大气辐射与遥感-第二章
遥感2.2
第二节 大气对电磁辐射传输的影响一、大气成分和结构太阳辐射入射到地球表层，需经过大气层（即要经过大气外层、热层、中气层、平流层和对流层等）。
而地物对太阳辐射的反射，会又一次经过大气层后，然后被遥感传感器所接收。
当太阳辐射途径大气层时，将受到大气层中的气体、云、雾、雨、尘埃、冰粒、盐粒等成分的吸收、散射和透射，使其能量受到衰减和重新分配。
大气对通过的电磁波产生吸收、散射和透射的特性，称为大气传输特性。
这种特性除了取决于电磁波的波长（即随波长不同而不同），还决定于大气成分和环境的变化。
（一）大气成分地球的大气是由多种气体、固态及液态的悬浮微粒组成的。
大气中的主要气体包括N 2，O 2，H 2O ，CO ，CO 2，N 2O ，CH 4和O 3。
固态和液态的微粒有尘埃、冰晶、盐晶、烟灰、水滴等，它们形成霾、雾、云等。
弥散在大气中成为悬浮的状态，统称为气溶胶。
其中霾是弥散在大气溶胶中的细小微粒，半径小于0.5m μ，由细小的盐晶，烟灰等组成。
雾是指悬浮尘埃、盐晶形成的水蒸气的凝聚核。
当核增大到半径大于1m μ的水滴或冰晶时，就形成雾。
云和雾的成因相同。
地面以上80km 左右的大气中，除H 2O ，O 3等少数可变气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变，所以把80km 以下的大气层称为均匀层。
在该层中大气物质与太阳辐射相互作用，是使太阳辐射衰减的主要原因。
（二）大气成分与太阳辐射的相互作用太阳辐射经过大气层后，约有30%的能量被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；17%被大气吸收；22%被大气散射；仅有30%的能量辐射到地面。
（1）大气的散射作用电磁波通过不均匀物质时，传播方向发生改变的现象称为散射。
对遥感来说，散射使部分辐射能由于改变辐射方向，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。
大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。
（大气散射作用的实质是指电磁波穿过大气层时，遇到各种微粒所发生的一种衍射现象。
大气辐射和遥感
dQ dt
d E dA
2013-8-3
大气辐射和遥感--电磁辐射基础
4
立体角与面元辐亮度
辐射传播学中需要定义一个量，它与传播距离无 关，这样就能考察传播过程中传播介质的影响。 单位立体角内的能量满足上面的要求。 球面坐标下，立体角微分元有熟知的表达式。
ds r2 ds r 2 s in dd d d s in dd
2013-8-3
大气辐射和遥感--电磁辐射基础
20
Doppler效用：温度加宽（Doppler加宽）
给定频率的电磁波相对观测者有径向速度时，接收 处电磁波频率有偏移，这就是DOPPLER效应。径 向速度越大DOPPLER效应越显著。假定中高层大 气分子运动速度以30m/s计算，引起波数1微米-1的 电磁波波数变化可以达到10-7微米-1。
大气辐射和遥感--电磁辐射基础 18
2013-8-3
能级衰减：光谱自然加宽
分子由激发态i向稳定的基态j跃迁过程中，激发态i 能级涨落会引起辐射光谱加宽。根据测不准原理， 激发态i能级涨落与该态能级寿命成反比，相应的光 谱宽度。其中i 为能级平均寿命，N 是谱线半宽。
h Ei ti 2 E 1 1 , N hc 2ci 4ci
2013-8-3 大气辐射和遥感--电磁辐射基础 19
根据量子力学，分子在i能级能量分布几率Pi(E)。
Pi ( E )
2 2 1 2 2 hi [( ) ( E Ei ) ( ) ] h 2i
1
dE 由 d hc
N dE 1 f (v v0 ) Pi ( E ) 2 dv (v v0 ) 2 N
u (l )
遥感原理与应用_第2章_2遥感物理基础-辐射传输基础
• 米氏散射：如果介质中不均匀
颗粒的直径a与入射波长同数 量级；(气溶胶)
• 非选择性散射（均匀散射）：
当不均匀颗粒的直径a>>λ时
发生。(大粒子尘埃)
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遥感影像判读
遥感平台特点
遥感
影像识别分类
遥感物理基础
遥感技术应用
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SWJTU
遥 1 2感 3物 4 5理 6基 7 础
遥感电磁辐射基础 辐射传输基础
地物波谱特性与遥感光学基础
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SWJTU
大 大气成分 气 不变成分：氮、氧、氩、二氧化碳、甲烷、氧化氮、氢； 对 这些气体在80km以上的相对比例保持不变，称为不变气体。 1 2 电 可变成分：臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、 3磁 4 冰等）、盐粒、尘烟；这些气体的含量随高度、温度、位置 5辐 6 射 而变，称为可变成分。 7 的 气溶胶：固体或液体分散在气体中的分散体系叫做气溶胶。 影 比如，烟、尘、雾、云等都是气溶胶 。气溶胶是气体和在重 响 力场中具有一定稳定性和较小沉降速度的物质颗粒组成的混
散射影响：使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向
的辐射。尽管强度不大，但太阳辐射在照到地面又反射到传感器的 过程中，二次通过大气，在照射地面时，由于增加了漫入射的成分， 使地物反射的成分有所改变。 对遥感图像来说，增加了信号中的噪声成分，降低了传感器接收 数据的质量，造成图像模糊不清。 不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。
遥感电磁辐射基础
电磁辐射的有关概念
