遥感电磁辐射基础.

1、第二章 遥感电磁辐射基础2.1 电磁波谱与黑体辐射电磁波谱与黑体辐射2.2 太阳辐射和地球辐射太阳辐射和地球辐射2.3 地球大气及其对太阳辐射的影响地球大气及其对太阳辐射的影响2.4 地面物体反射光谱地面物体反射光谱2.1 电磁波谱与黑体辐射电磁波和电磁波谱 电磁波：电磁波：变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。包括射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等。 电磁波的产生：当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波。电磁波的性质1.不需要传播介质2.横波：质点振动方向与波的传播方向垂直3.波动性：波动性

2、：电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会发生反折射、吸收、透射等现象4.粒子性：粒子性：传播过程中，若碰到会发生散射现象，从而引起电磁波的强度、方向等发生改变。5.叠加原理：两列以上的波在同一空间传播时，空间质点的振动表现为各单列波质点振动的矢量合成。6.相干性和非相干性7.衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）8.多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）电磁波谱 按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列制成的图表，称为电磁波谱。电磁波谱区段的界限是渐变的，一般按产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划分。 遥感采用的电磁波波段可以从紫外一直到微波波段紫外一

3、直到微波波段。遥感传感器就是在通过探测或感测不同波段的电磁波谱的发射、反射辐射能级而成像的，可以说电磁波的存在是获取图像的物理前提。电磁辐射的有关概念辐射源辐射源：能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。太阳辐射：可见光及近红外遥感的重要辐射源自然辐射源地球电磁辐射：远红外遥感的辐射源人工辐射源 人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）基本物理名词：辐射能量（基本物理名词：辐射能量（Q）、辐射通量（辐射功率，）、辐射通量（辐射功率，）、辐射出射度）、辐射出射度（辐射通量密度（辐射通量密度W）、辐射照度（）、辐射照度（E）、辐射强度（）、辐

4、射强度（I）、辐射亮度）、辐射亮度(L)辐射能量辐射能量电磁辐射是具有能量的，它表现在： 使被辐照的物体温度升高 改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动 辐射能量（辐射能量（Q）的单位是焦耳（）的单位是焦耳（J）辐射通量辐射通量 (radiant flux) 单位时间内通过某一表面的辐射能量： = Q/ t 辐射通量（辐射通量（）的）的单位是瓦特单位是瓦特=焦耳焦耳/秒（秒（W=J/S）辐射通量密度辐射通量密度 (irradiance) E、(radiant exitance) M 单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： E辐照度辐照度= / A M辐射出射度辐射出射度= / A辐射通量密度

5、辐射通量密度的的单位是瓦单位是瓦/米米（W/m）法向法向辐射出射度（辐射出射度（M）：面辐射源在单位时间内，从单位面积上向半球空间（2立体角）内发射的辐射能量。即物体单位面积上发出的辐射通量。辐照度辐照度（E）：）：面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收的辐射能量。即照射到物体单位面积上的辐射通量。 在光学遥感中，有以下的辐照度参数： 大气层外太阳辐照度（F0） 地表入射辐照度（Es） 天空漫反射辐照度（Edif） 太阳直射辐照度（Edir）辐射强度辐射强度 (radiant intensity) I 辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，是指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐

6、射能量。即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量：I= / 辐射强度（辐射强度（I）的）的单位是瓦单位是瓦/球面度（球面度（W/Sr）=A/R 定义立体角为曲面上面积微元定义立体角为曲面上面积微元ds与与其矢量半径的二次方的比值。其矢量半径的二次方的比值。辐射亮度辐射亮度 (radiance) L 一般辐亮度是描述面辐射源的辐射特性的，是指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量。即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量： L= 2 / A cos 辐射亮度（辐射亮度（L）的）的单位是瓦单位是瓦 / 米米球面度（球面度（W/mSr）辐射亮度辐射亮度

7、 (radiance) L 通常人们更多的使用如下的定义：单位投影面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度：L= 3 / A cos 这时辐射亮度（这时辐射亮度（L）的）的单位是瓦单位是瓦 / 米米微米微米球面度（球面度（W/mmSr） 当辐射源的面元非常小时，可以看做一个点，这时的辐亮度与辐射强度具有如下的关系：I=L A cos立体角立体角：球半径为r的球面被一个圆锥所截取的球面表面积与球半径的平方的比，单位为球面度sr（steradian ）。2()Asrr 球、半球的立体角？立体角经常用极坐标下的天顶角和方位角来表示。一个立体角的微分可以表示为：22d( d )( sin d

