1、12本章主要内容：本章主要内容： 遥感的物理基础，包括电磁波谱、黑体的概念，太阳辐射和地球辐射的特征，大气对电磁辐射的影响及地物反射波谱特征与测量等。 32.1.1 电磁波谱电磁波谱1、波、波 振动的传播称为波。振动的传播称为波。波波机械波机械波电磁波电磁波 如光波、热辐射、微波、无线电波等如光波、热辐射、微波、无线电波等波动形式波动形式纵波纵波 如声波如声波横波横波 如电磁波如电磁波452、 电磁波电磁波电磁波电磁波：是指在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐
2、射。18871887年由赫兹试验证实年由赫兹试验证实6电磁波的电磁波的特性特性 电磁波是电磁波是横波，横波，其性质与光波相其性质与光波相同，在真空中同，在真空中以光速以光速（3108m/s）传播；传播； 在空间在空间向各个方向向各个方向传播；传播； 遇到介质会发生遇到介质会发生反射、折射、吸反射、折射、吸收、透射、发射和散射收、透射、发射和散射等现象；等现象； 电磁波的叠加原理：电磁波的叠加原理：两列两列 以上的波在同一空间传播时，以上的波在同一空间传播时， 空间质点的振动表现为各单空间质点的振动表现为各单 列波质点振动的矢量合成。列波质点振动的矢量合成。 E: E: 电场、电场、H: H:
3、磁场、磁场、: : 波长、波长、h: h: 振幅振幅 电磁振源电磁振源传播方向传播方向电磁波传播电磁波的电磁波的特性特性 电磁波具有波粒二象性电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为电磁波在传播过程中，主要表现为波动性波动性；在与物质相互作用时，主要表现为；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性粒子性。波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。)sin(kxtA一般传感器仅记录振幅信息/hPfhE；动量能量h为普朗克常数波动性粒子性v
4、波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待，用波长、频率、振幅等来波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待，用波长、频率、振幅等来描述。描述。v粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子-光子，其能量大小用频率来光子，其能量大小用频率来描述。描述。7电磁波的电磁波的特性特性v光光是电磁波的一个特例是电磁波的一个特例光的波动性光的波动性 - 表现在光的干涉、衍射、偏振表现在光的干涉、衍射、偏振和色散等现象中；和色散等现象中；光的粒子性光的粒子性 - 表现在光电效应、黑体辐射等表现在光电效应、黑体辐射等现象中。现象中。8电磁波的电磁波的特性特性电磁波电磁
5、波4要素：要素：频率（或波长）、传播方向、振幅及偏振面。频率（或波长）、传播方向、振幅及偏振面。 振幅振幅表示电场振动的强度，振幅的平方与电磁波具有的表示电场振动的强度，振幅的平方与电磁波具有的能量大小成正比，从目标物体中辐射的电磁波的能量叫能量大小成正比，从目标物体中辐射的电磁波的能量叫辐射能。辐射能。对应着遥感影像中的亮度或色调深浅。对应着遥感影像中的亮度或色调深浅。 传播方向传播方向在遥感系统中很重要，主要关系到辐射源、地在遥感系统中很重要，主要关系到辐射源、地物和遥感平台三者间的位置关系。物和遥感平台三者间的位置关系。 偏振偏振是指电磁波的电场振动的方向，是指电磁波的电场振动的方向，电
6、场方向的平面叫电场方向的平面叫偏振面，偏振面的方向一定的情况叫直线偏振。偏振面，偏振面的方向一定的情况叫直线偏振。对于可对于可见光和红外遥感，尚没有开发利用这个性质。在微波遥见光和红外遥感，尚没有开发利用这个性质。在微波遥感感(雷达遥感雷达遥感)中，偏振被称为极化。不同的极化方向将中，偏振被称为极化。不同的极化方向将得到不同的遥感影像，极化是得到不同的遥感影像，极化是微波遥感微波遥感一个重要参数。一个重要参数。9电磁波的电磁波的特性特性1011电磁波的偏振（极化）电磁波的偏振（极化）电磁破的偏振电磁破的偏振: :如果电磁波在各方向上振幅大小不相同如果电磁波在各方向上振幅大小不相同, ,且各方向
7、振动之间且各方向振动之间没有固定位相关系没有固定位相关系, ,极大值与极小值之间的夹角为极大值与极小值之间的夹角为9090，则称该波发生了偏，则称该波发生了偏振现象。偏振摄影、侧视雷达成像接收的完全是偏振波。立体镜遥感影像振现象。偏振摄影、侧视雷达成像接收的完全是偏振波。立体镜遥感影像立体观察立体观察非偏振光，偏振光，部分偏振：非偏振光，偏振光，部分偏振：12电磁波的电磁波的特性特性电磁波遇到介质（气体、液体、固体），发生一系列现象：电磁波遇到介质（气体、液体、固体），发生一系列现象： 反射：反射： 镜面反射：入射角等于反射角。镜面反射：入射角等于反射角。 漫反射：反射向四面八方。漫反射：反射
