遥感的物理基础1

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。
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
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。
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）
❖ 可见光：波长范围：0.38～0.76μm，人眼对可见 光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。
❖ 红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分 为近红外、中红外、远红外和超远红外。
❖ 微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云
雾的影响。发展潜力大。
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三、电磁辐射的度量
1.辐射源
❖ 大气气体的：成分N：2，多O种2，气H体2、O固，态C和O液2，态C悬O浮，的C微H4，
粒混合组成的。
O3
大减气气的溶重物胶要质原与因太。阳辐射相互作用，是太阳辐射衰
❖ 大气的成分可分为常定成分（ N2，O2 ，
Baidu Nhomakorabea
CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶
胶）。
（3）大气结构
大气厚度约为1000km,从地面到大气上界， 可垂直分为4层：
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。
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
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
谱特征。
1
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
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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。
2
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。
3
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
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。
❖ 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。
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；
➢ 大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上 没有影响。
大气温度的垂直分布
在0－12千米、气温随 高度的增加而降低
在12－55千米之间， 气温随着高度的增加 升高。
55 － 85 千 米 之 间 气 温 随高度的增加而降低
大于85千米高空，气 温随着高度的增加升 高。
（4）、大气对太阳辐射的影响
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。（？）
太阳辐射的衰减过程：__30_%被云层反射回；
__17_%被大气吸收；__22_%被大气散射；_21__%到达 地面。（下页图）
大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、
散射有关。
❖透过率 ❖ ——通过大气后的辐
照度与通过大气前的 辐照度之比
BACK
太阳光在地—气系统的吸收、散射过程
❖ 太阳辐射透过大气并被地表反射（有用的）； ❖ 太阳辐射被大气散射后被地表反射（纠正后有
☆ 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。
用）； ❖ 太阳辐射被大气散射后直接进入传感器； ❖ 太阳辐射透过大气被地物反射后又被地表发射进
入传感器； ❖ 被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项。
BACK
（一）大气的吸收作用(P28)
高空遥感很少使用紫外波段的原因
A. 氧气和臭氧：主要吸收小于0.2 μm 的电磁波；0.155为峰值。
B. 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。 主要的吸收带处在红外和可见光的红 光部分。因此，水对红外遥感有极大 的影响。
接收数据的质量，造成图像模糊不清。 ❖ 散射主要发生在可见光区。 ❖ 大气发生的散射主要有三种：
瑞利散射：d <<λ 米氏散射：d ≈λ 非选择性散射：d >>λ
❖ 瑞利散射：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时 发生的散射，属小颗粒散射。
a<
❖ 小颗粒散射的特征： （1）散射光强度与波长4次方成反比，由此可以解释 天空为什么呈蓝色。
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
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
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？
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
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。
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
25
(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。
M
M黑
M
M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。
M 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 种特征构成了红外遥感的理论基础。
4、黑体的微波辐射
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。