遥感物理基础

黑体总辐射通量密度与温度的四次方成正比， 因而随温度的增加迅速增大——红外测温的 理论依据。
维恩位移定律

对普朗克公式对波长微分后求极大值，即得出黑体最 大辐射能所对应的波长（m）及其绝对温度（T）的 关系式为:
m b
b 0.2897cm K
维恩位移定律
上式说明（在遥感技术上的意义） ：


红外波段的特性

波长0.76-1000 m 。可分为近红外波段（0.76-3），中红外 （3-6），远红外（6-15）和超远红外（15-1000）
近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射，故又称反射红外。 其中靠近可见光红光的0.76-1.2波段可使胶片感光，故又称摄 影红外。 而中、远、超远红外是地表物体发射的红外线，故称热红外。 热红外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成象。 红外遥感采用热感应方式探测地物本身的辐射（热污染、火 山、森林火灾等），可以全天时遥感，是一个很有发展潜力 的遥感波段。

概念——灰体和选择性辐射体
现实中并不存在绝对黑体，黑体模型的 基本结构为能保持恒定温度的空腔。它 能够全部吸收进入腔体内的各种波长的 电磁辐射，又能100％的发射某一波长的 辐射。

灰体：0< α <1，α 不随波长而变 化。
选择性辐射体： 0< α <1，α 随 波长而变化。

概念——辐射度量
不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同能量， 也就是不同波长的电磁波。


电磁波谱的划分
在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，无线电波根据
波长不同又分为长波、中波、短波、超短波，其次是 微波、红外线、可见光、紫外线，再次是X射线，波 长最短的是射线，见下图：
10-6m 1nm 0.38m 0.76m 3m 6m 15m 1mm 1m



微波波段的特性

波长1mm-1m。可分为毫米波（1-10mm）、厘米波 （1-10cm）和分米波（1-10dm）。 微波的特点是能穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和 土壤，可获得其它波段无法获得的信息； 具有全天候的工作能力；
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可以主动和被动方式成像。
因此在遥感技术上是很有潜力的一个波段。



一般说来，波长越短，辐射的粒子性越明显；波长越长， 辐射的波动性越明显。
此即电磁波的波粒二象性。

三、电磁波谱

电磁波谱的概念
电磁波谱的划分 各谱段的特性
电磁波谱的概念

电磁波谱：将各种电磁波按其波长的（频率）大小， 依次排列成图表，这个图表就叫电磁波谱。
电磁波是粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃迁 时产生的，当粒子从较高能级跃迁到较低能级时发射 电磁波；反之，吸收电磁波。

声波、水波、地震波……
其共性是必须依赖于弹性介质，振动的是弹性 介质中质点的位移矢量，质点本身并不向前运 动，传播的是能量和振动形式。
波——电磁波和电磁辐射

电磁波：由电磁振动产生的波。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。
电磁辐射：电磁波能量的传递过程（包括辐射、 吸收、反射和透射等现象）。




描述电磁波时空周期性的主要物理量

由方程可知，波函数有振幅和位相两部分信 息。一般的传感器只记录地物电磁波的振幅 即强度信息，而舍弃位相信息。 全息成像：在全息摄影中除了记录电磁波的 振幅信息，同时记录位相信息。

二、电磁波的特性

电磁波是一种横波，是以电磁场的形式 传播的球面波，即使在真空中也能传播。

射 线
射 线
紫 外 线
可 见 光
近 红 外
中 红 外
远 红 外
超 远 红 外
微 波
无 线 电 波

X
1mm=1000 m；1m=1000nm
电磁波谱的划分
紫外波段 可见光波段 紫色光 蓝色光 青色光 绿色光 黄色光 橙 色光 红色光 近红外（摄影红外）波段 近红外（反射红外）波段 中红外波段（热红外） 0.01 - 0.38 m 0.38 - 0.76 m 0.38 - 0.43 m 0.43 - 0.47 m 0.47 - 0.50 m 0.50 - 0.56 m 0.56 - 0.59 m 0.59 - 0.62 m 0.62 - 0.76 m 0.76 - 1.2 m 0.76 - 3.0 m 3.0 – 6.0 m
第二章 遥感物理基础