8、向四面八方。 折射：折射：射入介质，折射角一般不等于入射角。射入介质，折射角一般不等于入射角。 吸收：吸收：部分被介质吸收。部分被介质吸收。 透射：透射：从入射延伸方向射出介质。从入射延伸方向射出介质。 发射：发射：自身向外辐射能量。自身向外辐射能量。 散射：散射：辐射传播中，遇到小粒子，向四面八方散去，电辐射传播中，遇到小粒子，向四面八方散去，电磁波强度和方向发生各种变化，即散射。强度随波长改磁波强度和方向发生各种变化，即散射。强度随波长改变。变。13电磁波的电磁波的特性特性电磁波与物体电磁波与物体间相互作用间相互作用反射、吸收和透射的能量和等于入射的总能量。反射、吸收和透射的能量和等于入射
9、的总能量。反射率反射率 = =（反射能量入射总能量）（反射能量入射总能量）* *100%100%吸收率吸收率 = =（吸收能量入射总能量）（吸收能量入射总能量）* *100%100%透射率透射率 = =（透射反射能量入射总能量）（透射反射能量入射总能量）* *100%100%14反射分类图示(a) 镜面反射(b) 漫反射（朗伯反射）(c) 方向反射(d) 混合反射153、 电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱：按照电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减排列形成的一个连续谱带称为电磁波谱。 因研究与应用需要，依电磁波因研究与应用需要，依电磁波的物理性质以及观测手段的不的物理性质以及观测手段的不同，
10、按不等波长间距对电磁波同，按不等波长间距对电磁波谱带划分，形成若干波段，如谱带划分，形成若干波段，如长波段、短波段、微波段、红长波段、短波段、微波段、红外波段、可见光波段、紫外线外波段、可见光波段、紫外线波段、波段、X X射线波段、射线波段、射线波段射线波段等。等。 不同的应用领域，波段的划分不同的应用领域，波段的划分会略有差异。会略有差异。16 不同波长电磁波，其物理性质不同，决定了其应用领域的不同，如医疗、军事、对地观测、无线通讯等。17 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。18遥感导论遥感导论课教书提供的电磁波段是从波长短的一侧开始划分，课教书提供的电磁波段是从波长短的一侧开始划分
11、，依次为：依次为： 射线射线XX射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线无线电波无线电波19Gamma? 射线X 射线紫外线可见光可见光红外线微 波无线波紫蓝绿黄红频率波长20 波长单位及其换算1 nm = 10-3m = 10-7 cm = 10-9 m1 m = 10-3mm 1 = 10-10 m其他单位： 波数n 的单位常用cm-1 , 表示在1 cm 距离中有几个波动。 频率 f 的单位则用赫兹Hz，表示一秒钟中有几次振动。 21可见光可见光可见光谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间： 红：620760nm 橙：590620nm 黄：560590nm 绿：500560nm 青
12、：470500nm 蓝：430470nm 紫：380430nm 22红外波段波长范围0.761000m，遥感所用波段如下：近红外又称为反射红外，为地球表面反射的太阳辐射中主要的红外成分。 0.71.4m为摄影红外。中红外和远红外也称为热红外。 近红外： 0.73 m中红外： 38 m 远红外： 815 m23微波微波 波长范围1mm到1m，可进一步划分为若干不同频率(波长)的波段：(1GHz=109Hz)微波能够穿透云和雾，可用于全天候成像。微波能够穿透云和雾，可用于全天候成像。24遥感常用的电磁波波段的特性遥感常用的电磁波波段的特性紫外线（紫外线（UVUV）：0.01-0.38m0.01-0
13、.38m，太阳光谱中，只有，太阳光谱中，只有0.30.30.38m0.38m波长的光到达地面，对油污染敏感，但波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在探测高度在2000 m2000 m以下。以下。可见光（可见光（VISVIS）：）：0.38-0.76m0.38-0.76m，鉴别物质特征的主，鉴别物质特征的主要波段；人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感最常用要波段；人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感最常用的波段。的波段。红外线红外线(IR) (IR) ：0.76-1000m0.76-1000m。近红外。近红外0.76-3.0m0.76-3.0m；中红外中红外3.0-6.0m3.0-6.0m；远红外
