遥感概论：第2章 遥感物理基础

第二章遥感物理基础

——电磁辐射与地物光谱特征

§1

电磁波谱与电磁辐射

§2太阳辐射及大气对辐射的影响

§3地球的辐射与地物波谱

2.1.1电磁波与电磁波谱波：振动的传播称为波。电磁波（电磁辐射）：电磁振源产生的电磁振荡在空间的传播。电磁波的性质：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，两者的乘积为光速；电磁波具有波粒（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、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。§2.1电磁波谱与电磁辐射电磁波的叠加原理(干涉)当两列波在同一空间传播时，空间尚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）电磁波的衍射和偏振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。(设计遥感器空间分辨率具有重要意义。)电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。偏振光，非偏振光，部分偏振最小分辨角:d

物镜的有效孔径

电磁波的波长动量：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。电磁波的粒子性电磁波波长、频率电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的图表称为电磁波谱。（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电磁波谱

近红外：0.76～3.0µm，与可见光相似。

中红外：3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。

远红外：6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。

超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。红外线的划分遥感导论遥感对地观测波长：0.001—0.38μm特征：1.大气对紫外线吸收较强；

2.能使溴化银底片感光；

3.太阳光谱中只有0.3~0.38

μm的光到达地面，对油污染敏感应用：1.用于测定碳酸岩的分布

2.用于油污的监测波长：0.38—0.76μm特征：1.由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫光组成；

2.人眼对可见光有敏锐的分辨率；是遥感技术应用中的重要波段。应用：1.鉴别物质特性的主要波段

2.以光学摄影或扫描方式接收和记录地物对可见光的反射特征§2.1电磁波谱与电磁辐射2.1.2电磁辐射的度量辐射源：任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外（发出）辐射。

遥感的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(被动式遥感系统中重要的自然辐射源)和地球的电磁辐射（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）人工辐射源主动遥感采用人工辐射源，是指人为发射的具有一定波长（或一定频率）的波束。工作时接收地物散射该光束返回的后向反射信号强弱，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，目前常用的主要为侧视雷达。§2.1电磁波谱与电磁辐射2.1.2电磁辐射的度量辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J（焦耳）。

辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量,单位:W(瓦)辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。(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的辐射通量，单位：W/m2

。(属于辐射通量密度概念)

以上各辐射量都是波长的函数

辐射通量密度、辐射亮度（P18）

光谱辐射通量以上各辐射量都是波长的函数。右图表示单位波长间隔内的辐射通量，称为光谱辐射通量。Φ(λ)=dΦ/dλ

单位：瓦/微米（W•

μm-1）

§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）：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。

光谱吸收系数（吸收率）：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§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）黑体的辐射（发射）能量----辐射出射度（M）是波长λ和温度T的函数；某一波长下黑体的辐射出射度Mλ

是指在某一单位波长间隔（λ~Δλ）的辐射出射度。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）黑体的总辐射出射度M：黑体对所有波长的（发射）辐射能量的总和。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的关系是：随着温度的升高，M的值急剧增大；不同温度下的M值在波长—能量曲线图中，展现为一系列互不相交的曲线（族）。

§2.1电磁波谱与电磁辐射（3）黑体辐射出射度Mλ

的最大值所对应的波长λmax

与黑体自身温度T的关系：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的曲线的峰值就越向短波方向偏移。（太阳的λmax=0.47μｍ；地球λmax=9.66μｍ）

高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。（P21，

T2.2）常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66μm）

针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。§2.1电磁波谱与电磁辐射实际物体的辐射（1）发射率ε（比辐射率、热辐射率）的概念：物体（地物）的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比。（2）物体的发射率等于该物体的吸收率：αλ=ελ

