第02講 遙感物理基礎(chǔ)之一 電磁波譜與電磁輻射課件

遙感地質(zhì)學(xué)

RemoteSensingGeology遙感物理基礎(chǔ)（1）－電磁波譜與電磁輻射河北工程大學(xué)資源學(xué)院第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射遙感地質(zhì)學(xué)章節(jié)內(nèi)容第一章緒論第二章遙感物理基礎(chǔ)（電磁輻射與電磁波譜）第三章遙感成像原理與圖像特征第四章遙感圖像處理第五章遙感圖像地質(zhì)解譯標(biāo)志第六章遙感圖像地貌解譯第七章遙感圖像的巖性解譯第八章遙感圖像構(gòu)造解譯第九章遙感應(yīng)用第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射上次內(nèi)容回顧1、遙感的基本概念2、遙感探測系統(tǒng)的組成部分3、遙感與常規(guī)調(diào)查手段相比所具有的特點(diǎn)4、遙感地質(zhì)學(xué)的研究內(nèi)容從遠(yuǎn)處探測、感知物體或事物的技術(shù)。即不直接接觸物體本身，從遠(yuǎn)處通過各種傳感器探測和接收來自目標(biāo)物體的信息，經(jīng)過信息的傳輸及其處理分析，來識別物體的屬性及其分布等特征的綜合技術(shù)。遙感技術(shù)系統(tǒng)：遙感平臺和遙（傳）感器，地面接收站，圖像處理和解譯分析☆大面積的同步觀測☆時效性好，動態(tài)監(jiān)測，快速更新監(jiān)控范圍數(shù)據(jù)☆數(shù)據(jù)的綜合性和可比性☆經(jīng)濟(jì)性☆局限性（1）各類地質(zhì)體和電磁輻射（反射、吸收、發(fā)射等）特性，及測試、分析與應(yīng)用；

（2）遙感數(shù)據(jù)資料地學(xué)信息提取原理與方法；

（3）遙感圖像的地質(zhì)解譯與編圖；

（4）遙感技術(shù)在地質(zhì)各個領(lǐng)域的具體應(yīng)用和實(shí)效評價。第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射第二章遙感物理基礎(chǔ)