14、；远红外6.0-15.0m6.0-15.0m；超远红外；超远红外15-1000m15-1000m。微波微波：1mm-1m1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。有穿透能力；发展潜力大。25根据波段划分遥感的种类根据波段划分遥感的种类根据所利用的电磁波的光谱段，遥感可以分为可见根据所利用的电磁波的光谱段，遥感可以分为可见光光反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感3 3种类型。种类型。在可见光在可见光反射红外遥感中，所观测的电磁波的辐射反射红外遥感中，所观测的电磁波的辐射源是太阳。太阳辐射的电磁波的最高值
15、在源是太阳。太阳辐射的电磁波的最高值在0.5m0.5m左右。左右。在热红外遥感中，所观测的电磁波的辐射源是目标物。在热红外遥感中，所观测的电磁波的辐射源是目标物。常温的地表物体辐射的电磁波的最高值在常温的地表物体辐射的电磁波的最高值在10m10m左右。左右。在被动微波遥感中，是观测目标物的微波辐射，在主在被动微波遥感中，是观测目标物的微波辐射，在主动微波遥感中，是观测目标对雷达发射的微波信号的动微波遥感中，是观测目标对雷达发射的微波信号的散射强度即后向散射系数。散射强度即后向散射系数。2627各种电磁波的特点282.1.2 电磁辐射的度量电磁辐射的度量1 1、辐射源、辐射源能够向外辐射电磁波的
16、物体。任何物体都能够吸收其他物能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。电磁波传递是电磁能量的传递，遥感探测的是辐射能量。电磁波传递是电磁能量的传递，遥感探测的是辐射能量。人工辐射源人工辐射源辐辐射射源源自然辐射源自然辐射源地球、地物热辐射地球、地物热辐射热热红外遥感的辐射源。红外遥感的辐射源。太阳辐射太阳辐射可见光及近红外遥感的重要辐射源。可见光及近红外遥感的重要辐射源。微波辐射源微波辐射源 （微波雷达）（微波雷达）激光辐射源激光辐射源 （激光雷达）（激光雷达）29 自然辐射源自然辐射源太阳辐射：太阳辐射：是可见
17、光和近红外的主要辐射源；是可见光和近红外的主要辐射源；常常用温度为用温度为5900K5900K的黑体辐射来模拟的黑体辐射来模拟；其辐射波长范；其辐射波长范围极大；辐射能量集中于短波辐射。围极大；辐射能量集中于短波辐射。地球的电磁辐射：地球的电磁辐射：小于小于3m3m的波长主要是太阳的波长主要是太阳辐射的能量；辐射的能量；大于大于6m6m的波长，主要是地物本身的波长，主要是地物本身的热辐射；的热辐射；3-6m3-6m之间，太阳和地球的热辐射都之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。要考虑。30电磁辐射的度量电磁辐射的度量 辐射能量（辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位）：电磁辐射的能量，单位：J 辐射
18、通量（辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，=dw/dt，单位是，单位是w 辐射通量密度（辐射通量密度（E）：单位时间通过单位面积上的辐射能量，）：单位时间通过单位面积上的辐射能量，E=d/ds，单，单位：位：w/m2，S为面积为面积 辐照度（辐照度（I）：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量，）：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量，I=E=d/ds，单位，单位：w/m2，S为面积为面积 辐射出射度（辐射出射度（M ）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=E=d /ds，单位：，单位：w/m2，S为面积为
19、面积 辐射亮度（辐射亮度（L）：面状辐射源在某一方向，单位）：面状辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内辐射通量，即投影表面，单位立体角内辐射通量，即单位：单位：w/srm2)cos(ALA31 辐射出射度辐射出射度M：辐射源物体表面单位面：辐射源物体表面单位面积上积上辐射出辐射出的辐射通量，单位的辐射通量，单位W/m2，表示为表示为M=d /dS dS d 电磁辐射的度量电磁辐射的度量32 辐照度辐照度I：被辐射物体单位面积上所接：被辐射物体单位面积上所接收的辐射通量，单位：收的辐射通量，单位：W/m2，表示为，表示为 I=d /dS dS d 电磁辐射的度量电磁辐射的度量33辐射亮度
