第二章遙感物理基礎

——電磁輻射與地物光譜特征

§1

電磁波譜與電磁輻射

§2太陽輻射及大氣對輻射的影響

§3地球的輻射與地物波譜

2.1.1電磁波與電磁波譜波：振動的傳播稱為波。電磁波（電磁輻射）：電磁振源產生的電磁振蕩在空間的傳播。電磁波的性質：電磁波是橫波，傳播速度為光速；不需要媒質也能傳播；波長與頻率成反比，兩者的乘積為光速；電磁波具有波粒（波動性和粒子性）二象性；電磁波傳播到氣體、固體、液體介質時，會發生反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一規律。§2.1電磁波譜與電磁輻射電磁波的疊加原理(干涉)當兩列波在同一空間傳播時，空間尚各點的振動為各列波單獨振動的合成。任何復雜的電磁波都可以分解成許多比較簡單的電磁波；比較簡單的電磁波也可以合成為復雜的電磁波。（白光的色散和合成，計算機顯示器的工作原理，混合像元的分解）電磁波的衍射和偏振電磁波遇到有限大小的障礙物時，能夠繞過障礙物而彎曲地向障礙物地后面傳播。把這種通過障礙物邊緣改變傳播方向地現象，稱為電磁波的衍射。(設計遙感器空間分辨率具有重要意義。)電磁波遇到“狹縫”的障礙物時，能夠通過狹縫地振動分量，稱為電磁破的偏振。偏振光，非偏振光，部分偏振最小分辨角:d

物鏡的有效孔徑

電磁波的波長動量：P能量：Eh:普朗克常數，6.6260755×10－34Jsc:光速；v:頻率能量和動量是粒子屬性，頻率和波長是波動屬性。可見光，紅外線；微波和無線電波；紫外線和X射線Y射線。電磁波的粒子性電磁波波長、頻率電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長（或頻率）按其長短，依次排列制成的圖表稱為電磁波譜。（P17，F2.3）依次為：

γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。

電磁波譜示圖§2.1電磁波譜與電磁輻射電磁波譜

近紅外：0.76～3.0μm，與可見光相似。

中紅外：3.0～6.0μm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。

遠紅外：6.0～15.0μm，地面常溫下的輻射波長，有熱感，又叫熱紅外。

超遠紅外：15.0～1000μm，多被大氣吸收，遙感探測器一般無法探測。紅外線的劃分遙感導論遙感對地觀測波長：0.001—0.38μm特征：1.大氣對紫外線吸收較強；

2.能使溴化銀底片感光；

3.太陽光譜中只有0.3~0.38

μm的光到達地面，對油污染敏感應用：1.用于測定碳酸巖的分布

2.用于油污的監測波長：0.38—0.76μm特征：1.由紅,橙,黃,綠,青,藍,紫光組成；

2.人眼對可見光有敏銳的分辨率；是遙感技術應用中的重要波段。應用：1.鑒別物質特性的主要波段

2.以光學攝影或掃描方式接收和記錄地物對可見光的反射特征§2.1電磁波譜與電磁輻射2.1.2電磁輻射的度量輻射源：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（發出）輻射。

遙感的輻射源可分自然電磁輻射源和人工電磁輻射源兩類：

（1）自然輻射源：有太陽輻射(被動式遙感系統中重要的自然輻射源)和地球的電磁輻射（地球輻射可分為兩個部分：短波（0.3—2.5μm）和長波（6μm以上）部分。）

（2）人工輻射源主動遙感采用人工輻射源，是指人為發射的具有一定波長（或一定頻率）的波束。工作時接收地物散射該光束返回的后向反射信號強弱，從而探知地物或測距，稱為雷達探測。雷達又可分為微波雷達和激光雷達。在微波遙感中，目前常用的主要為側視雷達。§2.1電磁波譜與電磁輻射2.1.2電磁輻射的度量輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位：J（焦耳）。

輻射通量（Φ）：單位時間內通過某一面積的輻射能量,單位:W(瓦)輻照度（I）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量。(屬于輻射通量密度概念)輻射出射度（M）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，單位：W/m2

。(屬于輻射通量密度概念)

以上各輻射量都是波長的函數

輻射通量密度、輻射亮度（P18）

光譜輻射通量以上各輻射量都是波長的函數。右圖表示單位波長間隔內的輻射通量，稱為光譜輻射通量。Φ(λ)=dΦ/dλ

單位：瓦/微米（W?

