方振幅减小， 振动强度振动强度 （ 取决于程差取决于程差 与波长的关与波长的关系）系） 在空间出现强弱相间的固定分在空间出现强弱相间的固定分布，形成干涉条纹。布，形成干涉条纹。干涉滤光片、透镜组、干涉雷达干涉滤光片、透镜组、干涉雷达天线等，均应用了波的干涉原理天线等，均应用了波的干涉原理 。 小孔的衍射波在传播过程中遇到障碍物时，在障碍物的边缘一些波偏波在传播过程中遇到障碍物时，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离直线传播而进入障碍物后面的 “ 阴影区阴影区 ” 的现象称为的现象称为 “ 衍衍射现象射现象 ” 。这是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化，导。这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。如致波在空间上振幅或强度重新分布的现象。如 光通过小孔，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。其亮斑在孔后的屏上出现的不是一个亮点，而是一个亮斑。其亮斑周围有逐渐减弱的明暗相间的圆环。其亮斑的大小（衍射角周围有逐渐减弱的明暗相间的圆环。其亮斑的大小（衍射角 ） 与小孔的直径与小孔的直径 d 成反比，与波长成反比，与波长 成正比，即成正比，即遥感中部分光谱仪的分光遥感中部分光谱仪的分光器件器件 -衍射光栅等，正是运衍射光栅等，正是运用多缝衍射原理。用多缝衍射原理。2衍射衍射 （diffraction）偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波作为一种横波，偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波作为一种横波，其相互垂直的电场和磁场的振动方向是与传播方向垂直的。传播方其相互垂直的电场和磁场的振动方向是与传播方向垂直的。传播方向确定后其振动方向并不是唯一的。它可以是垂直于传播方向的任向确定后其振动方向并不是唯一的。它可以是垂直于传播方向的任何方向。它可以是不变的，也可以随时间按一定方式变化或按一定何方向。它可以是不变的，也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转，即规律旋转，即 出现出现 偏振现象偏振现象 （ 微波中称为微波中称为 “ 极化极化 ” ） 。通常把电场振动方向的平面称为通常把电场振动方向的平面称为 偏振面偏振面 。若偏振面方向固定，。若偏振面方向固定，不随时间而改变，则为线性偏振不随时间而改变，则为线性偏振 （ 线性极化或平面极化线性极化或平面极化 ） 。沿一个固。沿一个固定方向振动的光为偏振光，一些人造定方向振动的光为偏振光，一些人造 “ 光源光源 ” （ 如激光和无线电、雷如激光和无线电、雷达发射达发射 ） 常有明确的极化状态；太阳光是非偏振光常有明确的极化状态；太阳光是非偏振光 （ 所有方向的振幅所有方向的振幅相等，无一优势方向相等，无一优势方向 ） ；介于两者之间的为部分偏振光；介于两者之间的为部分偏振光 -许多散射光许多散射光、反射光、透射光均属此类。、反射光、透射光均属此类。电磁波在反射、折射、吸收、散射过程中，不仅其强度发生变电磁波在反射、折射、吸收、散射过程中，不仅其强度发生变化，其偏振状态也往往发生变化。这种偏振状态的改变也是一种可化，其偏振状态也往往发生变化。这种偏振状态的改变也是一种可以利用的遥感信息。以利用的遥感信息。3偏振偏振 （ Polarization）线线性性极极化化类类型型任一振动方向的电磁波总可以分解为两个特定的偏振（极化）任一振动方向的电磁波总可以分解为两个特定的偏振（极化）方向。电矢量方向。电矢量 E的振动面垂直入射面的线偏振称为水平极化，平行的振动面垂直入射面的线偏振称为水平极化，平行入射面的线偏振称为垂直极化。入射面的线偏振称为垂直极化。电磁波的电磁波的 “ 粒子性粒子性 ” 是指电磁辐射除了它的连续波动状态外，还是指电磁辐射除了它的连续波动状态外，还能以能以 离散形式离散形式 存在，其离散单元称为存在，其离散单元称为 光子光子 或或 量子量子 。大量实验证明，光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。光大量实验证明，光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。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。