第二章電磁輻射及遙感物理基礎(chǔ)

第二章

電磁輻射及遙感物理基礎(chǔ)內(nèi)容提綱2.1概述2.2物體的發(fā)射輻射2.3地物的反射輻射2.4地物波譜特性的測(cè)定2.1概述電磁波、機(jī)械波（聲波）、重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)等都可以用作遙感，但一般而言，RS指的是電磁波遙感。遙感之所以能夠根據(jù)收集到的電磁波來判斷地物目標(biāo)和自然現(xiàn)象，是因?yàn)橐磺形矬w，由于其種類、特征和環(huán)境條件的不同，而具有完全不同的電磁波反射或發(fā)射輻射特征。2.1.1電磁波麥克斯韋電磁場(chǎng)理論電磁波是一種橫波幾個(gè)重要性質(zhì)單色波可以用波函數(shù)來描述，是一個(gè)時(shí)空周期性函數(shù)，振幅、相位、波長一般成像：記錄振幅全息成像：記錄振幅和相位干涉衍射偏振干涉凡是單色波都是相干波。微波遙感中的雷達(dá)也是應(yīng)用了干涉原理成像的,其影像上會(huì)出現(xiàn)顆粒狀或斑點(diǎn)狀的特征，這是一般非相干的可見光影像所沒有的，對(duì)微波遙感的判讀意義重大。INSAR利用干涉原理成像。衍射光通過有限大小的障礙物時(shí)偏離直線路徑的現(xiàn)象稱為光的衍射。研究電磁波的衍射現(xiàn)象對(duì)設(shè)計(jì)遙感傳感器和提高遙感圖像的幾何分辨率具有重要意義。偏振橫波在垂直于波的傳播方向上，其振動(dòng)矢量偏于某些方向的現(xiàn)象。偏振在微波技術(shù)中稱為“極化”，一般有四種極化方式。遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達(dá)成像就利用了電磁波的偏振這一特性。2.1.2電磁波波譜遙感信息獲取，一般指收集、探測(cè)、記錄地物的電磁波特征，即地物的發(fā)射、輻射或反射電磁波特性。由于電磁波傳播的是能量，實(shí)際上也是記錄輻射能量的過程。電磁波具有不同的頻率和波長，因而具有不同的特性。Gamma?

射線X射線紫外線可見光紅外線微波無線波紫藍(lán)綠黃紅頻率波長遙感應(yīng)用的光譜范圍名稱波長范圍紫外線0.001—0.4μm紫0.38—0.43μm可見光0.4—0.76μm藍(lán)0.43—0.47μm紅外線近紅外0.77—3.0μm青0.47—0.50μm中紅外3—6μm綠0.50—0.56μm遠(yuǎn)紅外6—15μm黃0.56—0.60μm超遠(yuǎn)紅外15—1000μm橙0.60—0.63μm微波毫米波1—10mm紅0.63—0.76μm厘米波1—10cm分米波10cm—1m遙感應(yīng)用的光譜范圍電磁波譜的范圍非常寬，從波長最短的γ射線到最長的無線電波，波長之比高達(dá)10的22次方遙感采用的電磁波段可以從紫外線一直到微波波段遙感就是根據(jù)感興趣的地物的波譜特性，選擇相應(yīng)的電磁波段，通過傳感器探測(cè)不同的電磁波譜的發(fā)射或反射能量而成像的。2.2物體的發(fā)射輻射黑體輻射太陽輻射大氣對(duì)輻射的影響一般物體的發(fā)射輻射

2.2.1黑體輻射1860年基爾霍夫：好的吸收體也是好的輻射體絕對(duì)黑體——任何波長的電磁輻射全部吸收一個(gè)不透明的物體，對(duì)入射到它上面的電磁波只有光譜吸收率α(λ,T)和光譜反射率ρ(λ,T)，二者之和恒等于1。絕對(duì)黑體：α(λ,T)=1，ρ(λ,T)=0絕對(duì)白體：α(λ,T)=0，ρ(λ,T)=1普朗克定律1900年普朗克用量子理論推導(dǎo)出普朗克定律黑體輻射通量密度與溫度、波長的關(guān)系滿足普朗克定律：W(λ)——

