环境遥感第二章

辐射出射度 M
(2) Φ / A ( λ)
辐射强度 I
(2) Φ / Ω ( λ)
辐射亮度 L 2(3) Φ / A Ω ( λ)
8/13
单位 焦耳(J) 瓦(W) 瓦/米²(W/m²) 瓦/米²(W/m²) 瓦/球面度(W/Sr) 瓦/(米²•球面 度)(W/m² • Sr)
三、黑体辐射
与过程有关，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；与电磁波的波长有关，波长愈短，辐射的粒 子性愈明显，波长愈长，辐射的波动特性愈明显。
二、电磁波谱
1889年，赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波。 1. 电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长/频率
按其长短/高低，依次排列制成的图表。
温度 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 波长 9.66 5.80 2.90 1.45 0.97 0.72 0.58 0.48 0.41
四、电磁辐射源
1. 自然辐射源 2. （1）太阳辐射 ➢ 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源，
表面温度约6000K(5900K) ,其辐射波长范围极大， 最大辐射波长强度位于波长0.47μm；辐射能量集 中在中-短波辐射。大气层对太阳辐射具有吸收、 反射和散射作用。
在电磁波谱中，波长最长的是无线电波， 其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波 长最短的是γ射线。
电磁波的波长不同，是因为产生它的波源 不同。
Examples from Space!
Wavelength
The distance from one wave crest to the next
Radio waves have longest wavelength and Gamma rays have shortest!
Angstroms still used
Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths
1 nanometer = 10 Ao
Language of the Energy Cycle:
The Electromagnetic Spectrum
无处不在的波
声波

水波
弹簧纵波
绳波
地震波
光波
无线电波
横波
纵波
一、电磁波及其特性
2. 2.机械波
声波
水波
弹簧纵波
绳波
地震波
一、电磁波及其特性
3.电磁波（Electromagnetic Spectrum )
由电磁振源发出的电磁振荡在空间中的传播。
光波
无线电波
4. 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。原理：
教学重点：电磁辐射的度量、黑体辐射的两大 定律和实际物体辐射规律。
本章主要内容
➢ 电磁波与电磁波谱 ➢ 地物的光谱特性 ➢ 大气和环境对遥感的影响
第一节 电磁波与电磁波谱
❖电磁波及其特性 ❖电磁波谱 ❖电磁辐射源
一、电磁波及其特性
1. 波的概念：波是振动在空间的传播。波动是各质
点在平衡位置振动而能量向前传播的现象。
无量纲。
A:小辐射面元的面积；
θ:球半径与地表法线之间的夹
角，又称观察角。
S
辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源，称为朗伯源。如
新鲜的氧化镁、硫酸钡、碳酸镁表面，在反射天顶角
θ<=45°时，可近似看成朗伯面。
小结
辐射度量一览表
辐射量 符号
定义
辐射能量 Qc 辐射通量 Φ
辐照度 E
(2) Qc/ t( λ) (2) Φ / A ( λ)
2、遥感常用的电磁波波段的特性
➢紫外线(UV)：0.01-0.38μm，主要用于探测
碳酸盐岩分布、水面油污染。
➢可见光：0.38-0.76μm，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6.0-15.0 μm；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。
自然界并不存在绝对黑 体，黑色的烟煤是最接近 绝对黑体的自然物质。恒 星和太阳的辐射被看作是 接近黑体辐射的辐射源。
理想的绝对黑体在实 验上是用一个带有小孔的 空腔做成的(图2.6)，空腔 壁由不透明的材料制成， 空腔器壁对于辐射只有吸 收和反射，当从小孔进入 的辐射照射到器壁时大部 分被吸收，仅有5％或更 少部分被反射。
620 K 380 K
Emission from warm bodies peak at short wavelengths
wavelength
(1)普朗克热辐射定律（Max Planck）
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 )
A. 辐射通量密度随波长连续 变化，每条曲线只有一个 最大值。
《环境遥感》课件
杨泽元（博士，副教授） 环工学院环境科学系
第二章 遥感物理基础
教学内容：本章主要介绍遥感物理基础的电磁 学部分，包括电磁波谱、电磁辐射和黑体的概 念，太阳辐射和地球辐射的特征，大气对电磁 辐射的影响，地物电磁辐射特性。
教学目的：通过本章的学习，要求掌握电磁波 谱、电磁辐射和黑体的概念，太阳辐射和地球 辐射的特征；了解大气对电磁辐射的影响，地 物电磁辐射特性。
A : =2898 μm·k。
从图2．7也可以 看出，黑体温度越 高，其曲线的峰顶 就越往左移，即往 波长短的方向移动， 这就是位移的含义。 如果辐射最大值落 在可见光波段，物 体颜色会随着温度 的升高而变化，波 长逐渐变短，颜色 由红外到红色再逐 渐变蓝变紫(表2.2)。
---------
表2.2 绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系
大多数传感器响应的是辐射能传递的时间效率。
➢ 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：w/m2
➢ 辐照度Ee—被辐射物体表面单位面积上的辐射通量。 Ee=dΦ/ds 单位：w/m2
➢ 辐射出射度Me—辐射物体表面单位面积上的辐射通
量。
Me=dΦ/ds 单位：w/m2
量，h:普朗克常数，=6.626×10-34J/s;P:光
子动量。
4） 电磁波具有波粒二相性
波动性（时空周期性）：电磁波是以波动的形式 在空间传播的，因此具有波动性，可以用λ、c、T 和f来表征，表现为电磁波有干涉、衍射、偏振、 散射等现象。
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。主要表现 为电磁辐射的光电效应、康普顿效应等。电磁波 的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性。
二、电磁辐射的度量
任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其 它物体对它的辐射，也能够向外辐射，只是 辐射的强度和波长不同而已。因此，电磁波 传递就是电磁能量的传递，RS探测实际上是 辐射能量的测定。
➢ 辐射能Qc—以电磁波形式传递的能量（J，焦耳）。
➢ 辐射通量Φ—在单位时间内通过某一面积的辐射能 量。 Φ=dQc/dt 单位：w,瓦
Electromagnetic Spectrum
Earth
Sun
High energy Short wavelength / high frequency
Emitted at high T
The Electromagnetic Spectrum
More than meets the eye!
bands
式中：M:黑体表面的总辐射出射度（w/m2）；σ：斯特 藩—玻耳兹曼常数，取值为5.6697×10-8 W·m-2·k-4； T:发射物体的热力学温度。
(3)维恩位移定律：Wien's displacement law 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。
式中 lmax :为最大波谱辐射出射度对应的波长（μm）;
Theoretical Planck curves: Earth ~300K, peak emission9.66 mm
Outgoing from Earth Low energy
Long wavelength
Incoming from Sun: High energy,
short wavelength
Wavelength Units
Meters (like on last slide and in book, p. 613)
More commonly in nanometers 1 nm = 10-3μ m = 10-7cm= 10-9 m 1 μ m = 10-3mm= 10-4 cm= 10-6 m
Band name Wavelength
γ射线
λ <10-6μm
χ射线 紫外线 可见光 红外线
微波
超短波
10-6～10-3μm 10-3～0.38μm 0.38～0.76μm 0.76～1000μm
1mm～1m
1～10m
短波、中波和长波 λ >10m
注：① 也有 人将0.7615μm看作近 红外，将151000μm 看 作远红外。
B. 温度越高，辐射通量密度 越大，不同温度的曲线不 同。
C. 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)斯特藩—玻耳兹曼定律
Stefan-Boltzmann's law 即黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方
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，这是红外装置测定温度的 理论基础。