μm-1）

§2.1電磁波譜與電磁輻射2.1.3黑體輻射絕對黑體（簡稱黑體）：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。

光譜吸收系數（吸收率）：α（λ，T）光譜反射系數（反射率）：ρ（λ，T）

絕對黑體特性：α（λ，T）=1，ρ（λ，T）=0，與溫度和波長無關§2.1電磁波譜與電磁輻射2.1.3黑體輻射黑體輻射規律

（1）黑體的輻射（發射）能量----輻射出射度（M）是波長λ和溫度T的函數；某一波長下黑體的輻射出射度Mλ

是指在某一單位波長間隔（λ~Δλ）的輻射出射度。在紫外、可見光和紅外波段Mλ

與λ5

成反比；在微波波段，Mλ與λ2成反比。（2）黑體的總輻射出射度M：黑體對所有波長的（發射）輻射能量的總和。在這種情況下M~M（T）。即：M∝T4（P20，F2.7）F2.7表明總輻射出射度M與溫度T的關系是：隨著溫度的升高，M的值急劇增大；不同溫度下的M值在波長—能量曲線圖中，展現為一系列互不相交的曲線（族）。

§2.1電磁波譜與電磁輻射（3）黑體輻射出射度Mλ

的最大值所對應的波長λmax

與黑體自身溫度T的關系：λmax與T成反比。（維恩位移定律）即：黑體溫度越高，其總輻射出射度M的曲線的峰值就越向短波方向偏移。（太陽的λmax=0.47μｍ；地球λmax=9.66μｍ）

高溫物體發射較短的電磁波，低溫物體發射較長的電磁波。（P21，

T2.2）常溫（如人體300K左右，發射電磁波的峰值波長9.66μm）

針對要探測的目標，選擇最佳的遙感波段和傳感器。§2.1電磁波譜與電磁輻射實際物體的輻射（1）發射率ε（比輻射率、熱輻射率）的概念：物體（地物）的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比。（2）物體的發射率等于該物體的吸收率：αλ=ελ

，一般情況下,物體的發射率:0＜ελ

＜1。好的吸收體也是好的發射體，如果不吸收某些波長的電磁波，也不發射該波長的電磁波。（3）物體的發射率是溫度和波長的函數。物體的發射率與身的性質、物理狀況（如粗糙度、顏色等）有關；物體的表面溫度受自身的比熱、熱慣量、熱導率、熱擴散率等影響較大。（4）按照ε與λ的關系，輻射源可以分為三種：①黑體②灰體③選擇性輻射體。黑體的ελ=ε=1；灰體的ελ=ε=常數<1;選擇性輻射體的ελ<1,且隨波長而變。（P22，表2.3；P23，F2.10）§2.1電磁波譜與電磁輻射1§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2.2.1太陽輻射太陽常數：在不受大氣影響的情況下，距太陽一個天文單位（通常指日地平均距離，約1.496×108公里）內，垂直于太陽輻射方向上，單位面積單位時間內黑體接受到的太陽輻射能量。其數量為：1.360×103瓦/平方米。（太陽常數不是恒定不變的，但變化不會超過1%。）地面所接受全部太陽輻射能，忽略大氣損失時為

θ為太陽天頂角，D為日地之間距離（以日地平均距離為單位）。(參見教材P26)太陽輻射源太陽大氣

位置

溫度

厚度

輻射特點

輻射的光譜

光球層

內4300-7500300km連續輻射

可見光和紅外

色球層

中7000-8000km線狀輻射無線厘米波

日冕層

外形狀多變，厚度不定，一般太陽直徑的4-5倍

連續輻射米波

遙感導論太陽能量隨波長的分布紅外波段38%§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2.2.1太陽輻射太陽輻射（太陽光譜）的主要特征(P25,F2.11)(1)太陽輻射到達大氣層頂時與60000K黑體的輻射能特征基本相同：輻射能的強度特征、輻射能隨波長的分布特征。

(2)太陽輻射穿過大氣層到達地面后，被大氣反射、散射和吸收強度有所減少，而且存在多個O3、CO2、H2O的吸收帶。

(3)在0.3~0.47μｍ范圍內，隨波長的增加太陽輻射能急劇增長，最大輻射強度位于波長0.47μｍ左右；隨波長的繼續增大，太陽輻射能逐漸減少，在中紅外波段，太陽輻射能已相當微弱。§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響

(4)在0.6μｍ附近有一個O3的吸收帶；在0.7、0.9、1.1μｍ附近有三個水汽的吸收帶、在1.4和1.9μｍ附近太陽輻射能完全被吸收；CO2

的強吸收帶在2.7和4.3μｍ附近。

(5)到達地面的太陽輻射能43.5%集中在可見光波段36.8%集中在近紅外波段。(P25,表2.4)§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2.2.2大氣對太陽輻射的影響大氣層次與成分(自行閱讀)大氣對太陽輻射的衰減

