第二章电磁辐射的基本原理

绿 0.50~0.56 μm 黄 0.56~0.59 μm 橙 0.59~0.62 μm 红 0.62~0.76 μm
红外波段 0.76~1000 μm
近 红 外 0.76~3.0 μm
中 红 外 3.0~6.0 μm 远 红 外 6.0~15.0 μm 超远红外 15.0~1000 μm
微波波段 1mm~1m
在同一温度下，任何物体发射某一波长电 磁波的能力，与它对该波长电磁波的吸收 能力成正比。 即：良好的吸收体亦是良好的发射体。
物体按发射辐射特性的分类
1.黑体(Black body) α≡1 在任何温度条件下,对任何波长的电磁波的吸收率恒 等于1,并可将吸收的电磁辐射全部辐射出去的物体。
2.灰体(Gray body) α＜ 1 在任何温度条件下,对电磁波的吸收率都小于1, 且不 随波长变化的物体。
3.选择性辐射体(吸收体) α＜ 1 吸收率(发射率)小于1,但随波长的变化而变化的物体.
太阳辐射和大地辐射
（一）太阳辐射
⑴.太阳光谱是连续的，其能量分布也是连 续的；
⑵.太阳辐射的能量主要集中在可见光波段， 约占太阳总光谱能量的46％，其次是红外 波段；
⑶.峰值波长为0.47μm。
（二）大地辐射
毫米波 1~10 mm 厘米波 1~10 cm 分米波 10cm~1 m
2.2 电磁辐射源
物体的热辐射
热辐射：任何温度高于0K(－273.16℃)的物体， 其原子、分子都在不停地热运动（旋转和振动，带 电粒子不停地发生能级的跃迁，从而放出或吸收能 量），从而辐射出中、远红外的电磁辐射。
辐射能的强弱及其随波长的分布取决于物体性质与 温度的电磁辐射--热辐射（温度辐射）
2.4.1 反射波谱
㈠.定义: 物体的反射率随波长变化的规律。 ㈡.表示方法——波谱曲线
为便于对比研究，常将多种地物的波谱曲线 绘于一图。曲线可表示：
⑴.地物对不同波长电磁波的反射率及反射率随波 长的变化;
⑵.不同地物波谱曲线形态不同, 同类地物波谱曲 线形态相似。
㈢.反射波谱曲线分析方法
•Y+M=R
•C+M=B
•Y+C=G
等比例混合
若不等比例混合 ： 改变原色光的比例，可 形成多种间色光， 其明度和饱和度的变化 也很大。
蓝色，出现蓝色蒙雾
（2）米氏 (Mie)散射--悬浮微粒散射
q ＝ 3 r ≈ λ 由半径与波长相近的烟、尘、 气溶胶等引起
特点:
散射强度 I散 ∝ λ0~λ1 散射方向 向前散射＞向后散射
云雾对红外线的散射，主要是米氏散射
（云、雾等的悬浮粒子的直径和 0.76~15 μm 的红外线波长差不多）
相反则越淡。 饱和的彩色光中增加白光成分，相当于增加了光能，变得更
亮，但饱和度却降低了。 若增加黑色光的成分，相当于降低了光能，因而变得更暗，
其饱和度也降低了。
三原色光原理
1.三原色光 : 指光谱中的红色、绿色、蓝色 三种色光
R 0.70 μm 700 nm G 0.5461 μm 546.1 nm B 0.4358 μm 435.8 nm
大气顶界 云层顶面 反射现象主要发生在云层顶部，取决于云
量，且各波段均受到不同程度的影响，削 弱了到达地面的太阳辐射的强度。
2.3.3 大气窗口与遥感波谱通道
1.大气窗口(Atmospheric Window) 指地球大气对电磁波传输不产生强烈吸收作
用的一些特定的电磁波段，即大气吸收相对 弱的波段。 或: 能通过大气传输大部分电磁辐射的波长间隔 大气对电磁波衰减较小，电磁波透过率较高 的波段。
X: 2.4 ~ 3.8cm 3cm L: 15.0 ~ 30.0cm 23.5cm
2.4 地物波谱特征
指物体辐射、反射的电磁波强度按波长分布的特性。 即地物的辐射能量随波长改变而改变的特性——地物 的波谱特性。
物体对不同波长，其反射、吸收、透射和发射电磁辐 射的能力不同
不同种类物体：颜色、物质成分、结构、物理性质、化 学性质等不同，反(发)射电磁波波长、能量不同
第二章 电磁辐射的基本原理
2.1 电磁波的基本特征 2.2 电磁辐射源 2.3 地球大气对电磁辐射传输的影响 2.4 地物波谱特征 2.5 色度学
2.1 电磁波的基本特性
电磁波是交变电磁场在空间的传播，它是 物质运动、能量传递的一种特殊形式。
基本特征：
1.是一种横波 2.在真空以光速传播 3.具有波粒二象性：
1.曲线位置 高—反射率高 影像色调浅
低—反射率低 影像色调深
2.曲线形态
波峰、波谷对应的波长 峰、谷的高(深)度、宽度、对称度、斜率
3.不同地物曲线之间的关系 (交与离) 实例：水体和植被的反射波谱曲线分析 结论: 不同类物体对同一波段—反射率不同
同类物体对不同波段—反射率不同
不同地物波谱曲线形态不同
2.常用大气窗口与遥感波谱通道