遥感技术是建立在电磁波辐射理论基础上的。 不同的物体具有不同的电磁辐射特性－－这是
遥感技术的理论依据，也因此才有可能探测、
识别物体。

对于地学工作者来说，主要是应用遥感技术所 获取的图像或磁带（经过处理）进行判读和识 别地物。
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 电磁波和电磁波谱 电磁辐射原理及电磁辐射源 大气对电磁辐射传输的影响 地物波谱特征 光和颜色
电磁波谱的划分
远红外波段（热红外） 超远红外波段 微波波段 毫米波 厘米波 分米波 6.0 – 15.0 m 15.0 - 1000 m 1.0mm – 1m 1.0 - 10 mm 1.0 - 10 cm 0.1 – 1.0 m
各谱段的特性
共性：在真空中具有相同的传播速度，c＝3.0*108m/s 遵守相同的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律


空中探测高度大致在2000m以下，不适宜高空遥感。
可见光波段的特性


波长0.38-0.76 m；
人眼可见，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光组成； 在太阳辐射能中所占比例高，能透过大气层；地面物体对 七色光多具有其特征的反射和吸收特性，故信息量最大， 是鉴别物质特征的主要波段； 遥感中可以用光学摄影、扫描等各种方式成像，可全色， 可分波段，是遥感最常用的波段。 可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前 分辨能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。



光波、热辐射、微波、无线电波……
由振源发出的电磁振荡在空间的传播，振荡的 是空间电场矢量E和磁场矢量B。
波——电磁波

电磁波：电磁波是横波，交变的电磁场的矢量方向始终 与传播方向垂直。电场矢量E和磁场矢量B始终垂直于传 播方向V，电磁波可以在真空中传播，不依赖于介质。 E
V B
波——电磁波
2 hc E0 ( , ) 5
2
1 e
hc K
1
式中：C—3 1010 cm /秒，光速；h—6.625610-34瓦.秒2， 普朗克常数；K—1.38 10-23瓦.秒/K，玻尔兹曼常数；— 波长；T—绝对温度；
普朗克公式
普朗克公式表示出了黑体辐射通量密度与温 E0 6000K 度的关系及按波长分布的情况。反映黑体 3000K 辐射的三个特性：
波动方程

电磁波是物质存在的一种形式，以场的形式表现出来。 不管是机械波还是电磁波，在运动形式上都是波动。 波动的基本特点是时空周期性，时空周期性可以由波动 方程的波函数表示： ＝A•sin[t-kx)+]
式中：－波函数；A－振幅； (t-kx)+－位相； －初位相；－圆频率， ＝2/T； k－圆波数，k＝ 2/；t，x－时空变量
第二节 电磁辐射原理及辐射源
一、电磁辐射原理 二、电磁辐射源
一、电磁辐射原理


概念 普朗克公式 史蒂芬—玻尔兹曼公式 维恩位移定律 基尔霍夫定律
概念——热辐射

热辐射：自然界中一切物体。当温度高于绝对零 度（-273℃）时，都会不断向四周空间辐射电磁 波，这种由物体内部粒子热运动所引起的电磁辐 射称为热辐射。

辐射通量密度随波长连续变化，温度一定 时，辐射通量密度随波长变化的曲线只有 一个最大值 温度越高，辐射通量密度也越大，不同温 度下的曲线不相交。
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。
1000K
200K



史蒂芬—玻尔兹曼公式
将普朗克公式对波长积分得：
E0 () e0 ( , )d

理论依据：麦克斯韦的电磁理论；楞茨定律；法拉第
的电磁感应定律

麦克斯韦的电磁理论：变化的电场在其周围空间产
生变化的磁场，变化的磁场又在其周围空间产生变化的 电场，这样，交变的电场和磁场相互激发并向外传播， 闭合的电力线和磁力线就象一个个套在一起的链条，在 空间传播开来，形成电磁波。同理，电磁波传播的是电 磁能。

