遙感地質(zhì)學(xué)-遙感電磁輻射基礎(chǔ)

第二章遙感電磁輻射基礎(chǔ)

本章主要介紹遙感理論中與電磁波有關(guān)的物理概念。電磁波與電磁波的傳播特性，電磁波譜；黑體輻射和黑體輻射特點，實際物體的輻射與黑體輻射的區(qū)別；介紹太陽和地球的輻射隨波長的強度變化，以及大氣對太陽輻射的影響；最后分析地面物體對電磁波輻射的反射作用，各種地物對電磁波反射的不同對遙感影像解譯的重要性?！?·1電磁波譜與黑體輻射遙感是利用傳感器主動或被動地接受地面目標(biāo)物反射的電磁波，通過電磁波中所傳遞的目標(biāo)物信息來識別目標(biāo)，從而達到探測的目的。因此，首先要了解電磁波的一系列性質(zhì)、物體發(fā)射和吸收電磁輻射的規(guī)律。一

電磁波和電磁波的傳輸特性（一）電磁波的產(chǎn)生電磁波是電磁振動的傳播。當(dāng)電磁振蕩進入空間時，變化的磁場激發(fā)了變化了的電場，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波。電磁波也稱為電磁輻射。如圖2.1所示?？梢酝ㄟ^日常生活中的一些現(xiàn)象來理解波動。比如：一根繩子抖動時，振動沿繩子向前傳播；水面被攪動時，水波向前傳播等。這些波動有一個共同的特點，就是質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直，我們稱之為橫波。電磁波是橫波。（圖2·2）（二）電磁波特點

1、

波動性電磁波的波動性可以由單色波的波函數(shù)看出：

Ψ：波函數(shù)A：振幅

ω：圓頻率t:時間變量

k：圓波數(shù)x：空間變量φ：初始位相

波函數(shù)由振幅和位相組成，一般遙感器僅僅記錄電磁波的振幅信息，丟失位相信息。全息攝影中，同時記錄了振幅信息和位相信息。動量：P能量：Eh:普朗克常數(shù)，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?？梢姽?，紅外線；微波和無線電波；紫外線和X射線Y射線。3電磁波的粒子性4電磁波的疊加原理當(dāng)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(fù)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(fù)雜的電磁波。5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?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。(設(shè)計遙感器地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

6電磁波的多普勒效應(yīng)

電磁波因輻射源（或者觀察者）相對于傳播介質(zhì)的運動，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。電磁波的傳播實際上是能量的傳遞，電磁波的能量與其傳播的頻率成正比。電磁波也稱為電磁輻射。電磁波在傳播過程中遇到氣體、液體或固體介質(zhì)時會發(fā)生一系列現(xiàn)象。當(dāng)電磁波入射到平面上時，如果平面如同鏡面，會發(fā)生鏡面反射，以垂直平面的法線為準，入射角等于反射角，同時射入介質(zhì)的電磁波會發(fā)生折射現(xiàn)象。折射角一般不等于入射角，例如當(dāng)電磁波射入平靜的水面時發(fā)生反射和折射。

此外，電磁波射入介質(zhì)后，要損失能量。這是因為介質(zhì)對電磁輻射的吸收作用。如果能量沒有全部被吸收，總有一小總分從入射延伸的方向射出介質(zhì)。這部分能量是透射輻射。全部反射、吸收和透射的能量之和應(yīng)該與入射的總能量相等。而每一部分能量占總?cè)肷淠芰康谋嚷士梢杂冒俜直鹊姆椒ㄓ嬎悖?/p>

反射率（

)＝（反射能量/入射總能量）100%（22）吸收率（α）＝（吸射能量/入射總能量）100%

（23）透射率（T）＝（透射能量/入射總能量）100%

（24）

以上各種比率值均小于1，并且隨波長變化而變化。輻射傳播中，若碰到小粒子，如氣體中的塵埃和水珠等，由于上面各種作用無特定方向的同時發(fā)生，使輻射向四面八方散去，電磁波的強度和方向發(fā)生各種變化，這種現(xiàn)象是散射（圖2.3）。散射的強度隨波長而改變。（三）電磁輻射測量

為了定量的描述電磁輻射，必須了解下面輻射測量的定義及其度量單。

輻射能W；是指電磁波在轉(zhuǎn)播過程中所攜帶的能量稱為的輻射量，單位是J；

輻射通量Ф：單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量，是輻射能流的單位，記為Ф=dW/dt。用W（J／S）表示；輻射通量是波長的函數(shù)，總輻射通量應(yīng)該是各波段輻射通量之和或輻射通量的積分值。