辐射源：能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其
他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。
太阳辐射：可见光及近红外遥感的重要辐射源
自然辐射源
地球电磁辐射：远红外遥感的辐射源
人工辐射源 人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达 辐射源）
基本物理名词：辐射能量（Q）、辐射通量（辐射功率，φ）、辐射出射度 （辐射通量密度W）、辐射照度（E）、辐射强度（I）、辐射亮度(L)
1
d
M (T ) T 4
σ：斯忒藩－玻耳兹曼常数，5.6697（±0.00297）×10-2 Wcm-2K-4
维恩位移定律
ch maxT 2897.8 k 4.96511
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 射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确 定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。
分谱？？？ 分谱辐射通量 分谱辐照度、分谱辐射出射度 分谱辐射强度
“分谱”两字可以忽略
小
辐射量 辐射能量 辐射通量 符号 Q Φ
结
单位 焦耳(J)
辐射度量一览表
定义
(2) Q/ t( λ)
瓦(W)
辐照度
辐射出射度 辐射强度 辐射亮度
E
M I L
(2) Φ / A ( λ)
(2) Φ / A ( λ) (2) Φ / Ω ( λ) 2(3) Φ / A Ω ( λ)
电离层：高度在50～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外
线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动 空间。
大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上
遥感导论-习题及参考答案第二章 电磁辐射与地物光谱特征答案
第二章电磁辐射与地物光谱特征·名词解释辐射亮度：由辐射表面一点处的单位面积在给定方向上的辐射强度称为辐射亮度。
普朗克热辐射定律：在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为B(λ，T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1灰度波谱：用该类型在该波段上的灰度值反应的波谱曲线黑体辐射：任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领，为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。
电磁波谱：将电磁波按大小排列制成图表。
太阳辐射：太阳射出的辐射射线瑞利散射：大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射地球辐射：地面吸收太阳辐射能后，向外辐射的射线。
地物波谱特性：各种地物因种类和环境条件不同,都有不同的电磁波辐射或反射特性反射率：地物反射能量与入射总能量之比。
比辐射率：某一物体在一特定波长和温度下的发射辐射强度与理想黑体在相同波长和温度下所发射的辐射强度之比。
后向散射·问答题地球辐射的分段特性是什么？当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球本身的辐射，几乎可以忽略不计。
地球自身的辐射主要集中在长波，即6um以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只考虑地表物体自身的热辐射。
两峰交叉之处是两种辐射共同其作用的部分，在2.5~6um，即中红外波段，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。
什么是大气窗口?试写出对地遥感的主要大气窗口答：大气窗口的定义：通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段成为大气窗口。
包括：部分紫外波段，0.30mμ~0.40mμ，70%透过。
全部可见光波段，0.40mμ~0.76mμ，95%透过。
遥感导论第二章
M
(,
T
)
(,
T
)
•
M
(,
T
)
0
精品PPT
比辐射率（发射率）
波谱特性曲线的形态
特征反映(fǎnyìng)：
地面物体本身的特性，
包括物体本身的组成、
温度、表面粗糙度等
物理特性。
精品PPT
曲线的形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体，
尤其在夜间，太阳辐射消失(xiāoshī)后，地面发出的
第2章 电磁辐射与地物光谱特征
2.1 电磁波谱与电磁辐射
一、电磁波谱 ；二、电磁辐射的度量（自学为主)
1、电磁波谱按频率由高到低排列主要
由 、 、 、 、 、 、
等组成。
2、遥感(yáogǎn)应用的电磁波波谱段有哪些？有什么特点？
3、名次解释：辐射能量（W）、辐射通量(Φ)、辐射通量密度。
三、黑体(hēitǐ)辐射（问题讨论）
的相互作用
太阳辐射主要
(zhǔyào)集中在0.32.5μm，在紫外、可见
光、到近红外区段
地球(dìqiú)自身辐射
主要集中在6μm以上的
热红外区段
2.5-6μm，即中红外
波段两种辐射共同起
作用（避免太阳辐射）
精品PPT
太阳辐射近似温度为6000K的黑体辐射，而地球
辐射接近于温度为300K的黑体辐射。最大辐射的对
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
(yǐngxiǎng)
2.3 地球的辐射与地物波谱
精品PPT