本章主要內(nèi)容電磁波譜與電磁輻射的概念地球大氣對電磁輻射傳輸?shù)挠绊懙厍蜉椛渑c地物波譜特征彩色原理（色度學(xué)）第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射一、電磁波譜與電磁輻射電磁波譜電磁波的概念電磁波的性質(zhì)電磁波譜的概念電磁輻射電磁輻射的度量電磁輻射規(guī)律第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射電磁波的概念電磁波：也叫電磁輻射，是電磁振蕩在空間的傳播。一、電磁波譜與電磁輻射什么是波？波（波動）：波是振動在空間的傳播，各質(zhì)點(diǎn)在平衡位置振動而能量向前傳播的現(xiàn)象。按介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)傳遞能量的方式波分為：機(jī)械波：聲波、水波和地震波電磁波：由振源發(fā)出的電磁振蕩來傳播傳遞能量。按質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向的關(guān)系，波分為橫波和縱波1864年，英國科學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導(dǎo)出電磁波與光具有同樣的傳播速度。根據(jù)麥克斯韋理論，任何變化的電場周圍都會產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又會在它周圍感應(yīng)出變化的電場。電場和磁場相互激發(fā)并向外傳播，這就是電磁波。1887年德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。電磁波的電場強(qiáng)度E、磁感應(yīng)強(qiáng)度M、傳播方向C之間始終保持垂直的關(guān)系。是一種橫波。電磁波可以用波長（頻率）、強(qiáng)度、傳播方向、偏振面這四個物理量加以描述。第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射電磁波的性質(zhì)1.電磁波不需要介質(zhì)，在真空中以光速傳播，并滿足以下關(guān)系式：一、電磁波譜與電磁輻射第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射2.電磁波在不同介質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生一系列現(xiàn)象：反射、折射、吸收、透射、散射。3.電磁波的疊加原理和相干性4.電磁波的衍射5.電磁波的偏振（極化）一、電磁波譜與電磁輻射>>電磁波的性質(zhì)疊加：當(dāng)振動方向和振動頻率均不同的多列波在空間相遇時，相遇點(diǎn)的復(fù)合振動等于各列波在該點(diǎn)的矢量和，而在其它位置每一列波仍保持原有的特征，因此，波的傳播是獨(dú)立的，這就是疊加原理。相干：兩列頻率、振動方向、相位都相同或相位差恒定的電磁波疊加時，某些部位處于振動永遠(yuǎn)加強(qiáng)，而另一些部位則處于振動永遠(yuǎn)減弱或完全抵消的現(xiàn)象。波長較長的電磁波干涉現(xiàn)象較明顯，利用干涉微波技術(shù)，可以記載微波的相位信息，這一技術(shù)已運(yùn)用于微波干涉雷達(dá)測量三維地形上。相干作用的結(jié)果使得影像產(chǎn)生顆粒狀或斑點(diǎn)，影響人們對圖像的解譯。電磁波在傳播過程中繞過障礙物而傳播到其背后的現(xiàn)象稱為衍射。在設(shè)計遙感器物鏡的孔徑時要考慮衍射問題。電磁波是交變電磁場在空間的傳播，在傳播過程中，電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和傳播方向三者之間始終保持垂直。在遙感技術(shù)中，人們更重視電場強(qiáng)度在傳播中發(fā)生的變化，因?yàn)橹挥须妶鰪?qiáng)度才對感光材料產(chǎn)生感光作用和對人的視覺產(chǎn)生生理作用。通常電場強(qiáng)度在垂直于傳播方向的平面上，各向振幅是相等的，若其總是固定在某個方向振動，則稱為電磁波在該方向被極化（偏振）。電場矢量與入射面（地面）法平面關(guān)系有：水平極化H方式：二者互相垂直垂直極化V方式，二者互相平行極化現(xiàn)象是影響微波圖像灰度的一個重要因素，主要應(yīng)用于偏振攝影、雷達(dá)成像和激光技術(shù)中。第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射6.電磁波的色散7.電磁波的多普勒效應(yīng)8.電磁波的波粒二象性一、電磁波譜與電磁輻射>>電磁波的性質(zhì)電磁波在真空中傳播時，波速與波長、頻率無關(guān)。但當(dāng)進(jìn)入介質(zhì)時，不同波長的光波在同一介質(zhì)中的波速就有差異。例如，太陽光在通過棱鏡后分解為七色光，這就是色散現(xiàn)象。電磁輻射源與觀察者相對運(yùn)動引起電磁輻射頻率改變的現(xiàn)象。電子測速原理?！?/p>

波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳播，主要表現(xiàn)在它的時空周期性，可以用波長、速度、周期和頻率來表示，主要表現(xiàn)在干涉、衍射、偏振、折射等現(xiàn)象?！锪Ｗ有裕核怯擅芗墓庾游⒘Ａ鹘M成的，電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒流的有規(guī)律的運(yùn)動。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計性。光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)（X射線被輕物質(zhì)散射出現(xiàn)了波長大于原波長的現(xiàn)象，光子與電子碰撞理論）波粒二象性的程度與電磁波的波長有關(guān)：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動特性愈明顯。短波主要表現(xiàn)為粒子性，長波則表現(xiàn)為波動性。第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射電磁波譜定義：各種電磁波按其波長（或頻率）的大小依次排列形成的圖表，就叫電磁波譜。一、電磁波譜與電磁輻射第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射各類電磁輻射的產(chǎn)生機(jī)理以及它們與物質(zhì)的相互作用特點(diǎn)一、電磁波譜與電磁輻射>>電磁波譜第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射遙感常用的電磁波波段★紫外波段★可見光波段★紅外波段★微波紫外波段：0.01-0.38μm，波長小于0.28μm的紫外線，在通過大氣層時被臭氧層及其它成分吸收。只有波長0.28-0.38μm的紫外線，部分能穿過大氣層，但散射嚴(yán)重，只有部分投射到地面，可以作為遙感的輻射源，稱為攝影紫外。碳酸鹽巖分布、水面油污染?？梢姽獠ǘ危?.38-0.76μm，人的視覺能見到的電磁波段，可以用棱鏡分為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光?？捎脭z影、掃描等各種方式成像。鑒別地物特征的主要波段。是遙感最常用的波段。紅外波段：0.76-1000μm。