紫外线 可见光 红外线 微波
紫外波段的特性

波长 0.01-0.38m，属于太阳辐射的范畴 。 波长小于0.28m的紫外线，被臭氧层及其它成份吸收。 只有波长0.28-0.38的紫外线，能部分穿过大气层，但散射 严重，只有部分投射到地面，并使感光材料感应，可作为 遥感工作波段，称为摄影紫外。主要用于探测碳酸盐分布 和监测水面油污。 碳酸盐岩在0.4 m 以下的短波区对紫外线的反射比其它类 型的岩石强，水面油膜比周围水面对紫外反射强烈。
热辐射能量的大小及波长分布取决于物体本身 的温度T。 地物发射电磁辐射的能力用发射率来表示。地 物的发射率以黑体辐射作为基准。


概念——吸收系数

吸收系数α ：物体吸收能量与入射总能量之比。
吸收能量 α( , T ) 入射总能量
概念——黑体和白体

黑体：“绝对黑体”的简称，是一个理想的辐射 体，指在任何温度和波长条件下的电磁辐射的吸 收系数恒等于1（100％）的物体。 黑体辐射：黑体的热辐射称为黑体辐射。 绝对白体（白体)：吸收系数α 恒等于0的物体 黑体是一种具有最大辐射能力的物体；白体是具 有最大反射能力的物体。


辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位J。
辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的 辐射能量,Φ=dW/dt，单位W。辐射通量是波长 的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或 辐射通量的积分值。

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，S为面 积。
概念——辐射度量
各种不同的电磁波，在真空中的传播速 度均相等，并等于光速。

电磁波的特性

电磁辐射以波动形式在空间传播——电磁波具有波动特性 （如干涉、衍射、偏振、色散等现象）。
电磁波是由密集的光子微粒组成——电磁波具有粒子（量 子）性（如电磁辐射的光电效应、光化学作用等现象） 。 电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；当电磁辐射与 物质相互作用时，主要表现为粒子性。

辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的 辐射通量，单位W/M2 。
辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积 上的辐射通量，单位W/M2 。 辐照度（I）与辐射出射度（M）都是辐射通量 密度（E）的概念,不过，I为物体接收的辐射， M为物体发出的辐射，它们都与波长有关。


普朗克公式

绝对黑体在波长为，绝对温度为T时的辐射通量密度 E0(,T)为：
描述电磁波时空周期性的主要物理量

波长：是在同一波线上两个相位差为2的质点之间的距 离，即一个完整波的长度，以表示
周期：以任意点开始，振动传播一个波长所需的时间， 以T表示。 频率：单位时间内波动前进过程中所包含的波数，以f表 示 振幅：振动点离开平衡位置两边的最大位移，以A表示， 也称强度 初相位：波形的时间提前或延后量，以表示。 波速：波在单位时间内传播距离。电磁波在真空中的传 播速度为每秒3108米/秒，通常用C表示。
0
4
————史蒂芬—玻尔兹曼公式 式中：0(T) —绝对温度时，黑体单位时间和单位面积 上发出的总辐射能；
(5.6697 0.00029 108W / m2 K 4 )
为史蒂芬—玻尔兹曼常数；T—绝对温度。
史蒂芬—玻尔兹曼公式
由上式可见（在遥感技术上的意义）：

绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能 与绝对温度的四次方成正比，对于一般物体, 可用上式概略推算出总辐射能与绝对温度的 关系。
第一节 电磁波和电磁波谱
一、电磁波及相关基本概念 二、电磁波的特性 三、电磁波谱
一、电磁波及相关基本概念

波 横波和纵波 机械波 电磁波 电磁辐射
波

波：是振动在空间的传播。 横波和纵波：质点的振动方向与传播方向 相同的为纵波；两者垂直的为横波。
波——机械波

机械波：由机械振动产生的波。是振源发出的 振动在弹性介质中的传播。