2遙感電磁輻射基礎課件

遙感電磁輻射基礎城市與環(huán)境科學學院李暢lichang@2023/7/20§2.1電磁波譜與黑體輻射電磁波：也稱為電磁輻射，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，變化的電場能夠在它周圍引起變化的磁場，這一變化的磁場又在較遠的區(qū)域內(nèi)引起新的變化電場，并在更遠的區(qū)域內(nèi)引起新的變化磁場。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在空間內(nèi)傳播的過程稱為電磁波。波：是振動在空間的傳播。如聲波、水波、地震波等。分為橫波和縱波兩種,如果質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相同,稱縱波;若質(zhì)點振動方向與波的傳播方向垂直,稱橫波。電磁波是橫波。電磁波示意圖電場磁場電磁波的性質(zhì)（1）是橫波；（2）在真空以光速傳播；（3）滿足

c=f?λ

（c=3×108m/s）

E=h?f；（4）電磁波具有波粒二象性；（5）電磁波在傳播中遇到氣體、液體或固體介質(zhì)時會發(fā)生一系列現(xiàn)象如：鏡面反射、漫反射、方向反射、折射、吸收和透射。全部反射、吸收和透射的能量之和與入射的總能量相等。方向反射方向反射：實際地物表面由于地形起伏，在某個方向上反射最強烈，這種現(xiàn)象稱為方向反射，是鏡面反射和漫反射的結(jié)合。它發(fā)生在地物粗糙度繼續(xù)增大的情況下，這種反射沒有規(guī)律可尋。鏡面反射的例子輻射源任何物體都是輻射源。不僅能夠吸收其他物體對它的輻射，也能夠向外輻射。遙感的輻射源分為自然輻射源和人工輻射源兩類。自然輻射源主要包括太陽輻射和地物的熱輻射；太陽輻射是可見光及近紅外遙感的主要輻射源，地球是遠紅外遙感的主要輻射源。人工輻射源是指人為發(fā)射的具有一定波長的波束；主動遙感采用人工輻射源，目前較常用的人工輻射源為微波輻射源和激光輻射源。電磁輻射測量輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位：J輻射通量（Φ）：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量，Φ=dW/dt

，單位：W輻照度（I）：被輻射(接收輻射)的物體表面單位面積上的輻射通量，I=dΦ/dS，單位：W/m2輻射出射度（M）：輻射源物體(發(fā)射輻射)表面單位面積上的輻射通量，M=dΦ/dS，單位：W/m2電磁波譜按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或遞減排列，則構(gòu)成了電磁波譜。遙感技術中常用的是可見光、紅外和微波波段。 1）可見光部分可被人眼觀察到，所以應該廣泛。 2）紅外區(qū)間探測不可見的輻射信息，遠紅外可以探測熱輻射。 3）微波探測可稱之為全天候探測，不受白天黑夜和天氣狀況的影響。波段波長長波中波和短波超短波大于3000m10~3000m1~10m微波1mm~1m超遠紅外遠紅外中紅外近紅外15~1000μm6~15μm3~6μm0.76~3μm紅橙黃綠青藍紫0.62~0.76μm0.59~0.62μm0.56~0.59μm0.50~0.56μm0.47~0.50μm0.43~0.47μm0.38~0.43μm紫外線10-3~3.8×10-1μmX射線10-6~10-3μmγ射線小于10-6μm黑體輻射絕對黑體：如果一個物體對于任何波長的電磁輻射都全部吸收，則這個物體是絕對黑體（理想狀態(tài)）。光譜吸收系數(shù)α：當物體的溫度一定，波長在λ~λ＋Δλ范圍內(nèi)，α為吸收能量與入射能量之比。光譜反射系數(shù)ρ：當物體的溫度一定，波長在λ~λ＋Δλ范圍內(nèi)，ρ為反射能量與入射能量之比。光譜透射系數(shù)T：當物體的溫度一定，波長在λ~λ＋Δλ范圍內(nèi)，T為透射能量與入射能量之比。黑體輻射規(guī)律普郎克公式：描述黑體輻射通量密度與溫度、波長分布的關系。h:普朗克常數(shù)6.6260755*10-34W·s2k:玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380658*10-23W·s·K-1