近紅外：0.76-3.0μm，近紅外又稱光紅外或反射紅外：0.76-1.3μm可使膠片感光，攝影紅外。

中紅外：3.0-6.0μm；

遠(yuǎn)紅外：6.0-15.0μm；中紅外和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外，可以探測地物的溫度及與溫度有關(guān)的性質(zhì)。

超遠(yuǎn)紅外：15-1000μm。微波：1mm-1m。毫米波1mm-10cm，厘米波1cm-10cm，分米波10cm-1m。微波遙感的最大優(yōu)點(diǎn)是它的全天時和全天候能力。由于微波的穿透能力較可見光和紅外波為強(qiáng)，所以它不怕云、植被及其他人為遮蔽物的阻擋。但由于微波的波長較長，因而所獲的圖像空間分辨率較低，針對微波遙感這方面的弱點(diǎn)，許多相應(yīng)的改進(jìn)技術(shù)一直在發(fā)展中，比如各種相干信號處理技術(shù)（合成孔徑技術(shù)、相控技術(shù)等）等。

微波遙感有主動與被動之分，具有穿透能力強(qiáng)，發(fā)展?jié)摿Υ?。在農(nóng)林、地質(zhì)、水文、考古和全球環(huán)境探測中都有重要應(yīng)用。一、電磁波譜與電磁輻射>>電磁波譜第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射電磁輻射的度量電磁輻射源電磁輻射的度量一、電磁波譜與電磁輻射任何物體都可以向外輻射電磁波。自然輻射源：太陽、地球。人工輻射源：雷達(dá)、激光、燃燒的爐子、X射線發(fā)生器。輻射是能量，電磁波傳播的是電磁能量。遙感探測就是測定輻射能量（光度）。輻射能量（W）輻射通量（Φ）輻射通量密度（E）輻照度（I）輻射出射度（M）輻射亮度（L）電磁輻射的能量，單位J單位時間內(nèi)通過某一面積的電磁輻射的能量，單位W。光通量單位為流明lm。單位時間通過單位面積的輻射能量。輻照度（I）：被輻射物體表面單位面積上的輻射通量；輻射出射度（M）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量。輻射亮度（L）：面狀輻射源在某一方向上單位投影面積、單位立體角內(nèi)的輻射能量。單位是W/(sr.m2)朗伯源：輻射亮度L與觀察角度無關(guān)的輻射源。如粗糙的表面（近似），涂MgO的表面（近似）用作光譜測量的標(biāo)準(zhǔn)板，太陽（近似），絕對黑體。第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射電磁輻射的規(guī)律熱輻射黑體輻射實(shí)際物體輻射太陽輻射和地球輻射一、電磁波譜與電磁輻射絕對黑體黑體輻射規(guī)律

