第2章 电磁波及遥感物理基础

第2章电磁波与遥感物理基础§2.1电磁波与电磁波谱§2.2电磁波辐射源§2.3地物的反射辐射§2.4地球辐射与地物波谱特征波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。

电磁波：在空间传播的交变电磁场。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，也称电磁辐射。

§2.1电磁波与电磁波谱电磁波波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。

§2.1电磁波与电磁波谱电磁波电磁波的基本特征：1.电磁波的传播电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直，传播速度为3×108

m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等。电磁波是遥感信息的载体，电磁波理论是遥感的物理理论基础。

E电场，M磁场，C传播方向描述电磁波的物理量：波长、频率、振幅、位相等。

c=f*,f频率，波长

麦克斯韦（1831-1879）

普朗克（1858-1947）

爱因斯坦（1879-1955）波动性粒子性电磁波的叠加原理当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理，混合像元的分解）

电磁波的衍射

电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。

电磁波的偏振电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量，称为电磁波的偏振。3.粒子性把电磁波作为粒子对待时，能量:

h:普朗克常数，6.6260755×10－34Jsc:光速；v:频率

能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。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。定义：按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列成的图表，称为电磁波谱。依次为：

γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。电磁波谱各种电磁波的特点常用的遥感波段：电磁辐射源：能辐射任何波长电磁波的物质。自然辐射源人工辐射源(主动式遥感的辐射源，雷达探测。分为微波雷达和激光雷达)不同辐射源的电磁辐射信息存在一定的差异，可由相应探测波段的遥感器以成像或非成像的方式进行记录。§2.2物体的发射辐射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5900的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。地球的电磁辐射：小于3μm的波长主要是太阳辐射的能量；大于6μm的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6μm之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。1.电磁辐射的度量术语

（3）辐照度（E）

单位面积上接收的辐射通量。

E=dF/dA，单位：W.m-2（4）辐射出射度（M）

单位面积上辐射出的辐射通量。

M=dF/dA，单位：W.m-2（5）辐射强度（I）

点辐射源在某一方向单位立体角内的辐射通量。

I=dF/dW，单位：W.sr-12.物体的热辐射热辐射——由于物体内部微观粒子的热运动所引起的电磁辐射。

物体热辐射的强弱取决于地物自身性质和温度，辐射能量分布随波长的不同而变化。太阳（表面温度6000K）

热辐射体地球（平均温度300K）3.绝对黑体（1）绝对黑体：对任何波长的辐射，吸收率等于1，反射率和透射率都等于0。与温度和波长无关。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。

用不透明材料制成的开有小孔的空腔(如上图)就是一个黑体模型。空腔外面的辐射能够通过小孔进入空腔，进入空腔的射线，在空腔内进行多次反射，每反射一次内壁吸收一部分能量，最后全部被吸收掉，从小孔穿出的辐射能可以略去不计。小孔即相当于黑体的表面。h:普朗克常数,6.6260755*10-34

W·s2k:玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23W·s·K-1

c:光速;λ:波长（μm）;T:绝对温度（K）M,辐射出射度（2）黑体辐射规律：

①普朗克公式

1900年，普朗克由量子论推导出热辐射定理，即普朗克公式：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)随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。②斯蒂芬－玻尔兹曼定律整个电磁波谱的总辐射出射度M,可以用某一单位波长间隔的辐射出射度Mλ对波长λ由O到无穷大的整个电磁波段积分，用普朗克公式对波长积分，得到斯忒藩一玻尔兹曼定律，即绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比，

