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chapter 2 遥感物理基础

2.1 电磁波谱与电磁辐射

一、电磁波的产生

电磁波式横波，性质与广播相同，在真空光速

三、电磁波谱

空间分辨率：遥感图像能区分的最小单元尺寸。

可见光：3.5m空间分辨率 多光谱，蓝、绿、红、近红外，6m空间分辨率

同步轨道：固定在某个方向上，随地球旋转，周期24小时

静止轨道：相对于地球是静止的。

探测火箭用什么波段？

火箭尾焰上千度，3-5短

四、电磁辐射

对流、传导、辐射

  1. 辐射源：任何物体都是辐射源

  2. 电磁辐射的 度量

    1. 辐射能量（焦耳）：电磁辐射携带的能量。
    2. 辐射通量（瓦特）：单位时间通过某一面积的辐射能量。
    3. 通量密度（瓦特/平方米）：单位时间内通过单位面积的辐射能量。
      • 辐照度I：针对被照射物体而言
      • 辐射出射度M：针对辐射源
    4. 辐射亮度L（瓦特/球面度/平方米）：辐射源在某一方向，单位投影面积，单位立体角内的辐射通量。$L=\frac{d^2\Phi}{d\Omega dA \cos{\theta}}$ , $\Omega=\frac{dS}{r^2}$
      • 朗伯源：电磁辐射亮度大小与方向无关，即表面发射反射各向同性，这类辐射源成为朗伯源。
      • 太阳通常近似地被称为朗伯源，以简化对太阳辐射的研究。
      • 严格来说只有绝对黑体才是朗伯源。

2.2 物体的发射辐射

一、热辐射

特点：

二、黑体辐射

可以吸收任何入射的电磁辐射，既没有反射，也没有投射的理想物理体，也叫完全辐射体。

自然界不存在绝对黑体。黑色的烟煤接近黑体。恒星和太阳是接近黑体辐射的辐射源。

黑体辐射定律 黑体的辐射量与波长和温度有关。

普朗克定律

描述黑体辐射出射度与温度和波长分布的关系。

辐射出射度：辐射通量密度，辐射源在单位面积的发出的辐射通量。

\[M_{\lambda}(\lambda,T)=\frac{2\pi hc^2}{\lambda^5}\cdot\frac{1}{e^{hc/\lambda kT}-1}\\ \begin{aligned} &M_{\lambda}=黑体光谱辐射出射度\\ &\lambda=波长（um）\\ &k=玻尔兹曼常数（1.38\times10^{-23}J/K）\\ &h=普朗克常数（6.63\times10^{-34}Js）\\ &T=温度（K）\\ &c=光速（3.0\times10^9m/s）\\ \end{aligned}\]

性质

斯蒂芬-波尔茨曼定律

对普朗克定律在全波段积分
\(\begin{aligned} M&=\int_{0}^{\infty}{\frac{2\pi hc^2}{\lambda^5}\cdot\frac{1}{e^{hc/\lambda kT}-1}d\lambda}\\ &=\frac{2\pi^5k^4}{15c^2h^3}T^4\\ &=\sigma T^4\\ \sigma&=\frac{2\pi^5k^4}{15c^2h^3}=5.6697\times10^{-12}(W/cm^2\cdot K^4) \end{aligned}\)

在全波段范围内，某黑体的总辐射出射度与黑体的温度的四次方成正比。

每条黑体辐射曲线下面所围起来的面积的积分值，就是该温度是的总辐射出射度。

温度微小变化，就会引起辐射出射度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。

维恩位移定律

随着黑体温度升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动。$\lambda_{max}=b/T$

黑体温度与峰值波长的对应关系 太阳：6000k(0.48um) 地表：300k(9.66)(8-14um)

玻尔兹曼定律的差异：$20^4$倍

T(K) 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
$\lambda_{max}(\mu m$ 9.66 5.80 2.90 1.45 0.97 0.72 0.58 0.48 0.41

