2电磁波及遥感物理基础

遥感概论遥感概论杭州师范大学遥感与地球科学研究院杭州师范大学遥感与地球科学研究院1 什么是遥感？什么是遥感？ 遥感的技术特点遥感的技术特点 遥感的应用领域遥感的应用领域 遥感技术的发展趋势遥感技术的发展趋势课堂回顾课堂回顾23遥感是一种 远离目标 ，以 电磁波 （包括从紫外 可见光 红外 微波）为媒介，通过 非直接接触 而判定、测量并分析目标性质的技术 。特点：视域宽广 、信息丰富、客观真实、定时定位观测、资料的可处理性应用领域：环境 灾害 海洋 农业 土地 地质 军事趋势：光学 -微波 多光谱 -高光谱电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础内容提纲内容提纲一 ：概述二 ：物体的发射辐射三 ：地物的反射辐射四 ：地物波谱特性的测定世界 上没有第二张照片，能像上图一样，在一幅画面之内集中了数量如此之多的，水平如此之高的人类精英，甚至可以说：地球上三分之一的智慧都集中在这张照片上。这张照片是 1927年第五届索尔维会议 (在布鲁塞尔举行 )参加者的合影。索尔维既是科学家又是实业家，与设立了以自己名字命名的最高科学奖金的诺贝尔相似，索尔维为世界最高水平学术会议提供了召开经费。而 这张照片中的许多人都对量子力学的发展作出了杰出的贡献：普朗克 在 1900年提出了能量子假说，以非常新奇的概念，冲破了传统概念的桎梏，揭示了微观世界中的重要规律，开创了物理学的一个全新领域，被誉为量子力学的奠基人，并于 1918年获得了诺贝尔物理学奖。爱因斯坦 在 1905年引入了光量子 (光子 )的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，进一步证实了辐射场本身也是量子化的 。玻 尔 在 1913年建立 了原子的量子理论，规定了原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。尽管对于进一步解释实验现象还有许多困难，但这个理论还是有许多的成功之处。普朗克 的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论被称为旧量子理论，此后逐渐发展形成了如今的量子力学。德布罗意 于 1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说 ,成功解释了一些经典理论无法解释的现象 。薛定 谔 在 1926年首先提出了用于描述微观粒子状态随时间变化的状态的波函数所满足的运动方程，即薛定谔方程，它是坐标和时间的复函数。海森伯 在 1927年首先提出了测不准原理，成功得说明了当微观粒子处于某一状态时，它的力学量 (如坐标、动量、角动量、能量等 )一般不具有确定的数值，而具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。而在同时， 玻尔 提出了并协原理，对量子力学给出了进一步的阐释 。7一：概 述什么是电什么是电磁波呢？磁波呢？910电磁波就在我们的身边！电磁波就在我们的身边！11“波 ” 振动的传播纵波横波电磁波定义 :是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传播电磁能量的波。电磁振荡的传播1.1.1 电磁波电磁波在空间传播的交变电磁场。在空间传播的交变电磁场。物质的一种，物质的一种， 相互依存相互依存 的电场和磁场的总和。的电场和磁场的总和。电场和磁场一有变化，就会以光速传播，形成电磁波。电场和磁场一有变化，就会以光速传播，形成电磁波。具有质量、动量、能量，静止质量为具有质量、动量、能量，静止质量为 0。射线、射线、 射线、紫外线、可见光、微波、无线电波等都是电磁波。射线、紫外线、可见光、微波、无线电波等都是电磁波。1860年麦克斯韦（年麦克斯韦（ C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。波粒二象性波粒二象性13v横波：电磁场的电场矢量和磁场矢量互相垂直，且都垂直于波的传播方向。v波动性：电磁辐射以波动的形式在空间传播。v粒子性：以电磁波形式传播出去的能量为辐射能，其传播表现即为光子组成的粒子流的运动。