M=σT4式中，σ为斯忒藩一玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W/m2K4。③维恩位移定律：实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值对应的波长向短波方向移动黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反比：

b为常数，b=2.89810-3mK

波长越长，最强辐射波长越短例如太阳光=490nm，可估计出太阳表面温度近似为5900K；地表温度为300K，地表辐射的约为10mm。温度T/K3005001000200030004000500060007000波长λmax/μm9.665.802.901.450.970.720.580.480.414.实际物体的辐射发射率（比辐射率）实际物体的辐射不同于绝对黑体的辐射，在相同温度下，实际物体的辐射出射度（辐射通量密度）比绝对黑体的要低。地物发射某一波长的辐射出射度（辐射通量密度）与同温下黑体在同一波长上的辐射出射度之比，称地物光谱发射率（emissivity）(也称比辐射率)，即：

ε=M’/M

发射率是一个数字，其值介于0和1之间，作为比较一辐射源接近黑体的程度。物体按其发射辐射特性可分为：5.太阳辐射（1）太阳和太阳常数：太阳是太阳系的中心天体，在太阳系空间，布满了从太阳发射的电磁波的全波辐射及粒子流，地球上的能量主要来自太阳。太阳常数：不受大气影响，在距离太阳一个天文单位（日地平均距离，149,597,870*103m）的区域内，垂直于太阳辐射方向上单位面积和单位时间黑体所接收到的太阳辐射能量。是在地球大气顶端接受的太阳能量，没有大气影响I=1.95cal/cm2min=1.360*103W/m2（2）太阳光谱太阳光谱是连续的，且辐射特性与绝对黑体辐射特性近似。太阳辐照度分布曲线太阳辐射及其能量分布1）5900K的黑体辐射。

2）短波辐射（太阳辐射总能量的40％集中于0.4－0.76um的可见光范围内，51％在红外部分）

6.大气对太阳辐射的影响作用：折射、吸收、反射、散射、透射（1）大气折射电磁波穿过大气层时，会产生传播方向改变，即折射现象。大气密度越大，折射率越大；离地面高度越大，空气越稀薄，折射率越小。地面接收的电磁波方向与实际太阳辐射方向偏离了一个角度，称为折射值。（2）大气吸收①大气层次电离层：距地面85km直到几百千米的范围均为热电离层，热电离层的温度范围为500K到2000K。在电离层中，由于太阳紫外辐射和高能宇宙射线的轰击而使空气电离成离子，因而在热电离层中空气以稀薄的等离子体的形式存在。平流层：在平流层最下面直到20km的高度之内，温度几乎为常数，在其之上直到大约50km高度的范围之内，温度随高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流层之中。对流层：厚约为10km，其特点为温度随高度的增加而降低，1000m/6.5ºC。所有天气活动均发生在对流层层中。在大气层接近地球表面大约2km的厚度，存在着一层气溶胶粒子，气溶胶的浓度随高度的增加呈指数衰减。②大气成分组成永久气体：在大气层中这些气体的浓度几乎是保持恒定不变的。氮(N2)：78.084%氧(O2)：20.948%氩(Ar)：0.934%二氧化碳(CO2)：0.033%其他惰性气体(Ne,He,Kr,Xe)氢(H2)甲烷(CH4)一氧化二氮(N2O)一氧化碳(CO)浓度可变的气体：其浓度可以随空间和时间发生很大的变化。水蒸汽(H2O)臭氧(O3)二氧化硫(SO2)二氧化氮(NO2)氨(NH3)一氧化氮(NO)硫化氢(H2S)硝酸蒸汽(HNO3)

固体和液体微粒：如烟雾、水滴和冰晶体，这些粒子可以聚集在一起形成云和霾。③大气对太阳辐射吸收大气的吸收作用：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<0.2μm，0.155μm最强O3吸收带0.2～0.36μm，0.6μm，0.96

μmH2O吸收带0.94m，1.38m，1.86m，2.5-3.0m，3.24m，5-7m，7.13m，24m以上（微波）CO2吸收带1.35～2.85μm,2.8μm,4.3μm,14.5μm尘埃吸收量很小