普朗克公式

斯忒藩-玻爾茲曼定律

維恩位移定律熱輻射：由物體內(nèi)部粒子熱運(yùn)動產(chǎn)生的電磁輻射，（紅外輻射：任何溫度高于絕對零度的物體都存在著分子熱運(yùn)動，并能產(chǎn)生中、遠(yuǎn)紅外的電磁輻射）。熱輻射能量的度量：溫度。理想的標(biāo)準(zhǔn)熱輻射體參照源－絕對黑體。在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)α恒等于1（即全部吸收100%）的物體稱為“絕對黑體”，簡稱“黑體”，也稱“普朗克輻射體”。熱輻射自然界不存在絕對黑體，黑色的煙煤、恒星、太陽是接近絕對黑體的輻射源。第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射黑體輻射規(guī)律1、普朗克公式2、斯忒藩-玻爾茲曼定律3、維恩位移定律一、電磁波譜與電磁輻射第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射1、普朗克公式：描述黑體輻射出射度與溫度、波長分布的關(guān)系。

一、電磁波譜與電磁輻射>>黑體輻射規(guī)律不同溫度下的黑體輻射第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射2、斯忒藩-玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律:

絕對黑體的總輻射出射度與黑體溫度的四次方成正比。

M(T)＝σT4

式中σ為斯忒藩－波爾茲曼常數(shù)，

σ＝5.67×10－8

W/(m2·K4）

一、電磁波譜與電磁輻射>>黑體輻射規(guī)律第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射3、維恩位移定律(Wien'sdisplacementlaw)

黑體的光譜出射度極值對應(yīng)的波長λmax與溫度T成反比。

式中b為常數(shù)，b＝2.898×10－3

（m·K）該定律反映出，隨著黑體溫度的升高（或降低），λmax向短波（或長波）方向變化。一、電磁波譜與電磁輻射>>黑體輻射規(guī)律第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射黑體輻射的三個特性輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長越往左移即向短波方向移動。一、電磁波譜與電磁輻射>>黑體輻射規(guī)律第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射實(shí)際物體輻射基爾霍夫定律實(shí)際物體輻射公式物體的熱慣量按發(fā)射輻射特征，物體分為：黑體灰體選擇性輻射體一、電磁波譜與電磁輻射實(shí)際物體的比輻射率（發(fā)射率、吸收系數(shù)）：實(shí)際物體輻射出射度與黑體輻射出射度之比。

黑體：它的發(fā)射輻射最大（發(fā)射率為1）發(fā)射率與波長無關(guān)，反射率、透射率均為0；灰體(greybody)：對于各種波長的電磁波，吸收系數(shù)為常數(shù)（即吸收系數(shù)與波長無關(guān)）的物體稱為“灰體”。其吸收系數(shù)介于0與1之間。選擇性輻射體（selectivebody），發(fā)射本領(lǐng)隨波長的變化而變化的物體（具有選擇性吸收）。這類輻射體的輻射頻譜曲線有明顯的最大值和最小值。第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射

基爾霍夫定律：

在給定溫度下，任何物體的輻射出射度與吸收系數(shù)之比是一個常數(shù)。一、電磁波譜與電磁輻射>>實(shí)際物體輻射由基爾霍夫定律可知：⑴溫度相同的甲乙兩物體，對于某波長的輻射，如果甲比乙吸收的多，則甲比乙發(fā)射的也多；⑵物體不吸收某波長的輻射，也就不發(fā)射該波長的輻射；⑶一般物體的熱輻射出射度小于同溫度的絕對黑體的輻射出射度。實(shí)際物體輻射公式：M(λ,T)=εM0①黑體ε=1，與波長無關(guān)。黑體不一定是黑色。②灰體ε<1，與波長無關(guān)?；殷w不一定呈灰色。③選擇性輻射體，ε隨波長而改變。大理石在可光下呈白色，但在紅外波段ε=0.95，為選擇性輻射體。

第02講遙感物理基礎(chǔ)之一電磁波譜與電磁輻射物體的熱慣量

熱慣量（P）是物體對環(huán)境溫度變化的熱反應(yīng)靈敏性的一種量度，熱慣量越大，對環(huán)境溫度變化的熱反應(yīng)越遲鈍。采用熱