2.1 电磁波谱与电磁辐射
(diàn cí fú shè)
(1) 电磁波谱
◆电磁波：
◆电磁波性质
遥感的物理基础
反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介 质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要 出现在云顶（云造成噪声）。
遥感基础与应用
大气窗口
不同波段的电磁波受到大气的衰减作用轻重不 同。
电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和 散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。
遥感传感器选择的探测波段应包含在大气窗口 之内。
(2) 地物的发射光谱特性
同一地物，其表面粗糙或颜色较深的，发射率 往往较高，反之，发射率则较小。
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。
例如水体，在白天水面光滑明亮，表面反射强 而温度较低，发射率亦较低；而夜间，水的比 热大，热惯量也高，故而发射率较高。
遥感基础与应用
结果输出（图、表）
接收 预处理
用户处 理应用
遥感基础与应用
太阳辐射曲线
太阳辐射的能量主要集中 在可见光，其中0.38 ～ 0.76 µ m的可见光能量占太阳辐射 总能量的46%，最大辐射强 度位于波长0.47 µ m左右； 到达地面的太阳辐射主要 集中在0.3 ～ 3.0 µ m波段，
包括近紫外、可见光、近
土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在 水的各个吸收带（1.4um、1.9um、2.7um处附近 区间），反射率的下降尤为明显。
遥感基础与应用
三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线
水的吸收带（1.4um、1.9um、2.7um） 干燥土壤的波谱特征主要 与土壤物质组成（成土矿 物和土壤有机质）有关。 土壤含水量增加，土壤的 反射率就会下降，
遥感基础与应用
不同地物的反射波谱特征
遥感基础与应用
遥感物理大气20111
5.1.3 大气静力学方程
5.1.4 大气压力和密度的垂直廓线 5.1.5 大气温度和湿度的垂直廓线
5.1.6 大气气溶胶
5.1.7 大气水汽 5.1.8 水圈与水文循环 5.1.9 云与降水
5.1.1 大气成分 Composition
The composition of the atmosphere is important in any understanding of the role which the atmosphere plays in remote sensing and in interactions with electromagnetic radiation.
第二节 辐射与大气的相互作用
INTERACTION OF RADIATION WITH ATMOSPHERE
第三节 大气效应纠正
ATMOSHPHERIC EFFECT CORRECTION
第四节 大气的遥感探测
ATMOSHPHERIC REMOTE SOUNDING
前 言
大气：是介于遥感传感器与地球表层之间的一层由多种气体及
气溶胶等组成的介质层，当电磁波由地球表层传至遥感传感器 时，大气是必经的通道；
大气对电磁波的作用：主要可以归纳为两种物理过程，即吸
收与散射，对地表遥感来说，大气的吸收与散射作用均可使电 磁波信息受到削弱；
遥感图像的大气纠正：如何依据遥感图像直接或间接获得的
大气参数，消除大气对电磁波属性量的影响，恢复其在地球表 层的“本来面目” ，就成为定量遥感不可回避的问题；
二氧化碳（ Carbon Dioxide ）
Carbon dioxide has a relatively constant mixing ratio with height in the atmosphere, that is, it is fairly evenly distributed on average. The main sources 源: burning of fossil fuels化石燃料, human and animal respiration呼吸, the oceans and volcanic activity火山活动. The main sinks 汇: photosynthesis光合作用 and the production of carbonates (limestones) in the ocean/land system. The rate of removal of carbon dioxide, a greenhouse gas, is observed to be less than the generation (from fossil fuel burning) because the concentration of carbon dioxide in the atmosphere has been rising steadily since the early part of the last century. About 99% of the earth's carbon dioxide is dissolved in the oceans. The solubility is temperature dependent. It is estimated that the annual amount of carbon dioxide entering or leaving the air by all mechanisms is about one tenth of the total carbon dioxide content of the atmosphere.