20、辐射亮度L：用来确定面辐射源的辐射强度，具有方向性，：用来确定面辐射源的辐射强度，具有方向性，指辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐指辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量，单位：射通量，单位：W/（srm2），表示为：），表示为：cosAL电磁辐射的度量电磁辐射的度量注：辐射源为面状注：辐射源为面状,面积为面积为A, 且在不同且在不同方向方向 上辐射强度不同。上辐射强度不同。其中其中 为立体角，为立体角， = =S S/ /R R2 2； S S是球面上面元的面积；是球面上面元的面积；R R是球半径。是球半径。 无量纲。整个球面的立体角为无量纲。整个球面的立体角为
21、4 4 。 34电磁辐射的度量电磁辐射的度量朗伯源朗伯源：如果一个辐射源的辐射亮度如果一个辐射源的辐射亮度L L与观测角与观测角 无关无关, ,则该辐射源称为则该辐射源称为朗伯源朗伯源。 一些粗糙表面可近似看成朗伯源；一些粗糙表面可近似看成朗伯源； 涂有氧化镁等物质的表面也可近似看作朗伯源，常被用涂有氧化镁等物质的表面也可近似看作朗伯源，常被用作遥感光谱测量时的标准板；作遥感光谱测量时的标准板； 通常将太阳近似看作朗伯源。严格地说，只有绝对黑体通常将太阳近似看作朗伯源。严格地说，只有绝对黑体是朗伯源。是朗伯源。对于朗伯面：对于朗伯面： 202020sincoscosLddLdLE35362.1
22、.3 黑体辐射黑体辐射1、绝对黑体、绝对黑体 对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。 对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于0 0。当电。当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射和吸收现象时，物体的光谱吸收系数和反射磁波的反射和吸收现象时，物体的光谱吸收系数和反射系数之和恒等于系数之和恒等于1 1。实际物体的温度不同或入射电磁波。实际物体的温度不同或入射电磁波的波长不同，都会导致不同的吸收和反射。的波长不同，都会导致不同的吸收和反射。 黑体吸收系数黑体吸
23、收系数（，T T）=100%=100% 黑体反射系数黑体反射系数（，T T）=0%=0%37黑体是一种理想的吸收体和辐射发射体理想的吸收体和辐射发射体，自然界没有真正的黑体。 人工制造的接近黑体的吸收体人工制造的接近黑体的吸收体黑体的辐射通量密度按波长的分布是稳定的，仅与温度有关，与黑体的材料和性质无关。吸收率吸收率1反射率反射率0透射率透射率0发射率发射率1黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体。黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体。n)1005(经过内壁n次反射后，能量剩余38黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的热辐射称为黑体辐射。黑体辐射定律对了解吸收和发射过程而言是
24、基础。支配黑体辐射的四个基本定律： 2、黑体辐射规律黑体辐射规律普朗克（普朗克（PlanckPlanck）定律）定律(1901)(1901)斯蒂芬斯蒂芬- -玻尔兹曼（玻尔兹曼（Stefan-Stefan-BoltamannBoltamann）定律）定律(1884)(1884)维恩（维恩（WienWien）位移定律）位移定律(1893)(1893)基尔霍夫（基尔霍夫（KirchhoffKirchhoff）定律）定律(1859)(1859)39描述描述黑体辐射通量密度黑体辐射通量密度与与温度、波长温度、波长分布的关系。分布的关系。（1）普朗克定律）普朗克定律) 1(2),(5kThc2echTM
25、h: 普朗克常数, 6.6260755*10-34 Jsk: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 J/K c: 光速; : 波长（m）; T: 绝对温度（K） 1918年：Nobel Prize40变化特点：变化特点：(1) 辐射出射度随波长辐射出射度随波长连续变化，只有一个连续变化，只有一个最大值；最大值；(2) 温度越高，辐射出温度越高，辐射出射度越大，不同温度射度越大，不同温度的曲线不相交；的曲线不相交；(3) 随温度升高，辐射随温度升高，辐射最大值向短波方向移最大值向短波方向移动。动。41（2）斯蒂芬玻尔兹曼定律）斯蒂芬玻尔兹曼定律对普朗克公式在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔
26、兹曼对普朗克公式在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方次方成正比。成正比。: 斯蒂芬玻尔兹曼常数，斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6691012 Wcm-2K-4 红外装置测试温度的理论根据。红外装置测试温度的理论根据。4/0520112)(TMdehcMdMMkThc 1904：Nobel Prize （Stefan）42（3）维恩位移定律）维恩位移定律bT maxb : 常数，2897.8 m K高温高温物体发射物体发射较短较短的电磁波，的电磁波，低温低温物体发射物体发射较长较长的电磁波。的电磁波。常
27、温常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66m ）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。微分普朗克公式，并求极值，得到：微分普朗克公式，并求极值，得到：1911：Nobel Prize43（3）维恩位移定律）维恩位移定律绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系 可根据维恩位移定律计算不同温度绝对黑体的最大辐射所可根据维恩位移定律计算不同温度绝对黑体的最大辐射所对应的波长长度。对应的波长长度。 自然界一般物体不是黑体自然界一般物体不是黑体, ,但在某一确定温度但在某一确定温度T T时时, ,物体
28、最强物体最强辐射所对应的波长也可以用维恩位移公式进行近似计算。辐射所对应的波长也可以用维恩位移公式进行近似计算。max)(KT地球温度地球温度太阳温度太阳温度44课堂作业课堂作业：假设太阳等效黑体温度为6000K,地球等效黑体温度为300K,日地平均距离为1.496*108 km ,太阳半径6.69*105 km ，地球半径为6300 km，不考虑大气的影响，试求到达地表的太阳辐射与地球自身辐射通量密度相等处所对应的波长。45 3、实际物体的辐射实际物体的辐射（1 1）基尔霍夫基尔霍夫辐射辐射定律定律(Kirchhoff)(Kirchhoff) 物体所辐射的能量与吸收的能量之间存在关系：物体所
29、辐射的能量与吸收的能量之间存在关系： 基尔霍夫证明了基尔霍夫证明了辐照度与物体本身物性无关辐照度与物体本身物性无关, ,只与波长和温度有关。只与波长和温度有关。 同环境下的不同物体有同环境下的不同物体有:I:I1 1=I=I2 2=I=I3 3= =I=I。 对于黑体，对于黑体，=1,I=1,I0 0=M=M0 0=I=I 有：有： 1 11 1= =2 22 2 = = M= M0 0=I=I黑体具有最大的黑体具有最大的吸收率吸收率，也具有最大的，也具有最大的发射率发射率。 46对于一般物体而言，对于一般物体而言，发射率发射率（热辐射率、（热辐射率、比辐射率比辐射率），表明物体的发射本领。）
30、，表明物体的发射本领。),(),(),(TMTMTb非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值比值。1）黑体2）灰体3）选择性辐射体 (如线谱，带谱)1.0发射率与发射率与物质种类、表面状态、温度物质种类、表面状态、温度等有关，还与等有关，还与波长波长有关。按照有关。按照发射率与波长发射率与波长的关系，辐射源可以分为：的关系，辐射源可以分为： 3、实际物体的辐射实际物体的辐射4748 在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并和吸收率之比，对于任何物体都是一
31、个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量。等于该温度下同面积黑体辐射通量。基尔霍夫定律基尔霍夫定律 在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。全波段上实际物体辐射为：全波段上实际物体辐射为：4TM49常温下，常温下， 为为8-14m8-14m自然物体的比辐射率（发射率）自然物体的比辐射率（发射率）50512.2.1 太阳辐射太阳辐射被动遥感最主要的辐射源1 1、太阳常数、太阳常数 是指是指不不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，于太阳光辐射方向上