光譜輻射通量密度，單位W／（cm2·μm）；

λ——波長，單位是μm；h——普朗克常數(shù)(6.6256×10-34J·s)；c——光速(3×1010cm/s)；

k——玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23J／K)；T——絕對(duì)溫度，單位是K。黑體輻射特性（1）與曲線下的面積成正比的總輻射通量密度W是隨溫度T的增加而迅速增加?？傒椛渫棵芏萕可在從零到無窮大的波長范圍內(nèi)。對(duì)普朗克公式進(jìn)行積分，可得到從1平方厘米面積的黑體輻射到半球空間里的總輻射通量密度的表達(dá)式為：

σ為斯忒藩——玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)黑體的絕對(duì)溫度（K）。從上式可以看出：絕對(duì)黑體表面上，單位面積發(fā)出的總輻射能與絕對(duì)溫度的四次方成正比，稱為斯忒藩－玻耳茲曼公式。對(duì)于一般物體來講，傳感器檢測(cè)到它的輻射能后就可以用此公式概略推算出物體的總輻射能量或絕對(duì)溫度（T）。熱紅外遙感就是利用這一原理探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)物的。黑體輻射特性（2）光譜輻射能量密度的峰值波長隨溫度的增加向短波方向移動(dòng)?？晌⒎制绽士斯?，并求極值。稱維恩位移定律。它表明：黑體的絕對(duì)溫度增高時(shí)，它的最大輻射本領(lǐng)向短波方向位移。若知道了某物體溫度，就可以推算出它所輻射的。在遙感技術(shù)上，常用這種方法選擇遙感器和確定對(duì)目標(biāo)物波段進(jìn)行熱紅外遙感的最佳波段。

黑體輻射特性（3）每根曲線彼此不相交，故溫度T越高所有波長上的波譜輻射通量密度也越大。在波長大于1mm的微波波段，hv<<kT,近似得出：在微波波段，黑體的微波輻射亮度與溫度的一次方成正比。鎢絲2.2.2太陽輻射太陽是被動(dòng)遙感最主要的輻射源，遙感傳感器從空中或空間接收地物反射的電磁波。地球系統(tǒng)的能量絕大多數(shù)（>99％）來源于太陽

太陽輻射:5%紫外線45%可見光50%紅外線輻射源自然輻射源：太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900K的黑體輻射來模擬。大氣層對(duì)太陽輻射的吸收、反射和散射。地球的電磁輻射：近似300K的黑體輻射。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。人工輻射源：微波輻射源：0.8-30cm激光輻射源：激光雷達(dá)(測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測(cè)量地形等)。太陽輻射照度分布曲線太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距離太陽一個(gè)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(shí)間黑體所接收的太陽輻射能量：I⊙=135.3mW/m2太陽輻射的光譜是連續(xù)的，它的輻射特性與絕對(duì)黑體的輻射特性基本一致。

太陽輻射的特點(diǎn)太陽光譜是連續(xù)的。輻射特性與黑體基本一致。紫外到中紅外波段區(qū)間能量集中、穩(wěn)定。主要利用可見光、紅外波段等穩(wěn)定輻射。海平面處的太陽輻射照度分布曲線與大氣層外的曲線有很大不同，這主要是地球大氣層對(duì)太陽輻射的吸收和散射造成的。2.2.3大氣對(duì)輻射的影響(1)大氣的垂直分布對(duì)流層氣溶膠氣體分子（瑞利散射）平流層氣體(2)大氣對(duì)太陽輻射的吸收在紫外、紅外與微波區(qū)，電磁波衰減的主要原因是大氣吸收主要成分：氧氣、臭氧、水、二氧化碳大氣吸收的影響主要是造成遙感影像暗淡。大氣對(duì)紫外線有很強(qiáng)的吸收作用，因此，現(xiàn)階段中很少使用紫外線波段。(2)大氣對(duì)太陽輻射的散射在可見光波段范圍內(nèi)，大氣分子吸收的影響很小，主要是散射引起的衰減。太陽輻照到地面又反射到傳感器的過程中，二次通過大氣，傳感器所接收到的能量除了反射光還增加了散射光。這二次影響增加了信號(hào)中的噪聲部分，造成遙感影像質(zhì)量的下降。散射的方式隨電磁波波長與大氣分子直徑、氣溶膠微粒大小之間的相對(duì)關(guān)系而變,主要有米氏(Mie)散射、均勻散射、瑞利（Rayleigh）散射等。

氣溶膠氣溶膠粒子是指懸浮在大氣中的直徑千分之一微米到一百微米的固體、液體粒子。大氣中的氣溶膠粒子的自然來源主要是海洋、土壤和生物園以及火山等。氣溶膠大多集中在底層大氣0-4km范圍內(nèi)。由于地球重力作用，氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減，氣溶膠顆粒尺度與可見光波長相當(dāng)，故它對(duì)光的散射作用屬于米氏散射。氣溶膠圖散射類型介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a與入射波長λ同數(shù)量級(jí)時(shí)，發(fā)生米氏散射