遥感物理 大气辐射传输模型
localised basis at low levels. Water vapour 水汽content may vary from about 0 to
4% ozone臭氧 concentrations also vary markedly.
其中
；
理论上，n≥3即可求解，但为避免方程的相关性，一般要 寻找地表反射率分别为高、中、差的地物作为参考物。
该方法对于时间序列的多幅影像的归一化校正适用。
（3）暗目标方法（Dark-Object Methods）
如果图像中包含有浓密的植被，因Fra bibliotek浓密植被在可见光反 射率很低，被称为暗目标，因此传感器所接收的辐射主要来自 于大气的程辐射，可以用于大气光学厚度的估算，其算法的基 本思路如下：
a.确定暗目标的存在：利用植被指数高和红外波段反射率低的特 性；或利用中红外通道（2.1 和3.8 ）的反射率低的特性； b.利用中红外通道的观测估计暗像元在红和蓝通道的反射率； c. 给定气溶胶模式（气溶胶谱分布，折射指数，单次散射反照率 等）； d.利用气溶胶模型计算的辐射传输查找表，将遥感观测的辐射亮 度反演为气溶胶光学厚度； e. 利用得到的气溶胶光学厚度对整幅遥感影像进行内插，得到 整幅图像的光学厚度； f. 对整幅影像进行大气校正。
2.5 辐射传输方程求解
辐射场分解 连续方法（Method of Successive Orders of Scattering） 离散法（Method of Discrete Ordinates）
2.6 大气效应纠正
回顾平面平行大气的辐射传输方程：
dI ( ,)
遥感概论22
Is
为太阳辐亮度，
r
为日地距离
太阳辐射与天顶角的关系
天顶角越 小，地面 接收的太 阳辐射越 强（中 午）。
太阳天 顶角
地面太阳辐照度与天顶角的关系为：
E E0 cos
太阳常数
在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单 位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数。 F0 = 1353(±21) W/m2 (1976, NASA)
地球大气成分
N2 不变成份 O2 78.084% 20.946% CO2、A5 及其它稀有气体1%
水（气态） （H2 O）
水（液态、固态） (H2 O） 可变成份 臭氧 O3
尘埃、工业污染 盐粒、陆地尘埃、碳粒、氨气、 一氧化碳、硫化氢、氧化硫等。
地球大气层结构
地球大气层包围着地球，大气层没有一个
二、大气与太阳辐射的相互作 用
大气对电磁波传输过程的影响： 吸收、散射及反射作用 可见光波段：引起电磁波衰减的主要原因是分 子散射。 紫外、红外与微波区：引起电磁波衰减的主要 原因是大气吸收。
2.1 大气的反射
1. 大气对太阳辐射的反射作用主要是水 蒸气造成的。 2. 影响最大的就是——云。其影响程度 与云量和云的厚度有关。 3. 选择无云的天气接收遥感信号。
氧和臭氧吸收带
氧 的 吸 收 带 主 要 在 0.176-0.202um 和
0.242-0.260um，在0.69-0.76um也有一狭 小的吸收带。臭氧对 0.3um 以下的短波光 能全部吸收。
水汽的吸收
对太阳辐射的吸收作用最为显著，范围很
广，但集中在红外波段，其中0.7-3.0um 波段是强吸收带。
瑞利散射示意图
瑞利散射与波长的关系示意图
遥感原理与应用(2.4.1)--地物辐射、太阳辐射及大气辐射影响
（ 3 ）物体的发射辐射 一般物体的发射
1 ）发射率 (Emissivity )
定义：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。它也是遥感探测的基础和出发点。
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。
（ 3 ）大气对电磁波的作用 散射
大气对太阳光的散射示意图
瑞利（ Rayleigh ）散射
种特征构成了红外遥感的理论基础。
（ 3 ）物体的发射辐射 物体的微波辐射
1. 任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐 射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波 是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低 ，微波辐射越明显。
2. 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过 处理来接收。
（ 3 ）物体的发射辐射 表征辐射的几个名词
发射光谱特性：地物的发射率随波长变化的规律。 发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘 成的曲线。 亮度温度：它是衡量地物辐射特征的重要指标。 指等物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时， 该黑体的绝对温度即为亮度温度。 亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。
TB T
（ 3 ）物体的发射辐射 表征辐射的几个名词
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
W
W黑
W W黑
黑。
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。
W T 4
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
大气遥感
第一章基本辐射量立体角：锥体所拦截的球面积σ与半径r 的平方之比，单位为球面度sr ，为一无量纲量以发射体为中心的球坐标中，立体角定义为： 是极坐标中的天顶角[0，90]，是方位角[0,360]辐射能量：电磁辐射是具有能量的，它表现在：(1)使被辐照的物体温度升高 (2)改变物体的内部状态 (3)使带电物体受力而运动自然界一切物体都时刻不停地以电磁波（电场和磁场的交变波动）的形式向四周传递能 量，同时也接收外界投射来的电磁波，这种能量传递的方式称为辐射。