輻照度I：是表示在輻射接收面單位面積上輻射通量，記為：I＝dФ/dS。單位是W／m2，S為面積。輻射出射度M：是表示單位面積上的輻射通量，記為：dФ/dS。單位也是W／m2，S為面積。輻照度I與輻射出射度M都是描述輻射通量的密度，只不過前者為物體接收輻射，后者為物體發(fā)出輻射。它們都與波長λ有關(guān)。（四）電磁波譜

隨著對電磁波性質(zhì)的認識逐漸深化，人們發(fā)現(xiàn)很多輻射都具有共同的性質(zhì)。而且按照它們在真空中傳播的頻率或波長排列可以形成一個連續(xù)的譜帶，這個譜帶就是電磁波譜（圖2.5）。以頻率從高到低排列劃分為γ射線、X射線、紫外線，可見光、紅外線、微波、無線電波。人們習(xí)慣使用的波長單位除了千米、米、厘米、毫米，還有微米（1μm=10-6m）、毫微米或納米（1nm=10－3μm）、埃（1＝10-10m）等。此外電磁波還可以用頻率表示。電磁波譜區(qū)的劃分界線不是十分明確，常常相互滲透。一般是按照產(chǎn)生電磁波的方法或測量電磁波的方法來劃分，習(xí)慣上電磁波區(qū)域的劃分方法如下：以波長λ為界：無線電波

>1m

長波

3000m以上； 中波和短波10－3000m；

超短波1－10m；微波

1mm－1m；按波長減小排列，微波又依次分：P,L,S,C,X,Ku,K,Ka等波段。紅外波段

0.76－1000μm；

超遠紅外波段

15－1000μm；

遠紅外

6－15μm；

中紅外

3－6μm；

近紅外

0.76－3μm；

可見光

0.38－0.76μm

紅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0.43－0.47μm

紫0.38－0.43μm紫外波段10-3~3.8×10-1μmX射線10-5~10-3μmγ射線<10-5μm遙感技術(shù)中較多使用可見光、紅外和微波波譜區(qū)間?？梢姽獠糠蛛m然波譜區(qū)間很窄，但使用卻非常廣泛。紅外區(qū)間對探測如植被信息，熱輻射信息等非常有效，遠紅外信息可以在太陽落山之后拍攝，擴大了遙感的應(yīng)用。而微波輻射的探測更可以稱為全天候探測，不受白天黑夜和天氣狀況的影響，在遙感探測上應(yīng)用前景廣泛。二黑體輻射和實際物體的輻射（一）

黑體輻射遙感探測離不開電磁輻射源，主動式遙感系統(tǒng)自備輻射源，被動式遙感系統(tǒng)則利用地球環(huán)境中的自然輻射源。這里，自然輻射源中主要利用太陽，多數(shù)傳感器都是接收太陽的輻射，特別是可見光、紅外與微波波段。其次就是地球作為輻射源，探測地球輻射主要使用熱紅外波段。對于太陽、地球這些自然物體的研究，由于它們的復(fù)雜性，常常是首先研究其極端狀態(tài)即理想狀態(tài)，然后再根據(jù)實際情況作一些修正或近似。對輻射源的輻射規(guī)律研究首先從絕對黑體這一理想模型開始。

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。實驗表明，當(dāng)電磁波入射到一個不透明的物體上，在物體上只出現(xiàn)對電磁波的反射現(xiàn)象和吸收現(xiàn)象時。這一物體的光譜吸收率α（λ，T）與光譜反射率ρ（λ，T）（見式2.2）之和恒等于1，實際上，物體的溫度不同或入射電磁波的波長不同，都會導(dǎo)致不同的吸收和反射，所以波長λ和絕對溫度T作為變量放在括號內(nèi)，對于絕對黑體而言，一定滿足吸收率α（λ，T）≡1，反射率ρ（λ，T）≡0，與物體的溫度和電磁波波長無關(guān)。理想絕對黑體在實驗上是用一個帶有小孔的空腔做成（圖2.5），空腔壁由不透明的材料制成，空腔器壁對于輻射只有吸收和反射，當(dāng)從小孔進入輻射照射到器壁上時大部分被吸收，少部分被反射，反射率僅有5％或更少，經(jīng)過n次反射后，假如仍有輻射通過小孔射出腔外，其能量也只剩下，如果n＝10，即經(jīng)過10反射，則說明物體已吸收了接近全部的能量?？梢哉J為，這一空腔符合絕對黑體的要求。黑色的煙煤，因其吸收系數(shù)接近99％，被認為是最接近絕對黑體的自然物質(zhì)。恒星和太陽的輻射也被看作是接近黑體輻射的輻射源。（二）黑體輻射規(guī)律