8、 )dsin d d =d dArrrr 其中， 天顶角的范围0180，也可以是090（上半球），或者是90180（下半球）。方位角的范围0360。cos分谱辐射通量分谱辐射通量 辐射通量是波长的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射通量： = / 1- 2间隔内的 (1- 2)? 总辐射通量 ？分谱辐射通量分谱辐射通量的的单位是瓦单位是瓦/微米（微米（W/m）分谱？分谱？分谱辐射通量分谱辐照度、分谱辐射出射度分谱辐射强度“分谱”两字可以忽略小小 结结辐辐 射射 度度 量量 一一 览览 表表辐射量辐射量符号符号定义定义单位单位辐射能量辐射能量Q焦耳焦耳(J)辐射通量辐射通量 (2) Q/

9、t( )瓦瓦(W)辐照度辐照度E (2) / A ( )瓦瓦/米米(W/m)辐射出射度辐射出射度M (2) / A ( )瓦瓦/米米(W/m)辐射强度辐射强度I (2) / ( )瓦瓦/球面度球面度(W/Sr)辐射亮度辐射亮度L 2(3) / A ( ) 瓦瓦/米米球面度球面度(W/m Sr)基本辐射量总结：基本辐射量总结： 表征辐射的物理量很多：能量、通量、密度、强度、亮度，以及谱（分谱）需要注意的是： 文献中的称谓不尽相同，关键看单位 最重要的是密度（辐照度）和亮度 凡是涉及面积的都要注意使用法向面积，即cos辐射测量的基本定律A面积上的辐射通量=I，点源向A所张的立体角。这时辐照度可表示

10、为：22/(/)(/)(cos/)/cos/EAAIArAIr 物体的发射辐射黑体辐射 1860年，基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明了凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。 绝对黑体绝对黑体：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收。入射的电磁波全部被吸收，没有反射和透射的物体称为黑体。( , )( , )BMTMT 不透明的物体：对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用，吸收率（，T）+反射率（，T）=1。 一般物体：系数都与波长和温度有关。 绝对黑体： 吸收率（，T） 1，反射率（，T）0； 绝对白体

11、： 反射率（,T）1，吸收率（，T）0，与温度和波长无关。 1900年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度M（，T）和其温度的关系以及按波长分布的辐射定律： 该公式描述了黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。其中， h: 普朗克常数，h=6.626075510-34 Ws2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.38065810-23 WsK-1 c: 光速 : 波长（m） T: 绝对温度（K）普朗克公式25/21( , )1ch k ThcMTe黑体辐射波谱曲线变化特点：(1) 辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2) 温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3) 随温度升

12、高，辐射最大值向短波方向移动。斯忒藩玻耳兹曼定律对普朗克公式进行积分：斯忒藩玻耳兹曼常数，5.6697（0.00297）10-2 Wcm-2K-4 25/0421( )1( )ch k ThcM TdeM TT维恩位移定律 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波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。max2897.84.96511chTk瑞利-琼斯定律 对于波长很长的波段，如在微波波段，普朗克公式中e的指数项hc0/（kT）变得很小。此时，近似有：故普朗克公式还可表示为：表示在波长很长的

13、电磁波谱区域，黑体辐射与温度成正比。1xex 042( , )kcMTT维恩公式维恩公式2.2 太阳辐射和地球辐射太阳辐射 传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主要是来自太阳辐射的一种转换形式。 太阳常数太阳常数：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=1353 W/m2。 太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量。 太阳辐射包括了整个电磁波波谱范围。太阳辐照度分布曲线 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。 太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定。在X射线、射线

14、、远紫外及微波波段，能量小但变化大。 被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射。 海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很大不同。主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射的结果。地球辐射 地球辐射可分为：短波0.3-2.5m，长波辐射6 m以上。 地球的短波辐射以地球表面对太阳的反射为主，地球自身的热辐射可以忽略。 地球的长波辐射只考虑地表物体自身的热辐射，这个区域太阳照度的影响很小。 中红外波段（2.5-6 m ）：太阳辐射和地球热辐射均有。太阳与地球的辐射照度2.3 地球大气及其对太阳辐射的影响 大气结构从地面到大气上界，大气的结构分层为：对流层对流层：高度在712 km,温度随高度而降低，

