第二讲、电磁波及遥感物理基础2013(通识课)

第二讲电磁波及遥感物理基础本讲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、地物的热辐射等。本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、近红外、热红外遥感机理，以及地物波谱特征。第二讲电磁波及遥感物理基础2.1、电磁波与电磁波谱2.2、物体的发射辐射2.3、大气对电磁波的影响2.4、物体的反射辐射2.1电磁波与电磁波谱电磁波交互变化的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波是波动性和粒子性，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等。电磁波谱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：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。电磁波谱紫外：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。可见光：波长范围：0.38～0.76μm，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。红外：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。遥感应用的电磁波波谱段划分•近红外：0.76～3.0µm，与可见光相似。•中红外：3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。•远红外：6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。•超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。红外线的划分1、电磁波的叠加2、电磁波的相干（干涉）3、电磁波的偏正（极化）4、电磁波的衍射电磁波的特性与遥感应用电磁波叠加若干个光波相遇时产生的光强分布等于由各个成员波单独造成的光强分布之和的现象。电磁波相干（干涉）若干个光波相遇时产生的光强分布不等于由各个成员波单独造成的光强分布之和，而出现明暗相间的现象。产生的条件：只有两列光波的频率相同，位相差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉电磁波的偏正（极化）电磁波的衍射1、电磁波谱与电磁辐射(1)电磁波与电磁波谱(2)电磁波(2)黑体辐射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。1、黑体辐射2、一般物体辐射3、太阳辐射2.2地物的发射辐射黑体定义：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(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。1、黑体辐射表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。1/1522)(kTchehcTW、MaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918黑体辐射的能量是由温度决定的1、黑体辐射普朗克热辐射定律黑体辐射的三个特性1、温度越高，总的辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。2、随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。3、辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。4001/1522TdkTchehcW(1)玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmann'slaw即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同温度3005001000200030004000500060007000波长9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(2)维恩位移定律：Wien'sdisplacementlawbTmax620K380K随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。(3)瑞里—金斯公式2)(2kTW黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值2、一般地物的发射1)、发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。•影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。黑WW按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。3、太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线。太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。（1.360×103W/m2）；太阳辐射和黑体辐射基本一致；太阳光谱相当于6000K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47µm左右；太阳辐射的光谱是连续的；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3---3.0µm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；x射线、r射线、远紫外和微波波段能力小，且不稳定，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。2.3大气对电磁波的影响•1、地球大气•2、大气对电磁波的影响•3、大气窗口1、地球大气•大气成分主要有：•氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢等。