v叠加原理叠加原理 ：当空间同时存在由两个或两个以上的波源产生的波时，每个波并不因其它的波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率（或波长）和振动方向，按照自己的传播方向继续前进，而空间相遇点的振动的物理量则等于各个独立波在该点激起的振动的物理量之和。1900年年 ,普朗克（普朗克（ Max.Planck)提出了辐射的量子论，提出了辐射的量子论， 1905年，爱因斯坦（年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、散射。表现出粒子性，如光的发射、吸收、散射。v相干性与非相干性相干性与非相干性 ：由叠加原理可知，当两列频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波叠加时，在空间会出现某些地方的振动始终加强，另一些地方的振动始终减弱或完全抵消，这种现象叫电磁波的 相干性 。没有固定相位关系的两列电磁波叠加时，没有一定的规律可循，这种现象叫电磁波的非相干性。微波雷达图象 就是利用电磁波的相干特性成像，正因为波的相干性，图像上会出现颗粒状或斑点状的特征。其它的遥感图象是非相干波所形成的图像。麦克斯韦麦克斯韦（ 1831-1879）普朗克普朗克（ 1858-1947）爱因斯坦爱因斯坦（ 1879-1955）波动性波动性 粒子性粒子性16（ 1）波动性）波动性振幅振幅 Amplitude (A)波长波长 Wavelength (lambda, l)周期周期 Period (T) 频率频率 Frequency (f=1/T), 单位：赫兹单位：赫兹 (HZ),表示表示 1秒内波传播的次数秒内波传播的次数速度速度 Velocity (v) 17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。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。把电磁波作为粒子对待时，能量把电磁波作为粒子对待时，能量 : Q = hh, Planks constant (6.626 * 10-34 Js)能量能量 越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强 。 Plancks quantum theory:（ 2）粒子性）粒子性18遥感技术是建立在物体遥感技术是建立在物体 电磁波辐射理论电磁波辐射理论 基基础上的础上的 。不同。不同 物体具有各自的电磁波辐射特性物体具有各自的电磁波辐射特性，遥感就是通过接收物体的电磁波信号，形成，遥感就是通过接收物体的电磁波信号，形成波谱曲线或影像，各专业领域根据自己的专业波谱曲线或影像，各专业领域根据自己的专业需求提取相关信息。需求提取相关信息。19自然界各种物质在光照条件下能反射出辐射能自然界各种物质在光照条件下能反射出辐射能 ，物质由于自身具有一定的温度物质由于自身具有一定的温度 ， 因而也能不断发射出因而也能不断发射出辐射辐射 能，如能，如 果果 把把 这种反射和发射辐射能以波长为这种反射和发射辐射能以波长为参数记录下来参数记录下来 ,这就得到该物质的所这就得到该物质的所 谓谓 “谱谱 分布分布”。可以发现可以发现 ,各种不同的物质有它自己特有形式的各种不同的物质有它自己特有形式的的谱分布。遥感技术的谱分布。遥感技术 对目标物体对目标物体 进行探测和识别的工进行探测和识别的工作原理，作原理， 就是以各种物体对电磁波辐射的反射就是以各种物体对电磁波辐射的反射 或发射或发射辐射的辐射的 不同的谱分布作为理论基础不同的谱分布作为理论基础 的。的。 1.1.2 电磁波谱电磁波谱20760nm 400nm 可见光电电 磁磁 波波 谱谱红外线 紫外线 射 线X射线长波无线电波频率波长短波无线电波21目前遥感技术所使用的电磁波谱段仅占整个电磁目前遥感技术所使用的电磁波谱段仅占整个电磁波波谱的一小部分波波谱的一小部分 ,主要是在紫外线、可见光、红外线主要是在紫外线、可见光、红外线到微波到微波 部分。表中列出了遥感技术使用的电磁波谱段部分。表中列出了遥感技术使用的电磁波谱段的分类名称及其波长范围。的分类名称及其波长范围。 