第2章 電磁波及遙感物理基礎

第2章電磁波與遙感物理基礎§2.1電磁波與電磁波譜§2.2電磁波輻射源§2.3地物的反射輻射§2.4地球輻射與地物波譜特征波：是振動在空間的傳播。如聲波、水波、地震波等。

電磁波：在空間傳播的交變電磁場。當電磁振蕩進入空間時，變化的磁場激發(fā)了變化的電場，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波，也稱電磁輻射。

§2.1電磁波與電磁波譜電磁波波：是振動在空間的傳播。如聲波、水波、地震波等。

§2.1電磁波與電磁波譜電磁波電磁波的基本特征：1.電磁波的傳播電磁波是橫波，質(zhì)點的震動方向與波的傳播方向垂直，傳播速度為3×108

m/s，不需要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時會有反射、吸收、透射、散射等。電磁波是遙感信息的載體，電磁波理論是遙感的物理理論基礎。

E電場，M磁場，C傳播方向描述電磁波的物理量：波長、頻率、振幅、位相等。

c=f*,f頻率，波長

麥克斯韋（1831-1879）

普朗克（1858-1947）

愛因斯坦（1879-1955）波動性粒子性電磁波的疊加原理當兩列波在同一空間傳播時，空間上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

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?zhèn)鞑?。把這種通過障礙物邊緣改變傳播方向地現(xiàn)象，稱為電磁波的衍射。

電磁波的偏振電磁波遇到“狹縫”的障礙物時，能夠通過狹縫的振動分量，稱為電磁波的偏振。3.粒子性把電磁波作為粒子對待時，能量:

h:普朗克常數(shù)，6.6260755×10－34Jsc:光速；v:頻率

能量越大，波長越短，粒子性越強，直線性越強。波粒二象性的程度與電磁波的波長有關：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動特性愈明顯。定義：按照電磁波的波長（頻率的大小）長短，依次排列成的圖表，稱為電磁波譜。依次為：

γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。電磁波譜各種電磁波的特點常用的遙感波段：電磁輻射源：能輻射任何波長電磁波的物質(zhì)。自然輻射源人工輻射源(主動式遙感的輻射源，雷達探測。分為微波雷達和激光雷達)不同輻射源的電磁輻射信息存在一定的差異，可由相應探測波段的遙感器以成像或非成像的方式進行記錄。§2.2物體的發(fā)射輻射自然輻射源太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900的黑體輻射來模擬；其輻射波長范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對太陽輻射的吸收、反射和散射。地球的電磁輻射：小于3μm的波長主要是太陽輻射的能量；大于6μm的波長，主要是地物本身的熱輻射；3-6μm之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。1.電磁輻射的度量術(shù)語

（3）輻照度（E）

單位面積上接收的輻射通量。

E=dF/dA，單位：W.m-2（4）輻射出射度（M）

單位面積上輻射出的輻射通量。

M=dF/dA，單位：W.m-2（5）輻射強度（I）

點輻射源在某一方向單位立體角內(nèi)的輻射通量。

I=dF/dW，單位：W.sr-12.物體的熱輻射熱輻射——由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動所引起的電磁輻射。

物體熱輻射的強弱取決于地物自身性質(zhì)和溫度，輻射能量分布隨波長的不同而變化。太陽（表面溫度6000K）

熱輻射體地球（平均溫度300K）3.絕對黑體（1）絕對黑體：對任何波長的輻射，吸收率等于1，反射率和透射率都等于0。與溫度和波長無關。黑體是一種理想的吸收體，自然界沒有真正的黑體。

用不透明材料制成的開有小孔的空腔(如上圖)就是一個黑體模型。空腔外面的輻射能夠通過小孔進入空腔，進入空腔的射線，在空腔內(nèi)進行多次反射，每反射一次內(nèi)壁吸收一部分能量，最后全部被吸收掉，從小孔穿出的輻射能可以略去不計。小孔即相當于黑體的表面。h:普朗克常數(shù),6.6260755*10-34

W·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）M,輻射出射度（2）黑體輻射規(guī)律：

①普朗克公式

1900年，普朗克由量子論推導出熱輻射定理，即普朗克公式：變化特點：(1)輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，只有一個最大值；(2)溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不相交；(3)隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動。②斯蒂芬－玻爾茲曼定律整個電磁波譜的總輻射出射度M,可以用某一單位波長間隔的輻射出射度Mλ對波長λ由O到無窮大的整個電磁波段積分，用普朗克公式對波長積分，得到斯忒藩一玻爾茲曼定律，即絕對黑體的總輻射出射度與黑體溫度的四次方成正比，

