第二章_遥感的物理基础

遥感原理与应用刘 勇第二章 电磁波及遥感物理基础遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的热辐射、地物与微波的作用机理。本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。第一节 电磁波与电磁波谱电磁学发展w 1845年，关于电磁现象的三个最基本的实验定律：库仑定律（ 1785年），安培 毕奥 萨伐尔定律 （ 1820年）， 法拉第 定律（ 1831-1845年）已被总结出来，法拉第的 “电力线 ”和 “磁力线 ”概念已发展成 “电磁场概念”。 w 场 概念的产生，也有麦克斯韦的一份功劳，这是当时物理学 中一个伟大的创举，因为正是场概念的出现，使当时许多物理学家得以从 牛顿 “超距观念 ”的束缚中摆脱出来，普遍地接受了电磁作用和引力作用都是 “近距作用 ”的思想。 w 1855年至 1865年，麦克斯韦在全面地审视了 库仑定律、 安培 毕奥 萨伐尔定律和法拉第定律的基础上，把数学分析方法带进了电磁学的研究领域，由此导致麦克斯韦电磁理论的诞生。 麦克斯韦方程J.C. Maxwell, 1831 1879， 英国， 是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。1.电学的高斯定理， M氏第一方程：电场性质的描述。表明在任何电磁场中，通过任何闭合曲面的电位移通量等于该闭合曲面内自由电荷的代数和。2.磁学的高斯定理， M氏第二方程：磁场性质的描述。在任何磁场中，通过任何闭合曲面的磁通量为零。3.法拉第电磁感应定律 ， M氏第三方程：描述了变化的磁场激发电场的规律。在任何电场中，电场强度沿任意闭合回路的线积分等于回路中磁通量对时间的变化率的负值。麦克斯韦方程4.普遍的安培环路定理 ， M氏第四方程：描述了变化的电场激发磁场的规律。在任何磁场中，磁场强度 H沿任意闭合回路的线积分等于回路的全电流。以上是 Maxwell方程的积分形式，是电磁理论的基础。 Maxwell方程与电磁学的关系如同牛顿运动定律与经典力学的关系一样。但不同的是，在物体接近光速时，牛顿定律需要作较大的修改，而麦氏方程无需任何修改。在麦氏预言电磁波存在 20多年之后， H.R. Hertz在实验室中产生了电磁波，并证实了电磁波具有麦氏所预言的性质。赫兹电火花实验w 两块边长 16 英寸的正方形锌板，每块锌板接上一个 12 英寸长的铜棒，铜棒的一端焊上一个金属球，将铜棒与感应圈的电极相连。通电时，如果使两根铜棒上的金属球靠近，便会看到有火花从一个球跳到另一个球。这些火花表明电流在循环不息，在金属球之间产生的这种高频电火花，即电磁波，麦克斯韦的理论认为由此电磁波便会被送到空间去。赫兹为了捕捉这些电磁波，证明它确实被送到了空间，他用一根两端带有铜球的铜丝弯成环状，当作检波器。他把这个检波器放到离电磁波发生器10 米远的地方，当电磁波发生器通电后，检波器铜丝圈两端的铜球上产生了电火花。 电磁波的产生w 电磁波的产生，要有适当的电磁振源：LC振荡电路。LC振荡电路振荡过程电磁波的发射w 频率必须高w 电路必须开放： LC电路演变成振荡偶极子电磁波的传播w 波是振动在空间的传播，对于机械波必须有传播振动的介质，如真空中就不能传播声波；w 电磁波能在空间传播，主要靠：n 变化的磁场激发涡旋电场；n 变化的电场激发涡旋磁场。电磁波的传播w 电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。w 描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、相位等。w 电磁波的特性电磁波是横波，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律 。电磁波的特性（衍射）衍射 -光通过有限大小的障碍物时偏离直线 路径的现象。什么是偏振光？自然光 线 偏振光或面偏振光cHE电磁波的特性（偏振）椭圆偏振光和圆偏振光E E偏振在微波技术中称为 “极化 ”水平极化 -垂直极化 -微波的极化特征影像判读意义重大电磁波的特性（干涉）波的叠加原理 -遥感中的作用波的相干原理 -遥感中的作用按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。 依次为： 射线 X 射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波。目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。电磁波谱电磁波谱电磁波谱w 从物理角度讲，所有电磁波都具有相同的性质，差别仅在于频率不同，但产生机制有差别。内部状态 能量（ ev) 相应的电磁波原子核内部的相互作用内 层电 子的 电 离作用外 层电 子的 电 离作用外 层电 子的激 发分子振 动 ，晶格振 动分子旋 转 及反 转电 子自旋和磁 场 相互作用层 磁 场 的相互作用107105104102102441110-510-410-510-410-510-7射 线X射 线紫外 线可 见 光红 外 线微波微波米波v 紫外线： 波长范围为 0.01 0.38m ， 太阳光谱中，只有 0.3 0.38m 波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在 2000 m以下。v 可见光： 波长范围： 0.38 0.76m ， 人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。v 红外线 ： 波长范围为 0.76 1000m ， 根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。v 微波： 波长范围为 1 mm 1 m， 穿透性好，不受云雾的影响 。遥感应用的电磁波波谱段w 近红外： 0.76 3.0 m， 与可见光相似。w 中红外： 3.0 6.0 m， 地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。w 远红外： 6.0 15.0 m， 地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。w 超远红外 ： 15.0 1 000 m， 多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。红外线的划分任何物体不停地向外辐射能量。地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。 黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于 1（ 100%）的物体。 黑体辐射 (Black Body