太陽輻射進入地球之前必然通過大氣層，太陽輻射與大氣相互作用的結果，是使能量不斷減弱。約有30%被云層和其它大氣成分反射回宇宙空間；約有17%被大氣吸收，約有22%被大氣散射；而僅有31%的太陽輻射能量到達地面。反射、散射和吸收作用共同衰減了輻射強度，剩余部分即為透過的部分，剩余強度越高，透過率越高。對遙感傳感器而言，透過率高的波段，才對遙感有意義。因此：

太陽輻射衰減的原因是：吸收、散射、反射。

§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響大氣對太陽輻射的衰減

1、大氣的吸收作用（看看這里…）大氣吸收太陽輻射的主要物質是：H2O、CO2和O3（P28T2.14）

氧（O2）：主要吸收小于0.2μm的太陽輻射能量，在0.155μm處吸收最強，由于氧的吸收，在低層大氣內幾乎觀測不到小于0.2μm的紫外線，在0.6μm和0.76μm附近，各有一個窄吸收帶，吸收能力較弱。因此，在高空遙感中很少應用紫外波段。

臭氧（O3）：對太陽輻射吸收很強。在波長0.2~0.32μm有很強吸收帶；在0.6μm附近的窄吸收帶，該吸收帶處于太陽輻射的最強部分，因此該帶吸收最強；另在0.76μm附近也有一個窄吸收帶。臭氧主要分布在30km高度附近，因而對高度小于10km的航空遙感影響不大，而主要對航天遙感有影響。§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響

1、大氣的吸收作用

水（H2O）：是吸收太陽輻射能量最強的介質（有氣態和液態）。從可見光、紅外直至微波波段，到處都有水的吸收帶，主要吸收帶是處于紅外和可見光中的紅光波段，紅外部分吸收最強。例如：在0.5~0.9μm有四個窄吸收帶，在0.95~2.85μm有5個寬吸收帶。此外，在6.25μm附近有個強吸收帶。因此，水氣對紅外遙感有很大影響，而水氣的含量隨時間、地點而變化。液態水的吸收比水氣吸收更強，但主要是在長波方面。

二氧化碳（CO2）：約占0.03%，它的吸收作用主要在紅外區內。例如：在1.35~2.85μm有3個寬弱吸收帶。另外在2.8μm、4.3μm與14.5μm為強吸收帶。由于太陽輻射在中紅外區能量很少，因此對太陽輻射而言，這一吸收帶可忽略不計。大氣中的其它微粒雖然也有吸收作用，但不起主導作用。CO2、H2O吸收紅外及長波O3

吸收紫外光O吸收波長<0.2μm大氣吸收：太陽輻射穿過大氣層時，大氣分子對電磁波的某些波段有吸收作用，引起這些波段太陽輻射強度的衰減，或完全不能通過大氣。太陽輻射到達地面時，形成了電磁波的某些缺失帶對太陽輻射影響最大的是對流層和平流層§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響大氣對太陽輻射的衰減

2、大氣的散射作用

大氣對太陽輻射吸收的明顯特點是吸收帶主要位于太陽輻射的紫外和紅外區，而對可見光區基本上是透明的。但當大氣中含有大量云、霧、小水滴時，由于大氣散射使得可見光區也變成不透明了（P25T2.11中兩條連續曲線的差值，表示大氣對太陽輻射散射時所造成的損失）。散射使原傳播方向的輻射強度減弱，而增加向其它各方向的輻射。（1）大氣散射改變了部分輻射方向，干擾了傳感器的接收，降低了遙感數據的質量，造成影像的模糊，影響遙感資料的判讀。（2）大氣散射集中于太陽輻射能量較強的可見光區。（3）大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2、大氣的散射作用

根據輻射波長與微粒直徑之間的關系，大氣散射可分為三種：

（1）瑞利散射：當大氣中粒子的直徑比波長小得多時（一般認為粒子直徑d<λ/10）發生的散射；主要由大氣中的原子和分子引起。特點：散射強度I∝λ-4

。紅外線、微波可以不考慮瑞利散射的影響。可見光波長較短，瑞利散射對可見光影響很大。紫外區不適于進行遙感。

晴朗的天空為什么是藍的？日出日落時天空是橙紅色？（2）米氏散射：當大氣中粒子的直徑與波長相當時發生的散射；主要由大氣中的煙塵、小水滴和氣溶膠引起。散射強度I∝λ-2