⑴.可摄影窗口 0.3 ~ 1.3μm (摄影紫外 可见光 摄 影红外)
⑵.近红外窗口 1.5 ~ 2.5μm ( 1.5 ~ 1.7 2.0 ~ 2.5 ) ⑶.中红外窗口 3 ~ 5μm ( 3 ~ 4 4.5 ~ 5 ) ⑷.远(热)红外窗口 8~14μm ⑸.微波窗口 0.8 ~ 100.0cm
2.3.1 大气基本组成
1.不变成分: 分子、He、CH4、N2O
共占1％
2.可变成分: 悬浮微粒为主
烟、尘埃、雾霾、 O3、水(固态、液态)、气溶 胶（一种固体、液体的悬浮物）
2.3.2 大气对电磁辐射传输的影响
1. 大气吸收
大气中气体分子对电磁波的吸收具有选择性
大地辐射的能量分布： 近红外至微波
峰值波长 9.7μm 大部分集中在 8~14μm (50％)
3~5μm (1.0％以下) 14~30μm (30％)
平衡线在地球各处的深度不同,局部地区地内热对流 使地表温度激增, 形成热异常区。 可用热红外遥感 研究地热。
2.3 地球大气对电磁辐射传输的影响
电磁辐射：电磁波能量的传递过程。电磁 波在传递过程中遵循波的发射、吸收、反 射、透射等传播规律。
电磁波谱
将各种电磁波按其波长（或频率） 的大小,依次排列画成的图表。
紫外波段 0.01~0.38μm 可见光波段 0.38~0.76 μm
紫 0.38~0.43 μm 蓝 0.43~0.47 μm 青 0.47~0.50 μm
2. 三原色光原理: 不同比例三原色光合成无数
彩色的原理。 任何一种颜色均可由三原色按一定比例组合形成。
由色光相加和相减实验得知： –红(R)，绿(G)，蓝(B)色光两两 相加即可合成三种间色光。
•R+G=Y（黄光） •G+B=C（青光） •B+R=M（品红） –两种色光相加成为白色的，这 两色称为互补色，互补色也可由 白光减去三原色得到。 •R+C=白 •B+Y=白 •G+M=白 –两种间色光相加得复色光。
潮湿天气米氏散射影响较大
（3） 无选择性散射
q ＞3 r ＞＞λ 散射强度与波长无关 如: 云层中水滴的散射,使云雾呈白色
散射对遥感信息的传输影响极大:
减小太阳辐射的直射强度;
引起漫入射的天空光,使遥感器接受到的地 面辐射强度减弱;
增加大气散射引起的天空辐射,降低遥感影 像的反差。
3.大气反射
大地辐射的能量来源主要为：太阳的短波辐 射和地球内部的热能。
而与大地辐射直接相关联的则是：地表的热 平衡
一方面：因太阳辐射引起地表增温，热能从地表 向地壳一定深度传导；
另一方面：地球内部的热能也要通过地壳向地表 传递。
两者在地下一定深度达到热量平衡
大地的长波辐射主要由太阳短波辐射转化而来-- 吸 收可见光、近红外， 发射中、远红外。
红橙27.73 黑0.00
同色别明度—颜色深浅：明绿 绿 暗绿
3.饱和度 (彩度 纯度) Saturation
色彩的纯洁程度
——决定于物体表面反射光谱辐射的选择程度。
色彩饱和度高—鲜明突出—易感单调刺眼 色彩饱和度低—柔和协调、浅淡乏力 对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，
2.4.2 发射波谱
用曲线表示物体的辐射发射率随波长变化的规律。
主要在：3~5μm 8~14μm 物体间的极小温差就会造成发射辐射能量的较大差
异（M＝σT4），所以实际应用中往往采用测量温度 或发射辐射能量（热），来区分地物间的温差—热 红外图像识别地物的依据。
亮度温度（TB）是发射率(ε)与实际温度(T)的乘积 TB＝ ε· T
O3: 0.2~0.3μm 0.6μm 9.6μm H2O: 2.5~3.0μm 5~7μm 0.94,1.13,1.38,1.86,3.24μm CO2: 2.8μm 4.3μm 14.5μm
使太阳发射的连续光谱中的某些波段不能传播到地面-到达地面的太阳光谱成分发生改变。
使地物的电磁波信息被减弱了强度或改变了成分--干 扰了地物影像的真实色调。
——这种由于所处空间位置不同导致的同类地 物间波谱特性的变化，称为地物波谱的空间 效应。
2.5 色度学
物体按颜色分类：
消色体：对入射光中各种波长的单色光进行非选择 性吸收与反射的物体（黑、白、灰）
彩色体：对入射光中各种波长的单色光进行选择性 吸收与反射的的物体 日光下，物体反射什么色光就呈什么颜色
颜色的双重含义：
物理量—客观—光谱—具有特定波长 感觉量—主观—颜色—人眼的视觉感受
彩色三要素
1.色调 (色别、色相) Hue: 彼此相区分的彩色类别
——色彩给予人的视觉上某种特定的色彩感觉 物体的色调取决于:
⑴. 物体的反射光谱特性
物体只具有对不同波长光波固定的吸收、反射和透 射的光学特性，而没有固定的颜色。