第02讲 遥感物理基础之一_电磁波谱与电磁辐射

遥感地质学Remote Sensing Geology遥感物理基础（ 1）电磁波谱与电磁辐射河北工程大学 资源学院遥感地质学章节内容第一章 绪论第二章 遥感物理基础（电磁辐射与电磁波谱）第三章 遥感成像原理与图像特征第四章 遥感图像处理第五章 遥感图像地质解译标志第六章 遥感图像地貌解译第七章 遥感图像的岩性解译第八章 遥感图像构造解译第九章 遥感应用上次内容回顾1、遥感的基本概念2、遥感探测系统的组成部分3、遥感与常规调查手段相比所具有的特点4、遥感地质学的研究内容从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身，从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输及其处理分析，来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。遥感技术系统：遥感平台和遥（传）感器，地面接收站，图像处理和解译分析大面积的同步观测 时效性好，动态监测，快速更新监控范围数据数据的综合性和可比性 经济性局限性（ 1）各类地质体和电磁辐射（反射、吸收、发射等）特性，及测试、分析与应用；（ 2）遥感数据资料地学信息提取原理与方法；（ 3）遥感图像的地质解译与编图；（ 4）遥感技术在地质各个领域的具体应用和实效评价。第二章 遥感物理基础本章主要内容电磁波谱与电磁辐射的概念地球大气对电磁辐射传输的影响地球辐射与地物波谱特征彩色原理（色度学）一、电磁波谱与电磁辐射 电磁波谱电磁波的概念电磁波的性质电磁波谱的概念 电磁辐射电磁辐射的度量电磁辐射规律电磁波的概念电磁波：也叫电磁辐射，是电磁振荡在空间的传播。一、 电磁波谱与电磁辐射什么是波？波（波动）：波是振动在空间的传播，各质点在平衡位置振动而能量向前传播的现象。按介质质点传递能量的方式波分为：机械波： 声波、水波和地震波电磁波： 由振源发出的电磁振荡来传播传递能量。按质点振动方向与波的传播方向的关系，波分为 横波 和 纵波1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。根据麦克斯韦理论，任何变化的电场周围都会产生变化的磁场，而变化的磁场又会在它周围感应出变化的电场。电场和磁场相互激发并向外传播，这就是电磁波。1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。电磁波的电场强度 E、磁感应强度 M、传播方向 C之间始终保持垂直的关系。是一种横波。电磁波可以用 波长（频率）、强度、传播方向、偏振面 这四个物理量加以描述。电磁波的性质1.电磁波不需要介质，在真空中以光速传播，并满足以下关系式：一、 电磁波谱与电磁辐射2.电磁波在不同介质中传播时会产生一系列现象：反射、折射、吸收、透射、散射。3.电磁波的叠加原理和相干性4.电磁波的衍射5.电磁波的偏振（极化）一、 电磁波谱与电磁辐射 电磁波的性质叠加：当振动方向和振动频率 均不同 的多列波在空间相遇时，相遇点的 复合振动 等于各列波在 该点的矢量和 ， 而在其它位置每一列波仍保持原有的特征 ，因此，波的传播是独立的，这就是叠加原理。相干：两列频率、振动方向、相位都相同或相位差恒定的电磁波叠加时，某些部位处于振动永远加强，而另一些部位则处于振动永远减弱或完全抵消的现象。波长较长的电磁波干涉现象较明显，利用干涉微波技术，可以记载微波的相位信息，这一技术已运用于微波干涉雷达测量三维地形上。相干作用的结果使得影像产生颗粒状或斑点，影响人们对图像的解译。电磁波在传播过程中绕过障碍物而传播到其背后的现象称为衍射。在设计遥感器物镜的孔径时要考虑衍射问题。电磁波是交变电磁场在空间的传播，在传播过程中，电场强度、磁感应强度和传播方向三者之间始终保持垂直。在遥感技术中，人们更重视电场强度在传播中发生的变化，因为只有电场强度才对感光材料产生感光作用和对人的视觉产生生理作用。通常电场强度在垂直于传播方向的平面上，各向振幅是相等的， 若其总是固定在某个方向振动，则称为电磁波在该方向被极化（偏振）。