名 称 波长范围紫外线 0.001-0.38微米可见光 0.38-0.76微米红外线 近红外 0.76-3.0微米中红外 3.0-6.0微米远红外 6-15微米超远红外 15-1000微米微 波 毫米波 1-10毫米厘米波 10-100毫米分米波 100-1000毫米紫 0.38-0.43微米蓝 0.43-0.47微米青 0.47-0.50微米绿 0.50-0.56微米黄 0.56-0.59微米橙 0.59-0.62微米红 0.62-0.76微米遥感使用的电磁波范围 22紫外线：紫外线： 0.001-0.38m0.001-0.3 m 的紫外线几乎全部被大气层吸收；的紫外线几乎全部被大气层吸收；0.3-0.38 m 的紫外线部分能通过大气层到达地面；的紫外线部分能通过大气层到达地面； 目前目前 主要用于主要用于探测碳酸盐分布及油污染的探测碳酸盐分布及油污染的 监测监测 ，但对高空遥感不宜采用。，但对高空遥感不宜采用。 0.35m可见光：可见光： 0.38-0.76m 反射波段反射波段由由 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对 可见光可见光 能够直接能够直接感觉，不仅对可见光的全色光，而且对感觉，不仅对可见光的全色光，而且对 不同波段不同波段 的单色光，也都具有这的单色光，也都具有这种能力。所以种能力。所以 可见光是可见光是 作为鉴别作为鉴别 物质特征的主要波段，是遥感中最常用物质特征的主要波段，是遥感中最常用的波段。的波段。 遥感常用的各光谱段的主要特征：遥感常用的各光谱段的主要特征：23红外线：红外线： 0.76-1000m 近红外近红外 （ 0.76-3.0m ）：反射波段，特征与可见光）：反射波段，特征与可见光 相似相似中中 红外红外 （ 3.0-6.0m ）远红外远红外 （ 6.0-15.0m ）超超 远红外远红外 （ 15.0-1000m ）：）：发射波段，红外遥感采用热感应方式探测地物本身发射波段，红外遥感采用热感应方式探测地物本身 的辐射的辐射 （热污（热污染、火山、森林火灾等），能全天时遥感染、火山、森林火灾等），能全天时遥感 微波：微波： 1-1000mm分为：毫米波、厘米波、分米波；具有全天候、全天时、穿透性强分为：毫米波、厘米波、分米波；具有全天候、全天时、穿透性强。 24二：物体的发射辐射辐射源辐射源 任何物体任何物体电磁波传递电磁波传递 电磁能量的传递电磁能量的传递遥感探测遥感探测 辐射能量辐射能量 的测定的测定1.2.0 电磁辐射电磁辐射 的的 度量度量26辐射能量（辐射能量（ W ） 单位：单位： J，电磁辐射的能量。，电磁辐射的能量。辐射通量（辐射通量（ ） 单位：单位： W(=J/s)，单位时间内，单位时间内 通过通过 某一面积某一面积 的辐射能量。的辐射能量。*=dW/dt*辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各谱段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辐射通量的积分值。辐射通量之和或辐射通量的积分值。辐射测量辐射测量27辐射通量密度（辐射通量密度（ E ） 单位：单位： W/m2，单位时间内通，单位时间内通 过单位面积的辐射能量。过单位面积的辐射能量。* E=d/dS ， S为面积。为面积。辐照度辐照度 （ I） 单位：单位： W/m2， 被辐射的物体表面被辐射的物体表面 单单 位面积的辐射通量。位面积的辐射通量。* I=d/dS， S为面积。为面积。辐射出射度辐射出射度 （ M）：）： 单位：单位： W/m2，辐射源物体表，辐射源物体表面单位面积的辐射通量。面单位面积的辐射通量。* M=d/dS， S为面积。为面积。辐射通量密度（ E ）I：物体接收的辐射：物体接收的辐射M：物体发出的辐射：物体发出的辐射28辐射亮度（辐射亮度（ L） 单位：单位： W/（ srm2），假定有一辐），假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则而不同，则 L定义为辐射源在某一方向，定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即：量，即：辐射源向外辐射电磁波时，辐射源向外辐射电磁波时， L往往随往往随 角而改变。角而改变。接收辐射的观察者以不同的接收辐射的观察者以不同的 角观察辐射源时，角观察辐射源时， L值不同。值不同。辐射辐射亮度亮度29黑体是一个理想的辐射体，黑体也是一个黑体是一个理想的辐射体，黑体也