32、，单位单位面积面积单位单位时间黑体所接收的太时间黑体所接收的太阳辐射能量：阳辐射能量：I = 1.95 cal/cmI = 1.95 cal/cm2 2min = 1.360min = 1.36010103 3 W/m W/m2 2可认为太阳常数是在大气顶端接受的太阳能量。可认为太阳常数是在大气顶端接受的太阳能量。 太阳常数的变化不会超过太阳常数的变化不会超过1 1。 522 2、太阳光谱、太阳光谱太阳的光谱通常指光球产生的光谱。太阳的光谱通常指光球产生的光谱。图图2.11 2.11 太阳辐照度分布曲线太阳辐照度分布曲线太阳辐射的光谱是连太阳辐射的光谱是连续光谱，相当于续光谱，相当于5800
33、5800 K K的黑体辐射；的黑体辐射；太阳辐射的能量主要太阳辐射的能量主要集中在可见光，最大集中在可见光，最大辐射强度位于波长辐射强度位于波长0.47m0.47m左右；左右；经过大气层的太阳辐经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；射有很大的衰减；各波段的衰减是不均各波段的衰减是不均衡的。衡的。53太阳辐射能量分布太阳辐射能量分布 主要集中在可见光波段，约占太阳总光谱能量的主要集中在可见光波段，约占太阳总光谱能量的43.543.5，其次是红外波段。其次是红外波段。遥感常用波段：遥感常用波段：0.31-1.15m0.31-1.15m，占总辐射通量密度的，占总辐射通量密度的85%85%。54太阳辐照度
34、与太阳高度角有关太阳辐照度与太阳高度角有关2sinhDII太阳高度角太阳高度角h+天顶角天顶角=902cosDII552.2.2 大气吸收大气吸收1 1、大气层次与成分、大气层次与成分（1 1）大气层次）大气层次 一般认为大气厚度一般认为大气厚度约为约为1000km,1000km,从地面到从地面到大气上界，可垂直分为大气上界，可垂直分为4 4层：对流层、平流层、层：对流层、平流层、电离层和大气外层。电离层和大气外层。56（2 2）大气成分）大气成分 有分子和微粒组成。有分子和微粒组成。 分子主要是分子主要是N N2 2和和O O2 2，约占，约占99%99%；其余；其余1%1%主要是主要是O
35、O3 3，COCO2 2，H H2 2O O，N N2 2O O，CHCH4 4，NHNH3 3等。等。 其它微粒主要有其它微粒主要有: :烟烟, ,尘埃尘埃, ,雾霾雾霾, ,小水滴小水滴, ,气溶胶。气溶胶。 在在80km80km以下的相对比例保持不变，称以下的相对比例保持不变，称不变成分不变成分: :多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。主要有主要有氮、氮、氧氧、氩、氩、二氧化碳二氧化碳、氦、甲烷、氧、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体）化氮、氢（这些气体）、 含量随高度、温度、位置而变、称为含量随高度、温度、位置而变、称为可变成分可变成分: :
36、臭氧、臭氧、水蒸气水蒸气、液态和固态水（、液态和固态水（雨、雾、雪、雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的）冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的）等等 57大气对辐射的影响大气对辐射的影响 大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。582 2、大气对辐射的吸收作用、大气对辐射的吸收作用大气吸收大气吸收：太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太：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。内能，
37、使温度升高。大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内（ 0.2m 0.2m 的电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。大气上层臭的电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于氧的存在，而臭氧对小于0.3m0.3m的电磁波具有极强的吸收能的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于力，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3m 0.3m 的短波辐射。的短波辐射。真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有其中作用最为显著