电场矢量与入射面（地面）法平面关系有：水平极化 H方式：二者互相垂直垂直极化 V方式，二者互相平行极化现象是影响微波图像灰度的一个重要因素，主要应用于偏振摄影、雷达成像和激光技术中。6.电磁波的色散7.电磁波的多普勒效应8.电磁波的波粒二象性一、 电磁波谱与电磁辐射 电磁波的性质电磁波在真空中传播时，波速与波长、频率无关。但当进入介质时，不同波长的光波在同一介质中的波速就有差异。例如，太阳光在通过棱镜后分解为七色光，这就是 色散现象 。电磁辐射源与观察者相对运动引起电磁辐射频率改变的现象。电子测速原理。 波动性： 电磁波是以波动的形式在空间传播，主要 表现在它的时空周期性，可以用波长、速度、周期和频率来表示，主要表现在干涉、衍射、偏振、折射等现象。 粒子性：它是由密集的光子微粒流组成的，电磁辐射的实质是光子微粒流的有规律的运动。 电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性。光电效应、康普顿效应（ X射线被轻物质散射出现了波长大于原波长的现象，光子与电子碰撞理论）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。短波主要表现为粒子性，长波则表现为波动性。电磁波谱 定义：各种电磁波按其波长（或频率）的大小依次排列形成的图表，就叫 电磁波 谱。一、 电磁波谱与电磁辐射 各类电磁辐射的产生机理以及它们与物质的相互作用特点一、 电磁波谱与电磁辐射 电磁波谱遥感常用的电磁波波段 紫外波段 可见光波段 红外波段 微波紫外波段： 0.01-0.38m，波长小于 0.28m的紫外线，在通过大气层时被臭氧层及其它成分吸收。只有波长 0.28-0.38m的紫外线，部分能穿过大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，可以作为遥感的辐射源，称为摄影紫外。 碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光波段： 0.38-0.76 m，人的视觉能见到的电磁波段，可以用棱镜分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。可用摄影、扫描等各种方式成像。鉴别地物特征的主要波段。是遥感最常用的波段。红外波段 ： 0.76-1000 m。近红外 ： 0.76-3.0 m， 近红外 又称光红外或 反射红外 ： 0.76-1.3 m可使胶片感光，摄影红外。中红外 ： 3.0-6.0 m；远红外 ： 6.0-15.0 m；中红外和远红外又称 热红外， 可以探测地物的温度及与温度有关的性质。超远红外 ： 15-1000 m。微波： 1mm-1m。毫米波 1mm-10cm，厘米波 1cm-10cm，分米波 10cm-1m。微波遥感的 最大优点 是它的 全天时和全天候能力 。由于微波的穿透能力较可见光和红外波为强，所以它不怕云、植被及其他人为遮蔽物的阻挡。但由于微波的波长较长，因而所获的图像空间分辨率较低，针对微波遥感这方面的弱点，许多相应的改进技术一直在发展中，比如各种相干信号处理技术（合成孔径技术、相控技术等）等。微波遥感有主动与被动之分，具有穿透能力强，发展潜力大。 在农林、地质、水文、考古和全球环境探测中都有重要应用。一、 电磁波谱与电磁辐射 电磁波谱电磁辐射的度量v电磁辐射源v电磁辐射的度量一、 电磁波谱与电磁辐射任何物体都可以向外辐射电磁波。自然辐射源：太阳、地球。人工辐射源：雷达、激光、燃烧的炉子、 X射线发生器。 辐射是能量，电磁波传播的是电磁能量。遥感探测就是 测定辐射能量 （光度）。辐射能量（ W）辐射通量（ ）辐射通量密度（ E）辐照度（ I）辐射出射度（ M）辐射亮度（ L）电磁辐射的能量，单位 J单位时间内通过某一面积的电磁辐射的能量，单位 W。光通量单位为流明 lm。单位时间通过单位面积的辐射能量。辐照度（ I）： 被辐射物体表面单位面积上的辐射通量；辐射出射度（ M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。