[物理]第二章 遥感物理基础

第二章 电磁辐射与地物光谱特征2-1 电磁波与电磁辐射电磁波与电磁辐射电磁辐射理论是遥感的物理基础电磁辐射理论是遥感的物理基础遥感就是要收集物体的电遥感就是要收集物体的电磁辐射信息，磁辐射信息，物体电磁辐射的数量和性物体电磁辐射的数量和性质的变化，是解释物体质的变化，是解释物体主要特征的基本依据主要特征的基本依据 .2.1.1 电磁波谱电磁波谱电磁波与电磁波谱按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列成条带状，则构成电磁波谱 (spectrum)。波长范围不同，它波长范围不同，它 们的性质们的性质 (如传播的方向性，如传播的方向性，穿透性能等穿透性能等 )也有很大的差别。也有很大的差别。电电磁磁波波谱谱电磁波的波粒二象性电磁波的波粒二象性既有既有 波动性波动性 又有又有 粒子性粒子性 (又称量子性又称量子性 )F波动性 的特征解释了电磁辐的特征解释了电磁辐 射的传播射的传播F粒子性 的特性解释了电磁辐射与物质的的特性解释了电磁辐射与物质的作用作用电电磁磁波波的的基基本本性性质质F电磁波具有横波的特性电磁波具有横波的特性F电磁波可以根据其速度、波长电磁波可以根据其速度、波长和频率来描述，其关系为：和频率来描述，其关系为： f式中 C 波速，在真空中， 8，即光速； 波长，一般以 计；f 频率，以表示。电磁波的基本性质电磁波的基本性质波动性不同波长的电磁波，其频率是不一样的，不同波长的电磁波，其频率是不一样的，波长愈短，频率愈高；波长愈长波长愈短，频率愈高；波长愈长 ，频率愈低。，频率愈低。F电磁波是特殊物质组成的微粒电磁波是特殊物质组成的微粒 （ 光子光子）（）（ 如光电效应）如光电效应）F光子的能量光子的能量 E与其频率与其频率 f成正比，成正比，其关系为：其关系为：E hf式中 h 为普朗克常数。电磁波的基本性质电磁波的基本性质粒子性光在发射过程中，以粒子性为主；光在发射过程中，以粒子性为主；光在空间传播的过程中，以波动性为主。光在空间传播的过程中，以波动性为主。2.1.2 电磁辐射的度量电磁辐射的度量l 任何物体都是辐射源辐射强度与波长各异太阳是最主要的辐射源l 电磁辐射就是电磁能量的传递l 遥感探测就是对地物辐射能量的测定辐 射 源物体的电磁辐射特征物体的电磁辐射特征l 物体对外来电磁辐射的特征物体对外来电磁辐射的特征反射反射 散射散射吸收吸收透射透射 折射折射l 物体自身发射电磁波的特征物体自身发射电磁波的特征F电磁辐射特性是波长的函数电磁辐射特性是波长的函数F环境对物体电磁辐射的影响环境对物体电磁辐射的影响两方面 太阳辐射能量入射到地球表面，根据能量守恒定律，则太阳辐射能量入射到地球表面，根据能量守恒定律，则有：有： 、 、 分别为地物反射、吸收和透射的功率。1 /E /E /E 令 、 、 分别表示为反射率、吸收率及透射率则 对不透明的物体， ， 它们只有反射、吸收太阳辐射的能力，此时 或 。物体反射率高，其吸收率就低；若吸收率高，则反射率就低。物体反射率高，其吸收率就低；若吸收率高，则反射率就低。物体的反射率 、吸收率及透射率也可用百分率 (%)表示。物体对外来电磁波的 反射反射 特征反射可分为反射可分为 镜面反射、漫反射和方向反射镜面反射、漫反射和方向反射 。反射能量是遥感应用中最重要的。反射能量是遥感应用中最重要的。物体反射能量的强度用反射率 表示，同一物体对不同波长的电磁波有不同的反射率 .反射率随波长的变化而变化的特征称为物体的波谱反射率随波长的变化而变化的特征称为物体的波谱特征，根据反射率随波长的变化所绘出的曲线称为该物特征，根据反射率随波长的变化所绘出的曲线称为该物体的体的 地物反射波谱曲线地物反射波谱曲线 。