遥感的物理基础1

第二章 遥感的物理基础
本章主要介绍遥感的物理基础， 论电包 气基磁遥括对础波感电 太上反技的射磁 阳术。或是波 辐由辐建特 射于射立性 的不特在同性影、物物，体响太体才电阳、具可磁大辐有能波各应气射辐自用射、窗的遥理大口 感的技概术念探测、和地研物究反远距射离太的阳物光体。谱理的解特 并性掌、握地物物的的电热磁辐波发射射、、地反物射、与散微射波
3) 电磁波具有波粒二象性：
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， 这就是电磁波的波粒二象性。
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思考： 电磁波谱是什么？ 电磁波的来源？ 太阳光中是否有YX射线？
二、电磁波谱
1.电磁波谱：
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电磁波谱
The Electromagnetic Spectrum
1）.自然辐射源 ● 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射
源；常用5900K的黑体辐射来模拟；其辐射波 长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。大气 层对太阳辐射的吸收、反射和散射。
●地球的电磁辐射：小于3 μm的波长主要是
太阳辐射的能量；大于6 μm的波长，主要是 地物本身的热辐射；3-6 μm之间，太阳和地 球的热辐射都要考虑。
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。
第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响
(1) 太阳辐射 (2) 大气作用 大气的成分与结构 大气吸收 大气散射 大气窗口 大气透射的定量分析
分析结果、图表 输出
接收 预处 理
用户应用 处理
（1）太阳辐射
太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太
❖ 在相同的温度下，实际物体的辐射通量密度比绝对黑体要低
1）发射率(Emissivity )：地物
的辐射出射度（单位面积上发 出的辐射总通量）M与同温下 的它黑也体是辐遥射感出探射测度的M基黑础的和比出值发。 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。
More than meets the eye!
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太阳辐射光谱 = 短波光谱
特点：可见光线（0.4～0.76μm）、红外线（＞0.76μm）和紫 外线（＜0.4μm）分别占50％、43％和7％，即集中于短波波 段，故将太阳辐射称为短波辐射。
特点？
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陆地光谱
长波光谱= 红外光谱
陆地是否会辐射电磁波？ 其波长范围？ 特点？
特的性作，用电机磁波理的。传输特性，大气层对电
磁波传播的影响是正确解释遥感数据的
基础本。章 重 点 是 掌 握 电 磁 波 谱 ， 大
气窗口，可见光、近红外、热红
外和微波遥感机理，以及地物波
Байду номын сангаас
谱特征。
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第一节 电磁波谱与电磁辐射
一、电磁波及其特性 二、 电磁波谱 三、电磁辐射的度量 四、黑体辐射
M
M黑
按照发射率与波长的关系，把地物分为： ➢ 黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。
➢ 灰体(grey body)：发射率小于1，常数
➢ 选择性辐射体：发射率小于1，且随波长而 变化。
2) 基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积 上的黑体辐射出射度M和吸收率之比，等于该 温度下同面积黑体辐射出射度M 黑
到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 ～ 3.0 µm波段， 包括近紫外、可见光、近红外和中红外；
经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 各波段的衰减是不均衡的。
（2）大气的成分
大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射
和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分
❖大有气关是。由多种气体及气溶胶所组成的混合物。
max •T b
620 K 380 K
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
炉温的高低可以根据炉火的颜色进行判 断 ，如何判断？
明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高；
CO2
O3 H2O
6微米 14
0.5 mm
太阳辐射： 高能量 短波辐射
地球辐射 低能量
长波辐射
6微米
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了解太阳和地球辐射有什么意义？
传感器必须设计探测6微米以上 波长的电磁波，才能了解地物 的辐射特性
为什么紫外线探测高度要在2000m以下？
2.遥感应用的电磁波波谱段
❖ 紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中， 只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏 感，但探测高度在2000 m以下。（？）
大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见 光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。
Scattering of EM energy by the atmosphere
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。 ❖ 对遥感图像来说，干扰传感器的接收；降低了传感器
➢ 对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，空气明显垂 直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬 度和季节而变化。
➢ 平流层：高度在12～50 km，没有对流和天气现象。底部 为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由 于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。
➢ 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。
3.实际物体的辐射
●自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。 ●如果物体的吸收本领大，它的发射本领也大，即越接近黑
体辐射。 ●实际物体的辐射比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同。
❖ 所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之 外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表 面状态和环境条件等因素有关。
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2）.人工辐射源：主动式遥感的辐射源。 雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。 ●微波辐射源：0.8-30cm ●激光辐射源：激光雷达—测定卫星的 位置、高度、速度、测量地形等。
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2、辐射测量（radiometry）
以伽玛射线到电磁波的整个波段范围为对象的物理辐射量 的测定，其度量单位见下表。
C. 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红 外区内。可以忽略不计。
Absorption of EM energy by the atmosphere
（二）大气的散射作用
散射作用：散射的概念：电磁波与物质相 互作用后电磁波偏离原来的传播方向的一种现 象。太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传 播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁 波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥 感数据的质量、影像模糊，影响判读。
1.绝对黑体：如果一个物体在任何温度下对
任何波长的电磁辐射全部吸收（即吸收系数 恒等于1），则这个物体称为绝对黑体。
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2. 黑体辐射定律
(1)普朗克热辐射定律
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。
M
(、T
)
2hc2 5
ehc
/
1
kT
1
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(2)玻耳兹曼定律
Stefan-Boltzmann's law
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一、电磁波及其特性
1.波的概念： 2.机械波： 3.电磁波:（ElectroMagnetic Spectrum )
交互变化的电磁场在空间的传播。
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4.描述电磁波特性的指标
5.电磁辐射 电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、 反射和透射）称为电磁辐射。
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6.电磁波的特性
1) 电磁波是横波 2) 在真空中以光速传播
阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所 示。
从太阳光谱曲线可以看出(…)： 太 位 0.7太 太阳内6阳阳µ常，m光辐数垂的谱射可：直相的见不于当能光受太量于能大 阳主60量要0气 辐0占集K影 射太的中响 方阳黑在， 向辐体可射在 ，辐见总距 单射光能；太 位，量其阳面的中一积406个单.%38，天位～最文时单间 黑大体辐射所强接度受位的于太波阳长辐0.4射7 µ能m左量右。；（1.360×103W/m2）
即黑体总辐射通量随温度的增加 而迅速增加，它与温度的四次方成正 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。是红外 装置测定温度的理论基础。
M0
0
2hc2 5
ech
/
1
kT
1
d
T
4
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(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。
黑体辐射的三个特性
（1）黑体辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有 一个最大值。
（2）温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大，不同温度 的曲线是不相交的。绝对黑体的总辐射出射度与黑 体温度的4次方成正比。（斯忒藩—玻尔兹曼定律）
（3）黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度 成反比。（维恩位移定律）。随着温度的升高，辐 射最大值所对应的波长移向短波方向。
☆ 辐射能量（W）：电磁辐射的能量。 ☆ 辐射通量（Φ ）：单位时间内通过某一面积的
辐射能量。 ☆ 辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上
的辐射通量。 ☆ 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积
上的辐射通量。
❖I为物体接收的辐射，M为物体发出的辐射。
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四、黑体辐射
地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地 物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。
➢ 大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上 没有影响。