R第2章：電磁波與遙感物理基礎(chǔ)1

第二章電磁波及遙感的物理基礎(chǔ)

本章主要內(nèi)容電磁波與電磁波譜物體的發(fā)射波譜大氣對輻射的影響地物的光譜特性第一節(jié)電磁波與電磁波譜電磁波及其特性電磁波譜一、電磁波及其特性波的概念：波是振動在空間的傳播。機(jī)械波：聲波、水波和地震波電磁波（ElectroMagneticSpectrum)2.電磁波（ElectroMagneticSpectrum)

由振源發(fā)出的電磁振蕩在空氣中傳播。是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論:變化的電場變化的磁場新的變化電場新的變化磁場。這種變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，以有限的速度由近及遠(yuǎn)在空間內(nèi)傳播的過程稱為電磁波。

3.電磁輻射:電磁場在空間的直接傳播（包括輻射、吸收、反射和透射）稱為電磁輻射。簡稱輻射按形式可分為：

發(fā)射輻射、入射輻射、

反射輻射、透射輻射、散射輻射等。4.電磁波的特性電磁波是橫波電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；在與物質(zhì)相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳播的，因此具有波動性粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運動。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計性二、電磁波譜電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長或頻率按其長短或大小，依次排列制成的圖表。

紫外線(UV)：0.01-0.4μm，碳酸鹽巖分布、水面油污染。可見光：0.4-0.76μm，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段。紅外線(IR)：0.76-1000μm。近紅外0.76-3.0μm；中紅外3.0-6.0μm；遠(yuǎn)紅外6.0-15.0μm；超遠(yuǎn)紅外15-1000μm。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外）。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動與被動之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ?。遙感常用的電磁波波段的特性熱輻射定義:任何物體只要其溫度高于絕對溫度0K時，就存在著分子的熱運動，它能夠不地向外發(fā)射電磁波。由于所發(fā)射的電磁波的能量大小及其光譜成分取決于溫度，因此，這種現(xiàn)象叫做熱輻射。

第二節(jié)物體的發(fā)射波譜

黑體定義：指入射的全部電磁波被完全吸收，既無反射也沒有投射的物體。

它在一定的溫度下，比其它任何物質(zhì)的輻射能量都要大，因此也叫完全輻射體。一、黑體輻射黑體輻射定義：是指黑體的熱輻射，它是在一切方向上都均等的輻射。黑體在任何溫度下、任何波長處的光譜吸收率恒等于1，即

α黑(λ，T)≡1黑體在任何溫度下、全部波長范圍內(nèi)的吸收率也恒等于1，即

α黑(λ，T)≡1黑體輻射定律（BlackBodyRadiation)(1)普朗克（Plank'slaw）熱輻射定律表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及按波長分布的規(guī)律。黑體輻射的三個特性(p20)

輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長向短波方向移動。(2)史蒂芬—玻爾茲曼定律即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。(3)維恩位移定律：

隨著溫度的升高，輻射最大值對應(yīng)的峰值波長向短波方向移動。σ叫做史蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.670×10-8瓦·米-2·開-4(W·m-2·K-4)是選擇遙感器和確定對目標(biāo)物進(jìn)行熱紅外遙感的最佳波段的依據(jù)二、太陽輻射

1.太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位內(nèi)，垂直于太陽光輻射的方向上，單位面積單位時間黑體所接收的太陽輻射能量。

太陽輻射是可見光和近紅外的主要輻射源；I⊙=135.3mW/m2

（是美國水手6、7號航天器1969年用空腔輻射計測定的數(shù)值，計算誤差為1.0mW/m2）太陽常數(shù)可以認(rèn)為是大氣頂端接收的太陽能量2.太陽輻射的光譜太陽輻射的光譜是連續(xù)的；它的輻射特性與絕對黑體的輻射特性基本一致；從近紫外到中紅外（0.3-6μm）這一波段區(qū)間能量最集中而且相對來說較穩(wěn)定；被動遙感主要利用可見光、紅外等穩(wěn)定輻射