。米氏散射在光線前進方向比向后方的散射更強。由于大氣中云、霧等懸浮粒子的大小與0.76—15μm的紅外線的波長差不多，因此，云、霧對紅外線的米氏散射是不可忽視的。

§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2、大氣的散射作用

（3）無選擇性散射：當大氣中粒子的直徑比波長大得多時發生的散射；散射強度與波長無關，即在符合無選擇性散射條件的波段中，任何波長的散射強度相同。

--云霧中水滴粒子的直徑與可見光相比；云和霧為什么是白色的？（4）散射作用與波長的關系：散射強度和波長密切相關，在大氣狀況相同時，同時會出現各種類型的散射。瑞利散射主要發生在紫外、可見光和近紅外波段；米氏散射發生在近紫外~紅外波段，但在紅外波段米氏散射的影響超過瑞利散射；在微波波段，由于微波波長遠大于云層中水滴的直徑，因而屬于瑞利散射類型；此時，散射強度與波長的四次方成反比，散射強度相對很弱，透射能力很強，故微波具有穿透云霧的能力。§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響大氣對太陽輻射的衰減

3、大氣的反射和折射作用反射現象主要發生在云層頂部，取決于云量，云量越多、云層越厚，反射越強。而且各波段均受到不同程度的影響，削弱了電磁波到達地面的強度。因此，應盡量選擇無云的天氣接受遙感信號。大氣的折射率與大氣密度有關，密度越大折射率越大。因而，電磁波（太陽輻射）在大氣中的傳播軌跡是一條曲線。折射改變了太陽輻射的方向，并不改變太陽輻射的強度。

大氣對太陽輻射的衰減總體規律（見下頁）太陽輻射經大氣衰減圖大氣吸收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。§2.2太陽輻射及大氣對輻射的影響2.2.2大氣窗口及透射分析大氣窗口：將電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射的,透過率較高的波段稱為大氣窗口。大氣窗口的光譜段主要有：大氣窗口波段透射率/%應用舉例紫外可見光近紅外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.5～1.8μm80TM5近-中紅外2.0～3.5μm80TM7中紅外3.5～5.5μm60～70NOAA的AVHRR遠紅外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat大氣透射分析---參見教材P32

§2.3地球的輻射與地物波譜2.3.1太陽輻射與地表的相互作用根據課本34頁圖2.20。自行總結地球電磁輻射的基本特征。§2.3地球的輻射與地物波譜2.3.2地表自身熱輻射（地物發射光譜特性）溫度為300K的黑體，其電磁輻射的波長范圍是：2.5~50μｍ。地球表面的發射輻射能量主要集中于熱紅外波段,其峰值波長為9.66μｍ；在熱紅外波段，太陽的電磁輻射幾乎忽略不計，通常稱地球的發射輻射為熱輻射。地球表面的熱輻射（能量）與自身的發射率、波長、溫度有關：M(λ,T）=ε(λ,T)×M0(λ,T)地物的發射光譜：地物的發射率隨波長變化的規律。地物發射率的不同是紅外遙感技術的重要依據。

地物發射光譜曲線：某種地物的發射率隨波長變化曲線。地物的發射率與物體本身組成、表面粗糙度、顏色和溫度有關。觀察圖2.22可以發現：隨著二氧化硅含量的減少（酸性---基性）巖石發射率的最小值向長波方向偏移。§2.3地球的輻射與地物波譜2.3.2地表自身熱輻射（地物發射光譜特性）表面粗糙、顏色暗，發射率高，反之發射率低。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，發射率大。如水體夜晚發射率大，白天就小。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果是不同的。

—由于地表溫度的日變化，熱紅外遙感應在一天中的何時進行？熱紅外遙感探測的地物熱輻射量用亮度溫度（所謂亮度溫度是當物體輻射的功率等于某一黑體輻射功率時，該黑體的絕對溫度即地物的亮度溫度）表示，它不同于地面溫度，是接收的熱輻射能量的轉換值，圖像上表示為亮度。§2.3地球的輻射與地物波譜2.3.3地物透射光譜特性透明地物：有些地物（如水體和冰），具有透射一定波長的電磁波能力，通常把這些物體叫做透明地物。

透射率(τ)：入射光透射過地物的能量與入射總能量的百分比。地物的透射率隨著電磁波的波長和地物的性質而不同。地物的透射能力一般用透射率表示。舉例：1）水體，對0.45~0.56μm的藍綠光波段透射能力較強，一般水體的透射深度10~20m，混水1~2米，清澈水體可達100m的深度。2）對于一般不能透過可見光的地面物體對波長5cm的電磁波則有透射能力，如超長波的透射能力就很強，可以透過地面