（3）大气的反射作用

主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，云量越多、云层越厚，

反射越强。且波段不同大气影响不同，削弱了电磁波强度。

（4）大气散射

电磁辐射在大气中传播时，遇到各种大气微粒（气体分子、尘埃）将发生散射。

散射的性质主要取决于：

电磁辐射的波长

微粒半径

三种散射类型：瑞利散射、米氏散射、无选择性散射大气散射类型①瑞利散射（Rayleighscattering）<<

由大气中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起，条件：粒子直径比波长小很多。特点：散射强度与波长的四次方成反比，即I-4，前向散射与后向散射强度相同。波长越长，散射越弱。瑞利散射与波长的关系因此，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。颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0晴朗的天空为蓝色，朝霞和夕阳都呈橘红色，紫外区不适于进行遥感的原因。

瑞利散射减小了太阳光直接强度，引起漫入射的天空光，造成遥感图像的反差降低。同时，亦可利用瑞利散射强度与-4成正比的特点来充分利用微波遥感波段。②米氏散射(Miescattering)

≈

大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的散射，粒子直径与辐射的波长相当。这种散射的强度受气候影响大。

米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比，即I-2，且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性较明显，云雾对红外线（0.76-15m）的散射主要是米氏散射。潮湿天气米氏散射影响较大。③无选择性散射(Non-selectivescattering)>>

发生在大气粒子的直径比波长大得多时。散射的特点时散射强度与波长无关，任何波长的散射强度相同。人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果。7.大气窗口定义：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。研究意义：为遥感信息获取最佳探测波段。大气窗口常用的大气窗口1.地球辐射地球辐射太阳辐射接近于温度为6000K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为0.48m，地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为9.66m，二者相差较远；太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域，即0.3-2.5m，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。地球自身发出的辐射主要集中在波长较长的部分，即6m以上的热红外区段。在2.5-6m的中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。§2.3地物的反射辐射地表自身热辐射地球辐射于相应的黑体辐射的关系：从中看出：地球辐射接近于300K黑体辐射，但由于大气影响（主要是吸收），实际的辐射曲线为不平滑的折线。2.地物波谱特征波谱特征——地物辐射（发射、反射、吸收、透射）电磁波的强度随波长的不同而变化的特征。另外，由于成分、结构、构造、表面状态以及环境、时间等诸多因素的影响，不同地物具有不同的电磁波谱特性，而同类地物在相同条件下则具有相似的地物波谱特性。

电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。地物反射波谱特征研究地物反射光谱的意义：被动遥感在遥感探测中占重要地位，主要为反射太阳辐射可准确识别地面目标反射率：反射能量与总入射能量的百分比=（P/P0）*100%

反射率大小与物体本身的性质和表面状况、波长、入射角等有关反射分类判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则：根据物体表面的粗糙程度，反射分为：a）镜面反射b）漫反射（朗伯反射）c）有向反射d）混合反射镜面反射当目标物的表面粗糙高度大大低于电磁波的波长时，那么目标物对电磁波的反射称为镜面反射。2)朗伯反射当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的散射辐射亮度在以目标物的中心的2π空间中呈常数，即散射辐射亮度不随观测角度而变，称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。严格讲自然界中只存在近似意义下的朗伯体。只有黑体才是真正的朗伯体。3)有向反射4)混合反射一部分镜面反射，一部分朗伯反射。波谱特征曲线——表示地物辐射电磁波强度随波长变化规律的曲线。波谱特征曲线通常以横坐标表示波长，纵坐标表示波谱反射率、发射率等。纵坐标为反射率时为反射波谱曲线。几种地物的反射波谱特征曲线植被反射波谱曲线植被反射波谱的影响因素水体反射波谱曲线12雪与云

§2.4地物波谱特性的测量

地物光谱测试的作用：①传感器波段选择、验证、评价的依据；②建立地面、航空和航天遥感数据的关系；③将地物光谱数据直接与地面特征进行相关分析并建立应用模型。野外光谱测量(垂直)1）测量仪器：美国产ASDFieldSp