以这种方式传递的能量，称为辐射能辐射通量：在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量： Φ=∂Q/ ∂t 辐射通量密度：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：辐射强度：辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量辐射亮度：单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度： 辐射度量一览表普朗克定律：对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系。
斯蒂芬－玻耳兹曼定律：黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与绝对温度的四次方成正比。
维恩Wien 位移定律：黑体辐射最大强度的波长与它的温度成反比。
基尔霍夫kirchhoff 定律：在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度F λT 与吸收系数A λT 成正比关系，二者比值只是波长和温度的函数，与物体性质无关，比值大小等于Planck 函数的通量密度形式 第二章太阳的结构（从里到外）：中心、辐射区、对流区、光球区、色球区、日冕太阳常数：在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单位面积上的太阳能通量，用S 表示。
太阳常数的测定—地基法如果在一段时间光学厚度不变，则地面所测太阳直接辐射光谱仅随m 变化()()sin d rd r d σθθφ=2sin d d d d r σθθφΩ==长法需较长时间进行观测，保证m有相当大的变化范围天气条件；紫外、红外观测不全，需补足第三章大气分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层（外层）太阳辐射—短波辐射：0.15~4.0mm (UV,VIS,IR)地气辐射—长波辐射：4.0~120mm (IR)气溶胶：气溶胶由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系。
2遥感技术与应用-遥感电磁辐射基础(2)
大气对电磁辐射的影响作用：
折射、反射、吸收、散射、透射 。（自身辐射）
6
大气折射 （Refraction）
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。
Atmospheric Refraction
16
3、无选择性散射(Non-selective scattering)
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
尘埃、云和雾 云和雾：白色，（对所有可见光波长同等散射）
17
散射特征总结
散射强度遵循的规律与波长密切相关。在大气状况相同时，同 时会出现各种类型的散射。
地表接受的太阳辐射曲线
与大气外的曲线不同，差异 主要由大气引起。
太阳辐照度分布曲线
1
2.2 太阳辐射和地球辐射
2 地球辐射
地表自身热辐射 地球辐射与相应的黑体辐射的关系：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
2.2 太阳辐射和地球辐射
3 太阳辐射和地球辐射的分段性：
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9.66 m，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0.3-2.5 m，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6 m以上的热 红外区段。 在2.5-6 m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
第二章遥感的物理基础
28
传感器探测波段的设计，是通过分析
比较地物光谱数据而确定的。
多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：
MSS1(0.5-0.6 μm) MSS2(0.6-0.7 μm) MSS3(0.7-0.8 μm) MSS4(0.8-1.1 μm)
TM的波段： TM１ 0.45~0.52μm TM２ 0.52~0.60μm TM３ 0.63~0.69μm TM４ 0.76~0.90μm TM５ 1.55~1.75μm TM６ 10.4~12.5μm TM７ 2.08~2.35μm
2 k 4 4 4 W0 T T 2 2 15c h
40
(3)维恩位移定律：Wien's displacement law
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。
max T b
温度 波长 300 9.66 500 5.80 1000 2.90 2000 1.45 3000 0.97 4000 0.72 5000 0.58 6000 0.48 7000 0.41
W
W黑
W W黑
4
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。
第二章：遥感的物理基础
第一节：电磁波与电磁波谱 第二节：地物的光谱特性 第三节：大气对电磁辐射的影响 第四节：彩色合成原理
1
第一节：电磁波与电磁波谱
一、电磁波：电磁场在空间以一定的 速度由近及远的传播过程。从能量的 角度又称为电磁辐射。
二、电磁波谱
按电磁波波长的长短，依次排列制成 的图表叫电磁波谱。 依次为：
37
1.
