电磁辐射与地物光谱特征

遥感常用波谱段的特征




紫外线（0.01-0.4μm）：通过大气层时，波长小于0.3μm的 紫外线都被吸收.主要用于探测碳酸盐岩分布和油污染的监测. 一般高空遥感不宜采用. 可见光(0.4-0.76μm ):鉴别物质特征的主要波段;以光学摄 影或扫描方式接收和记录反射特征. 红外线(0.76-1000μm ):划分为近红外、中红外、远红外和 超远红外。 近红外性质与可见光相似。其余的几种属于热红外。红 外遥感主要采用热感应方式探测地物本身的辐射，可以全天 时遥感。 微波（1mm～1m）：分为毫米波、厘米波和分米波。具有热辐 射性质。可以全天候全天时遥感探测。可以采用主动和被动 方式成像。具有一定的穿透能力。
辐射测量



辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面 积 上 的 辐 射 通 量 ， I=dφ/ds ， 单 位 是 W/M2，S为面积。 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位 面积上的辐射通量，M=dφ/ds，单位是 W/M2，S为面积。 辐照度与辐射出射度都是辐射通亮密度 的概念，只不过 I 为物体接收的辐射， M 为物体发出的辐射。它们都与波长λ有 关。

小练习：
依据太阳常数和日地距离计算太阳总辐射通量
2 太阳光谱
太阳光谱 又叫太阳辐射，是指太阳发生辐射而产生的光谱
太阳光谱的主要特征 (P25,表2.4，图2.11)
(1)太阳光谱是连续的，但是有许多吸收线。 (2) 近紫外—中红外波段能量集中且稳定，强度变化小；其 它虽少但不稳定。 (3)太阳辐射近似于6000K的黑体辐射。 (4) 通过大气层上下辐照度曲线比较知大气对太阳辐射产生 了衰减作用。
4. 大气透射的定量分析
（1）太阳辐射通过大气时，反射30%，散射 22%，吸收17%，到达地面的入射能占总能量的 31%，因此除气象卫星探测云层外，大多数被 动遥感都选择无云的天气，这时只考虑散射和 吸收。 （2）大气透射与大气层的厚度、太阳入 射角密切相关
2.3 地球的辐射与地物波谱
地球是被动遥感的另一辐射源，地 球又是地学遥感探测的对象，因此探测 地球作为辐射源的辐射特性和作为太阳 辐射接收的反射特性，以及不同地物反 射率与波长关系，在地学遥感中有十分 重要意义。
M=σT4
σ为斯忒藩—玻尔兹曼常数
维恩位移定律

黑体辐射光谱中最强辐射的波长λmax与 黑体绝对温度成反比。 λmax *T=b b=2.898*10-3m*k
基尔霍夫定律
基尔霍夫定律

在任何给定温度下，地物单位面积上的辐 射通量密度和吸收率之比，对于任何地物 都是一个常数，并等于该温度下同面积黑 体辐射通量密度
辐射测量


辐射能量(W)：电磁辐射的能量，单位：J； 辐射通量φ：单位时间内通过某一面积的辐 射能量， φ=dW/dt，单位是 W ；辐射通量是 波长的函数，总辐射通量应该是各谱段辐射 通量之和或辐射通亮的积分值。 辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面 积的辐射能量，E=dφ/Ds，单位是 W/M2 ， S 为 面积。
大气窗口
通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸 收或散射的，透过率高的波段称为大气窗口。
大气窗口主要光谱段：
（1）0.3～1.3μm：反射光谱，即紫外、可见光、 近红外波段。是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传 感器扫描成像的常用波段 （2）1.5～1.8μm和2.0～3.5μm：反射光谱，即近、 中红外波段。白天日照条件好时扫描成像常用波段。主 要探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图。
气体、尘埃的反射作用很小，反射现象主要发 生在云层顶部，取决于云量，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收遥感信号。
3. 大气窗口
折射改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐 射的强度。因此，就辐射强度而言，太阳辐射 经过大气传输后，主要是反射、吸收和散射的 共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过 的部分。对遥感传感器而言，只能选择透过率 高的波段，才对观测有意义。
太阳辐照度分布曲线
太阳光谱特征对遥感的启示
（1）被动遥感主要利用可见光、近红外、
中红外等能量集中而且稳定的辐射，使太阳活
动对遥感影响减至最小。
（2）由于大气的作用，需要对遥感影像进
行辐射校正
2.2.2 大气吸收
1.大气层次与成分（P26－P27）
大气层次 图2.13 成分：分子和其他微粒 分子：N2利O2，约占99％ ， 微粒：烟、尘埃、雾霾、小水滴及气 溶胶
2.2.4 大气窗口及透射分析
1. 折射现象
电磁波穿过大气层时，除发生吸收和散射 外，还会出现传播方向的改变，即发生折 射。 大气的折射率与大气密度相关，密度越大 折射率越大。离地面越高 ，空气越稀薄折 射也越小。（P30－31）
2. 大气反射
电磁波传播过程中，若通过两种介质的交界面， 还会出现反射现象。
太阳是被动遥感最主要的辐射源，太 阳光—大气—地物—大气—传感器，二次 经过大气产生了较大变化。
2.2.1 太阳辐射（太阳光）
1 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1.496×108千米）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。
黑体辐射规律