c:光速;λ:波長（μm）;T:絕對溫度（K）斯忒藩—玻爾茲曼定律對普朗克定律在全波段內(nèi)積分，得到斯忒潘－玻爾茲曼定律。

輻射通量密度隨溫度增加而迅速增加，與溫度的4次方成正比。σ:斯蒂藩－玻爾茲曼常數(shù)，5.6697×10－8Wm-2K4T：絕對黑體的絕對溫度（K）維恩位移定律黑體輻射光譜最強的波長與黑體絕對溫度T成反比：波譜輻射曲線維恩位移定律黑體溫度越高，曲線的頂峰就越往左移，即往波長短的方向移動。高溫物體發(fā)射較短的電磁波，低溫物體發(fā)射較長的電磁波。常溫（如人體300K左右，發(fā)射電磁波的峰值波長9.66μm）

接近黑體的人造吸收體自然中并不存在絕對的黑體，實用的黑體是由人工方法制成的，它只是一種理想的黑體模型，基本結(jié)構(gòu)是能保持恒定溫度的空腔。空腔壁由不透明的材料制

成，空腔器壁對輻射只有

吸收和反射作用，當從小

孔進入的輻射照射器壁上

時大部分輻射被吸收，僅

有少量通過小孔射出。基爾霍夫定律基爾霍夫定律給定溫度下，黑體向外的輻射出射度和吸收的能量必然相等，任何地物的輻射出射度與吸收率α之比是常數(shù)。基爾霍夫證明下式之比僅與波長和溫度有關。

黑體：最大的吸收率

最大的發(fā)射率沒有反射實體：吸收本領大、發(fā)射本領也大§2.2太陽輻射和地球輻射太陽光通過地球大氣照射到地面，經(jīng)過地面物體反射又返回，再經(jīng)過大氣到達傳感器。這時傳感器探測到的輻射強度與太陽輻射到過地球大氣上空時的輻射強度相比，已有了很大的變化。地球上的能源主要來源于太陽，太陽是被動遙感最主要的輻射源。傳感器從空中或空間接收地物反射的電磁波，主要是來自太陽輻射的一種轉(zhuǎn)換形式。太陽常數(shù)太陽常數(shù)：是指不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位內(nèi)，垂直于太陽光輻射方向上，單位面積單位時間黑體所接受的太陽輻射能量。通常表示為：太陽常數(shù)可以認為是大氣頂端接收的太陽能量，所以沒有大氣的影響。太陽常數(shù)值基本穩(wěn)定，即使有變化也不會超過1%。太陽常數(shù)對遙感探測和進一步應用于氣象、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領域也很重要。太陽光譜通常指光球產(chǎn)生的光譜，光球發(fā)射的能量大部分集中于可見光波段。圖中描繪出了黑體在6000K時的輻射曲線，在大氣層外接收到的太陽輻照度曲線以及太陽輻射穿過大氣層后在海平面接收的太陽輻照度曲線。從圖中可知： 1）大氣層外太陽輻射的光譜是連續(xù)光譜，且輻射特性與絕對黑體輻射特性基本一致。 2）海平面處的太陽輻照度曲線與大氣層外的曲線有很大的不同，其差異主要是地球大氣引起的。太陽輻照度分布曲線太陽輻照度與高度角的關系當太陽傾斜入射時，與太陽垂直入射時的輻照度測量值不同，如果太陽傾斜入射，則輻照度必然產(chǎn)生變化并與太陽入射光線及地平面產(chǎn)生夾角，即與太陽高度角有關。如圖設h為太陽高度角，I為垂直于太陽入射方向的輻照度，I’為斜入射到地面上時的輻照度，在輻射通量Φ不變時，有：

