第二章遙感電磁學(xué)基礎(chǔ)

遙感技術(shù)授課老師：周峰Email：fzhou@主要內(nèi)容：電磁波譜與電磁輻射太陽輻射及大氣對(duì)輻射的影響地球的輻射與地物波譜地物反射或輻射的電磁波信息是遙感成像的基礎(chǔ)，也是遙感影像判讀、處理、分析的依據(jù)。第二章電磁輻射與地物光譜特征課程回顧32.1電磁波譜與電磁輻射4電磁波及其特性電磁波譜電磁輻射源黑體輻射

實(shí)際物體的輻射電磁波的概念電磁波：電磁場(chǎng)在空間的交替變化和傳播電磁輻射：電磁能量（電磁波）的傳遞過程電磁性質(zhì)（8種）1.電磁波是橫波；2.在真空中以光速傳播；3.波長(zhǎng)與頻率關(guān)系：λ×f=c；4.波粒二象性；5.波的干涉現(xiàn)象；6.衍射現(xiàn)象；7.波的偏振現(xiàn)象；8.多普勒效應(yīng)電磁波的4要素

1.頻率；2幅度；3.傳播方向；4.偏振面；電磁4要素的物理意義電磁波譜（ElectromagneticSpectrum）：按電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)或頻率，按大小順序排列就構(gòu)成了電磁波譜。

波段：將電磁波譜劃分成區(qū)間，每個(gè)區(qū)間為一個(gè)波段γ射線、x射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波等波段波長(zhǎng)長(zhǎng)波大于3Km中波和短波10-3Km超短波1-10m微波1mm-1m紅外波段超遠(yuǎn)紅外15-1000μm遠(yuǎn)紅外6-15μm中紅外3-6μm近紅外0.76-3μm可見光紅光0.62-0.76μm橙0.59-0.62μm黃0.56-0.59μm綠0.50-0.56μm青0.47-0.50μm藍(lán)0.43-0.47μm紫0.38-0.43μm紫外線1nm-0.38μmX射線10-3ns-1nsr線10-3ns目前遙感應(yīng)用的常用波段及特征紫外線：，源于太陽輻射，絕大部分被大氣吸收可見光：，源于太陽輻射，遙感的主要波段紅外線：，近紅外，主要源于太陽輻射

，中紅外，源于太陽輻射及地物熱輻射

，遠(yuǎn)紅外、超遠(yuǎn)紅外，源于地物熱輻射、熱污染、熱慣量、全天時(shí)微波：，主動(dòng)遙感、被動(dòng)遙感、全天時(shí)、全天候電磁輻射源1.電磁輻射的來源2.電磁輻射的度量2.電磁輻射的度量輻射能量：以輻射形式發(fā)射、傳輸或接受的能量。單位：焦耳(J)輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量。單位：瓦特(W=J/S)輻射通量密度：通過單位面積的輻射通量。單位：W/m2輻射強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量。單位：W/Sr輻射亮度：面狀輻射源在某一方向、單位投影表面、單位立體角內(nèi)輻射通量。單位：W/Sr·m2電磁輻射的度量

（1）輻射能量：以電磁波形式傳播的能量，單位為（2）輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量，單位為

（3）輻射強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源在某方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)射的輻射通量，單位為