M=σT4式中，σ為斯忒藩一玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/m2K4。③維恩位移定律：實驗發(fā)現(xiàn)：當絕對黑體的溫度升高時，單色輻出度最大值對應的波長向短波方向移動黑體輻射光譜中最強輻射的波長max與黑體絕對溫度T成反比：

b為常數(shù)，b=2.89810-3mK

波長越長，最強輻射波長越短例如太陽光=490nm，可估計出太陽表面溫度近似為5900K；地表溫度為300K，地表輻射的約為10mm。溫度T/K3005001000200030004000500060007000波長λmax/μm9.665.802.901.450.970.720.580.480.414.實際物體的輻射發(fā)射率（比輻射率）實際物體的輻射不同于絕對黑體的輻射，在相同溫度下，實際物體的輻射出射度（輻射通量密度）比絕對黑體的要低。地物發(fā)射某一波長的輻射出射度（輻射通量密度）與同溫下黑體在同一波長上的輻射出射度之比，稱地物光譜發(fā)射率（emissivity）(也稱比輻射率)，即：

ε=M’/M

發(fā)射率是一個數(shù)字，其值介于0和1之間，作為比較一輻射源接近黑體的程度。物體按其發(fā)射輻射特性可分為：5.太陽輻射（1）太陽和太陽常數(shù)：太陽是太陽系的中心天體，在太陽系空間，布滿了從太陽發(fā)射的電磁波的全波輻射及粒子流，地球上的能量主要來自太陽。太陽常數(shù)：不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位（日地平均距離，149,597,870*103m）的區(qū)域內(nèi)，垂直于太陽輻射方向上單位面積和單位時間黑體所接收到的太陽輻射能量。是在地球大氣頂端接受的太陽能量，沒有大氣影響I=1.95cal/cm2min=1.360*103W/m2（2）太陽光譜太陽光譜是連續(xù)的，且輻射特性與絕對黑體輻射特性近似。太陽輻照度分布曲線太陽輻射及其能量分布1）5900K的黑體輻射。

2）短波輻射（太陽輻射總能量的40％集中于0.4－0.76um的可見光范圍內(nèi)，51％在紅外部分）

6.大氣對太陽輻射的影響作用：折射、吸收、反射、散射、透射（1）大氣折射電磁波穿過大氣層時，會產(chǎn)生傳播方向改變，即折射現(xiàn)象。大氣密度越大，折射率越大；離地面高度越大，空氣越稀薄，折射率越小。地面接收的電磁波方向與實際太陽輻射方向偏離了一個角度，稱為折射值。（2）大氣吸收①大氣層次電離層：距地面85km直到幾百千米的范圍均為熱電離層，熱電離層的溫度范圍為500K到2000K。在電離層中，由于太陽紫外輻射和高能宇宙射線的轟擊而使空氣電離成離子，因而在熱電離層中空氣以稀薄的等離子體的形式存在。平流層：在平流層最下面直到20km的高度之內(nèi)，溫度幾乎為常數(shù)，在其之上直到大約50km高度的范圍之內(nèi)，溫度隨高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流層之中。對流層：厚約為10km，其特點為溫度隨高度的增加而降低，1000m/6.5oC。所有天氣活動均發(fā)生在對流層層中。在大氣層接近地球表面大約2km的厚度，存在著一層氣溶膠粒子，氣溶膠的濃度隨高度的增加呈指數(shù)衰減。②大氣成分組成永久氣體：在大氣層中這些氣體的濃度幾乎是保持恒定不變的。氮(N2)：78.084%氧(O2)：20.948%氬(Ar)：0.934%二氧化碳(CO2)：0.033%其他惰性氣體(Ne,He,Kr,Xe)氫(H2)甲烷(CH4)一氧化二氮(N2O)一氧化碳(CO)濃度可變的氣體：其濃度可以隨空間和時間發(fā)生很大的變化。水蒸汽(H2O)臭氧(O3)二氧化硫(SO2)二氧化氮(NO2)氨(NH3)一氧化氮(NO)硫化氫(H2S)硝酸蒸汽(HNO3)

固體和液體微粒：如煙霧、水滴和冰晶體，這些粒子可以聚集在一起形成云和霾。③大氣對太陽輻射吸收大氣的吸收作用：大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）。O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μm，0.96

μmH2O吸收帶0.94m，1.38m，1.86m，2.5-3.0m，3.24m，5-7m，7.13m，24m以上（微波）CO2吸收帶1.35～2.85μm,2.8μm,4.3μm,14.5μm塵埃吸收量很小