所以，太陽傾斜照射的輻照度總是比垂直入射時減少，由于太陽的高度在一年內(nèi)隨時間、季節(jié)及地理緯度不同而不同，所以太陽輻照度經(jīng)常變化。太陽輻照度與高度角的關系地球的輻射太陽輻射與地表的相互作用

太陽輻射近似于溫度為6000K的黑體輻射,輻射主要集中在0.3~2.5μm，在紫外、可見光到近紅外區(qū)段。

當太陽輻射到達地表后,就短波而言,地表反射的太陽輻射成為地表的主要輻射來源，而來自地球自身的輻射，幾乎可以忽略不計。地球輻射的分段特性波段名稱可見光與近紅外中紅外遠紅外波長0.3~2.5μm2.5~6μm>6μm輻射特性地表反射太陽輻射為主地表反射太陽輻射和自身的熱輻射地表物體自身熱輻射為主地球輻射的分段特性地表自身熱輻射根據(jù)黑體輻射規(guī)律及基爾霍夫定律知：M=εM0

式中,ε為物體的比輻射率或發(fā)射率；M0為黑體輻射出射度；M為實際物體輻射出射度。此公式中的變量都與地表溫度T和波長λ有關，因此又可寫為：

M（λ

，T）=ε（λ

，T）M0（λ

，T）

T指地表溫度，存在日變化和年變化，當溫度一定時，物體的比輻射率隨波長變化。熱輻射1、地表自身的熱輻射與溫度和波長有關。2、溫度一定時，物體的比輻射率隨波長變化。3、發(fā)射波譜曲線：比輻射率（發(fā)射率）隨波長的變化規(guī)律，表示這種變化的曲線稱物體的發(fā)射波譜曲線。4、巖漿巖的比輻射率，可以反映巖石中SiO2含量的減少。地物熱輻射溫度一定時，物體的熱輻射遵循基爾霍夫定律。地物的發(fā)射率隨波長變化的曲線叫發(fā)射光譜曲線。地物的發(fā)射率與地表的粗糙度、顏色和溫度有關。表面粗糙、顏色暗，發(fā)射率高，反之發(fā)射率低。地物的輻射能量與溫度的四次方成正比，比熱、熱慣性大的地物，發(fā)射率大。如水體夜晚發(fā)射率大，白天就小。 1）探測地物的熱輻射特性的熱紅外遙感在夜間和白天進行的結(jié)果是不同的。 2）熱紅外遙感探測的地物熱輻射量用亮度溫度表示，它不同于地面溫度，是接收的熱輻射能量的轉(zhuǎn)換值，圖像上表示為亮度?！?.3地球大氣及其對太陽輻射的影響大氣分層和組成：大氣層的厚度約1000km，且在垂直方向自下而上分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層。如圖。

對流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。

平流層：高度在12～50km，底部為同溫層（航空遙感活動層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對紫外線的強吸收而逐漸升高。

電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對遙感波段透明，是陸地衛(wèi)星活動空間。

大氣外層：800～35000km，空氣極稀薄，對衛(wèi)星基本上沒有影響。大氣主要成分大氣主要成分為分子和其他微粒分子主要有：O2和N2，約占99%，其余1%是O3、CO2、H2O及其他（N2O,CH4，NH3等）。微粒主要有：煙、塵埃、霧霾、小水滴及氣溶膠。大氣折射電磁波穿過大氣層時，除發(fā)生吸收和散射外，還會出現(xiàn)傳播方向的改變，即發(fā)生折射。折射率與大氣密度有關，密度越大折射率越大，如圖。由于折射的影響，使電磁波在大氣中傳播的軌跡是一條曲線，到達地面后方向與實際方向比偏離了一個角度。早晨看到的太陽圓面比中午時看到的大，就是因為折射所引起的。大氣折射影響大氣反射電磁波傳播過程中的反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量和云霧，而且波段不同其影響不同，削弱了電磁波強度。因此，如果不是專門研究云層，盡量選擇無云的天氣接收遙感信號，使大氣的反射影響很小。大氣吸收大氣吸收電磁輻射的主要物質(zhì)是：水、二氧化碳和臭氧。水：分為氣態(tài)水和液態(tài)水