在X射線、射線、遠(yuǎn)紫外及微波波段，能量小，但變化大；大氣層對太陽輻射的吸收、反射和散射。2.太陽輻射光譜第三節(jié)大氣對輻射的影響大氣的成分和結(jié)構(gòu)大氣對太陽輻射的影響大氣窗口一、大氣的成分在80km以下的相對比例保持不變，稱不變成分:多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微粒混合組成的。主要有氮、氧、氬、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氫（這些氣體）、含量隨高度、溫度、位置而變、稱為可變成分:臭氧、水蒸氣、液態(tài)和固態(tài)水（雨、霧、雪、冰等）、鹽粒、塵煙（這些氣體的）等二、大氣的結(jié)構(gòu)對流層：地表到平均高度12km處,航空遙感活動區(qū)。遙感側(cè)重研究電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。平流層：在12~80km,較為微弱。電離層：80~1000

km,

衛(wèi)星的運行空間。外大氣層：1000公里以外的星際空間。太陽輻射的衰減：

30%被云層反射回；17%被大氣吸收；22%被大氣散射；31%到達(dá)地面。三、大氣對太陽輻射的影響（一）大氣的吸收作用氧氣：臭氧水二氧化碳AbsorptionofEMenergybytheatmosphere氧氣：小于0.2

μm；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因（另外還有散射）。臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強(qiáng)，對航空遙感影響不大。主要吸收0.3μm以下的紫外區(qū)的電磁波，另外9.6μm處有弱吸收；4.75μm和14μm處的吸收更弱，已不明顯，二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)?？梢院雎圆挥?。主要吸收帶分別為2.60~2.80μm，其中吸收峰為2.70μm；

4.10~4.45μm吸收峰在4.3μm處；9.10~10.9μm吸收峰為10.0μm；12.9~17.1μm吸收峰為14.4μm，

全在紅外區(qū)。水蒸氣：吸收太陽輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)。主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此，水對紅外遙感有極大的影響。主要吸收帶在0.70~1.95μm間，最強(qiáng)處為1.38μm和1.87μm；2.5~3.0μm間，2.7μm處最強(qiáng)；4.9~8.7μm間，6.3μm處吸收最強(qiáng)；15μm~1mm間的超遠(yuǎn)紅外區(qū)，以及微波中0.164cm和1.348cm處。

（二）大氣的散射作用（Scatter）

散射作用：太陽輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開。

影響：改變了電磁波的傳播方向；干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。

大氣散射集中在太陽輻射能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減的主要原因。三種散射作用瑞利散射（Rayleighscatter）

：a<米米氏散射（MieScatter）：a<=>無選擇性散射：a>微粒的直徑四、大氣窗口（AtmosphericWindows）1、大氣窗口：通過大氣而較少被反射、吸收或散射的透射率較高的電磁輻射波段。大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)。常見的大氣窗口：波段波長范圍透射率(％)1.NUV～可見光～NIR短波

0.30μm～1.15μm

＞702.NIR中波1.40μm～1.90μm60～953.NIR長波2.05μm～3.00μm＞804.MIR中紅外3.5μm～5.0μm

60～705.FIR熱紅外8μm～14μm＞80

微波8mm～1m

80～100

遙感常用大氣窗口

第四節(jié)地物的光譜特性

任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。地物的這種特性稱為：地物的光譜特性。一、地物的反射光譜(SpectralReflectance)1、地物的反射類別和地物的反射率1）地物的反射類別鏡面反射漫反射滿足反射定律自然界很少非常平靜的水面表面粗糙度h與波長λ同數(shù)量級，均勻反射入射電磁波，按朗伯余弦定律反射。方向反射實際地物表面由于地形起伏，在某個方向上反射最強(qiáng)烈2）地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：地物對某一波段的反射能量與入射能量之比。反射率隨入射波長而變化。1.地物的反射光譜地物的反射率和吸收率對于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。2地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率與波長之間的關(guān)系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識別地物性質(zhì)的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、沙漠、濕地、小麥的光譜曲線同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。如不同植物；不同的水體；植物病蟲害地物的光譜特性具有時間特性和空間特性。時間特性空間特性二、地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律1）發(fā)射率(Emissivity)：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。又叫比輻射率影響地物發(fā)射率的因素：

地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。發(fā)射體

絕對黑體:在任何溫度下對任何波長的電磁波的光譜

發(fā)射率恒等于l的物體?；殷w：在任何溫度下對任何波長的電磁波的光譜發(fā)射率都小于1、且不隨波長而變化的物體，它的光譜發(fā)射率是一個與波長無關(guān)的常數(shù)。選擇性發(fā)射體：光譜發(fā)射率隨波長而變化的物體。絕對白體：光譜發(fā)射率和光譜透射率恒等于0而光譜

反射率恒等于1的物體。

按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。灰體(greybody)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長而變化。在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)?；鶢柣舴蚨桑涸谝欢囟认?，地物單位面積上的輻射通量

W和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W黑。（史蒂芬—玻爾茲曼）太陽與地球輻射的電磁波譜地表物體的溫度