普朗克公式：
黑体辐射规律
1、辐射通量密度随波 长变化连续，每条曲 线只有一个最大值。 2、温度越高，辐射 通量密度也越大，不 同温度曲线不相交。 3、随着温度的升高， 辐射最大值所对应的 波长移向短波方向。
斯忒藩—玻尔兹曼定律


通过对普朗克公式中的波长积分可以得出 斯忒藩—玻尔兹定律 绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四 次方成正比。
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，称散射。 散射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。 尽管散射强度不大，但增加了信号中的 噪声成分，造成遥感图像的质量下降。
1. 常见的大气散射 （1）瑞利散射（a《λ) 主要由氮、氧，CO2等原子或分子引起， 对可见光影响很大。 瑞利散射特点：与波长四次方成反比 解释蓝色的天空和朝霞、夕阳
2.3.1 太阳辐射与地表的相互作用
（1）太阳辐射近似于温度为6000K的黑体辐射， 峰值λmax =0.48 μｍ，能量集中于0.3-2.5 μｍ
紫外、可见光、近红外波段。（图2.20）
(2)地球辐射近似于温度为300K的黑体辐射；
峰值λmax =9.66 μｍ，能量集中6 μｍ以上热红
外波段。（图2.20）
电磁波辐射的度量收其他物体对 它的辐射，也能够向外辐射。因此对辐射源的认识不 仅限于太阳、炉子等发光发热的物体。 能发出紫外辐射、X射线、微波辐射等的物体也 是辐射源，只是辐射强度和波长不同而已。 电磁波传递就是电磁能量的传递。因此遥感探测 实际上是辐射能量的测定。
电磁波谱
按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增 或递减排列，则构成了电磁波谱。
电磁波谱
电磁波的共性：
• 在真空中都以光速传播，传播速度都是相同的。 • 遵守同一反射、折射、干涉、衍射及偏振定律。 • 电磁波谱区段的界线是渐变的。
电磁波的表示


除了用波长来表示电磁波外，还可以用 频率来表示，如无线电波常用的单位为 吉赫（Ghz）。 习惯上，常用波长表示短波，用频率表 示长波（如微波、无线电波等）。 1nm=10-3μm =10-7cm=10-9m 1μm=10-3mm=10-4cm=10-6m
大气云层中，小雨滴的直径相对其他微粒最大， 对可见光只有无选择性散射发生，云层越厚， 散射越强。 对微波来说，微波波长比粒子的直径大得 多．则又属于瑞利散射的类型，散射强度与波 长四次方成反比，波长越长散射强度越小，所 以微波才可能有最小散射，最大透射，而被称 为具有穿云透雾的能力。
微波可以全天候全天时工作
电磁波的性质
是横波 在真空中以光速传播 满足：f· λ =C；E=h · f ； 具有波粒二象性 波长越长波性越强，波长越短粒子 性越强

电子波的波粒二象性

经典力学：波（如光）和粒子（物质） 1905年，爱因斯坦提出了“光电效应”，认为 光具有波粒二象性 1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为 “一切物质”和光一样都具有波粒二象性 波粒二象性指一切物质同时具备波的特质及粒 子的特质，是量子力学中的一个重要概念 波具有“波动性”，同样认为粒子也具有波动 性，只不过粒子的波动性由于振幅较小而不容 易发现
散逸层
热 层
中间层
2. 大气对辐射的吸收作用
引起大气吸收的主要成分是： O2,O3,H2O,C02等 影响： 主要造成遥感影像黯淡。由于大气对紫外 线有很强的吸收作用，遥感中很少用到。
3. 大气吸收谱
O2
吸收波长<0.2μ m
2
O3 吸收紫外光
CO2、H2O 吸收红外及长波
2.2.3 大气散射
（3）当太阳辐射达到地表后，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，
而来自地球自身的辐射，几乎可以忽略不计。
（4）地球自身的辐射主要集中在长波，即6μm
以上的热红外区段。该区段太阳辐射的影响几
（3）3.5～5.5μm：发射和反射混合光谱， 即中红外波段。除了反射外，地面物体也可以 自身发射热辐射能量。用于探测高温目标。 （4）8～14μm：远红外波段（热红外）,发 射光谱。适于夜间成像。

（5）0.8～2.5cm：即微波波段，发射光谱。 有八个窗口，常用三个0.8cm,3cm,5cm,10cm。 一般将0.05～300cm纳入微波波段。微波的特 点决定了它能够全天候观测。