F 有些物体具有透射一定波长的电磁波的能力，有些物体具有透射一定波长的电磁波的能力，这些物体通常称为透明体。这些物体通常称为透明体。例如水体和冰，物体的透射能力用透射率 表示。F 物体对于外来电磁波的透射能力，随着电磁波物体对于外来电磁波的透射能力，随着电磁波的波长和物体的性质而变化。的波长和物体的性质而变化。例如，蓝、绿波段 (0.45 0.56 )对水体具有一定的透射能力，但由于水体浑浊程度的不同，其透射深度也不同。微波对地质体则具有明显的透射能力，透射能力的大小，与波长有关。岩性对透射深度也有明显的影响，例如干燥又疏松的沉积物具有较大的透射能力；而潮湿、坚硬的岩石透射深度却很小。物体对外来电磁波的 透射透射 特征F 任何物体也都具有吸收外来电磁波的能力。物任何物体也都具有吸收外来电磁波的能力。物体的吸收能力以吸收率体的吸收能力以吸收率 表示。表示。F 物体对外来电磁波的吸收能力是随物体性质的物体对外来电磁波的吸收能力是随物体性质的不同而变化的。不同而变化的。反射率高，其吸收率低；反射率低，吸收率则高。反射率高，其吸收率低；反射率低，吸收率则高。F 在温度一定的条件下，发射什么波段就在温度一定的条件下，发射什么波段就 吸收什吸收什么波段。所以，物体的吸收能力与物体的发射么波段。所以，物体的吸收能力与物体的发射能力是密切相关的。能力是密切相关的。物体对外来电磁波的 吸收吸收 特征l 辐射能量（ W） (J)l 辐射通量（ ） (W) dW/dtl 辐射通量密度（ E） d/dsl辐照度（ I） (W/m2 ) d/ds l辐射出射度（ M） d/ds 辐 射 测 量朗伯源与朗伯体 辐射亮度 L与观测角 无关的辐射源（绝对黑体）-朗伯源可近似视为朗伯体的有：l 表面均匀粗糙的物体l 表面涂有特殊材料（氧化镁）的物体2.1.3 黑体辐射黑体辐射绝对黑体l 吸收率 （ ， T）l 反射率 （ ， T）绝对黑体： =0时， 1 ， 0与物体温度和电磁波波长无关若地物在任何温度下，对任何波长的辐射能完全若地物在任何温度下，对任何波长的辐射能完全吸收，即吸收，即 1， 该地物称绝对黑体，简称该地物称绝对黑体，简称 黑体黑体 。地物对各种波长的吸收率是界于的，若吸地物对各种波长的吸收率是界于的，若吸收率近似为一常数，说明吸收率与波长无关，为收率近似为一常数，说明吸收率与波长无关，为 无无选择性吸收选择性吸收 ，该地物称为，该地物称为 灰体灰体 。若地物对各种波长的吸收率随波长而变化，即若地物对各种波长的吸收率随波长而变化，即 有有选择性地吸收，称选择性地吸收，称 选择性辐射体选择性辐射体 。物体物体 自身发射自身发射 电磁波的特征电磁波的特征l 任何物体只要它的温度高于绝对零度任何物体只要它的温度高于绝对零度 (即即 . ），），就存在着分子热运动，并向外发射相应的电磁波。就存在着分子热运动，并向外发射相应的电磁波。l 物体发射电磁波的强度以发射率物体发射电磁波的强度以发射率 ( 比辐射率比辐射率 )表示，表示，即即 M /M。式中 物体某波段的发射率 (%)；M 物体某波段的发射能量；M。 与物体同温度的黑体的发射能量。l 物体的发射率是以黑体辐射作为基准的。物体的发射率是以黑体辐射作为基准的。所谓黑体，就是在一定的温度下，对各种不同波长的辐射能量都能够全部吸收的物体，即具有最大的吸所谓黑体，就是在一定的温度下，对各种不同波长的辐射能量都能够全部吸收的物体，即具有最大的吸收能力收能力 。黑体的热辐射，称为黑体辐射，是一个最理想的辐射体。黑体的热辐射，称为黑体辐射，是一个最理想的辐射体。l 吸收热辐射能力强的物体，它的发射能力也强。吸收热辐射能力强的物体，它的发射能力也强。