光电倍增管、电视摄象管等光电器件，正是运用光电效应原率有关。光电倍增管、电视摄象管等光电器件，正是运用光电效应原理制作的。理制作的。 光电效应现象用光的波动性是无法解释的。光电效应现象用光的波动性是无法解释的。普朗克用模型来说明光电效应，并指出电磁辐射能量普朗克用模型来说明光电效应，并指出电磁辐射能量 Q 的大小直的大小直接与电磁辐射的频率接与电磁辐射的频率 成正比，可表示为：成正比，可表示为： （ h 为普朗克常数，取值为为普朗克常数，取值为 6.62610 -34 焦耳焦耳 秒秒 ）已知已知 ，则可得：，则可得： 可见，辐射能量可见，辐射能量 Q 与它的波长与它的波长 成反比。即电磁辐射波长越长成反比。即电磁辐射波长越长 ,其辐射能量越低。这对遥感是有重要意义的，如地表的微波发射要比其辐射能量越低。这对遥感是有重要意义的，如地表的微波发射要比热红外辐射低热红外辐射低 （更难感应）（更难感应） 。 电磁辐射电磁辐射 - 粒子性粒子性1） 波长波长 ： 指波在一个振动周期内传播的距离。即沿波的传播方指波在一个振动周期内传播的距离。即沿波的传播方向向 ， 两个相邻的同相位点间的距离两个相邻的同相位点间的距离 。 单位为单位为 cm、 mm、 m、 nm 等等 。2） 频率频率 ： 指单位时间内，完成振动或振荡的次数或周期。指单位时间内，完成振动或振荡的次数或周期。单位为单位为 Hz、 KHz、 MHz、 GHz 等。等。电磁波的波长电磁波的波长 、 频率频率 及速度间有如下关系：及速度间有如下关系： 电磁波在真空中以光速电磁波在真空中以光速 米米 /秒秒 （ m s-1 ） 传播，在传播，在 介质介质中小于但接近于光速传播。中小于但接近于光速传播。一般用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围一般用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围 。 波数波数 ：被定义为在波的传播方向单位长度内所含波长的数目，：被定义为在波的传播方向单位长度内所含波长的数目，即波长的倒数即波长的倒数 （ 1/ ），）， 单位为单位为 cm-1。3） 振幅振幅 h ： 表示电场振动的强度。它指振动物理量偏离平衡位置表示电场振动的强度。它指振动物理量偏离平衡位置的最大位移的最大位移 ， 即每个波峰的高度即每个波峰的高度 。 单位为单位为 瓦特瓦特 /米米 2 厘米厘米 （ w m-2 cm-1）电磁能量的主要参数电磁能量的主要参数右图右图 :表示单位波长间隔内的辐射通量表示单位波长间隔内的辐射通量 - 光谱辐射通量光谱辐射通量 ，表达为：表达为：（ ） = d / d单位为单位为 瓦瓦 /微米微米 （ w m-1） 。 （ radiant flux） ， 又称辐射功率，又称辐射功率，指单位时间内，通过某一表面的辐射能量。指单位时间内，通过某一表面的辐射能量。 单位为单位为 瓦（瓦（ w），）， 即焦耳即焦耳 /秒秒 (J s-1)， 表达为：表达为： = dQ / dt辐射通量是波长的函数。辐射通量是波长的函数。光谱辐射通量光谱辐射通量光谱分布曲线光谱辐射通量辐射通量1 2 波 长辐射通辐射通量量 辐射出射度辐射出射度 M （ radiant exitance） ，指面辐射源在单位时间内，从单位面积上指面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出辐射出 的辐射能量的辐射能量 ， 即物体单位面积上发即物体单位面积上发出的辐射通量（出的辐射通量（ = dQ / dt ） ， 单位为单位为 瓦瓦/米米 2（ w m-2 ），）， 表达为：表达为：dAdAd 辐射照度辐射照度 E （ irradiance） ， 简称辐照度简称辐照度 ，指面辐射源在单位时间内指面辐射源在单位时间内 ， 从单位面积上从单位面积上 接接收收 的辐射能量的辐射能量 ， 即照射到物体单位面积上的即照射到物体单位面积上的辐射通量辐射通量 ， 单位为单位为 瓦瓦 /米米 2（ w m-2 ） ， 表达为：表达为：辐射通量密度辐射通量密度 立体角立体角“ 立体角立体角 ” -一个锥面所围成的空间部分一个锥面所围成的空间部分 。 它以锥的顶它以锥的顶点为圆心点为圆心 ， 半径为半径为 1的球面被锥面所截的面积来度量的球面被锥面所截的面积来度量 ， 常用常用 表示表示 ， 其度量单位为其度量单位为 “ 球面度球面度 ” 。 = A / R （ R为球半径，为球半径， A为球面积）为球面积）一个球体由球心对全球面所张立体角为一个球体由球心对全球面所张立体角为 4球面角球面角 （ =4）；半球面所张立体角为半球面所张立体角为 2球面角球面角 （ =2 ）。