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第二章遥感物理基础——电磁辐射与地物光谱特性

§1

电磁波谱与电磁辐射§2太阳辐射及大气对辐射影响§3地球辐射与地物波谱

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2.1.1电磁波与电磁波谱波：振动传播称为波。电磁波（电磁辐射）：电磁振源产生电磁振荡在空间传播。电磁波性质：电磁波是横波，传播速度为光速；不需要媒质也能传播；波长与频率成反比，两者乘积为光速；电磁波含有波粒（波动性和粒子性）二象性；电磁波传播到气体、固体、液体介质时，会发生反射、吸取、透射、散射等，并遵循同一规律。§2.1电磁波谱与电磁辐射第2页第2页电磁波叠加原理(干涉)当两列波在同一空间传播时，空间尚各点振动为各列波单独振动合成。任何复杂电磁波都能够分解成许多比较简朴电磁波；比较简朴电磁波也能够合成为复杂电磁波。（白光色散和合成，计算机显示器工作原理，混合像元分解）第3页第3页电磁波衍射和偏振电磁波碰到有限大小障碍物时，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沿改变传播方向地现象，称为电磁波衍射。(设计遥感器空间分辨率含有主要意义。)电磁波碰到“狭缝”障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破偏振。偏振光，非偏振光，部分偏振最小分辨角:d

物镜有效孔径

第4页第4页电磁波波长第5页第5页动量：P能量：Eh:普朗克常数，6.6260755×10－34Jsc:光速；v:频率能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和X射线Y射线。电磁波粒子性第6页第6页电磁波波长、频率第7页第7页电磁波谱：将各种电磁波在真空中波长（或频率）按其长短，依次排列制成图表称为电磁波谱。（P17，F2.3）依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。

电磁波谱示图§2.1电磁波谱与电磁辐射第8页第8页电磁波谱第9页第9页

近红外：0.76～3.0µm，与可见光相同。

中红外：3.0～6.0µm，地面常温下辐射波长，有热感，又叫热红外。

远红外：6.0～15.0µm，地面常温下辐射波长，有热感，又叫热红外。

超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸取，遥感探测器普通无法探测。红外线划分第10页第10页遥感导论遥感对地观测波长：0.001—0.38μm特性：1.大气对紫外线吸取较强；2.能使溴化银底片感光；3.太阳光谱中只有0.3~0.38

μm光到达地面，对油污染敏感应用：1.用于测定碳酸岩分布2.用于油污监测波长：0.38—0.76μm特性：1.由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫光构成；2.人眼对可见光有敏锐分辨率；是遥感技术应用中主要波段。应用：1.判别物质特性主要波段2.以光学照相或扫描方式接受和统计地物对可见光反射特性第11页第11页§2.1电磁波谱与电磁辐射2.1.2电磁辐射度量辐射源：任何物体都是辐射源。不但能够吸取其它物体对它辐射，也能够向外（发出）辐射。

遥感辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类：

（1）自然辐射源：有太阳辐射(被动式遥感系统中主要自然辐射源)和地球电磁辐射（地球辐射可分为两个部分：短波（0.3—2.5μm）和长波（6μm以上）部分。）

（2）人工辐射源积极遥感采用人工辐射源，是指人为发射含有一定波长（或一定频率）波束。工作时接受地物散射该光束返回后向反射信号强弱，从而探知地物或测距，称为雷达探测。雷达又可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，当前惯用主要为侧视雷达。第12页第12页§2.1电磁波谱与电磁辐射2.1.2电磁辐射度量辐射能量（W）：电磁辐射能量，单位：J（焦耳）。

辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积辐射能量,单位:W(瓦)辐照度（I）：被辐射物体表面单位面积上辐射通量。(属于辐射通量密度概念)辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上辐射通量，单位：W/m2。(属于辐射通量密度概念)以上各辐射量都是波长函数