辐射亮度（ L）：面状辐射源在某一方向上单位投影面积、单位立体角内的辐射能量。单位是 W/(sr.m2)朗伯源：辐射亮度 L与观察角度无关的辐射源。如粗糙的表面（近似），涂 MgO的表面（近似）用作光谱测量的标准板，太阳（近似），绝对黑体。电磁辐射的规律v热辐射v黑体辐射v实际物体辐射v太阳辐射和地球辐射一、 电磁波谱与电磁辐射绝对黑体黑体辐射规律普朗克公式 斯忒藩 -玻尔兹曼定律 维恩位移定律热辐射：由物体内部粒子热运动产生的电磁辐射，（红外辐射：任何温度高于绝对零度的物体都存在着分子热运动，并能产生中、远红外的电磁辐射）。热辐射能量的度量：温度。理想的标准热辐射体参照源绝对黑体。在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数 恒等于 1（即全部吸收 100% ）的物体称为 “绝对黑体 ”，简称 “黑体 ”，也称 “普朗克辐射体 ”。热辐射自然界不存在绝对黑体， 黑色的烟煤、恒星、太阳是接近绝对黑体的辐射源。黑体辐射规律1、普朗克公式 2、斯忒藩 -玻尔兹曼定律 3、维恩位移定律一、 电磁波谱与电磁辐射1、普朗克公式： 描述黑体辐射出射度与温度、波长分布的关系。 一、 电磁波谱与电磁辐射 黑体辐射规律不同温度下的黑体辐射2、斯忒藩 -玻尔兹曼 (Stefan-Boltzmann)定律 :绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。M(T) T 4 式中 为斯忒藩波尔兹曼常数， 5.6710 8 W/(m2K 4） 一、 电磁波谱与电磁辐射 黑体辐射规律3、维恩位移定律 (Wiens displacement law)黑体的光谱出射度极值对应的波长 max与温度 T成反比。 式中 b为常数， b 2.89810 3 （ mK ）该定律反映出，随着黑体温度的升高（或降低）， max向短波（或长波）方向变化。一、 电磁波谱与电磁辐射 黑体辐射规律黑体辐射的三个特性辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长越往左移即向短波方向移动。一、 电磁波谱与电磁辐射 黑体辐射规律实际物体辐射基尔霍夫定律实际物体辐射公式物体的热惯量按发射辐射特征，物体分为：黑体灰体选择性辐射体 一、 电磁波谱与电磁辐射实际物体的比辐射率（发射率、吸收系数）：实际物体辐射出射度与黑体辐射出射度之比。黑体： 它的发射辐射最大（发射率为 1）发射率与波长无关，反射率、透射率均为 0；灰体 (grey body)： 对于各种波长的电磁波，吸收系数为常数（即吸收系数与波长无关）的物体称为 “灰体 ”。其吸收系数介于 0与 1之间。选择性辐射体（ selective body）， 发射本领随波长的变化而变化的物体（具有选择性吸收）。这类辐射体的辐射频谱曲线有明显的最大值和最小值。基尔霍夫定律：在给定温度下，任何物体的辐射出射度与吸收系数之比是一个常数。一、 电磁波谱与电磁辐射 实际物体辐射由基尔霍夫定律可知： 温度相同的甲乙两物体，对于某波长的辐射，如果甲比乙吸收的多，则甲比乙发射的也多； 物体不吸收某波长的辐射，也就不发射该波长的辐射； 一般物体的热辐射出射度小于同温度的绝对黑体的辐射出射度。实际物体辐射公式： M(,T)=M0 黑体 =1，与波长无关。黑体不一定是黑色。 灰体 实际物体辐射太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；是可见光及近红外遥感的主要辐射源；常用 5900k的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大，从 0.2m 到 3.0m 。地球大气层对太阳辐射有吸收、反射和散射作用。地球的电磁辐射：大于 6m 的波长，主要是地物本身的热辐射；是远红外遥感的辐射源。3-6m 之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。一、 电磁波谱与