（3）大氣的反射作用

主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量和云霧，云量越多、云層越厚，

反射越強。且波段不同大氣影響不同，削弱了電磁波強度。

（4）大氣散射

電磁輻射在大氣中傳播時，遇到各種大氣微粒（氣體分子、塵埃）將發(fā)生散射。

散射的性質(zhì)主要取決于：

電磁輻射的波長

微粒半徑

三種散射類型：瑞利散射、米氏散射、無選擇性散射大氣散射類型①瑞利散射（Rayleighscattering）<<

由大氣中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起，條件：粒子直徑比波長小很多。特點：散射強度與波長的四次方成反比，即I-4，前向散射與后向散射強度相同。波長越長，散射越弱。瑞利散射與波長的關系因此，瑞利散射的強度隨著波長變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍光是4微米紅外線散射的1萬倍。瑞利散射對可見光的影響較大，對紅外輻射的影響很小，對微波的影響可以不計。顏色紅橙黃黃綠青蘭紫紫外線波長0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0晴朗的天空為藍色，朝霞和夕陽都呈橘紅色，紫外區(qū)不適于進行遙感的原因。

瑞利散射減小了太陽光直接強度，引起漫入射的天空光，造成遙感圖像的反差降低。同時，亦可利用瑞利散射強度與-4成正比的特點來充分利用微波遙感波段。②米氏散射(Miescattering)

≈

大氣中的微粒如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起的散射，粒子直徑與輻射的波長相當。這種散射的強度受氣候影響大。

米氏散射的散射強度與波長的二次方成反比，即I-2，且散射光的向前方向比向后方向的散射強度更強，方向性較明顯，云霧對紅外線（0.76-15m）的散射主要是米氏散射。潮濕天氣米氏散射影響較大。③無選擇性散射(Non-selectivescattering)>>

發(fā)生在大氣粒子的直徑比波長大得多時。散射的特點時散射強度與波長無關，任何波長的散射強度相同。人看到的云和霧是白色的，就是非選擇性散射的結(jié)果。7.大氣窗口定義：電磁波在大氣中傳輸過程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。研究意義：為遙感信息獲取最佳探測波段。大氣窗口常用的大氣窗口1.地球輻射地球輻射太陽輻射接近于溫度為6000K的黑體輻射，最大輻射的對應波長為0.48m，地球輻射接近于溫度為300K的黑體輻射，最大輻射的對應波長為9.66m，二者相差較遠；太陽輻射主要集中于波長較短的部分，從紫外、可見光到近紅外區(qū)域，即0.3-2.5m，在這一波段地球的輻射主要是反射太陽的輻射。地球自身發(fā)出的輻射主要集中在波長較長的部分，即6m以上的熱紅外區(qū)段。在2.5-6m的中紅外波段，地球?qū)μ栞椪盏姆瓷浜偷乇砦矬w自身的熱輻射均不能忽略?！?.3地物的反射輻射地表自身熱輻射地球輻射于相應的黑體輻射的關系：從中看出：地球輻射接近于300K黑體輻射，但由于大氣影響（主要是吸收），實際的輻射曲線為不平滑的折線。2.地物波譜特征波譜特征——地物輻射（發(fā)射、反射、吸收、透射）電磁波的強度隨波長的不同而變化的特征。另外，由于成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、表面狀態(tài)以及環(huán)境、時間等諸多因素的影響，不同地物具有不同的電磁波譜特性，而同類地物在相同條件下則具有相似的地物波譜特性。

電磁波與物體相互作用過程中，會出現(xiàn)三種情況：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。地物反射波譜特征研究地物反射光譜的意義：被動遙感在遙感探測中占重要地位，主要為反射太陽輻射可準確識別地面目標反射率：反射能量與總?cè)肷淠芰康陌俜直?（P/P0）*100%

反射率大小與物體本身的性質(zhì)和表面狀況、波長、入射角等有關反射分類判斷物體光滑或粗糙程度的瑞利準則：根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：a）鏡面反射b）漫反射（朗伯反射）c）有向反射d）混合反射鏡面反射當目標物的表面粗糙高度大大低于電磁波的波長時，那么目標物對電磁波的反射稱為鏡面反射。2)朗伯反射當目標物的表面足夠粗糙，以致于它對太陽短波輻射的散射輻射亮度在以目標物的中心的2π空間中呈常數(shù)，即散射輻射亮度不隨觀測角度而變，稱該物體為漫反射體，亦稱朗伯體。嚴格講自然界中只存在近似意義下的朗伯體。只有黑體才是真正的朗伯體。3)有向反射4)混合反射一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。波譜特征曲線——表示地物輻射電磁波強度隨波長變化規(guī)律的曲線。波譜特征曲線通常以橫坐標表示波長，縱坐標表示波譜反射率、發(fā)射率等?？v坐標為反射率時為反射波譜曲線。幾種地物的反射波譜特征曲線植被反射波譜曲線植被反射波譜的影響因素水體反射波譜曲線12雪與云

§2.4地物波譜特性的測量

地物光譜測試的作用：①傳感器波段選擇、驗證、評價的依據(jù)；②建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的關系；③將地物光譜數(shù)據(jù)直接與地面特征進行相關分析并建立應用模型。野外光譜測量(垂直)1）測量儀器：美國產(chǎn)ASDFieldSp