针对探测目标，选择最佳的遥感波段和传感器

三、一般物体发射辐射

相同条件下，实际地物的发射的辐射量比绝对黑体低。（吸收、反射、透射）

（一）、地物波谱发射率

\(\varepsilon_{\lambda}=\frac{M_\lambda}{M_{b\lambda}}\\ \begin{aligned} &{M_\lambda}：地物某波长的辐射出射度\\ &{M_{b\lambda}}：黑体同温度同波长的辐射出射度\\ \end{aligned}\) 影响因素：地物的性质、表面状况、温度和波长

（二）、地物发射率

\(\varepsilon=\frac{M(T)}{M_b(T)}\\ \begin{aligned} &{M_\lambda}：地物辐射出射度\\ &{M_{b\lambda}}：黑体同温度的辐射出射度\\ \end{aligned}\) 等于相应曲线下的面积之比

反应地物与黑体的接近程度

典型地物的发射率(T=300k,room temperature) | Material | | $\varepsilon$ | | ——– | —————– | ————- | | 铝箔 | Aluminum foil | 0.02 | | 磨光的铜 | Copper, polished | 0.03 | | 氧化铜 | Copper, oxidized | 0.5 | | 碳 | Carbon | 0.8 | | 白油漆 | White paint, flat | 0.87 | | 红砖 | Red brick | 0.9 | | 混凝土 | Concrete | 0.94 | | 黑油漆 | Black paint, flat | 0.94 | | 煤烟 | Soot | 0.95 |

发射波谱曲线：温度一定时，物体的发射率随波长变化，表示这种变化的曲线。是识别地物的重要方法之一。

地物：植被、水、裸土、森林、海洋

地物分类类型 光谱发射率$\varepsilon_\lambda$
绝对黑体 $\varepsilon_\lambda=\varepsilon=1$
灰体 $\varepsilon_\lambda=\varepsilon且0<\varepsilon<1$
选择性辐射体 $\varepsilon_\lambda=f(\lambda)$
绝对白体 $\varepsilon_\lambda=\varepsilon=0$

地物发射率与吸收率之间的关系？能量转换

证明：地物的发射率=吸收率

基尔霍夫定律：相同温度下， 不同物体对相同波长的辐射出射度M与吸收率α之比值都是一个常数，并等于该温度下黑体对同一波长的辐射出射度Mb。

基尔霍夫定律 $M=\alpha M_b=\alpha\sigma T^4$

地物发射律 $M=\varepsilon M_b=\varepsilon\sigma T^4$

好的吸收体也是好的发射体！如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。

四、太阳辐射

（一）、太阳辐射能量分布特点

太阳辐射能各谱段的百分比 | 波长λ | 波段 | 百分比% | | ——————- | ——————– | ——- | | <1nm，1~200nm | X射线，γ射线，远紫外 | 0.02 | | 0.20~0.31um | 中紫外 | 1.95 | | 0.31~0.38um | 近紫外 | 5.32 | | 0.38~0.76um | 可见 | 43.50 | | 0.76~1.5um | 近红外 | 36.80 | | 1.5~5.6um | 中红外 | 12.00 | | 5.6~1000um，>1000um | 远红外 | 0.41 |

（二）、太阳常数

太阳常数是不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，单位面积单位时间接收到太阳辐射能量： \(I_0=1.36\times10^3W/m^2\)

一个天文单位：地球到太阳之间的平均距离。

太阳波谱辐照度曲线 Solar Irradiance Curve

太阳波谱辐照度曲线 Solar Irradiance Curve

地球辐射的分段特性 | 波段名称 | 可见光与近红外 | 中红外 | 远红外 | | ——– | ————————————————— | —————————- | ———————- | | 波长 | 0.35-2.5um | 2.5-6um | >6um | | 辐射特性 | 地表反射太阳辐射为主，地表物体自身的热辐射几乎等于0 | 地表反射太阳辐射和自身热辐射 | 地表物体自身热辐射为主 |

2.3 地物的反射辐射

一、电磁波传输过程

到达地面的太阳辐射能量=反射能量(Reflected)+吸收能量(Absorbed)+透射能量(Transmitted)

反射能量：可见光、近红外遥感

吸收能量：热红外遥感

透射能量：微波遥感

在可见光与近红外波段，地表物体自身的热辐射几乎等于零，地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。当然，太阳辐射到达地面后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的吸收能力较强。最后，电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透过的部分。（基尔霍夫定律）