介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a>>入射波長λ時(shí)，發(fā)生均勻散射介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a小于入射波長λ的十分之一時(shí)，發(fā)生瑞利散射散射強(qiáng)度與波長的關(guān)系藍(lán)光散射較強(qiáng)紅光散射較弱

(2)大氣對(duì)太陽輻射的反射由于大氣中有云層，當(dāng)電磁波到達(dá)云層時(shí)，就象到達(dá)其他物體界面一樣，不可避免的要產(chǎn)生反射現(xiàn)象，這種反射同樣滿足反射定律。各波段受到不同程度的影響，削弱了電磁波到達(dá)地面的程度。因此應(yīng)盡量選擇無云的天氣接收遙感信號(hào)。

四川省江油市(3)大氣窗口太陽輻射在到達(dá)地面之前穿過大氣層，大氣折射只是改變太陽輻射的方向，并不改變輻射的強(qiáng)度。但是大氣反射、吸收和散射的共同影響卻衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分才為透射部分。不同電磁波段通過大氣后衰減的程度是不一樣的，因而遙感所能夠使用的電磁波是有限的。有些大氣中電磁波透過率很小，甚至完全無法透過電磁波。這些區(qū)域就難于或不能被遙感所使用，稱為“大氣屏障”；反之，有些波段的電磁輻射通過大氣后衰減較小，透過率較高，對(duì)遙感十分有利，這些波段通常稱為“大氣窗口”。研究和選擇有利的大氣窗口、最大限度地接收有用信息是遙感技術(shù)的重要課題之一?？梢杂米鬟b感的大氣窗口

0.30--1.15μm大氣窗口：這個(gè)窗口包括全部可見光波段、部分紫外波段和部分近紅外波段，是遙感技術(shù)應(yīng)用最主要的窗口之一。1.3--2.5μm大氣窗口：屬于近紅外波段。3.5--5.0μm大氣窗口：屬于中紅外波段。8--14μm熱紅外窗口：熱紅外窗口，透射率為80%左右，屬于地物的發(fā)射波譜。1.0mm--1m微波窗口。(4)輻射傳輸方程傳感器從高空探測(cè)地面物體時(shí)，所接收到的電磁波能量包括：太陽經(jīng)大氣衰減后照射地面，經(jīng)地物反射后，又經(jīng)大氣第二次衰減進(jìn)入傳感器的能量地面物體本身輻射的能量經(jīng)大氣后進(jìn)入傳感器大氣散射和輻射的能量等(4)輻射傳輸方程電磁波輻射與大氣相互作用的復(fù)雜性，從遙感應(yīng)用角度需要簡(jiǎn)化假設(shè)1：忽略大氣折射、湍流和偏振假設(shè)2：天空為均勻朗伯體，各向同性輻射；地表為均質(zhì)朗伯體，各向同性反射。(4)輻射傳輸方程傳感器入瞳輻射亮度地面輻射亮度向上大氣光譜輻射亮度地表反射率大氣層外太陽輻射照度太陽天頂角光學(xué)厚度（介質(zhì)厚度和折射率的乘積）大氣向地面散射輻射照度傳感器觀測(cè)角大氣透過率2.2.4一般物體的發(fā)射輻射自然界中實(shí)際物體的發(fā)射和吸收的輻射量都比相同條件下絕對(duì)黑體的要低。不僅依賴于波長和溫度，還與構(gòu)成物體的材料、表面狀況等因素有關(guān)。我們用發(fā)射率ε來表示它們之間的關(guān)系：ε=W′/W。發(fā)射率ε就是實(shí)際物體與同溫度的黑體在相同條件下輻射功率之比。發(fā)射率按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。灰體：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。理想反射體：反射率等于0。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。主要地物發(fā)射率等效黑體溫度實(shí)際測(cè)定物體的光譜輻射通量密度曲線并不像描繪的黑體光譜輻射通量密度曲線那么光滑常常用一個(gè)最接近灰體輻射曲線的黑體輻射曲線作為參照，這時(shí)的黑體輻射溫度稱為等效黑體輻射溫度（或稱等效輻射溫度）