在自然界中，绝对黑体是不存在，太阳的发射率和吸收率极大，接近于在自然界中，绝对黑体是不存在，太阳的发射率和吸收率极大，接近于 100%，所以人们把太阳当作为黑，所以人们把太阳当作为黑体。据测量得知，地球表面的各种物体的发射率都小于体。据测量得知，地球表面的各种物体的发射率都小于 1。三三大大定定律律以以 普朗克普朗克 热辐射定律为基础热辐射定律为基础 ：F斯忒藩斯忒藩 波尔兹曼定律波尔兹曼定律F维恩位移定律维恩位移定律F基尔霍夫定律基尔霍夫定律物体物体 自身发射自身发射 电磁波的特征电磁波的特征l 普朗克热辐射定律l斯忒潘玻尔兹曼定律l维恩位移定律黑体辐射规律F 普朗克热辐射定律普朗克热辐射定律式中 W 波长 处单位面积上每单位波长发射的辐射功率，以瓦厘米 ，微米计； 光速，为 2.98 厘米秒； 普朗克常数，为 6.63 瓦 秒 ； 玻尔兹曼常数，为 1.38 3瓦 秒度； 波长，以微米计； 绝对温度，以 0K计， . 0K黑体辐射波长黑体辐射波长 分布特性，与温度有密切关系分布特性，与温度有密切关系物体物体 自身发射自身发射 电磁波的特征电磁波的特征F斯忒潘玻尔兹曼定律斯忒潘玻尔兹曼定律M 式中 M 单位面积上黑体的总辐射出射度，以瓦厘米 计； 斯蒂芬波尔兹曼常数，为 5.67 w.cm K- 。总辐射量与其绝对温度的四次方成正比。总辐射量与其绝对温度的四次方成正比。可见，热辐射功率随温度增加可见，热辐射功率随温度增加 而迅速地增大。而迅速地增大。因此，当温度发生微小的变化，就会引起热辐因此，当温度发生微小的变化，就会引起热辐射功率的很大变化。射功率的很大变化。F维恩位移定律维恩位移定律 b/b 常数，为 2.89810-3mk。物体热辐射峰值波长与绝对温度成反比，物体热辐射峰值波长与绝对温度成反比，即温度越高，峰值波长越短。即温度越高，峰值波长越短。温度升高时，峰值波长温度升高时，峰值波长 向短波方向移动。向短波方向移动。因此，高温物体发射和吸收波长较短的电磁波。因此，高温物体发射和吸收波长较短的电磁波。如火山喷溢出的熔岩流发射红光；低温物体发射和吸收波长较长的电磁波，如冰川 发射和吸收微波。实际物体的辐射l基尔霍夫定律基尔霍夫定律M1 M2 1 2I-辐照度； M-辐射出身度； a-吸收系数 表明：任何物体的辐射能力与吸收率表明：任何物体的辐射能力与吸收率 a的比值都相同的比值都相同 ,且且恒等于同温度下绝对黑体的辐射能力恒等于同温度下绝对黑体的辐射能力F 发射率强的物体，其吸收率也强；反之发射率强的物体，其吸收率也强；反之 ，则弱。，则弱。F 欲测量某物体的发射率或吸收率，对不透明体而言，欲测量某物体的发射率或吸收率，对不透明体而言，只要测出其反射率即可。只要测出其反射率即可。= =M3=I地物发射波谱曲线地物发射波谱曲线F 物体发射电磁波的波长不同，其相应的发射物体发射电磁波的波长不同，其相应的发射率也不同。率也不同。F 可用发射率随波长变化的可用发射率随波长变化的 曲线曲线 (称发射波谱称发射波谱曲线曲线 )来反映物体发射电磁波的特征。来反映物体发射电磁波的特征。F 不同的物体，由于它们的结构不同，其不同的物体，由于它们的结构不同，其 发射发射波谱曲线的特征也不同，据此可识别不同的波谱曲线的特征也不同，据此可识别不同的物体。物体。1)任何物体的温度若大于绝对零度，都存在着分子的热运动，任何物体的温度若大于绝对零度，都存在着分子的热运动，都能发射红外线、微波；都能发射红外线、微波； 高温物体，还能发射可见光。同时高温物体，还能发射可见光。同时，都能吸收可见光、红外线与微波。，都能吸收可见光、红外线与微波。2)在温度不变的条件下，物体吸收什么波长，就发射什么波长在温度不变的条件下，物体吸收什么波长，就发射什么波长， 良好的发射体，必定是良好的吸收体。良好的发射体，必定是良好的吸收体。3)任何物体发射红外线的强度和它