遥感原理与应用第二章 遥感的物理基础
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以地表面为起点，在80km以下的大气中，除 H2O、O3等少数可变气体外，各种气体均匀混 合，所占比例几乎不变，所以把80km以下的大 气层称为均匀层。
大气结构
大气在垂直地表方向上的分布可分为：对流层、 平流层、中气层、热层（也称增温层）和大气外 层。
对流层内经常发生气象变化，是现代航空遥感主 要活动的区域。
Ⅰ斯忒藩—玻尔兹曼定律 Stefan-Boltzmann law
对普朗克公式从零到无穷大的波长范围内积分，得
W0
0
2hc2 5
ech
/
1
kT
1
d
T
4
绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比.
σ=5.67*10-8W·m-2·K-4,为斯忒藩—玻尔兹曼常数；
随着温度的增加，辐射能增加是很迅速的。当黑体温度 增高1倍时，其总辐射出射度将增为原来的16 倍。在这里我 们仅强调黑体的发射能量是温度的函数。
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。
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：反射率小于1，且随波长而变化。
基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积 上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都
是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射
通量W 黑。
W
W黑
W
W黑
Hale Waihona Puke Baidu
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。
W T 4
2.2 电磁辐射源
自然界中一切物体在发射电磁波的同时，也被其 它物体发射电磁波所辐射。
遥感技术系统组成
遥感的物理基础
2.1.1 电磁波谱
（1）电磁波：当电磁振荡进入空间，变化的磁场 产生变化的电场，变化的电场又激发了斡旋磁场， 使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。
（2）电磁波谱
实验证明，无线电波、微波、红外线、可见光、 紫外线、γ射线等都是电磁波，只是波源不同， 波长（或频率）也各不同。将各种电磁波在真空 中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的
所以通过记录某物体的λmax处的辐射特性来识别它最 为便利.维恩定律为识别特定物体而设计遥感器的响应波段 提供了理论基础。
3、地物的发射率和基尔霍夫定律
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）W与同温下的黑体 辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础 和出发点。
其中： b为常数， b=2.898*10-3m∙K
维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱 的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）
黑体辐射的峰值波长与绝对温度温度T成反比，即温度 越高，λ max愈小，即向短波方向移动。
太阳看作具6000K的黑体，其辐射的峰值波长λmax＝0.5μm； 地球表面平均 温度为27℃(即300K) λmax＝9.6μ m；人体37℃(即310K) λmax＝9.34μ m
因此，由于大气对太阳辐射的反射、吸收和散射， 使传感器在天底方向记录的总辐射亮度包括地物 的辐射亮度和天空光的辐射亮度（云的反射和大 气微粒的散射辐射）二部分。
1. 大气成分和结构
大气成分
大气中的主要气体包括N2、O2、H2O、CO、 CO2、N2O、CH4及O3。
悬浮在大气中的微粒有尘埃、冰晶、水滴等， 这些弥散在大气中的悬浮物统称为气溶胶，形 成霾、雾和云 。
遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐 射源两类，它们之间没有什么原则区别。物质发 射的电磁辐射也是连续的。
自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射。 太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源， 地球是远红外遥感的主要辐射源。
2.2.1 太阳辐射
太阳辐射是地球上生物、大气运动的能源，也 是被动式遥感系统中重要的自然辐射源。太阳 表面温度约有6000K，内部温度则更高。
太阳常数—太阳辐射在大气上界处的垂直入射 通量密度。平均太阳常数—1400W/m2,通过 大气到达地面的大气有效辐射通量密度—— 913W/m2
2.2.2 大气和环境对遥感的影响
传感器在天底方向所接收到的辐射是两次通过大 气而受到衰减的太阳辐射：一次是太阳辐射从大 气外界通过倾斜路径到达地面（包括太阳直接辐 射和天空光形式的散射辐射）；二次是到达地面 的太阳辐射经过地物的反射，垂直向上又一次经 过大气。
图表叫做电磁波谱。
目前，遥感所使用的电磁波的波长是:紫 外线的一部分(0.3-0.4 μm)，可见光线 ((0.4-0.7μm) ,红外线的一部分(0.7-14 μm)，以及微波(约1 mm-1m）。
2.1.2 黑体辐射
1. 黑体
黑体是个假设的理想的辐射体。它既是完全的吸收体， 又是完全的辐射体。
由于大气条件及气溶胶的吸收作用，使电磁波传 输受到减弱。因此，在遥感中侧重研究电磁波在 对流层层内的传输特性。
2.2.3 大气吸收
▪氧（O2） 大气中氧含量约占21%，它主要吸收 小于0.2μm的太阳辐射能量，在波长0.155μm处吸 收最强，由于氧的吸收，在低层大气内几乎观测不 到小于0.2μm的紫外线，在0.6μm和0.76μm附近， 各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。因此，在高空 遥感中很少应用紫外波段。
1860年 基尔霍夫 “好的吸收体也是好的辐射体”
注：是一理想的吸收体，在自然界不易找到。（黑色煤烟、 恒星与太阳）
吸收率 (,T ) 1 反射率 (,T ) 0
二、黑体辐射2. 规黑律体辐射定律 普朗克辐射定律
普朗克（1900）成功地给出了绝对黑体辐射出射 度（黑体辐射的具体谱分布，在一定温度下，单 位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位 波长间隔内辐射出的能量 ）
红外装置测试温度的理论根据。
(1) 辐射通量密度随 波长连续变化，只有 一个最大值；
(2) 温度越高，辐射 通量密度越大，不同 温度的曲线不相交；
(3) 随温度升高，辐 射最大值向短波方向 移动。
Ⅱ 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T成反比，即：
λmax∙T =b
大气结构
大气在垂直地表方向上的分布可分为：对流层、 平流层、中气层、热层（也称增温层）和大气外 层。
对流层内经常发生气象变化，是现代航空遥感主 要活动的区域。
Ⅰ斯忒藩—玻尔兹曼定律 Stefan-Boltzmann law
对普朗克公式从零到无穷大的波长范围内积分，得
W0
0
2hc2 5
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4
绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比.
