第二章 遥感物理基础4

遥感原理与应用Applications and Principles of Remote Sensing徐州师范大学测绘学院林 卉Tel： Email： 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电磁辐射源电磁波及其特性1.波的概念 ： 波是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 分为横波和纵波两种 ,如果质点的振动方向与波的传播方向相同 ,称纵波 ;若质点振动方向与波的传播方向垂直 ,称横波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。 当电磁振荡进入空间 ,变化的磁场激发了涡旋电场 ,变化的电场又激发了涡旋磁场 ,使电磁振荡在空间传播 . 方向 :由电磁振荡向各个不同方向传播的 . 电磁波 是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理5、电磁辐射 :电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。6电磁波示意图E 电场， M 磁场， C 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：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性v 粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有 规律的运动。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性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。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，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是 射线10电磁波的波源不同 ,所产生的电磁波的波长是不同的：无线电波是由电磁振荡发射的；微波是利用谐振腔及波导管激励与传输，通过微 波天线向空间发射的；红外辐射是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的；可见光和近紫外辐射是由于原子、分子中的外层电子跃迁时产生的；紫外线、 X射线、 射线是由于内层电子的跃迁和原子核内状态的变化产生的；11三棱镜 1666年，牛顿红外线紫外线白光三棱镜宇宙射 线 X 射 线 紫外 线 红 外 线 雷达 无 线 淡薄 交流 电可见光： 380nm-760nm12 紫外光 0.01m 0.38m 可见光波段 0.38m-0.76m 紫色光 0.38m-0.43m 兰色光 0.43m-0.47m 青色光 0.47m-0.50m 绿色光 0.50m -0.56m 黄色光 0.56m -0.59m 橙色光 0.59m -0.62m 红色光 0.62m -0.76m 红外波段 0.76m -1000m 近红外 0.76m -3.0m 中红外 3.0m -6.0m 热红外 6.0m -15.0m 远红外 15.0m -1000m 微波波段 1mm-1m 毫米波 1mm-10mm 厘米波 1cm-10cm 分米波 0.1m-1m 遥感常用的电磁波波段遥感常用的电磁波波段13TM（专题绘图仪）传感器共 7个波段分别是： Tm1波段：兰光波段，波长范围是 0.45m-0.50mTm2波段：绿光波段，波长范围是 0.52m-0.60m Tm3波段：红光波段，波长范围是 0.63m-0.69mTm4波段：近红外波段，波长范围是 0.76m-0.94mTm5波段：中红外波段，波长范围是 1.55m-1.75mTm6波段：热红外波段，波长范围是 10.4m-12.5mTm7波段：中红波段，波长范围是 2.08m-2.35mSPOT多光谱图像三个波段：SPOT1波段：绿光波段，范围是 0.50m-0.59mSPOT2波段：红光波段，范围是 0.61m-0.69mSPOT3波段：近红外波段，范围是 0.79m-0.89m The Electromagnetic SpectrumMore than meets the eye!Wavelength The distance from one wave crest to the next Radio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest!Wavelength Units Meters micron More commonly in nanometers (1 nm = 10-9 meters) Speed of light = wavelength (l) x frequency = 3 x 108 m/s in vacuumWavenumers=1/wavelength(cm-1) Frequency in GHz (1 Hz = sec 1) Language of the Energy Cycle:The Electromagnetic SpectrumEnergyWavelength lSolar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mCO2 H2OO3Terrestrial(陆地 ) Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum = Thermal(热 ) Spectrum: Sahara Desert on Nimbus(大型气象实验卫星 ) 4 SatelliteTheoretical Planck(普朗克 ) curves:Earth 300K, peak emission 15 mEarth SpectrumIncoming from Sun:High energy, short wavelengthOutgoing from EarthLow energyLong wavelength0.5 m10 m20 mElectromagnetic SpectrumHigh energyShort wavelength / high frequencyEmitted at high TSunEarth紫外线 (UV)： 0.01-0.38m ， 碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光 ： 0.38-0.76 m ， 鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线 (IR) ： 0.76-1000 m 。 近红外 0.76-3.0 m ， 中红外 3.0-6.0 m ； 远红外 6.0-15.0 m ；超远红外 15-1000 m 。（ 近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。微波 ： 1mm-1m。 全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。2、 遥感常用的电磁波波段的特性三、电磁辐射源任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射。遥感的辐射源分为 自然辐射源和人工辐射源两类 。自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射；太阳辐射是 可见光及近红外 遥感的主要辐射源，地球是 远红外 遥感的主要辐射源。人工辐射源是指人为发射的具有一定波长的波束；主动遥感采用人工辐射源，目前较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐射源。辐射源1. 自然辐射源 太阳辐射 ： 是可见光和近红外的主要辐射源；常用 5900K的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中 -短波辐射 。大气层对太阳辐射的 吸收、反射和散射 。 地球的电磁辐射 ： 小于 3 m 的波长主要是太阳辐射的能量；大于 6 m 的 波长，主要是地物本身的热辐射； 3-6 m 之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。太阳光谱相当于太阳光谱相当于 6000 K的黑体辐射；的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中 0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的的可见光能量占太阳辐射总能量的 46%，最，最大辐射强度位于波长大辐射强度位于波长 0.47 m左右；左右；到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在 0.3 3.0 m波段波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。太阳辐射照度分布曲线太阳与地球辐射的电磁波谱 人工辐射源 ：主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。 微波辐射源 ： 0.8-30cm 激光辐射源 ： 激光雷达 测定卫星的位置、高度、速度、测量地形 等。电磁辐射的度量辐射测量辐射能量（ W ）： 电磁辐射的能量，电位： J辐射通量（ ）： 单位时间内通过某一面积的辐射通量，单位： W辐射通量密度（ E）： 单位时间内通过单位面积的辐射能量，单位： W/m 2辐照度（ I）： 被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，单位： W/m2辐射出射度（ M）：辐射源物体表面单位面积