2.
3、黑体辐射定律
2.2大气和环境对遥感的影响—南京师范大学遥感导论
Non-selective scatter
a>
Non-selective scatter is more of a problem, and occurs when the diameter of the particles causing scatter are much larger than the wavelengths being sensed. Water droplets, that commonly have diameters of between 5 and 100mm, can cause such scatter, and can affect all visible and near - to - mid-IR wavelengths equally. Consequently, this scattering is “non-selective” with respect to wavelength. In the visible wavelengths, equal quantities of blue green and red light are scattered.
大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰 减的重要原因。
二、大气的结构
大气的垂直分层：对流层、 平流层、中气层、热层和 大气外层。 对流层 ：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：较为微弱。 中气层：温度随高度增加 而递减。 热层：增温层。电离层。 卫星的运行空间。 大气外层：1000公里以外 的星际空间。
五、环境对地物光谱特性的影响
1. 2.
地物的物理性状
光源的辐射强度：纬度与海拔高度 3. 季节：太阳高度不同 4. 探测时间：时间不同，反射率不同。
大气物理遥感电磁辐射基础
第二章遥感电磁辐射基础§2．1电磁波谱与黑体辐射电磁波区域的划分方法如下：无线电波> 1m长波3000m以上中波和短波1O～3000m超短波1～10m微波1mm～lm按波长减小排列，微波又可依次分为P，L，S，C，X，Ku，K，Ka等波段。
红外波段O.76～1000μm超远红外波段15～1000μm远红外6～15μm中红外3～6μm近红外O.76～3μm可见光O.38～O.76μm红O.62～O.76μm橙O.59～O.62μm黄O.56～O.59μm绿O.50～O.56μm青O.47～O.5Oμm蓝O.43～O.47μm紫O.38～O.43μm紫外波段10-3～3.8*10-1μmx射线1O-6～1O-3μmγ射线< 10-6μm二)黑体辐射规律1．斯忒藩一玻尔兹曼定律：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 σ为斯忒藩——玻尔兹曼常数σ=5.67*10-8W／m2·K42．维恩位移定律：黑体辐射光谱中最强辐射的波长λmax与黑体绝对温度T成反比，λmax · T = b ，b为常数(b = 2.898×10-3m·K)。
图表把太阳、地球和其他恒星都可以近似看作球形的绝对黑体，则与这些星球的辐射出射度对应的黑体温度可作为星球的有效温度。
太阳的λmax 是0.4 7μm，用公式可算出有效温度T是6150K，0。
47μm正是在可见光波段，所以太阳光是可见的。
而地球在温暖季节的白天久λmax 约为9.66μm，可以算出温度T为300K,9.66μm 是在红外波段，所以地球主要发射不可见的热辐射。
(三)实际物体的辐射M1/α1 = M2/α2 = M0 = I（基尔霍夫定律）基尔霍夫定律表现了实际物体的辐射出射度Mi与同一温度和同一波长区间的绝对黑体辐射出射度的关系，αi 是此条件下的吸收系数(O<α≤1)。
有时也称为比辐射率或发射率，记作ε，用来表示实际物体辐射与黑体辐射之比。
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单色(monochromatic)与宽波段(broadband)
§2.1.2 立体角
§2.1.3 基本辐射量 - 1
§2.1.3 基本辐射量 - 2
复习：Flux & Intensity
符号 E f 辐射量 能量 通量 通量密度 辐照度 辐出度 辐亮度 强度 亮度 量纲 ML2T-2 ML2T-3 单位 焦[耳] (J) 焦[耳]•秒-1 瓦特 (J•s-1, W) 焦[耳]•秒-1•米-2 (W•m-2) 焦[耳]•秒-1•米-2•球面度-1 (W•m-2•sr-1)