，一般情况下,物体的发射率:0＜ελ

＜1。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。（3）物体的发射率是温度和波长的函数。物体的发射率与身的性质、物理状况（如粗糙度、颜色等）有关；物体的表面温度受自身的比热、热惯量、热导率、热扩散率等影响较大。（4）按照ε与λ的关系，辐射源可以分为三种：①黑体②灰体③选择性辐射体。黑体的ελ=ε=1；灰体的ελ=ε=常数<1;选择性辐射体的ελ<1,且随波长而变。（P22，表2.3；P23，F2.10）§2.1电磁波谱与电磁辐射1§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响2.2.1太阳辐射太阳常数：在不受大气影响的情况下，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的太阳辐射能量。其数量为：1.360×103瓦/平方米。（太阳常数不是恒定不变的，但变化不会超过1%。）地面所接受全部太阳辐射能，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)太阳辐射源太阳大气

位置

温度

厚度

辐射特点

辐射的光谱

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，一般太阳直径的4-5倍

连续辐射米波

遥感导论太阳能量随波长的分布红外波段38%§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响2.2.1太阳辐射太阳辐射（太阳光谱）的主要特征(P25,F2.11)(1)太阳辐射到达大气层顶时与60000K黑体的辐射能特征基本相同：辐射能的强度特征、辐射能随波长的分布特征。

(2)太阳辐射穿过大气层到达地面后，被大气反射、散射和吸收强度有所减少，而且存在多个O3、CO2、H2O的吸收带。

(3)在0.3~0.47μｍ范围内，随波长的增加太阳辐射能急剧增长，最大辐射强度位于波长0.47μｍ左右；随波长的继续增大，太阳辐射能逐渐减少，在中红外波段，太阳辐射能已相当微弱。§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响

(4)在0.6μｍ附近有一个O3的吸收带；在0.7、0.9、1.1μｍ附近有三个水汽的吸收带、在1.4和1.9μｍ附近太阳辐射能完全被吸收；CO2

的强吸收带在2.7和4.3μｍ附近。

(5)到达地面的太阳辐射能43.5%集中在可见光波段36.8%集中在近红外波段。(P25,表2.4)§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响2.2.2大气对太阳辐射的影响大气层次与成分(自行阅读)大气对太阳辐射的衰减

太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果，是使能量不断减弱。约有30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；约有17%被大气吸收，约有22%被大气散射；而仅有31%的太阳辐射能量到达地面。反射、散射和吸收作用共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分，剩余强度越高，透过率越高。对遥感传感器而言，透过率高的波段，才对遥感有意义。因此：

太阳辐射衰减的原因是：吸收、散射、反射。

§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响大气对太阳辐射的衰减

1、大气的吸收作用（看看这里…）大气吸收太阳辐射的主要物质是：H2O、CO2和O3（P28T2.14）

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

臭氧（O3）：对太阳辐射吸收很强。在波长0.2~0.32μm有很强吸收带；在0.6μm附近的窄吸收带，该吸收带处于太阳辐射的最强部分，因此该带吸收最强；另在0.76μm附近也有一个窄吸收带。臭氧主要分布在30km高度附近，因而对高度小于10km的航空遥感影响不大，而主要对航天遥感有影响。§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响

1、大气的吸收作用

水（H2O）：是吸收太阳辐射能量最强的介质（有气态和液态）。从可见光、红外直至微波波段，到处都有水的吸收带，主要吸收带是处于红外和可见光中的红光波段，红外部分吸收最强。例如：在0.5~0.9μm有四个窄吸收带，在0.95~2.85μm有5个宽吸收带。此外，在6.25μm附近有个强吸收带。因此，水气对红外遥感有很大影响，而水气的含量随时间、地点而变化。液态水的吸收比水气吸收更强，但主要是在长波方面。

二氧化碳（CO2）：约占0.03%，它的吸收作用主要在红外区内。例如：在1.35~2.85μm有3个宽弱吸收带。另外在2.8μm、4.3μm与14.5μm为强吸收带。由于太阳辐射在中红外区能量很少，因此对太阳辐射而言，这一吸收带可忽略不计。大气中的其它微粒虽然也有吸收作用，但不起主导作用。CO2、H2O吸收红外及长波O3

吸收紫外光O吸收波长<0.2μm大气吸收：太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，引起这些波段太阳辐射强度的衰减，或完全不能通过大气。太阳辐射到达地面时，形成了电磁波的某些缺失带对太阳辐射影响最大的是对流层和平流层§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响大气对太阳辐射的衰减