（4）輻射亮度：擴(kuò)展源在某方向上單位投影面積向單位立體角反射的輻射通量，單位為

（5）輻射出射度：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，單位為

（6）輻照度：被照物體表面單位面積上接收到的輻射通量，單位是

輻射出射度和輻照度都是輻射通量密度的概念，不同的是，輻射出射度為物體發(fā)出的輻射，而輻照度為物體接收的輻射。黑體輻射絕對(duì)黑體：對(duì)任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸收的物體黑體輻射的普朗克公式：左圖為不透明的空腔，幾乎吸收了所有入射光線，可視為理想黑體。h:普朗克常數(shù)＝6.6260755*10-34W·s2k:玻爾茲曼常數(shù)=1.380658*10-23W·s·K-1c:光速;λ:波長(zhǎng)（μm）;T:絕對(duì)溫度（K）黑體（絕對(duì)黑體）對(duì)任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸收的物體吸收率=100％；反射率=0％；透射率=0％是理想的吸收體，自然界不存在黑色的煙煤，吸收率=99%是實(shí)際吸收體的比較標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射(BlackBodyRadiation)黑體的熱輻射稱為黑體輻射黑體是理想的發(fā)射體，在同樣的溫度下，各個(gè)方向上，黑體所發(fā)射的各波長(zhǎng)的輻射能比任何其它物體都多黑體輻射的三個(gè)特性：輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。物體溫度不同，曲線也不同，雖然形狀相似卻不相交。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(huì)引起輻射通量密度很大的變化，是紅外裝置測(cè)定溫度的理論基礎(chǔ)。黑體輻射規(guī)律斯蒂芬—玻爾茲曼定律：維恩位移定律：將通用形式的普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)求導(dǎo)其中，常數(shù)維恩位移定律表明，黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng)與黑體的絕對(duì)溫度成反比，而當(dāng)溫度升高時(shí)，其光譜輻射度的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。溫度3005001000200030004000500060007000波長(zhǎng)9.665.802.901.450.970.720.580.480.41實(shí)際地物的輻射基爾霍夫定律：在熱平衡條件下，所有物體在給定溫度下，對(duì)某一波長(zhǎng)來說，物體反射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)的比值與物體自身的性質(zhì)無關(guān)，它對(duì)一切物體都是一個(gè)恒量。在同一溫度下，三類物體的發(fā)射率分別是：黑體：=1（最大）灰體：=1/n（n>1）選擇性輻射體：<1，且隨波長(zhǎng)變化發(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。它也是遙感探測(cè)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。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?；鶢柣舴蚨傻囊饬x在一定溫度下，任何物體單位面積上的輻射通量W與吸收率之比，是常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W黑發(fā)射率等于吸收率好的吸收體也是好的發(fā)射體如果不吸收某些波長(zhǎng)的電磁波，則也不發(fā)射該波長(zhǎng)的電磁波基爾霍夫定律的意義地物波譜曲線即一地物對(duì)不同波長(zhǎng)測(cè)出對(duì)應(yīng)于該波長(zhǎng)的光譜輻射出射度所繪制的曲線。例題1.已知太陽表面的輻射出射度為，求太陽的有效溫度和太陽光譜中輻射最強(qiáng)波長(zhǎng)？太陽黑體2.金屬材料接近于灰體，已知已氧化的銅表面的溫度為1000K，比輻射率（吸收率為0.7），求該物體的總輻射出射度。金屬為實(shí)際物體黑體為量溫標(biāo)準(zhǔn)利用斯—玻定律和基爾霍夫定律求解2.2太陽輻射及大氣對(duì)輻射的影響26太陽輻射特性大氣特性大氣窗口及透射分析大氣吸收

大氣散射

1、太陽輻射太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距太陽一個(gè)天文單位內(nèi)，垂直于太陽光輻射方向上，單位面積單位時(shí)間黑體所接收的太陽輻射能量。1天文單位=日地平均距離=1.496×1011m到地面的太陽輻射為太陽的總輻射通量的20億分之一已知太陽常數(shù)和天文單位，如何求出太陽的中輻射通量？若太陽的線半徑為696300000m（地球半徑的109倍），求太陽的輻射出射度？并給太陽的亮溫和最大輻射電磁波的波長(zhǎng)？實(shí)際地面接收太陽輻射能量大氣上界太陽輻射日總量的分布太陽高度角（solarelevation）:太陽光與該點(diǎn)水平面的夾角。成像時(shí)刻的太陽高度角可根據(jù)成像時(shí)刻