適用于絕對黑體輻射的公式叫做普朗克公式。公式的表達式為：（2.4）

式中：C為真空中的光速；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23

J／K；h為普朗克常數(shù)，

h＝6.63×10-34

JS；Mλ為輻射出射度。這一公式對遙感理論的重要意義還不在于這一公式本身，而在于它的普遍適用性，通過這一公式可以推導(dǎo)出以下重要的已被實驗證明的黑體輻射公式。實驗表明，黑體在某一單位波長間隔（λ～λ＋△λ）的輻射出射度與波長λ的關(guān)系曲線如圖（圖2.6）；圖中看出物體溫度不同，曲線各不相同雖然形狀相似卻都不相交，這些曲線的分布規(guī)律性遵循下面的定律：

1．斯忒藩－玻爾茲曼定律：研究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0到無大的整個電磁波段積分即：用普朗克公式對波長積分，便導(dǎo)出斯忒藩―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。σ為斯忒藩－玻爾茲曼常數(shù)σ＝5.67×10-8W/m2·k4；

由圖2.7可以看出每條曲線下面所圍面積為該溫度時絕對黑體的總輻射出射度M，它隨物體溫度的升高以4次方的比例增大。（2.5）

2．維恩位移定律利用普朗克公式還可導(dǎo)出另一定律：黑體輻射光譜中最強輻射的波長λmax與黑體絕對溫度T成反比。滿足公式：λmax·T＝b

（2.6）

b為常數(shù)。（b＝2.898×10-3m·k），這就是維恩位移定律。黑體溫度越高，其曲線的峰頂就越往左移，即往波長短的方向移動，這就是位移的含義。如果輻射最大值落在可見光波段，物體的顏色會被看到。隨著溫度升高，波長逐漸變短，顏色由紅外到紅色再逐漸變蘭變紫。蘭火焰比紅火焰溫度高，就是這個道理。（三）實際物體的輻射

1.基爾霍夫定律把實際物體與絕對黑體比較，研究其輻射特性，可以找到兩者的關(guān)系。首先研究實際物體在單位光譜區(qū)間內(nèi)的輻射出射度與吸收系數(shù)αλ的關(guān)系。假定有一封閉的空腔腔內(nèi)有三個物體B0，B1，B2……，首先腔內(nèi)為真空，腔內(nèi)能量交換不可能通過傳導(dǎo)和對流進行，只能以輻射方式完成。其次，空腔內(nèi)保持恒溫不變，因此，每個物體向外輻射和吸收的能量必然相等，設(shè)M

為輻射出射度，αi為吸收系數(shù)，Ii為輻照度。對于空腔內(nèi)每一個物體，有Mi/αi=Ii，I=1,2,3…n?；鶢柣舴蜃C明I0＝I1＝I2＝I，僅與波長和溫度有關(guān)，且對腔內(nèi)多個物i=0,1,2,……n都成立，假如物體B0是絕對黑體，則吸收系數(shù)α0＝1，因此有：M0＝I0＝I。

得到：

M1=M2=M0=I

(2.7)此式就是基爾霍夫定律?；鶢柣舴蚨杀憩F(xiàn)了實際物體的輻射出射度Mi與同一溫度和同一波長區(qū)間的絕對黑體輻射出射度的關(guān)系，αi是此條件下的吸收系數(shù)（0＜α1）。有時也稱為比輻射率或發(fā)射率，記作ε，表示實際物體輻射與黑體輻射之比。

M＝εM0

（2.8）以石英的輻射為例，對不同的波長測出對應(yīng)于該波長的光譜輻射出射度Mλ。這時石英溫度假定為250K。分別做出250K時絕對黑體的輻射曲線和石英的輻射曲線（圖2.9）從圖可以看出，石英的輻射顯然比黑體輻射弱，而且隨波長不同而不同，也就是說比輻射率（或吸收系數(shù)）與波長有關(guān)。虛線各點的縱坐標(biāo)是石英對應(yīng)于每一波長的光譜輻射出射度，曲線下面積是整個電磁波譜的總輻射出射度。自然界的物體與絕對黑體作輻射比較，都有與石英晶體或水體類似的性質(zhì)，只不過吸收系數(shù)αλ不同而已（表2.3）。由基爾霍夫定律可以知道，絕對黑體不僅具有最大的吸收率，也具有最大的發(fā)射率，卻絲毫不存在反射。對于實際物體都可以看作輻射源，如果物體的吸收本領(lǐng)越大，即αλ越接近1，它的發(fā)射本領(lǐng)就越大，即越接近黑體輻射。這也是為什么αλ又可叫做發(fā)射率ε的原因。例如黑色煙煤在常溫下是黑色，說明它發(fā)射很弱，反射極少。一旦燃燒，溫度升高，可以達到很強的發(fā)射，因而十分明亮，性質(zhì)也越接近黑體。在同一溫度下，對各個波長的電磁波其吸收率小于100％，但接近一個常數(shù)的物體稱為灰體。如果物體對各個波段電磁波選擇性吸收，即吸收率隨著入射電磁波波長而變化稱為選擇性輻射體。