15、天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层平流层：高度在1250 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层电离层：高度在501 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层大气外层：80035 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。大气对太阳辐射的衰减其中，x：太阳辐射通过的大气路程，与太阳高度角有关：0衰减因子， 0=+ ： ， 大气对太阳辐射的吸收率和散射率，是电磁波波长（频率）的函数。太阳辐射衰减的原因：反射 吸收 散射可见光波段：引起电磁波衰减的主要原因是分子散

16、射。紫外、红外与微波区：引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收。大气的吸收作用 引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等。 大气吸收的影响：主要是造成遥感影像暗淡，由于大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段遥感中很少用到紫外线波段。 在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起衰减。大气的吸收作用大气的吸收作用： 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。O2吸收带时，发生； 瑞利散射：介质的不均匀程度a小于入射电磁波波长的十分之一。大气的散射散射的类型大气散射选择性散射-散射强度与波长有关瑞利散射瑞利散射（Rayleigh scatt

17、ering）dp Non-selective scattering 光和粒子的相互作用（散射），按粒子同入射波波长()的相对大小不同，可以采用不同的处理方法：当粒子尺度比波长小得多时，可采用比较简单的瑞利散射公式；当粒子尺度与波长可相比拟时，要采用较复杂的米散射公式；当粒子尺度比波长大得多时，则用几何光学处理。一般考虑具有半径的均匀球状粒子的理想散射时，常采用无量纲尺度参数x=2r/作为判别标准：当x50，可用几何光学。同一粒子对不同波长而言，往往采用不同的散射处理方法，如直径1微米的云滴对可见光的散射是米散射；但对微波，却可作瑞利散射处理。瑞利散射（Rayleigh Scattering）

18、质点的直径d (电磁波波长)时，一般认为 （d ），散射率与波长没有关系。人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果。大气的反射作用 主要是大气中的云层，大的尘埃。云量越多、云层越厚，反射越强。大气吸收15，散射和反射42，其余43太阳辐射到达地面。 反射同样满足反射定律。 各波段受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的程度。 对图象质量的影响。 选择无云的天气接收遥感信号。大气窗口 大气窗口：电磁波在大气传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。常用大气窗口0.30-1.3m。主要是反映地物对太阳光的反射。通常采用摄影或扫描的方式在白天感测、收集目标信息成像。1.5-3.5m大气窗口

19、白天夜间都可应用，是以扫描的成像方式感测、收集目标信息，主要应用于地质遥感。3.55.5m大气窗口，包含地物反射及发射光谱，用来探测高温目标。8-14m热红外窗口，属于地物的发射波谱，是常温下地物热辐射能量最集中的波段，所探测的信息主要反映地物的发射率及温度。1.0cm-1m微波窗口，分为毫米波、厘米波、分米波。遥感中常采用被动式遥感（微波辐射测量）和主动式遥感，前者主要测量地物热辐射，后者是用雷达发射一系列脉冲，然后记录分析地物的回波信号。辐射传输方程 传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括： 太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量； 地面物

20、体本身辐射的能量经大气后进入传感器； 大气散射和辐射的能量等。到达地面的辐照度1）太阳直射辐照度2）天空漫反射辐照度3）地表与大气之间的多次散射漫反射辐照度均匀一致朗伯体地物的地表与大气信号1）观测像元经大气光束衰减后的地表反射信号2）大气对太阳光的散射信号3）周围像元的信号贡献一般物体的发射辐射 自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。实际物体的辐射不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。 发射率来表示它们之间的关系： = W/ W 发射率就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。辐射体的分类 选择性辐射体，在各波长处的光谱发射率不同，即=()； 灰体，在各波长处的光谱发射率相等即：=。绝对黑体1灰体但01选择性辐射体()理想反射体（绝对白体）0发射率是一个介于0和1的数，用于比较此辐射源接近黑体的程度。地物的反射辐射物体对电磁波的反射有三种形式：1. 镜面反射 反射角=入射角。2. 漫反射 各方向反射亮度相同。3. 方向反射 在某个方向上反射最强烈。 从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射； 对于地形起伏和地面结构复杂地区，为方向反射。sin,8s