的時(shí)間、季節(jié)和地理位置來確定。：圖像對(duì)應(yīng)地質(zhì)的地理緯度

：成像時(shí)太陽垂直點(diǎn)的地理緯度

：時(shí)角（地區(qū)緯度與成像時(shí)太陽垂直點(diǎn)的地理緯度）

：可以由成像的季節(jié)日期計(jì)算得到為了減小太陽高度角的影響，遙感衛(wèi)星軌道大多設(shè)計(jì)成在每天的同一

時(shí)間通過同一地方上空，但季節(jié)變化和地理緯度的差異造成太陽高度角和方位角的變化是不可避免的。大氣上界的太陽輻射強(qiáng)度取決于太陽的高度角、日地距離和日照時(shí)間太陽高度角或緯度：太陽高度角越大，穿越大氣的路徑就越短，到達(dá)地面的太陽輻射越強(qiáng);太陽高度角越大，等量太陽輻射散布的面積越小，太陽輻射越強(qiáng)。例如，中午的太陽輻射強(qiáng)度比早晚的強(qiáng)。海拔高度：海拔越高空氣越稀薄，則到達(dá)地面的太陽輻射越強(qiáng)。例如，青藏高原是我國(guó)太陽輻射最強(qiáng)的地區(qū)。天氣狀況：晴天云少，對(duì)太陽輻射的削弱作用小，到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)。例如四川盆地多云霧陰雨天氣，太陽輻射成為我國(guó)最低值區(qū)。大氣透明度：大氣透明度高則對(duì)太陽輻射的削弱作用小，使到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)。污染重，則對(duì)太陽輻射消弱強(qiáng)，到達(dá)地面太陽輻射少。白晝時(shí)間的長(zhǎng)短大氣污染的程度太陽輻射活動(dòng)：小于1%太陽是一個(gè)巨大的電磁輻射源地球能量的主要來源是太陽也是被動(dòng)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太陽輻射的波長(zhǎng)范圍很廣從小于10-14m的γ射線，到大于10Km的無線電波太陽輻射的特點(diǎn)可見光的輻射強(qiáng)度最大可見光和紅外的輻射通量占總輻射通量的90％以上紫外、x射線和無線電波的輻射通量占比例很小波長(zhǎng)/μm波段名稱能量比例/%小于10-3X、γ射線0.0210-3-0.2遠(yuǎn)紫外0.2-0.31中紫外1.950.31-0.38近紫外5.320.38-0.76可見光43.500.76-1.5近紅外36.801.5-5.6中紅外12.05.6-1000遠(yuǎn)紅外0.41大于1000微波太陽輻射的特點(diǎn)夫瑯和費(fèi)吸收線，大于26000條太陽光球中包括了69元素，H為783.4%，He為19.8%，O為0.8%與5800K黑體輻射相似5800K2、大氣對(duì)電磁波輻射的影響（1）大氣的成分：大氣的傳輸特性：大氣對(duì)電磁波的吸收、散射和透射的特性大氣的成分：多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微粒混合組成大氣物質(zhì)與太陽輻射的相互作用，是太陽輻射衰減的重要原因（2）大氣的結(jié)構(gòu)：對(duì)流層：航空遙感活動(dòng)區(qū)平流層：較為微弱中氣層：溫度隨高度增加而遞減熱層：增溫層、電離層，衛(wèi)星的運(yùn)行空間大氣外層：1000公里以外的星際空間（3）大氣對(duì)太陽輻射的影響太陽輻射的衰減過程30%被云層反射回，17%被大氣吸收，22%被大氣散射，31%到達(dá)地面大氣的透射率透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)大氣的吸收大氣的散射大氣對(duì)輻射的吸收作用

大氣分子對(duì)電磁波有選擇的吸收，導(dǎo)致電磁波輻射強(qiáng)度的衰減。水的吸收帶：

以上的微波二氧化碳：臭氧：氧氣：小于大氣散射

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(gè)方向散開，稱為散射。

散射現(xiàn)象只有當(dāng)大氣中的分子或其他微粒的直徑小于或相當(dāng)于輻射波長(zhǎng)時(shí)才發(fā)生。大氣散射有三種情況：瑞利散射：藍(lán)光波長(zhǎng)容易散射米氏散射：煙、塵埃、水滴、氣溶膠等無選擇性散射：擾動(dòng)、偏振、折射瑞利散射當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)小得多時(shí)發(fā)生的散射。特點(diǎn)：散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，即波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱。問題：無云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？米氏散射當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射。特點(diǎn)：散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比，且散射在光線向前方向比向后方向更強(qiáng)，方向性比較明顯。無選擇性散射當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射。特點(diǎn)：散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無關(guān)，即在符合無選擇性散射體的條件的波段中，任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度相同?？偨Y(jié)：散射造成太陽輻射的衰減，但是散射強(qiáng)度遵循的規(guī)律與波長(zhǎng)密切相關(guān)。3、大氣窗口大氣窗口：電磁波在大氣中傳播，透過率較高的波段。因此在波段選擇和傳感器的設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇在大氣窗口內(nèi)。折射現(xiàn)象：電磁波穿過大氣層時(shí)傳播方向的改變大氣的反射：電磁波傳播過程中在介質(zhì)分界面發(fā)生反射大氣窗口：

，紫外、可見光、近紅外

和，近、中紅外

，中紅外

，遠(yuǎn)紅外

，微波

3、大氣透射的定量分析大氣對(duì)太陽輻射的總透射率：式中，為通過大氣層后的輻照度

為通過大氣層前的輻照度

為大氣質(zhì)量，與天頂距密切正相關(guān)

為大氣的垂直光學(xué)厚度1、太陽輻射衰減的原因是什么？2、在可見光和近紅外波段，大氣最主要的散射作用是什么？3、無云的晴空，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？4、朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？5、微波為什么具有極強(qiáng)的穿透云層的作用？6、為什么在選擇遙感工作波段時(shí)，要考慮大氣層的散射和吸收作用？問題2.3 地球的輻射與地物波譜地物反射波譜：指地面反射率波長(zhǎng)的變化規(guī)律。地物反射波譜曲線：以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，以反射率為縱坐標(biāo)描述地物反射率對(duì)不同波長(zhǎng)的波的反射能力的曲線。地物反射率隨波長(zhǎng)有規(guī)律的變化，是遙感影像判讀的重要依據(jù)。1、概念：從圖中