立体角立体角 - 球面度球面度 sr指指 点辐射源点辐射源 在单位立体角、单位时间内，向某一方向在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，即点辐射源发出的辐射能量，即点辐射源 (O)在某一方向上在某一方向上 (、 )单位单位立体角立体角 (d)内发出的辐射通量，单位为内发出的辐射通量，单位为 瓦瓦 /球面度球面度 (w sr-1 )， 表达为：表达为：辐射辐射强度强度 I （ radiant intensity）辐射强度辐射强度点点 辐射源辐射源dAzyxO点源的辐射强度点源的辐射强度(极坐标中极坐标中 ) 微小立体角元微小立体角元：d = dA/R2 = sindd辐射亮辐射亮度度 L ：辐射亮度辐射亮度 ， 简称辐亮度，指简称辐亮度，指 面辐射源面辐射源 在单位立体角、单在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积 （ 法向面积法向面积 ） 上上辐射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立辐射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量，如右图所示，单位为体角内的辐射通量，如右图所示，单位为 瓦瓦 /米米 2 球面度球面度 （w m-2 sr-1 ），）， 表达为：表达为： A cos A 辐射亮度（ radiance）遥感观测的是遥感观测的是 辐射亮度值辐射亮度值 L 。二、电磁波谱 电磁波谱 ： 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。在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其次是红外线、可见光、紫外线、 X射线；波长最短的是射线电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。无线电波 是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生的 红外线 是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的 .可见光、紫外线 是原子外层电子受激发产生的 X射线 是原子内层电子受激发产生的 射线 是原子核受激发产生的 遥感原理The Electromagnetic SpectrumMore than meets the eye!Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumEnergyWavelength l常用电磁波分类常用电磁波分类名称和波长范围名称和波长范围Solar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mCO2 H2OO3Terrestrial Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum = Thermal Spectrum: Sahara Desert on Nimbus 4 SatelliteTheoretical Planck curves:Earth 300K, peak emission 15 mEarth SpectrumIncoming from Sun:High energy, short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 m10 m20 m1.紫外线波长范围为 0.010.4 微米。太阳辐射中的紫外线通过大气层时，波长小于 0.3微米紫外线几乎都被吸收，只有 0.30.4 微米波长的紫外线部分能够穿过大气层到达地面，能量很少，并能使溴化银感光。紫外线在遥感中主要用于探测碳酸盐分布和油污染的监测等。由于紫外线从空中可探测的高度大致在2000m以下，因此紫外线对高空遥感不宜采用。 2、 遥感常用的电磁波波段的特性2. 可见光可见光 波长范围为 0.40.76 微米，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光的全色光和单色光都可直接感觉，因此可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。3. 红外线红外线 波长范围为 0.761000 微米 近红