§2·2太陽輻射和地球輻射一太陽輻射（一）太陽和太陽常數(shù)

1太陽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。地球上的能源主要來自太陽。地球繞太陽運動的軌道是一個橢圓。一般認為日地平均距離（日地系統(tǒng)的橢圓軌道半長徑）等于1個天文單位(=149597870×103米)。電磁輻射傳播的時間為499.004782秒。因為太陽距離地球很遠，由太陽中心看地球赤道的視半徑僅為8”.79，所以通常情況下，太陽照射到地面的光線都被看作平行光。太陽是一個熾熱氣體球，其結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)，最外層便是太陽大氣，這一層是太陽最外部可見層次，從內(nèi)到外又分為光球，色球和日冕三個不同的層：光球厚約300km，不透明，光球?qū)游樟颂杻?nèi)部的全部輻射（吸收率α＝1）而自身又發(fā)出近似黑體的輻射，光球?qū)拥臏囟茸韵露蠌?500K至4300K。但遙感研究不需要對太陽分層考慮，因而通常認為光球發(fā)射幾乎是全部太陽輻射，太陽的光譜通常就是光球產(chǎn)生的光譜，由太陽輻射出射度計算出的太陽溫度也被認為是光球?qū)拥臏囟取?.太陽常數(shù)地學(xué)中經(jīng)常用到一個與太陽輻射能量有關(guān)的物理量是太陽常數(shù)，它定義為不受大氣影響，在距離太陽一個天文單位的區(qū)域內(nèi)，垂直于太陽輻射方向上單位面積單位時間黑體所接收到的太陽輻射能量。通常表示為：

I☉＝1.95卡／厘米2·分鐘＝1.360×103W／m2可以認為太陽常數(shù)是在大氣頂端接受的太陽能量。長期觀測表明，太陽常數(shù)的變化不會超過1％，由太陽常數(shù)的測量和已知的日地距離很容易計算太陽的總輻射通量E＝3.826×1026W。反過來，由太陽的總輻射通量和太陽線半徑①又可以計算太陽的輻射出射度M。太陽常數(shù)對研究太陽輻射十分重要，對遙感探測和進一步應(yīng)用于氣象、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域也很重要。

(二)太陽光譜

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，如圖所示，圖中清楚地描繪了黑體在6000K時的輻射曲線，在大氣層外接收到的太陽輻照度曲線及太陽輻射穿過大氣層后在海平面處接收到的太陽輻照度曲線。從大氣層外太陽輻照度曲線可以看出，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。太陽輻射能量各個波段所占比例如表2.3。這個比例僅表示通常情況。從表中可以看出，近紫外、可見光、近紅外和中紅外部分大約占太陽總輻射的84.62％，所以我們對太陽的認識就是從光和熱開始的。太陽輻射從近紫外到中紅外這一波段區(qū)間能量最集中而且相對來說最穩(wěn)定，太陽強度變化最小。在其它波段如：X射線、γ射線、遠紫外及微波波段，盡管它們的能量加起來不到1％，可是卻變化很大，一旦太陽活動劇烈，如：黑子和耀斑爆發(fā)，它們的強度也會有劇烈增長，最大時能量可差上千倍甚至還多。它們會影響地球磁場，中斷或干攏無線電通訊，也會影響宇航員或飛行員的飛行。但是就遙感而言，被動遙感主要利用可見光、紅外等穩(wěn)定輻射，而主動遙感則利用微波，使太陽活動對遙感的影響減至最小。

圖中海平面處的太陽輻照度曲線與大氣層外的曲線有很大不同。其差異主要是地球大氣引起。由于大氣中的水、氧、臭氧、二氧化碳等分子對太陽輻射的吸收作用，加之大氣的散射使太陽輻射產(chǎn)生很大衰減，衰減最大的區(qū)間便是大氣分子吸收的最強的區(qū)間。圖2.12中所示的輻照度是太陽垂直投射到被測平面上的測量值。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與地平面夾角，即太陽高度角有關(guān)。如圖2.13，表示太陽光線射入地平面的一個剖面，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，輻射通量Ф不變，則AB間面積為S，BC間面積為S·Sinh（寬度相同）。

Ф＝I’·S＝I·S·Sinh

（2．6）

I’＝I·Sinh由于太陽的高度角在一年內(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。以后在做遙感定量計算，如果精度需要，必須考慮到這一點。二地球的輻射除了太陽以外，遙感探測中被動遙感的輻射源還來自地球，這里將討論地球作為輻射源的輻射特性。地球作為太陽輻射的接收者的其它特性，將在后面討論。（一）太陽電磁輻射與地球表面的相互作用