基爾霍夫定律在任一給定溫度下，輻射通量密度與吸收率之比對(duì)任何材料都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下黑體的輻射通量密度。任何材料的發(fā)射率等于其吸收率

基爾霍夫定律根據(jù)能量守恒定理，入射在地表面的輻射功率等于吸收功率、透射功率和反射功率三個(gè)分量之和。對(duì)于不透射電磁波的物體2.3地物的反射輻射地物的反射類別光譜反射率以及地物的反射光譜特性影響地物光譜反射率變化的因素

2.3.1地物的反射類型鏡面反射：是指物體的反射滿足反射定律。當(dāng)發(fā)生鏡面反射時(shí)，對(duì)于不透明物體，其反射能量等于入射能量減去物體吸收的能量。自然界中真正的鏡面很少，非常平靜的水面可以近似認(rèn)為是鏡面。漫反射：如果入射電磁波波長λ不變，表面粗糙度h逐漸增加，直到h與λ同數(shù)量級(jí)，這時(shí)整個(gè)表面均勻反射入射電磁波，入射到此表面的電磁輻射按照朗伯余弦定律反射。方向反射：實(shí)際地物表面由于地形起伏，在某個(gè)方向上反射最強(qiáng)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。從空間對(duì)地面觀察時(shí)，對(duì)于平面地區(qū)，并且地面物體均勻分布，可以看成漫反射；對(duì)于地形起伏和地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，為方向反射。

2.3.2光譜反射率以及地物反射光譜特性

反射率是物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比，這個(gè)反射率是在理想漫反射體的情況下，整個(gè)電磁波長的反射率實(shí)際上由于物體固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，物體對(duì)于不同波長的電磁波會(huì)有選擇的反射。光譜反射率：是物體在特定波長上的反射輻射通量與入射輻射通量之比。綠紅紫外紅外反射波譜反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長變化的規(guī)律，以波長為橫坐標(biāo)，反射率為縱坐標(biāo)所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線。物體的反射波譜限于紫外、可見光和近紅外，尤其是后兩個(gè)波段。反射波譜正因?yàn)椴煌匚镌诓煌ǘ斡胁煌姆瓷渎蔬@一特性，物體的反射波譜特性曲線才作為判讀和分類的物理基礎(chǔ)，廣泛地應(yīng)用于遙感影像的分析和評(píng)價(jià)中。水體植被土壤建筑地物的反射輻射典型地物的反射波譜特性曲線植被的反射波譜特性曲線植被的反射波譜特性曲線紅外波段綠波段植被的反射波譜特性曲線植被的光譜反射特性藍(lán)、紅波段為吸收帶綠波段為弱反射帶近紅外波段有強(qiáng)反射帶,但含水量造成反射吸收水體的反射波譜特性曲線水體的反射波譜特性曲線紅外波段綠波段水體的反射波譜特性曲線水體的光譜反射特性藍(lán)、綠波段為反射帶近、中紅外波段為完全吸收帶植被和水體的反射波譜特性曲線比較近紅外波段紅波段綠波段城市道路、建筑物的反射波譜特性曲線在城市遙感影像中，通常看到建筑物的頂部、部分建筑物的側(cè)面、無植被覆蓋的道路建筑材料各不相同城市道路、建筑物的反射波譜特性曲線城市道路、建筑物的光譜反射特性紅外波段較可見光波段反射強(qiáng)石棉瓦較其他材料反射強(qiáng)瀝青較其他材料反射弱土壤的反射波譜特性曲線土壤的反射波譜特性曲線土壤的光譜反射特性自然狀態(tài)下土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值。土壤的反射波譜特性曲線與土壤質(zhì)地組成有關(guān)土壤反射波譜特性曲線較平滑，因此在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區(qū)別不明顯。植被、水體、土壤的反射波譜特性曲線1.3.3影響地物光譜反射率變化的因素

太陽高度（日期、時(shí)間）大氣條件地形（陰影）地形（坡度）氣候、植物的病變環(huán)境狀況2.4地物波譜特性的測(cè)定地物波譜特性的概念地物波譜特性的測(cè)定原理地物波譜特性的測(cè)定步驟2.4.1地物波譜特性的概念地物波譜也稱地物光譜。地物波譜特性是指各種地物各自所具有的電磁波特性（發(fā)射輻射或反射輻射）。測(cè)量地物的反射波譜特性曲線主要作用：它是選擇遙感波譜段、設(shè)計(jì)遙感儀器的依據(jù)在外業(yè)測(cè)量中，它是選擇合適的飛行時(shí)