辐射通量密度、辐射亮度（P18）

第13页第13页光谱辐射通量以上各辐射量都是波长函数。右图表示单位波长间隔内辐射通量，称为光谱辐射通量。Φ(λ)=dΦ/dλ单位：瓦/微米（W•

μm-1）

第14页第14页§2.1电磁波谱与电磁辐射2.1.3黑体辐射绝对黑体（简称黑体）：假如一个物体对于任何波长电磁辐射都所有吸取，则这个物体是绝对黑体。

光谱吸取系数（吸取率）：α（λ，T）光谱反射系数（反射率）：ρ（λ，T）

绝对黑体特性：α（λ，T）=1，ρ（λ，T）=0，与温度和波长无关第15页第15页§2.1电磁波谱与电磁辐射2.1.3黑体辐射黑体辐射规律（1）黑体辐射（发射）能量----辐射出射度（M）是波长λ和温度T函数；某一波长下黑体辐射出射度Mλ是指在某一单位波长间隔（λ~Δλ）辐射出射度。在紫外、可见光和红外波段Mλ与λ5成反比；在微波波段，Mλ与λ2成反比。（2）黑体总辐射出射度M：黑体对全部波长（发射）辐射能量总和。在这种情况下M~M（T）。即：M∝T4（P20，F2.7）F2.7表明总辐射出射度M与温度T关系是：伴随温度升高，M值急剧增大；不同温度下M值在波长—能量曲线图中，展现为一系列互不相交曲线（族）。

第16页第16页§2.1电磁波谱与电磁辐射（3）黑体辐射出射度Mλ最大值所相应波长λmax与黑体本身温度T关系：λmax与T成反比。（维恩位移定律）即：黑体温度越高，其总辐射出射度M曲线峰值就越向短波方向偏移。（太阳λmax=0.47μｍ；地球λmax=9.66μｍ）

高温物体发射较短电磁波，低温物体发射较长电磁波。（P21，T2.2）常温（如人体300K左右，发射电磁波峰值波长9.66μm）

针对要探测目的，选择最佳遥感波段和传感器。第17页第17页§2.1电磁波谱与电磁辐射实际物体辐射（1）发射率ε（比辐射率、热辐射率）概念：物体（地物）辐射出射度与同温度下黑体辐射出射度之比。（2）物体发射率等于该物体吸取率：αλ=ελ，普通情况下,物体发射率:0＜ελ＜1。好吸取体也是好发射体，假如不吸取一些波长电磁波，也不发射该波长电磁波。（3）物体发射率是温度和波长函数。物体发射率与身性质、物理情况（如粗糙度、颜色等）相关；物体表面温度受本身比热、热惯量、热导率、热扩散率等影响较大。（4）按照ε与λ关系，辐射源能够分为三种：①黑体②灰体③选择性辐射体。黑体ελ=ε=1；灰体ελ=ε=常数<1;选择性辐射体ελ<1,且随波长而变。（P22，表2.3；P23，F2.10）第18页第18页§2.1电磁波谱与电磁辐射1第19页第19页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响2.2.1太阳辐射太阳常数：在不受大气影响情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，约1.496×108公里）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑体接受到太阳辐射能量。其数量为：1.360×103瓦/平方米。（太阳常数不是恒定不变，但改变不会超出1%。）地面所接受所有太阳辐射能，忽略大气损失时为θ为太阳天顶角，D为日地之间距离（以日地平均距离为单位）。(参见教材P26)第20页第20页太阳辐射源太阳大气

位置

温度

厚度

辐射特点

辐射光谱光球层

内4300-7500300km连续辐射

可见光和红外

色球层

中7000-8000km线状辐射无线厘米波

日冕层

外形状多变，厚度不定，普通太阳直径4-5倍连续辐射米波

第21页第21页遥感导论太阳能量随波长分布红外波段38%第22页第22页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响2.2.1太阳辐射太阳辐射（太阳光谱）主要特性(P25,F2.11)(1)太阳辐射到达大气层顶时与60000K黑体辐射能特性基本相同：辐射能强度特性、辐射能随波长分布特性。(2)太阳辐射穿过大气层到达地面后，被大气反射、散射和吸取强度有所减少，并且存在多个O3、CO2、H2O吸取带。(3)在0.3~0.47μｍ范围内，随波长增长太阳辐射能急剧增长，最大辐射强度位于波长0.47μｍ左右；随波长继续增大，太阳辐射能逐步减少，在中红外波段，太阳辐射能已相称微弱。第23页第23页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响

(4)在0.6μｍ附近有一个O3吸取带；在0.7、0.9、1.1μｍ附近有三个水汽吸取带、在1.4和1.9μｍ附近太阳辐射能完全被吸取；CO2强吸取带在2.7和4.3μｍ附近。(5)到达地面太阳辐射能43.5%集中在可见光波段36.8%集中在近红外波段。(P25,表2.4)第24页第24页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响2.2.2大气对太阳辐射影响大气层次与成份(自行阅读)大气对太阳辐射衰减