兩個寬的強吸收帶:2.5~3.0μm和5~7μm

兩個窄的強吸收帶：波長為1.38μm、1.86μm

一個弱的窄吸收帶：0.7~1.23μm二氧化碳：

一個寬的強吸收帶波長大于13μm，兩個窄的強吸收帶，2.6~2.8和4.1~4.45μm大氣對輻射的吸收作用臭氧：

吸收作用主要集中在紫外波段，對波長0.3um以下的波段全部吸收，在9.6um附近有個很窄的弱吸收帶氧：

對電磁輻射的吸收很弱大氣吸收譜大氣散射散射：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，稱散射。散射的實質(zhì)：電磁波在傳輸中遇到大氣微粒而產(chǎn)生的一種衍射現(xiàn)象。大氣散射有三種情況（瑞利散射、米氏散射、無選擇性散射）。

不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對遙感圖像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。瑞利散射發(fā)生條件：質(zhì)點的直徑d<<λ(電磁波波長)時，一般認為（d<λ/10）：

散射強度與波長的四次方成反比。瑞利散射對可見光的影響很大，大氣中的氣體分子在晴朗的天空為藍色；出現(xiàn)藍色蒙霧，紫外區(qū)不適于進行遙感。瑞利散射瑞利散射與波長的關系瑞利散射米氏散射發(fā)生條件：質(zhì)點直徑和電磁波波長差不多（d≈λ）散射特點：

散射強度與波長的平方成反比。主要是大氣中的氣溶膠引起的散射。云、霧等的懸浮粒子的直徑和0.76－15μm之間的紅外線波長差不多，需要注意。米氏散射無選擇性散射發(fā)生條件：當質(zhì)點直徑大于電磁波波長時（d>λ）,散射率與波長沒有關系。散射特點：

散射強度與波長無關，散射強度相同。無選擇性散射散射的影響散射對可見光波段的影響：無云的晴空以瑞利散射為主，有云時以無選擇散射為主。散射對微波的影響：瑞利散射為主。大氣窗口

電磁波在大氣傳輸過程中反射、吸收和散射很小，透射率很高的波段稱之為大氣窗口。要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。大氣窗口1）0.3－1.3μm：以可見光為主體的窗口，是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。

攝影和掃描成像的方式在白天感測和記錄目標電磁波輻射信息。2）1.5－1.8,2.0-3.5μm：近、中紅外窗口，60％－95％，掃描成像，白天記錄3）3.5－5.5μm：中紅外窗口，60％－70％，白天夜間，掃描成像記錄4）8－14μm：遠紅外窗口，超過80％，白天夜間，掃描記錄大氣窗口5）0.8－2.5cm：微波窗口，白天夜間，掃描記錄。大氣窗口大氣透射的定量分析大氣對太陽輻射的衰減總體規(guī)律：大氣吸收15％，

散射和反射42％，其余43％

太陽輻射到達地面。又一說：大氣吸收17％，

散射22％，反射30％，其余31％

太陽輻射到達地面。

§2.4地面物體反射光譜輻射傳輸是電磁輻射與不同介質(zhì)相互作用的復雜過程。反射、吸收和透射地物的反射率地物反射：在可見光和近紅外波段，地表物體發(fā)射的熱輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。到達地面的太陽輻射量=反射能量+吸收能量+透射能量（1）反射率物體反射的輻射能量Pρ占總?cè)肷淠芰縋0的百分比,稱為反射率ρ:

ρ=Pρ/P0×100%

不同的物體反射率不同,反射率的范圍是ρ≤1。物體的反射物體的反射狀況分為三種：鏡面反射、漫反射和實際物體的反射。鏡面反射：是指物體的反射滿足反射定律。入射波和反射波在同一平面內(nèi)，入射角與反射角相等。漫反射：是指不論入射方向如何，雖然反射率ρ與鏡面反射一樣，但反射方向卻是“四面八方”。對于慢反射面，當入射輻照度I一定時，從任何角度觀察反射面，其反射亮度是一個常數(shù)，這種反射面又叫朗伯面。實際物體反射：介于鏡面反射與朗伯面之間。也稱之為方向反射，這種反射沒有規(guī)律可尋。了解反射類型有何意義？遙感器獲取的輻射亮度與物體反射類型密切關聯(lián)。輻射亮度既與輻射入射方位角和天頂距有關，也與反射方向的方位角與天頂距有關。在遙感器成像時間選擇上，應避免中午成像，防止在遙感圖像上形成鏡面反射。有幾點需要說明在反射、吸收和透射能量中，反射能量占主導地位，因而地物的反射特性是我們的關注重點。人的眼睛是利用反射能量強度不同的光譜變化來區(qū)別不同的物體。如當物體強烈反射波譜的藍色部分時，我們看見的物體就是藍色的。能量被反射、吸收和透射的比例會隨地物類型和條件的不同而變化。這是我們區(qū)別圖像上不同地物特征的依據(jù)。有幾點需要說明同一地物類型，反射、吸收和透射能量的比例也會隨波長的變化而變化（能量是波長的函數(shù)）。因此，兩個不同的地物在一個波段中可能會無法區(qū)別，但在另一個波段中可能會有很大差異。反射波譜地物反射波譜的定義：可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)曲線表示，橫坐標表示波長λ，縱坐標表示反射率ρ。植物、水、土的光譜反射率反射波譜為何研究地物反射波譜曲線？一般來說，地物反射率隨波長的變化，有規(guī)律可循，從而為遙感影像的判讀提供依據(jù)。為了準確地在遙感影像上識別地物，首先必須了解什么地物具有什么光譜特征規(guī)律，以便和圖像上表現(xiàn)的亮度特征規(guī)律比較。

后續(xù)課程《遙感地學分析》植被的反射波譜曲線植被的反射波譜曲線規(guī)律性明顯而獨特，主要分三段： 1）可見光波段有一個小的反射峰，位置在0.55μm處。 2）近紅外波段有一反射的“陡坡”，至1.1μm附近有一峰值，形成植被的獨有特征。 3）在1.3~2.5μm波段（中紅外波段）受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，形成低谷。綠色植物光譜響應特征可見光波段

可見光波段：受葉的各種色素的支配，其中葉綠素起主要作用，由于色素的強烈吸收，葉的反射和透射很低。在0.45m附近（蘭色波段）有一個吸收谷，在0.55

m附近區(qū)間（綠色波段）有一個反射峰，在0.67微米附近（紅色波段）有一個吸收谷。近紅外波段近紅外波段：光譜特性取決于葉片內(nèi)部的細胞結(jié)構(gòu)，葉的反射及透射能相近（45%~50%），而吸收能量很低（<5%)。在0.74um附近，反射率急劇增加。在0.74-1.3um波段內(nèi)形成高反射，在此波段發(fā)射差異比可見光區(qū)域大的多，便可以區(qū)分不同的植物類別。植物光譜曲線綠色植物有效光譜響應特征不同植物光譜曲線的比較可見光波段:落葉林和針葉林難以區(qū)分可見光波段(0.4-0.7μm)落葉林和針葉林難以區(qū)分近紅外波段(0.7-0.9μm)針葉林色調(diào)較深（落葉樹比針葉樹有較高的紅外反射率）前者35％-45％后者20％-30％影響植物波譜特征的主要因素1）所有的健康綠色植物均具有基本的光譜特性，其光譜有一定的變化范圍，而呈一定寬度的光譜帶，但總的“峰-谷”形態(tài)變化基本相似的。影響植物波譜特征的主要因素不同的植物類別、其葉子的色素含量、細胞結(jié)構(gòu)、含水量均有不同，光譜響應曲線存在著一定的差異，從而成為區(qū)分植被類型。影響植物波譜特征的主要因素3）同一植物，隨葉的新老、稀密、季節(jié)不同、土壤水分及組分含量差異，或受大氣污染、病蟲害影響等，均會導致整個譜段內(nèi)反射率的變化，近紅外波段比可見光波段更能清楚地觀測這些變化，從而成為區(qū)分植被長勢及估算生物量的依據(jù)。植被小結(jié)不同的植物由于結(jié)構(gòu)和葉綠素含量不同，具有不同的光譜特征，特別是近紅外波段有較大的差別。利用植物的物候差異也可區(qū)分植物類型，如冬季落葉樹和常綠樹很好區(qū)別。利用植物的生態(tài)條件區(qū)別植物類型。如地形上的陰坡和陽坡，不同高度的地形部位，都分布著不同的植物類型。土壤波譜特性土壤

