R第2章：电磁波与遥感物理基础1

第二章电磁波及遥感的物理基础

本章主要内容电磁波与电磁波谱物体的发射波谱大气对辐射的影响地物的光谱特性第一节电磁波与电磁波谱电磁波及其特性电磁波谱一、电磁波及其特性波的概念：波是振动在空间的传播。机械波：声波、水波和地震波电磁波（ElectroMagneticSpectrum)2.电磁波（ElectroMagneticSpectrum)

由振源发出的电磁振荡在空气中传播。是通过电场和磁场之间相互联系传播的。根据麦克斯韦电磁场理论:变化的电场变化的磁场新的变化电场新的变化磁场。这种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。

3.电磁辐射:电磁场在空间的直接传播（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。简称辐射按形式可分为：

发射辐射、入射辐射、

反射辐射、透射辐射、散射辐射等。4.电磁波的特性电磁波是横波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二、电磁波谱电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长或频率按其长短或大小，依次排列制成的图表。

紫外线(UV)：0.01-0.4μm，碳酸盐岩分布、水面油污染。可见光：0.4-0.76μm，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。红外线(IR)：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。（近红外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外）。微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。遥感常用的电磁波波段的特性热辐射定义:任何物体只要其温度高于绝对温度0K时，就存在着分子的热运动，它能够不地向外发射电磁波。由于所发射的电磁波的能量大小及其光谱成分取决于温度，因此，这种现象叫做热辐射。

第二节物体的发射波谱

黑体定义：指入射的全部电磁波被完全吸收，既无反射也没有投射的物体。

它在一定的温度下，比其它任何物质的辐射能量都要大，因此也叫完全辐射体。一、黑体辐射黑体辐射定义：是指黑体的热辐射，它是在一切方向上都均等的辐射。黑体在任何温度下、任何波长处的光谱吸收率恒等于1，即

α黑(λ，T)≡1黑体在任何温度下、全部波长范围内的吸收率也恒等于1，即

α黑(λ，T)≡1黑体辐射定律（BlackBodyRadiation)(1)普朗克（Plank'slaw）热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。黑体辐射的三个特性(p20)

辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。(2)史蒂芬—玻尔兹曼定律即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。(3)维恩位移定律：

随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。σ叫做史蒂芬—玻尔兹曼常数，其值为5.670×10-8瓦·米-2·开-4(W·m-2·K-4)是选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段的依据二、太阳辐射

1.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。

太阳辐射是可见光和近红外的主要辐射源；I⊙=135.3mW/m2

（是美国水手6、7号航天器1969年用空腔辐射计测定的数值，计算误差为1.0mW/m2）太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量2.太阳辐射的光谱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；从近紫外到中红外（0.3-6μm）这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定；被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射

在X射线、射线、远紫外及微波波段，能量小，但变化大；大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。2.太阳辐射光谱第三节大气对辐射的影响大气的成分和结构大气对太阳辐射的影响大气窗口一、大气的成分在80km以下的相对比例保持不变，称不变成分:多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体）、含量随高度、温度、位置而变、称为可变成分:臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的）等二、大气的结构对流层：地表到平均高度12km处,航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。平流层：在12~80km,较为微弱。电离层：80~1000

km,

卫星的运行空间。外大气层：1000公里以外的星际空间。太阳辐射的衰减：

30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。三、大气对太阳辐射的影响（一）大气的吸收作用氧气：臭氧水二氧化碳AbsorptionofEMenergybytheatmosphere氧气：小于0.2

μm；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因（另外还有散射）。臭氧：数量极少，但吸收很强，对航空遥感影响不大。主要吸收0.3μm以下的紫外区的电磁波，另外9.6μm处有弱吸收；4.75μm和14μm处的吸收更弱，已不明显，二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。主要吸收带分别为2.60~2.80μm，其中吸收峰为2.70μm；

4.10~4.45μm吸收峰在4.3μm处；9.10~10.9μm吸收峰为10.0μm；12.9~17.1μm吸收峰为14.4μm，

全在红外区。水蒸气：吸收太阳辐射能量最强的介质。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。主要吸收带在0.70~1.95μm间，最强处为1.38μm和1.87μm；2.5~3.0μm间，2.7μm处最强；4.9~8.7μm间，6.3μm处吸收最强；15μm~1mm间的超远红外区，以及微波中0.164cm和1.348cm处。

（二）大气的散射作用（Scatter）

散射作用：太阳辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。

影响：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。三种散射作用瑞利散射（Rayleighscatter）

：a<米米氏散射（MieScatter）：a<=>无选择性散射：a>微粒的直径四、大气窗口（AtmosphericWindows）1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或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：波段波长范围透射率(％)1.NUV～可见光～NIR短波

0.30μm～1.15μm

＞702.NIR中波1.40μm～1.90μm60～953.NIR长波2.05μm～3.00μm＞804.MIR中红外3.5μm～5.0μm

60～705.FIR热红外8μm～14μm＞80

微波8mm～1m

80～100

遥感常用大气窗口

第四节地物的光谱特性

任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。一、地物的反射光谱(SpectralReflectance)1、地物的反射类别和地物的反射率1）地物的反射类别镜面反射漫反射满足反射定律自然界很少非常平静的水面表面粗糙度h与波长λ同数量级，均匀反射入射电磁波，按朗伯余弦定律反射。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2）地物的反射率（反射系数或亮度系数）：地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。1.地物的反射光谱地物的反射率和吸收率对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。2地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。如不同植物；不同的水体；植物病虫害地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。时间特性空间特性二、地物的发射率和基尔霍夫定律1）发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。又叫比辐射率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。发射体

绝对黑体:在任何温度下对任何波长的电磁波的光谱

发射率恒等于l的物体。灰体：在任何温度下对任何波长的电磁波的光谱发射率都小于1、且不随波长而变化的物体，它的光谱发射率是一个与波长无关的常数。选择性发射体：光谱发射率随波长而变化的物体。绝对白体：光谱发射率和光谱透射率恒等于0而光谱

反射率恒等于1的物体。

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(greybody)：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。在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量

W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W黑。（史蒂芬—玻尔兹曼）太阳与地球辐射的电磁波谱地表物体的温度