地物的（反射）光谱特性：不同地物对电磁波相应特征不同。是遥感识别地物的基础。

地物的反射类型：镜面反射、漫反射、方向反射（实际物体反射）

镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射。物体的反射满足反射定律，入射波和反射波在同一平面内，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波。

漫反射：发生在非常粗糙的表面上的反射现象。不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一致的。即当入射辐照度一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐照亮度是一个常数。这种反射面又叫朗伯源。（航天遥感中，地球表面相对于传感器的高度，可近似视为朗伯面。）

方向反射：介于镜面和漫反射之间的一种反射。自然界中绝大多数地物的反射都属于这类反射，又叫做非朗伯面反射。对太阳的反射由各向异性。即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。

了解物体表面性质对反射影响的意义

二、地物反射波谱

反射率：地物反射能量与入射总能量的比。表征物体对电磁波的反射能力。

\[\rho=\frac{地物发射通量}{地物入射通量}\]

地物反射波谱：可见光和近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。

波谱反射率：地物在某波段的反射能量与入射总能量的比。

\[\rho_\lambda=\frac{地物某波段的反射通量}{地物同波段的入射通量}\]

地物反射波谱：可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。

表示形式：反射波谱曲线。横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。某一地物的波谱曲线反映出不同波段的反射率，将此与遥感传感器的对应波段接收的辐射数据相对照，可以得到遥感数据与对应地物的识别规律。

特点一：某一地物在不同波段的反射率不同。 特点二：不同地物在不同波段的反射率不同。 特点三：同种地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。

地物存在同物异谱和异物同谱的现象。同物异谱是指同类地物，在某个波段上波谱特征不同（周围环境、病虫害或放射性物质等）；异物同谱是指不同类型的地物具有相同的波谱特征。这给遥感解译判读带来困难。

地物反射波谱的影响因素：

三、典型地物反射波谱特性（🔺）

典型地物（土壤、植被、水面）的波谱反射特性曲线

（一）、绿色植物

植被的波谱反射特性曲线 可见光波段

近红外波段

主要影响因素：

（二）、水体

纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，在可见光其他波段的反射率很低。近红外和中红外纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于0。

通过不同波段特征辨别地物类型

水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，吸收就更强，所以水体在遥感影像上常呈黑色。但当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。

主要影响因素：

（三）、土壤

土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4um，1.9um，2.7um处附近区间），反射率的下降尤为明显。

主要影响因素：

四、地物反射波谱测量

2.4 大气对电磁波传输的影响

一、大气成分

干洁空气、水汽、悬浮尘粒等

氮气 氧气 稀有气体 二氧化碳 水蒸气等其他杂质

碳达峰：碳排放不再增长

碳中和：碳排放=碳吸收

二、大气结构

对流层：平均12km，吸收、散射引起电磁衰减。

平流层：（12-55km）气流水平运动，大气平稳。

中间层：（55-80km）温度随高度升高迅速降低，存在强烈对流，又称为高空对流层。

热层（电离层）：（80-800）空气稀薄，气温很高，ui高度升高。

外层（逃逸层）：（>800km）电离层顶以上的大气，空气极其稀薄，气体分子可逃逸。

三、大气对电磁辐射的影响

吸收（absorption）

散射（scattering）

反射（reflection）

扰动（disturbance）

折射（refraction）

偏振（polarization）：光是横波

地物反射的能量（具有选择性，表现为波普曲线特性不同），如果不经过地物反射，就没有地物携带的信息。

研究大气影响，目的是对观测进行补偿。

（一）、大气对不同波段的影响

可见光波段——分子散射

紫外红外微波区——大气吸收

（二）、大气吸收

太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太阳辐射产生选择性的吸收，即把部分太阳辐射能转换为本身内能，使温度升高。 | 大气成分 | 吸收带 | 备注 | | ———— | :——————————– | ——————————————————————————————– | | 氧气吸收带 | <0.2μm，0.155μm最强 | 含量：21% 吸收带：<0.2μm紫外线、0.5、0.76有窄的弱吸收带 | | 臭氧吸收带 | 0.2～0.36μm，0.6μm | 地球上约90%臭氧集中在10-50km，对航天遥感有影响 | | 水蒸气吸收带 | 0.5～0.9μm, 0.95～2.85μm， 6.25μm | 集中分布在 3km 高度以内。 吸收带：可见光红波段、红外波段对红外遥感影响较大，水汽含量变化较大 | | 二氧化碳 | 1.35～2.85μm, 2.7μm,4.3μm,14.5μm | 红外波段 | | 尘埃 | 吸收量很小 | |

