第二章 电磁辐射及遥感物理基础

2.1 概述 2.2 物体的发射辐射 2.3 地物的反射辐射 2.4 地物波谱特性的测定 电磁波、机械波（声波）、重力场、地磁场等都可以用作遥感，但一般而言， RS指的是 电磁波遥感 。 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其 种类、特征 和 环境条件 的不同，而具有完全不同的 电磁波反射 或 发射辐射特征 。 麦克斯韦电磁场理论 电磁波是一种 横波 单色波 可以用 波函数 来描述，是一个 时空周期性函数 ， 振幅、相位、波长 一般成像：记录 振幅 全息成像：记录 振幅 和 相位 干涉 衍射 偏振 凡是单色波都是 相干波 。 微波遥感中的雷达也是应用了 干涉原理 成像的 ,其影像上会出现 颗粒状 或 斑点状 的特征，这是一般 非相干 的可见光影像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。 INSAR利用 干涉原理成像 。 光通过有限大小的障碍物时 偏离直线路径的现象称为 光的衍射 。 研究电磁波的衍射现象对 设计遥感传感器和 提高遥感图像的几何分辨率 具有重要意义。 横波 在垂直于波的传播方向上，其 振动矢量偏于某些方向 的现象。 偏振在微波技术中称为 “极化 ”，一般有 四种极化方式。 遥感技术中的 偏振摄影 和 雷达成像 就利用了电磁波的 偏振 这一特性。 遥感信息获取，一般指收集、探测、记录 地物的电磁波特征 ，即 地物的发射、辐射或反射电磁波特性。由于电磁波传播的是 能量 ，实际上也是记录 辐射能量 的过程。 电磁波具有不同的 频率 和 波长 ，因而具有不同的特性。Gamma 射线 X 射线 紫外线 可见光 红外线 微 波 无线波紫 蓝 绿 黄 红频率波长名称 波长范围紫外线 0.0010.4m 紫 0.380.43m可见光 0.40.7 6m 蓝 0.430.47m红外线近红外 0.773.0m 青 0.470.50m中红外 36m 绿 0.500.56m远红外 615m 黄 0.560.60m超远红外 151000m 橙 0.600.63m微波毫米波 110mm 红 0.630.76m厘米波 110cm分米波 10cm1m 电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的 射线 到最长的 无线电波 ，波长之比高达 10的 22次方 遥感采用的电磁波段可以从 紫外线 一直到微波波段 遥感就是根据 感兴趣的地物的波谱特性 ，选择相应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱的 发射 或 反射能量 而成像的。 黑体辐射 太阳辐射 大气对辐射的影响 一般物体的发射辐射 1860年 基尔霍夫 ：好的吸收体也是好的辐射体 绝对黑体 任何波长的电磁辐射全部吸收 一个不透明的物体，对入射到它上面的电磁波只有 光谱吸收率 (,T) 和 光谱反射率 (,T) ， 二者之和恒等于 1。 绝对黑体 ： (,T)=1 ， (,T)=0 绝对白体 ： (,T)=0 ， (,T)=1 1900年普朗克用 量子理论 推导出普朗克定律 黑体辐射通量密度 与 温度 、 波长 的关系满足 普朗克定律 ：W() 光谱 辐 射通量密度，单位 W（ cm2m ）； 波长，单位是 m ； h 普朗克常数 (6.625610-34J s)； c 光速 (31010cm/s) ； k 玻耳兹曼常数 (1.3810-23J K)； T 绝对温度，单位是 K。 与曲线下的面积 成正比 的 总辐射通量密度 W是随温度 T的增加而迅速增加 。总辐射通量密度 W可在 从零到无穷大的波长 范围内。 对普朗克公式进行积分，可得到从 1平方厘米 面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密度的表达式为： 为 斯忒藩 玻耳兹曼 常数， T为绝对黑体的绝对温度 （ K）。从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的 总辐射能 与 绝对温度的四次方成正比 ，称为 斯忒藩玻耳兹曼公式 。对于一般物体来讲，传感器检测到它的 辐射能 后就可以用此公式概略推算出 物体的总辐射能量 或 绝对温度（ T） 。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。 光谱 辐射能量密度的峰值波长 随 温度的增加向短波方向移动 。可微分普朗克公式，并求极值。称 维恩位移定律 。它表明：黑体的 绝对温度增高时 ，它的最大辐射本领向 短波方向位移 。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射 的。 在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标 物波段进 行 热红外遥感的最佳波段 。 每根曲线彼此不相交，故 温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大 。 在波长大于 1mm的微波波段，hv99）来源于太阳 太阳辐射 : 5% 紫外线 45% 可见光 50% 红外线 自然辐射源 ： 太阳辐射：是 可见光 和 近红外 的主要辐射源； 常用 5900K的黑体辐射 来模拟。 大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。 地球的电磁辐射：近似 300K的黑体辐射。小于 3m 的波长主要是太阳辐射的能量；大于 6m 的波长主要是地物本身的热辐射； 3-6m 之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。 人工辐射源 ： 微波辐射源： 0.8-30cm 激光辐射源：激光雷达 (测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等 )。 太阳常数 ： 指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量 ：I= 135.3 mW/m2 太阳辐射的光谱是 连续的 ，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致。 太阳光谱是 连续的 。 辐射特性与黑体 基本一致 。 紫外到中红外波段区间 能量集中、稳定 。 主要利用可见光、红外波段等 稳定辐射 。 海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外的曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的 吸收和散射 造成的。对流层气溶胶气体分子（瑞利散射）平流层气体 在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是 大气吸收 主要成分： 氧气、臭氧、水、二氧化碳 大气吸收的影响 主要是造成遥感影像 暗淡 。 大气对紫外线有很强的 吸收作用 ，因此，现阶段中 很少使用紫外线波段 。 在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是 散射引起的衰减 。 太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光。这二次影响增加了信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。 散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变 , 主要有米氏(Mie)散射、均匀散射、瑞利（ Rayleigh）散射等。 气溶胶粒子 是指悬浮在大气中的直径