电磁波及大气对遥感的影响

电磁波及大气对遥感的影响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，这就是电磁波。其方向是由电磁振荡向各个不同方向传播的。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。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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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。电磁波是是三维的横波，正是由于其矢量特性，从而产生出极化（偏振）这一现象。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γ射线电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。在电磁波谱中，各种类型的电磁波，由于波长或频率的不同,它们的性质就有很大的差别,如在传播的方向性、穿透性、可见性和颜色等方面的差别。它们的共性：(1)各种类型电磁波在真空（或空气）中传播的速度相同，都等于光速：c=3×108m/s。(2)遵守同一的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律。目前，遥感技术所使用的电磁波集中在紫外线、可见光、红外线到微波的光谱段，各谱段划分界线在不同资料上采用光谱段的范围略有差异。名称波长范围γ射线10-6μmX射线10-6－3.8×10-3μm紫外线10-3－3.8×10-1μm可见光0.38－0.76μm红外波段近红外0.76－3.0μm中红外3.0－6.0μm远红外6.0－15.0μm超远红外15－1000μm微波毫米波1－10mm厘米波1－10cm分米波10Cm－1m遥感常用的电磁波波段的特性可见光波段0.38-0.76μm作为鉴别物质特征的主要波段，是遥感中最常用的波段尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用，它仍是遥感成像所使用的主要波段之一在此波段大部分地物都具有良好的亮度反差特性，不同地物在此波段的图象易于区分遥感常用的电磁波波段的特性红外波段0.76—1000μm近红外0.76-3.0μm,中红外3.0-6.0μm；远红外6.0-15.0μm；超远红外15-1000μm。遥感中主要利用3—15μm波段，更多的是利用3—5μm和8—14μm(热红外)红外遥感是采用热感应方式探测地物本身的辐射（如热污染、火山、森林火灾等），可进行全天时遥感遥感常用的电磁波波段的特性微波波段1mm—1m，分为：毫米波、厘米波和分米波微波辐射和红外辐射都具有热辐射性质。由于微波的波长比可见光、红外线要长，能穿透云、雾而不受天气影响，能进行全天时全天候的遥感探测微波遥感可采用主动或被动方式成像微波对某些物质还具有一定的穿透能力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物遥感常用的电磁波波段的特性紫外线波段0.01—0.4μm，太阳辐射含有紫外线，只有0.3-0.4μm波长的紫外线部分能够穿过大气层，且能量很小主要用于探测碳酸盐岩的分布和油污染的监测。碳酸盐岩在0.4μm以下的短波区域对紫外线的反射比其它类型的岩石强。水面漂浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈由于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收和散射作用，通常探测高度在2000米以下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分类：太阳辐射源：可见光及近红外遥感的主要辐射源地球辐射源：远红外遥感的主要辐射源人工辐射源：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大气对太阳辐射的影响被反射：约30%；被吸收：约17%；被散射：22%;到达地面的太阳辐射：约31%。大气反射进入大气层前主要波长范围：0.15-4μm;占太阳辐射总能量的99%，其中可见光区占50%，红外区占43%，紫外区占7%；最大辐射波长在0.475μm。进入大气层后有一部分被反射回宇宙空间。反射作用中，云反射能力变化很大，按地球平均云量54%计算，1/4的太阳辐射能量被反射回宇宙空间去。大气吸收O2：占1/5，主要吸收0.2μm的太阳辐射能量；O3：主要在10-40KM高层大气层；两个吸收带为0.2-0.32μm（蓝光区）、0.6μm（橙光区）；H2O：主要吸收物质，吸收带红外线和可见光的红光波段内。CO2：只存在于低层大气层中，而且含量很少，主要吸收4.3μm的太阳辐射能量。大气散射太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光米氏散射在粒子（烟、尘埃、小水滴及气溶胶等）直径较大，与辐射的波长相当时所发生的散射称为米氏散射。散射的强度与波长的二次方成反比，并且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向比较明显。云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。无选择性散射当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色四、大气窗口大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收、散射的、透射率较高的电磁辐射波段。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。常见的大气窗口：大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.3～0.4μm0.4～0.7μm0.7～1.15μm709580TM1-4、SPOT的HRV近红外1.3～2.5μm60～95TM5、TM7中红外3.5～5.0μm60～70NOAA的AVHRR热红外8～14μm80TM6微波1.0～1.8mm2～5mm10～1000mm35～4050～70100Radarsat大气窗口