38、的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽。大气的吸收作用大气的吸收作用氧气：主要吸收小于氧气：主要吸收小于0.2m0.2m的辐射；的辐射；0.60.6和和0.76m0.76m处也有窄带吸收。高空遥感很少使用紫外波段的原处也有窄带吸收。高空遥感很少使用紫外波段的原因。因。臭氧：数量极少，但吸收很强。臭氧：数量极少，但吸收很强。0.20.20.32m0.32m、0.60.6和和9.6m9.6m处存在强吸收；对航空遥感影响不大。处存在强吸收；对航空遥感影响不大。水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红
39、光部分。带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。因此，水对红外遥感有极大的影响。二氧化碳：吸收作用主要在红外区内二氧化碳：吸收作用主要在红外区内2.82.8，4.34.3， 14.5 um 14.5 um 为强吸收带，量少，可以忽略不计。为强吸收带，量少，可以忽略不计。导致太阳辐射强度衰减，严重影响传感器对电磁辐射的探测。59图图2.14 2.14 大气吸收谱大气吸收谱0.29整层大气的吸收光谱整层大气的吸收光谱11km11km高度以上大气的吸收光谱高度以上大气的吸收光谱整层大气整层大气中不同气体成份的吸收光谱中不同气体成份的吸收光谱太阳和地球的黑体辐射太阳
40、和地球的黑体辐射1460612.2.3 大气散射大气散射 散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各方向散开，称散射。并向各方向散开，称散射。 散射对遥感的影响：使原来传播方向的辐射减弱，使散射散射对遥感的影响：使原来传播方向的辐射减弱，使散射光进入传感器，信号中加入了噪声，降低信号光进入传感器，信号中加入了噪声，降低信号( (图像图像) )质量。质量。 比如说晚上在外面打开手电会看见光柱，按理说手电不对着你的眼睛，光线不会自己拐弯钻进你的眼睛，那你怎么会看见光柱呢？那是因为手电光被小尘埃阻挡并散射到四面八方，一部分反射到你的眼睛
41、里。 622.2.3 大气散射大气散射 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。 大气发生的散射主要有三种：大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：瑞利散射： d d d 63当大气中粒子的直径比波长小得多时发生，当大气中粒子的直径比波长小得多时发生， d d 。散射强度与波长的四次方成反比，即波长越长，散射越弱。散射强度与波长的四次方成反比，即波长越长，散射越弱。主要发生在可见光和近红外波段。主要发生在可见光和近红外波段。图图2.15 2.15 瑞利散射与波长关系瑞利散射与波长
42、关系瑞利散射在紫外、紫、瑞利散射在紫外、紫、兰波段散射强度很大，兰波段散射强度很大，而在红光、红外散射强而在红光、红外散射强度极小。度极小。 瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。 多波段中不使用蓝紫光的原因：1 1、瑞利散射（、瑞利散射（Rayleigh Scattering Rayleigh Scattering ）641 1、瑞利散射（、瑞利散射（Rayleigh Scattering Rayleigh Scattering ）一般认为（一般认为（d /10d ）所发生的大气散射。）所发生的大气散射。 无选择性散射的特点是散射无选择性散射的特点是散射强度
43、与波长无关。强度与波长无关。为什么为什么“白云千载空悠悠白云千载空悠悠”? ?为什么微波能为什么微波能“穿云透雾穿云透雾”? ?思考题681.1.太阳辐射衰减的原因是什么？太阳辐射衰减的原因是什么？2.2.在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？什么？3.3.无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？4.4.朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？5.5.微波为什么具有极强的穿透云层的作用？微波为什么具有极强的穿透云层的作用？6.6.为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散为什么在选择遥感工作波段时