这些气体在80km以下的相对比例保持不变，通常称为不变成分。•臭氧、水蒸气、液态和固态水(雨、雾、雪、冰等)、盐粒、尘烟等。这些气体的含量随高度、温度、位置而变，通常称为可变成分。•对流层（从地表到平均高度12km处）•1、温度随高度上升而下降，每上升1km下降6度。•2、空气密度和气压也随高度上升而下降，地面空气密度为1.3*10-3g／cm3，气压105Pa。对流层顶部空气密度为0.4*10-3g／cm3，气压下降到0.26*105Pa左右。•3、空气中不变成分的相对含量,氮占78．09％，氧占20．95％，氩等其余气体共占不到1％。可变成分中,臭氧含量较少，水蒸气含量不固定。•平流层(在12～80km的垂直区间)•1、平流层又可分为同温层、暖层和冷层。•2、空气密度继续随高度上升而下降。•3、层中不变成分的气体含量与对流层的相对比例关系一样，只是绝对密度变小，平流层中水蒸气含量很少，可忽略不计。•4、臭氧含量比对流层大，在这一层的25～30km处，臭氧含量较大，这个区间称为臭氧层，再向上又减少，至55km处趋近于零。•电离层（在80～1000km的垂直区间）•1、电离层空气稀薄，因太阳辐射作用而发生电离现象。分子被电离成离子和自由电子状态。•2、电离层中气体成分为氧、氦、氢及氧离子，无线电波在电离层中发生全反射现象。•3、电离层温度较高，上层达600～800度。•外大气层（1000km以上）•1、1000～2500km间主要是氦离子，称氦层。•2、2500～25000km处主要是氢离子，又称质子层，温度可达1000度。2、大气对电磁波的影响•大气对电磁波的影响主要有散射、吸收、折射、透射等，而对于遥感来说，主要的影响因素是散射和吸收。•（1）大气对电磁波的吸收•（2）大气对电磁波的散射•（3）大气对电磁波反射和折射等•（1）大气对电磁波的吸收•大气中有一些成分如水蒸气、二氧化碳、臭氧对电磁波谱中某些波长处的电磁波能量有或多或少的吸收。根据实验测定其主要的吸收带为：水蒸气对太阳光谱的吸收二氧化碳对太阳光谱的吸收大气中其它气体对太阳光谱的吸收•（2）大气对电磁波的散射电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称散射。散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象。散射的能力依赖于大气中的分子和微粒的直径与电磁波波长之间的关系。A、均匀散射当不均匀颗粒的直径aλ时，发生均匀散射，散射强度与波长无关。B、米氏(Mie)散射如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级，发生米氏散射；散射强度与波长的二次方成反比。C、瑞利（Rayleigh）散射瑞利散射的条件是介质中的不均匀颗粒的直径a远小于入射电磁波波长，散射强度与波长的四次方成反比。•（3）大气对电磁波的反射和折射•电磁波穿过大气层时还会出现传播方向的改变即发生折射。大气的折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大。离地面越高，空气越稀薄折射也越小。正因为电磁波传播过程中折射率的变化，使电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线。•电磁波传播过程中若通过两种介质的反射作用很小，反射现象主要发生在云层交界面，还会出现反射现象。3、大气窗口•太阳辐射由于折射改变了方向，并不改变太阳辐射的强度。因此，就辐射强度而言，太阳辐射经过大气传输后，主要是反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波段，才对观测有意义。通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段称为大气窗口。•大气窗口的光谱段主要有：•1、紫外、可见光、近红外波段（0.3—1.15μm）0.3---0.4μm透过率约为70%0.4---0.7μm透过率约为95%0.7---1.1μm透过率约为80%这一波段范围是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，如Landsat卫星的TMl～4波段，SPOT卫星的HRV1～3波段。•2、近红外波段（1.5---1.8μm和2.0---3.5μm）透过率约在60%～95％之间，是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如TM的5，7波段等，用以探测植物含水量以及云、雪、或用于地质遥感等。•3、中红外波段（3.5～5.5μm）透过率约在60%～70％之间，该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55—3.93探测海面温度，获得昼夜云图，可用于森林火灾、火山、核爆炸的监测等。•4、热红外波段（8～14μm）透过率约在80％左右，属于地物发射波谱，常温下地物辐射的波长最大为9.7μm。主要用于探测自地物热辐射的能量或温度；适于夜间成像。•5、微波波段（0.8～2.5cm）透过率近100％，由于大气对微波几乎没有影响，这一区间可以全天候观测。如Radarsat的卫星雷达的波段就在这一区间，常用的波段为0.8cm，3.0cm，5.0cm，10.0cm，甚至可将该窗口扩展至0.05---300cm。2.4地物的反射辐射1、关于地物反射辐射的几个概念2、几种典型地物反射波谱特性3、影响地物光谱反射率变化的因素•地物反射和反射率：当电磁辐射能到达两种不同介质的分界面时，入射能量的一部分或全部返回原介质的现象，称之为反射。反射的特征可以通过反射能占入射能的比例，即反射率的测定定量化。镜面反射漫反射方向反射1、关于地物反射辐射的几个概念•A、镜面反射当入射能量全部或几乎全部按相反方向反射，且反射角等于入射角，称为镜面反射。镜面反射分量是相位相干的，且振幅变化小，并有极化（偏振）。假若表面相对于入射波长是光滑的（λ＞＞界面粗糙度），则出现镜面反射。对可见光而言，在镜面、光滑金属表面、平静水体表面均可发生镜面反射；而对微波而言，由于波长较长，故道路面也符合镜面反射规律。•B、漫反射当入射能量在所有方向均匀反射，即入射能量以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向同性的反射能量的现象，称为漫反射，又称郎伯（Lambert）反射，也称各向同性反射。漫反射相位和振幅的变化无规律，且无极化（偏振）。一个完全的漫反射体称为朗伯体，其电磁波的反射服从于朗伯余弦定律。从任何角度观察朗伯表面，其反射