有了上述四个规律，黑体辐射的规律就全 部确定了。对于非黑体，只要知道了它的
温度与吸收率，通过基尔霍夫定律，其辐
射光谱也就确定了。
§ 2.3 大气顶的太阳辐射
太阳从一个由星际物质组成的平薄而炽热的旋转圆盘的中 心压缩聚集而成。 太阳是一颗典型的二类（G2）恒星星体。 地球所接收的，并驱动地球大气和海洋运动的所有能量都 来自太阳。
物质的红外吸收谱相吻合。
• 晶格振动分频率较高的光学支和频率较低的声学支，前者参与的 散射是拉曼散射，后者参与的散射是布里渊散射。广义的拉曼散 射。按习惯频移波数在50—1,000/厘米间为拉曼散射，在0.1—2/厘 米间是布里渊散射。
这种技术可应用于大气水汽遥感！
散射现象分类-3
独立散射：当大气分子和微粒的间距分开的足够宽，以致每个
电磁波的极化
电磁波包含两种矢量（电矢量和磁矢量）的振动，引 起感光作用和生理作用的是其中的电矢量，故在讨论光的偏 振中也只考虑电矢量。
自然光 线性极化
圆极化 非极化
水平线偏振光
右旋圆偏振光
右旋椭圆偏振光
通常来说，大气中的自然光都是完全非极化的，但 是当光波遇到粒子或者地表、水面时，有可能被部 分或者完全极化。例如：平静的水面可以将反射的 光波水平线性极化。
单色光与宽波段辐射
• 单色光（monochromatic radiation），单一频率（或波长） 的光。不能产生色散。 • 宽波段辐射（复合光，broadband radiation），由很宽的一 个频率范围组成的混合光。
• 准单色光（quasi-monochromatic），严格的单色光是不存 在的，当光波的频谱宽度Δν与中心频率ν0之比远远小于1， 称之为准单色光，它很接近于单色光。
电磁波的波粒二象性
光电效应：金属中的自由电子在光的照射下，吸收光能而逸出金属表面。
电磁波的能量
• 我们研究大气辐射的中心问题是研究电磁能量的传输！
• 能量的表述有以下几种： 能量
• J
功率
• W （J s-1）
通量密度
• W m-2
强度/亮度
• W m-2 sr -1
辐照度 辐出度 辐射通量密度 辐亮度
太阳是一颗气体球，主要成分是氢（90%）和氦（10%），
再加上少量的较重元素。温度与密度都是由中心向表面递 减。 一般认为，太阳能源是由核心位置的四个氢原子稳定转换 为一个氦原子的聚变反应所产生的。
§ 2.3.1太阳结构
1. 核心 2. 辐射层 3. 对流层 4. 光球层 5. 色球层 6. 日冕 7. 太阳黑子 8. 米粒组织 9. 日珥
UV-B
UV-C
可见光
红外波段
近红外 热红外 远红外
主要源于太阳辐射，约占太阳辐射的50%，有很多大气吸收带。 绝大部分的大气辐射能量交换和大气吸收带都在这个频段。 能量交换不再那么重要，但可以用于卷云的遥感探测。
微波和无线电波
太阳辐射与地球辐射
4μm
电磁波的频率分解
任意两个单独电磁波的传输都是完全独立的，他们或许会 相交，甚至一起传输，但是一列波并不会影响到另一列波。
辐射通量密度是由一个发射面射出时，则此量称为辐出度 （emittance）；当按波长表达时，它称为单色辐出度。 （monochromatic emittance）。
• 辐亮度 (radiance)：在辐射传输方向上的单位立体角内，通 过垂直于该方向的单位面积、单位波长间隔的辐射功率。 亦称为辐射率。
§2.1.4 散射和吸收
• 散射 (scattering) 是指光通 过不均匀介质时一部分光偏 离原方向传播的现象。 • 散射是这样一种物理过程，
位于电磁波路径上的粒子通 过这种过程从入射波中连续 的提取能量，并将次能量向 各方向重新辐射出去。因此， 该粒子可以当作散射能量的 点源。
散射现象分类-1
黑体示意图
黑体辐射定律
• 黑体辐射定律对了解吸收和发射过程而言是基础知识。 • 支配黑体辐射的四个基本定律：
– 普朗克（Planck）定律
– 斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltamann）定律 – 维恩（Wien）位移定律 – 基尔霍夫（Kirchhoff）定律
§2.2.1普朗克定律
W•m-2•μm-1•sr-1
• 在统计力学中，系统的宏观性质是相应的微观量的统计平均值。当系 统处于热力学平衡时，系统内的每个分子仍在处于不停的运动中，系 统的微观状态也在不断地发生变化，只是分子微观运动的某些统计平 均值不随时间而改变。
• 基尔霍夫定律不成立的情况： 1. 非常高的大气层处，因为那里的分子碰撞非常少。
2.