2、大气的散射作用

大气对太阳辐射吸收的明显特点是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。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中两条连续曲线的差值，表示大气对太阳辐射散射时所造成的损失）。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其它各方向的辐射。（1）大气散射改变了部分辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。（2）大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。（3）大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响2、大气的散射作用

根据辐射波长与微粒直径之间的关系，大气散射可分为三种：

（1）瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时（一般认为粒子直径d<λ/10）发生的散射；主要由大气中的原子和分子引起。特点：散射强度I∝λ-4

。红外线、微波可以不考虑瑞利散射的影响。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。

晴朗的天空为什么是蓝的？日出日落时天空是橙红色？（2）米氏散射：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引起。散射强度I∝λ-2

。米氏散射在光线前进方向比向后方的散射更强。由于大气中云、雾等悬浮粒子的大小与0.76—15μm的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。

§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响2、大气的散射作用

（3）无选择性散射：当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射；散射强度与波长无关，即在符合无选择性散射条件的波段中，任何波长的散射强度相同。

--云雾中水滴粒子的直径与可见光相比；云和雾为什么是白色的？（4）散射作用与波长的关系：散射强度和波长密切相关，在大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。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的影响超过瑞利散射；在微波波段，由于微波波长远大于云层中水滴的直径，因而属于瑞利散射类型；此时，散射强度与波长的四次方成反比，散射强度相对很弱，透射能力很强，故微波具有穿透云雾的能力。§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响大气对太阳辐射的衰减

3、大气的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的影响，削弱了电磁波到达地面的强度。因此，应尽量选择无云的天气接受遥感信号。大气的折射率与大气密度有关，密度越大折射率越大。因而，电磁波（太阳辐射）在大气中的传播轨迹是一条曲线。折射改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐射的强度。

大气对太阳辐射的衰减总体规律（见下页）太阳辐射经大气衰减图大气吸收15％，散射和反射42％，其余43％太阳辐射到达地面。又一说：大气吸收17％，散射22％，反射30％，其余31％太阳辐射到达地面。§2.2太阳辐射及大气对辐射的影响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、吸收或散射的,透过率较高的波段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有：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、SPOT的HRV近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μm60～70NOAA的AVHRR远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat大气透射分析---参见教材P32

§2.3地球的辐射与地物波谱2.3.1太阳辐射与地表的相互作用根据课本34页图2.20。自行总结地球电磁辐射的基本特征。§2.3地球的辐射与地物波谱2.3.2地表自身热辐射（地物发射光谱特性）温度为300K的黑体，其电磁辐射的波长范围是：2.5~50μｍ。地球表面的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，太阳的电磁辐射几乎忽略不计，通常称地球的发射辐射为热辐射。地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波长、温度有关：M(λ,T）=ε(λ,T)×M0(λ,T)地物的发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据。

地物发射光谱曲线：某种地物的发射率随波长变化曲线。地物的发射率与物体本身组成、表面粗糙度、颜色和温度有关。观察图2.22可以发现：随着二氧化硅含量的减少（酸性---基性）岩石发射率的最小值向长波方向偏移。§2.3地球的辐射与地物波谱2.3.2地表自身热辐射（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。地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大，白天就小。探测地物的热辐射特性的热红外遥感在夜间和白天进行的结果是不同的。

—由于地表温度的日变化，热红外遥感应在一天中的何时进行？热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度温度（所谓亮度温度是当物体辐射的功率等于某一黑体辐射功率时，该黑体的绝对温度即地物的亮度温度）表示，它不同于地面温度，是接收的热辐射能量的转换值，图像上表示为亮度。§2.3地球的辐射与地物波谱2.3.3地物透射光谱特性透明地物：有些地物（如水体和冰），具有透射一定波长的电磁波能力，通常把这些物体叫做透明地物。

透射率(τ)：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。地物的透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。地物的透射能力一般用透射率表示。举例：1）水体，对0.45~0.56μm的蓝绿光波段透射能力较强，一般水体的透射深度10~20m，混水1~2米，清澈水体可达100m的深度。2）对于一般不能透过可见光的地面物体对波长5cm的电磁波则有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面