大气的吸收作用：大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带。

（三）、大气散射

大气散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。

散射类型 散射的方式随电磁波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变，主要有：

1)瑞利(Rayleigh)散射

在19世纪90年代英国科学家瑞利（Rayleigh）发现了一种大气散射现象，我们称之为瑞利散射。

他认为完全干净的大气（只有气体成分组成）发生散射，其散射的量随波长的变短而增加，一般与波长的四次方成反比。如蓝光的散射是红光的4倍，紫外光的散射是红光的16倍。当大气中微粒直径相对于波长来说很小时，发生瑞利散射，如尘埃、氮或氧气分子等，它们的直径相对于可见光和近红外波长来说小很多，所以瑞利散射也叫分子散射，是纯净大气所发生的散射。

该散射主要发生在距地面9～10km的大气，当波长大于1μm时，瑞利散射基本上可以忽略不计。因此红外线、微波可以不考虑瑞利散射的影响。

对可见光来说，由于波长较短，瑞利散射影响较大。如晴朗天空呈碧蓝色，就是由于大气中的气体分子把波长较短的蓝光散射到天空中的缘故。

2)米氏(Mie)散射

米氏散射是德国物理学家米Mie于1906年发现的一种大气中较大微粒发生的散射现象，即大气中气溶胶所引起的散射。

大气中气溶胶在我们日常生活中感觉似乎很小，但相对于瑞利散来说大很多倍。米氏散射影响的波长范围包括可见光和近红外，其散射量的大小与微粒的大小、形状和成分有一定的关系，但并不同于瑞利散射。

米氏散射主要发生在近地面0～5km的大气中，因为该高度的大气中富含直径较大的微粒。此外由于大气中云、雾、水滴等悬浮微粒的大小与0.76～15μm的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。

3)非选择(Non-selective)散射

当微粒的直径比辐射的波长大很多时所发生的散射称为无选择性散射。该散射与波长无关，即任何波长散射强度相同。如大气中水滴、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐射，常常出现这种散射。

云、雾之所以看起来是白色，是因为散射对可见光的各波长的散射均是相同的。

这种散射将使传感器接收的辐射严重地衰减。

瑞利散射（Rayleigh）

米氏散射（Mie）

非选择散射（Non-selective）

反射与散射的区别：

（四）、大气折射

两小儿辩日：日初出大如车盖，及日中则如盘盂，此不为远者小而近者大乎？

看起来早晨的太阳比中午时大些是因为眼睛的错觉。我们看白色图形比看同样大小的黑色图形要大些。这在物理学上叫“光渗作用”。当太阳初升时，四周天空是暗沉沉的，因而太阳显得明亮，而在中午时，四周天空都很明亮，相对之下，太阳与背衬的亮度差没有那样悬殊，这也是使我们看起来太阳在早晨比中午时大些的原因。总之，在早晨和中午太阳离我们的距离是一样的，所以其大小也是相同的。
事实上由于中午的太阳辐射过于强烈，用肉眼直接观察太阳的大小是不现实的。这可能也是造成了在人们的印象中，中午的太阳只是一个明亮的点，而日出日落的太阳是可以观察到的一个圆形。

（五）、大气反射

四、大气窗口

概念：由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的波段叫大气窗口。

大气窗口：很少或没有被大气衰减的电磁波段。

大气窗口 波段 透射率% 应用举例
紫外可见光近红外 0.3～0.4μm 0.4～0.7μm 0.7～1.15μm 70、95、80 TM1-4、SPOT的HRV
近红外 1.3～2.5μm 60~95 TM5、TM7
中红外 3.5～5.0μm 60~70 NOAA的AVHRR
热红外 8～14μm 80 TM6
微波 1.0~1.8mm 1~5mm 10~1000mm 35~40 50~70 100 Radarsat