太阳辐射进入地球之前必定通过大气层，太阳辐射与大气互相作用结果，是使能量不断削弱。约有30%被云层和其它大气成份反射回宇宙空间；约有17%被大气吸取，约有22%被大气散射；而仅有31%太阳辐射能量到达地面。反射、散射和吸取作用共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过部分，剩余强度越高，透过率越高。对遥感传感器而言，透过率高波段，才对遥感故意义。因此：

太阳辐射衰减原因是：吸取、散射、反射。

第25页第25页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响大气对太阳辐射衰减

1、大气吸取作用（看看这里…）大气吸取太阳辐射主要物质是：H2O、CO2和O3（P28T2.14）

氧（O2）：主要吸取小于0.2μm太阳辐射能量，在0.155μm处吸取最强，由于氧吸取，在低层大气内几乎观测不到小于0.2μm紫外线，在0.6μm和0.76μm附近，各有一个窄吸取带，吸取能力较弱。因此，在高空遥感中很少应用紫外波段。

臭氧（O3）：对太阳辐射吸取很强。在波长0.2~0.32μm有很强吸取带；在0.6μm附近窄吸取带，该吸取带处于太阳辐射最强部分，因此该带吸取最强；另在0.76μm附近也有一个窄吸取带。臭氧主要分布在30km高度附近，因而对高度小于10km航空遥感影响不大，而主要对航天遥感有影响。第26页第26页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响

1、大气吸取作用

水（H2O）：是吸取太阳辐射能量最强介质（有气态和液态）。从可见光、红外直至微波波段，处处都有水吸取带，主要吸取带是处于红外和可见光中红光波段，红外部分吸取最强。比如：在0.5~0.9μm有四个窄吸取带，在0.95~2.85μm有5个宽吸取带。另外，在6.25μm附近有个强吸取带。因此，水气对红外遥感有很大影响，而水气含量随时间、地点而改变。液态水吸取比水气吸取更强，但主要是在长波方面。

二氧化碳（CO2）：约占0.03%，它吸取作用主要在红外区内。比如：在1.35~2.85μm有3个宽弱吸取带。另外在2.8μm、4.3μm与14.5μm为强吸取带。由于太阳辐射在中红外区能量很少，因此对太阳辐射而言，这一吸取带可忽略不计。大气中其它微粒即使也有吸取作用，但不起主导作用。第27页第27页CO2、H2O吸取红外及长波O3吸取紫外光O吸取波长<0.2μm大气吸取：太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波一些波段有吸取作用，引起这些波段太阳辐射强度衰减，或完全不能通过大气。太阳辐射到达地面时，形成了电磁波一些缺失带对太阳辐射影响最大是对流层和平流层第28页第28页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响大气对太阳辐射衰减

2、大气散射作用

大气对太阳辐射吸取明显特点是吸取带主要位于太阳辐射紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了（P25T2.11中两条连续曲线差值，表示大气对太阳辐射散射时所造成损失）。散射使原传播方向辐射强度削弱，而增长向其它各方向辐射。（1）大气散射改变了部分辐射方向，干扰了传感器接受，减少了遥感数据质量，造成影像模糊，影响遥感资料判读。（2）大气散射集中于太阳辐射能量较强可见光区。（3）大气散射是太阳辐射衰减主要原因。第29页第29页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响2、大气散射作用

依据辐射波长与微粒直径之间关系，大气散射可分为三种：

（1）瑞利散射：当大气中粒子直径比波长小得多时（普通认为粒子直径d<λ/10）发生散射；主要由大气中原子和分子引起。特点：散射强度I∝λ-4。红外线、微波能够不考虑瑞利散射影响。可见光波长较短，瑞利散射对可见光影响很大。紫外区不适于进行遥感。

晴朗天空为何是蓝？日出日落时天空是橙红色？（2）米氏散射：当大气中粒子直径与波长相称初发生散射；主要由大气中烟尘、小水滴和气溶胶引起。散射强度I∝λ-2。米氏散射在光线迈进方向比向后方散射更强。由于大气中云、雾等悬浮粒子大小与0.76—15μm红外线波长差不多，因此，云、雾对红外线米氏散射是不可忽略。