44、，要考虑大气层的散射和吸收作用？射和吸收作用？692.2.4 大气窗口及透射分析大气窗口及透射分析1 1、折射现象、折射现象电磁波穿过大气层时，还出现传播方向的改变，即发生折电磁波穿过大气层时，还出现传播方向的改变，即发生折射。射。大气密度越小折射率越小，离地面越高空气密度越小，折大气密度越小折射率越小，离地面越高空气密度越小，折射率也越小。射率也越小。为什么中午的太阳比早晨的看起来更圆为什么中午的太阳比早晨的看起来更圆? ?大气顶地面702 2、大气的反射、大气的反射电磁波传播过程中遇到不同介质界面时发生反射。大气电磁波传播过程中遇到不同介质界面时发生反射。大气的气体和尘埃反射很少，而反射主
45、要发生在的气体和尘埃反射很少，而反射主要发生在云层顶部云层顶部，减弱电磁波到达地面的强度。对所有波段都有不同程度减弱电磁波到达地面的强度。对所有波段都有不同程度的影响。的影响。 因此应尽量选择无云天气接收遥感信号。因此应尽量选择无云天气接收遥感信号。反射强度随云状、云厚而不同，高云反射率约为25%，中云为50%，低云为65%，云层愈厚反射愈强，一般情况下云的平均反射率为5055%。71 云层厚度50米， 反射量达50% 云层厚度500米， 反射量达80%72云73主动遥感与被动遥感主动传感器云层后向回波微波云层直接辐射折射散 射大气吸收反射回来的波近红外可见光热辐射波 热红外被动传感器74太阳
46、辐射到达传感器所发生的物理现象太阳辐射到达传感器所发生的物理现象大气吸收减弱大气吸收减弱大气散射减弱大气散射减弱云层反射减弱云层反射减弱大气折射变向大气折射变向地物吸收减弱地物吸收减弱传感器传感器太阳辐射太阳辐射地物地物地物漫反射减弱地物漫反射减弱地物镜面反射减弱地物镜面反射减弱753 3、大气窗口、大气窗口（1 1）大气透射）大气透射 太阳辐射经过大气传输后，除了大气的反射、太阳辐射经过大气传输后，除了大气的反射、吸收和散射的衰减作用外（折射不该表辐射强度，吸收和散射的衰减作用外（折射不该表辐射强度，只改变方向），剩余部分即为透过部分。只改变方向），剩余部分即为透过部分。 透射率与路程、大气
47、的吸收、散射有关。透射率与路程、大气的吸收、散射有关。 由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太由于大气层的反射、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。波段的透射率也各不相同。763 3、大气窗口、大气窗口（2 2）大气窗口）大气窗口 电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为的，透射率较高的波段称为大气窗口大气窗口。 大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。 77图图2.18 2.18 大气窗口大气窗
48、口要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。78大气窗口光谱段主要有：大气窗口光谱段主要有：大气窗口大气窗口波段波段透射率透射率/%/%应用举例应用举例紫外、可见光、紫外、可见光、近红外近红外0.30.31.3m1.3m9090TM1-4TM1-4、SPOTSPOT近红外近红外1.51.51.8m1.8m8080TM5TM5近近- -中红外中红外2.02.03.5m3.5m8080TM7TM7中红外中红外3.53.55.5m5.5m3.4-4.2m3.4-4.2m为为90%90%4.6-4.9m4.6-4.9m为为50-60%50-60%NOAANOAA远红外远红外8 814m14m60
49、607070TM6TM6微波微波0.80.82.5cm2.5cm100100RadarsatRadarsat79大气窗口与遥感波谱通道大气窗口与遥感波谱通道 804 4、大气透射的定量分析、大气透射的定量分析 太阳辐射经过大气时，就可见光、近红外而言，被云层等太阳辐射经过大气时，就可见光、近红外而言，被云层等反射回去的最大，约为反射回去的最大，约为30%30%，散射，散射22%22%，吸收，吸收17%17%，透过大气，透过大气到达地面的能量仅占总入射能量的到达地面的能量仅占总入射能量的31%31%。 大气对太阳辐射的总透射率大气对太阳辐射的总透射率T T：式中，式中，I I为通过大气层后的辐射
50、度；为通过大气层后的辐射度； Io Io为通过大气层前的辐射度；为通过大气层前的辐射度； M() M()为大气质量，为大气质量，与天顶距密切正相关；与天顶距密切正相关； 为大气的垂直光学厚度。为大气的垂直光学厚度。)(0meIIT81 82地表辐射能量来源主要为：太阳的短波辐射及地球内部的地表辐射能量来源主要为：太阳的短波辐射及地球内部的热能。热能。地表的长波辐射主要由太阳短波辐射而来地表的长波辐射主要由太阳短波辐射而来吸收可见光、吸收可见光、近红外发射中、远红外。近红外发射中、远红外。地表的热平衡：一方面：因太阳辐射引起地表增温，热能地表的热平衡：一方面：因太阳辐射引起地表增温，热能从地表向