σ=5.67*10-8W·m-2·K-4,为斯忒藩—玻尔兹曼常数；
随着温度的增加，辐射能增加是很迅速的。当黑体温度 增高1倍时，其总辐射出射度将增为原来的16 倍。在这里我 们仅强调黑体的发射能量是温度的函数。
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。
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：反射率小于1，且随波长而变化。
基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积 上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都
是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射
通量W 黑。
W
W黑
W
W黑
Hale Waihona Puke Baidu
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。
W T 4
2.2 电磁辐射源
自然界中一切物体在发射电磁波的同时，也被其 它物体发射电磁波所辐射。
遥感技术系统组成
遥感的物理基础
2.1.1 电磁波谱
（1）电磁波：当电磁振荡进入空间，变化的磁场 产生变化的电场，变化的电场又激发了斡旋磁场， 使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。
（2）电磁波谱
实验证明，无线电波、微波、红外线、可见光、 紫外线、γ射线等都是电磁波，只是波源不同， 波长（或频率）也各不同。将各种电磁波在真空 中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的
所以通过记录某物体的λmax处的辐射特性来识别它最 为便利.维恩定律为识别特定物体而设计遥感器的响应波段 提供了理论基础。
3、地物的发射率和基尔霍夫定律
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）W与同温下的黑体 辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础 和出发点。
其中： b为常数， b=2.898*10-3m∙K
维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱 的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）
黑体辐射的峰值波长与绝对温度温度T成反比，即温度 越高，λ max愈小，即向短波方向移动。
太阳看作具6000K的黑体，其辐射的峰值波长λmax＝0.5μm； 地球表面平均 温度为27℃(即300K) λmax＝9.6μ m；人体37℃(即310K) λmax＝9.34μ m
因此，由于大气对太阳辐射的反射、吸收和散射， 使传感器在天底方向记录的总辐射亮度包括地物 的辐射亮度和天空光的辐射亮度（云的反射和大 气微粒的散射辐射）二部分。
1. 大气成分和结构
大气成分
大气中的主要气体包括N2、O2、H2O、CO、 CO2、N2O、CH4及O3。
悬浮在大气中的微粒有尘埃、冰晶、水滴等， 这些弥散在大气中的悬浮物统称为气溶胶，形 成霾、雾和云 。
遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐 射源两类，它们之间没有什么原则区别。物质发 射的电磁辐射也是连续的。
自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射。 太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源， 地球是远红外遥感的主要辐射源。
2.2.1 太阳辐射
太阳辐射是地球上生物、大气运动的能源，也 是被动式遥感系统中重要的自然辐射源。太阳 表面温度约有6000K，内部温度则更高。
太阳常数—太阳辐射在大气上界处的垂直入射 通量密度。平均太阳常数—1400W/m2,通过 大气到达地面的大气有效辐射通量密度—— 913W/m2
2.2.2 大气和环境对遥感的影响
传感器在天底方向所接收到的辐射是两次通过大 气而受到衰减的太阳辐射：一次是太阳辐射从大 气外界通过倾斜路径到达地面（包括太阳直接辐 射和天空光形式的散射辐射）；二次是到达地面 的太阳辐射经过地物的反射，垂直向上又一次经 过大气。
图表叫做电磁波谱。
目前，遥感所使用的电磁波的波长是:紫 外线的一部分(0.3-0.4 μm)，可见光线 ((0.4-0.7μm) ,红外线的一部分(0.7-14 μm)，以及微波(约1 mm-1m）。
2.1.2 黑体辐射
1. 黑体
黑体是个假设的理想的辐射体。它既是完全的吸收体， 又是完全的辐射体。
由于大气条件及气溶胶的吸收作用，使电磁波传 输受到减弱。因此，在遥感中侧重研究电磁波在 对流层层内的传输特性。
2.2.3 大气吸收
▪氧（O2） 大气中氧含量约占21%，它主要吸收 小于0.2μm的太阳辐射能量，在波长0.155μm处吸 收最强，由于氧的吸收，在低层大气内几乎观测不 到小于0.2μm的紫外线，在0.6μm和0.76μm附近， 各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。因此，在高空 遥感中很少应用紫外波段。
1860年 基尔霍夫 “好的吸收体也是好的辐射体”
注：是一理想的吸收体，在自然界不易找到。（黑色煤烟、 恒星与太阳）
吸收率 (,T ) 1 反射率 (,T ) 0
二、黑体辐射2. 规黑律体辐射定律 普朗克辐射定律
普朗克（1900）成功地给出了绝对黑体辐射出射 度（黑体辐射的具体谱分布，在一定温度下，单 位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位 波长间隔内辐射出的能量 ）
红外装置测试温度的理论根据。
(1) 辐射通量密度随 波长连续变化，只有 一个最大值；
(2) 温度越高，辐射 通量密度越大，不同 温度的曲线不相交；
(3) 随温度升高，辐 射最大值向短波方向 移动。
Ⅱ 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T成反比，即：
λmax∙T =b