第30页第30页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响2、大气散射作用

（3）无选择性散射：当大气中粒子直径比波长大得多时发生散射；散射强度与波长无关，即在符合无选择性散射条件波段中，任何波长散射强度相同。--云雾中水滴粒子直径与可见光相比；云和雾为何是白色？（4）散射作用与波长关系：散射强度和波长密切相关，在大气情况相同时，同时会出现各种类型散射。瑞利散射主要发生在紫外、可见光和近红外波段；米氏散射发生在近紫外~红外波段，但在红外波段米氏散射影响超出瑞利散射；在微波波段，由于微波波长远不小于云层中水滴直径，因而属于瑞利散射类型；此时，散射强度与波长四次方成反比，散射强度相对很弱，透射能力很强，故微波含有穿透云雾能力。第31页第31页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响大气对太阳辐射衰减3、大气反射和折射作用反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量，云量越多、云层越厚，反射越强。而且各波段均受到不同程度影响，减弱了电磁波抵达地面强度。因此，应尽也许选择无云天气接受遥感信号。大气折射率与大气密度相关，密度越大折射率越大。因而，电磁波（太阳辐射）在大气中传输轨迹是一条曲线。折射改变了太阳辐射方向，并不改变太阳辐射强度。

大气对太阳辐射衰减总体规律（见下页）第32页第32页太阳辐射经大气衰减图大气吸取15％，散射和反射42％，其余43％太阳辐射到达地面。又一说：大气吸取17％，散射22％，反射30％，其余31％太阳辐射到达地面。第33页第33页§2.2太阳辐射及大气对辐射影响2.2.2大气窗口及透射分析大气窗口：将电磁波通过大气层时较少被反射、吸取或散射,透过率较高波段称为大气窗口。大气窗口光谱段主要有：大气窗口波段透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOTHRV近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μm60～70NOAAAVHRR远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat第34页第34页大气透射分析---参见教材P32

第35页第35页§2.3地球辐射与地物波谱2.3.1太阳辐射与地表互相作用依据书本34页图2.20。自行总结地球电磁辐射基本特性。第36页第36页§2.3地球辐射与地物波谱2.3.2地表本身热辐射（地物发射光谱特性）温度为300K黑体，其电磁辐射波长范围是：2.5~50μｍ。地球表面发射辐射能量主要集中于热红外波段,其峰值波长为9.66μｍ；在热红外波段，太阳电磁辐射几乎忽略不计，通常称地球发射辐射为热辐射。地球表面热辐射（能量）与本身发射率、波长、温度相关：M(λ,T）=ε(λ,T)×M0(λ,T)地物发射光谱：地物发射率随波长改变规律。地物发射率不同是红外遥感技术主要依据。地物发射光谱曲线：某种地物发射率随波长改变曲线。地物发射率与物体本身组成、表面粗糙度、颜色和温度相关。观测图2.22能够发觉：伴随二氧化硅含量降低（酸性---基性）岩石发射率最小值向长波方向偏移。第37页第37页§2.3地球辐射与地物波谱2.3.2地表本身热辐射（地物发射光谱特性）表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。地物辐射能量与温度四次方成正比，比热、热惯性大地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。探测地物热辐射特性热红外遥感在夜间和白天进行结果是不同。—因为地表温度日改变，热红外遥感应在一天中何时进行？热红外遥感探测地物热辐射量用亮度温度（所谓亮度温度是当物体辐射功率等于某一黑体辐射功率时，该黑体绝对温度即地物亮度温度）表示，它不同于地面温度，是接受热辐射能量转换值，图像上表示为亮度。第38页第38页§2.3地球辐射与地物波谱2.3.3地物透射光谱特性透明地物：有些地物（如水体和冰），含有透射一定波长电磁波能力，通常把这些物体叫做透明地物。透射率(τ)：入射光透射过地物能量与入射总能量百分比。地物透射率伴随电磁波波长和地物性质而不同。地物透射能力普通用透射率表示。举例：1）水体，对0.45~0.56μm蓝绿光波段透射能力较强，普通水体透射深度10~20m，混水1~2米，清澈水体可达100m深度。2）对于普通不能透过可见光地面物体对波长5cm电磁波则有透射能力，如超长波透射能力就很强，能够透过地面岩石和土壤。3）红外线只对含有半导体特性地物，才有一定透射能力。微波对地物含有显著透射能力，由入