第二章电磁辐射及遥感物理基础

第二章

电磁辐射及遥感物理基础内容提纲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2.1概述电磁波、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。2.1.1电磁波麦克斯韦电磁场理论电磁波是一种横波几个重要性质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干涉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。衍射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。偏振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。2.1.2电磁波波谱遥感信息获取，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。Gammaץ

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遥感应用的光谱范围名称波长范围紫外线0.001—0.4μm紫0.38—0.43μm可见光0.4—0.76μm蓝0.43—0.47μm红外线近红外0.77—3.0μm青0.47—0.50μm中红外3—6μm绿0.50—0.56μm远红外6—15μm黄0.56—0.60μm超远红外15—1000μm橙0.60—0.63μm微波毫米波1—10mm红0.63—0.76μm厘米波1—10cm分米波10cm—1m遥感应用的光谱范围电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的γ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。2.2物体的发射辐射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

2.2.1黑体辐射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α(λ,T)和光谱反射率ρ(λ,T)，二者之和恒等于1。绝对黑体：α(λ,T)=1，ρ(λ,T)=0绝对白体：α(λ,T)=0，ρ(λ,T)=1普朗克定律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(λ)——

光谱辐射通量密度，单位W／（cm2·μm）；

λ——波长，单位是μm；h——普朗克常数(6.6256×10-34J·s)；c——光速(3×1010cm/s)；

k——玻耳兹曼常数(1.38×10-23J／K)；T——绝对温度，单位是K。黑体辐射特性（1）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：

σ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。黑体辐射特性（2）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。

黑体辐射特性（3）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，hv<<kT,近似得出：在微波波段，黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。钨丝2.2.2太阳辐射太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波。地球系统的能量绝大多数（>99％）来源于太阳

太阳辐射:5%紫外线45%可见光50%红外线辐射源自然辐射源：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。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)。太阳辐射照度分布曲线太阳常数：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⊙=135.3mW/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。

太阳辐射的特点太阳光谱是连续的。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。2.2.3大气对辐射的影响(1)大气的垂直分布对流层气溶胶气体分子（瑞利散射）平流层气体(2)大气对太阳辐射的吸收在紫外、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。(2)大气对太阳辐射的散射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。

气溶胶气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径千分之一微米到一百微米的固体、液体粒子。大气中的气溶胶粒子的自然来源主要是海洋、土壤和生物园以及火山等。气溶胶大多集中在底层大气0-4km范围内。由于地球重力作用，气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对光的散射作用属于米氏散射。气溶胶图散射类型介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长λ同数量级时，发生米氏散射

介质中不均匀颗粒的直径a>>入射波长λ时，发生均匀散射介质中不均匀颗粒的直径a小于入射波长λ的十分之一时，发生瑞利散射散射强度与波长的关系蓝光散射较强红光散射较弱

(2)大气对太阳辐射的反射由于大气中有云层，当电磁波到达云层时，就象到达其他物体界面一样，不可避免的要产生反射现象，这种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。因此应尽量选择无云的天气接收遥感信号。

四川省江油市(3)大气窗口太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分。不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因而遥感所能够使用的电磁波是有限的。有些大气中电磁波透过率很小，甚至完全无法透过电磁波。这些区域就难于或不能被遥感所使用，称为“大气屏障”；反之，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为“大气窗口”。研究和选择有利的大气窗口、最大限度地接收有用信息是遥感技术的重要课题之一。可以用作遥感的大气窗口

0.30--1.15μm大气窗口：这个窗口包括全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波段，是遥感技术应用最主要的窗口之一。1.3--2.5μm大气窗口：属于近红外波段。3.5--5.0μm大气窗口：属于中红外波段。8--14μm热红外窗口：热红外窗口，透射率为80%左右，属于地物的发射波谱。1.0mm--1m微波窗口。(4)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(4)辐射传输方程电磁波辐射与大气相互作用的复杂性，从遥感应用角度需要简化假设1：忽略大气折射、湍流和偏振假设2：天空为均匀朗伯体，各向同性辐射；地表为均质朗伯体，各向同性反射。(4)辐射传输方程传感器入瞳辐射亮度地面辐射亮度向上大气光谱辐射亮度地表反射率大气层外太阳辐射照度太阳天顶角光学厚度（介质厚度和折射率的乘积）大气向地面散射辐射照度传感器观测角大气透过率2.2.4一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。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。我们用发射率ε来表示它们之间的关系：ε=W′/W。发射率ε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。发射率按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体：发射率小于1，常数。选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。理想反射体：反射率等于0。影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物一般发射率大，反之发射率就小。主要地物发射率等效黑体温度实际测定物体的光谱辐射通量密度曲线并不像描绘的黑体光谱辐射通量密度曲线那么光滑常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度）

基尔霍夫定律在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度。任何材料的发射率等于其吸收率

基尔霍夫定律根据能量守恒定理，入射在地表面的辐射功率等于吸收功率、透射功率和反射功率三个分量之和。对于不透射电磁波的物体2.3地物的反射辐射地物的反射类别光谱反射率以及地物的反射光谱特性影响地物光谱反射率变化的因素

2.3.1地物的反射类型镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。当发生镜面反射时，对于不透明物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。漫反射：如果入射电磁波波长λ不变，表面粗糙度h逐渐增加，直到h与λ同数量级，这时整个表面均匀反射入射电磁波，入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射。方向反射：实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。是镜面反射和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续增大的情况下，这种反射没有规律可寻。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的地区，为方向反射。

2.3.2光谱反射率以及地物反射光谱特性

反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比，这个反射率是在理想漫反射体的情况下，整个电磁波长的反射率实际上由于物体固有的结构特点，物体对于不同波长的电磁波会有选择的反射。光谱反射率：是物体在特定波长上的反射辐射通量与入射辐射通量之比。绿红紫外红外反射波谱反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。反射波谱正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特性，物体的反射波谱特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。水体植被土壤建筑地物的反射辐射典型地物的反射波谱特性曲线植被的反射波谱特性曲线植被的反射波谱特性曲线红外波段绿波段植被的反射波谱特性曲线植被的光谱反射特性蓝、红波段为吸收带绿波段为弱反射带近红外波段有强反射带,但含水量造成反射吸收水体的反射波谱特性曲线水体的反射波谱特性曲线红外波段绿波段水体的反射波谱特性曲线水体的光谱反射特性蓝、绿波段为反射带近、中红外波段为完全吸收带植被和水体的反射波谱特性曲线比较近红外波段红波段绿波段城市道路、建筑物的反射波谱特性曲线在城市遥感影像中，通常看到建筑物的顶部、部分建筑物的侧面、无植被覆盖的道路建筑材料各不相同城市道路、建筑物的反射波谱特性曲线城市道路、建筑物的光谱反射特性红外波段较可见光波段反射强石棉瓦较其他材料反射强沥青较其他材料反射弱土壤的反射波谱特性曲线土壤的反射波谱特性曲线土壤的光谱反射特性自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值。土壤的反射波谱特性曲线与土壤质地组成有关土壤反射波谱特性曲线较平滑，因此在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。植被、水体、土壤的反射波谱特性曲线1.3.3影响地物光谱反射率变化的因素

太阳高度（日期、时间）大气条件地形（阴影）地形（坡度）气候、植物的病变环境状况2.4地物波谱特性的测定地物波谱特性的概念地物波谱特性的测定原理地物波谱特性的测定步骤2.4.1地物波谱特性的概念地物波谱也称地物光谱。地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）。测量地物的反射波谱特性曲线主要作用：它是选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据在外业测量中，它是选择合适的飞行时