自然狀態(tài)下土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值，一般來講土質(zhì)越細，反射率越高，有機質(zhì)含量越高和含水量越高反射率越低。土壤對電磁波的作用主要表現(xiàn)為吸收和反射，透射少。

不同土壤類型之間的光譜差異不明顯，而且土壤的性狀主要表現(xiàn)在剖面，而光譜反映的是表面，因此直接判讀困難。

一般用間接判讀法，根據(jù)其上生長的植被類型、地區(qū)的氣候條件等分析，推斷出土壤的類型。土壤土壤類別是多種多樣的，其光譜反射特性也必然相應地發(fā)生許多變化但就其光譜曲線在可見光至近紅外區(qū)的整體形態(tài)與斜率變化情況看，均可歸納為平直型、緩斜型、陡坎型和波浪型四大類。土壤的反射光譜特征在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和次生礦物）和土壤有機質(zhì)有關。一般來說土質(zhì)越細，反射率越高，有機質(zhì)含量越高反射率越低。此外土壤的肥力也會對反射率產(chǎn)生影響。土壤旱情分析水體波譜特性水體 1）水體的反射率主要在藍綠光波段，其他波段吸收都很強，特別到了近紅外波段，吸收就更強，在近紅外和中紅外波段純凈的自然水體反射率很低，幾乎趨近于零。以后水體便成為一個吸收體。

2）水體的反射率很低，特別是紅外波段，色調(diào)為均勻的暗色，加之水體的特殊形狀，在圖像上很好識別。

3）水體的水面性質(zhì)、懸浮物的性質(zhì)和含量、水深、水溫能影響水體的反射光譜特性，所形成的光譜差異，成為遙感探測水體性狀的基礎。水體波譜特性 4）隨著懸浮泥沙濃度的加大，水體的反射能力加強，而透射能力減弱，遙感圖像上的色調(diào)就淺。 5）藍波段對水體有較大的透射能力，因此該波段的色調(diào)可反映水深和淺水區(qū)的水下地形。

6）光譜反射特性可能包括來自三方面的貢獻：水的表面反射、水體底部物質(zhì)的反射和水中懸浮物質(zhì)的反射。

7）光譜吸收和透射特性不僅與水體本身的性質(zhì)有關，而且還明顯地受到水中各種類型和大小的物質(zhì)——有機物和無機物的影響。水體水中含有水生植物葉綠素時近紅外波段反射明顯抬高。巖石波譜特性巖石

1）巖石的反射波譜曲線無統(tǒng)一的特征，受礦物成分、含水量、顆粒大小等的影響。

2）TM5，TM7為區(qū)分巖石性質(zhì)最好波段，各種巖石的光譜差異最明顯。

3）地貌類型的外形差異在影像上很好區(qū)別，如流水地貌的沖積平原、風沙地貌的沙丘、火山地貌的火山錐、冰川地貌的冰川和角峰等。

4）遙感圖像上可識別構(gòu)造的類型和巖層傾向，分析構(gòu)造的運動。巖石巖石的波譜特征是地質(zhì)遙感的基礎礦物成分礦物含量外部結(jié)構(gòu)地物光譜特性的測量在遙