能在大气中的传输是一个重要过程，尤其是在涉及到云和气溶
胶时。
消 光
光吸收(absorption)：当光通过材料时，光与材料中的原子 （离子）、电子相互作用时即可发生光的吸收。
消光(extinction)：散射和吸收两种作用从介质中传播的光 束内移除能量，光束被衰减，称之为消光。
截面的概念
散射现象分类-2
散射光波矢量和波长同时变化：
瑞利散射 斯托克斯过程
抗斯托克斯过程
布里渊散射
拉曼散射
• 1928年拉曼在液体和气体中观察到散射光频率发生改变的现象，
成为拉曼散射。
• 拉曼散射遵守如下规律：散射光中在原始入射谱线（频率为ω0） 两侧对称地伴有频率为ω0±ωi(i=1,2,3,…)的一组谱线，长波一侧 的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯 托克斯线，统称拉曼谱线；频率差ωi与入射光频率ω0无关，仅由 散射物质的性质决定。每种物质都有自己特有的拉曼谱线，常与
2. 宽波段发射率 ε：主要在能量传输计算方面（主要关心 辐照度、通量）
灰 体
§2.2.4基尔霍夫定律
介质可以吸收特定波长的辐射，同时也能发射同样波长的辐射， 发射速率是温度和波长的函数。这是热力平衡条件下介质的基
本性质。
我们考虑一个具有黑色器壁的完全绝热的封闭体。假定该系统 达到热力学平衡态，具有均一的温度和各向同性辐射。因为器 壁是黑色的，所以它吸收了系统向他发射的辐射；又因为这时 达到热力学平衡态，所以器壁也要发射出与它吸收的辐射相等 量的辐射。由于黑体吸收尽可能多的辐射，所以它必须发射同 样多的辐射。如果它发射的较多，则不可能达到平衡，这将违 背热力学第二定律。
这个原则被很好的应用到以正弦函数为基函数的傅立叶分 解。因此，我们不仅仅可以把任意电磁波看作成有一系列不同角 频率的正弦函数组成的混合波，我们甚至可以追踪每种频率分量 的传播。 这一点对大气辐射传输意义重大：在计算、模拟电磁波和 云、水汽、氧气、二氧化碳等相互作用的时候，我们一次仅考虑 一个单一频率（波段），然后再把所有相关频率的结果求和。
兰州大学大气科学学院专业必修课-《大气辐射与遥感》
第二章
大气辐射基础知识
授课人： 葛觐铭 2015·春季
第二章 大气辐射基础知识
§ 2.1 电磁辐射的性质
§ 2.1.1 电磁波
§ 2.1.2 立体角
§ 2.1.3 基本辐射量 § 2.1.4 散射和吸收的概念
§ 2.2 黑体辐射定律
§ 2.2.1普朗克定律
• 大多数的固体黑体：
• 镜体或白体：
• 透明体：
镜反射与漫反射
课后作业
发射(emission)
吸收(absorption)
透过(transmission)
反射(reflection)
§ 2.2 黑体辐射定律
黑体的定义
• 黑体：是指能吸收 投入到其面上的所 有热辐射能的物体， 是一种科学假想的 物体，现实生活中 是不存在的。但却 可以人工制造出近 似的人工黑体。
横波
电磁波：运动的电场 <==> 磁场
电磁波的性质
电磁波频谱
γ射线
X射线
紫外线
红外线
微波
电视信号及无线电波
可见光
大多数情况，电磁波段的划分是人为的，彼此之间并没有显著的物理差异！
γ射线和X射线
紫外线（UV）
UV-A
占所有太阳紫外辐射的99%，大气对其透 明，对生物体无害 99%的UV-B会被平流层O3吸收，对组织和 细胞DNA有害 几乎所有的UV-C会被中层大气和平流层上 层大气吸收，会把氧气离解成为氧原子。
• 消光截面(cross section)：与粒子的几何面积类似，是一个 假象区域（量纲L2），用来表示粒子从初始光束中所移除 的能量大小。即单个粒子的消光能力。 I Iσs • 消光界面的大小，取决于光的波长、粒子的介电常数，形 状和大小等。 • 消光截面=散射截面+吸收截面
• 质量消光截面(mass extinction cross section)：当截 面相对单位质量而言时，它的单位是每单位质量
F
MT-3
I
MT-3
• 辐射通量（radiation flux）：指单位时间通过某一平面的辐 射能（各种波长的电磁波传输的能量），也称为辐射功率。 由某一发射面发出的总通量通常称为发光度（luminosity）。 • 辐射通量密度（radiation flux intensity）：单位面积的辐射 通量称为辐射通量密度，也称为辐照度（irradiance）。当