第二章遥感物理基础4（中国矿业大学）

自然界中的任何地物都具有发射、反射和吸收电磁波的特性。少数地物还具有透射电磁波的特性。这些特性称为 地物的光谱特性 。研究地物的光谱特性是选择传感器工作波段和正确分析遥感数据的依据，也是遥感图象处理和分类的参考标准，因此它是遥感技术的重要理论基础。2.3 地物的光谱特性 一、地物的反射光谱特性二、地物的发射光谱特征三、地物的透射光谱特性二、地物的发射光谱特征自然界中的任何物体，只要其温度在绝对温度 0K以上，都具有向周围空间发射热辐射的能力，同时也有吸收外来热辐射的能力。通常地物 发 射 热辐 射的能力是用 发 射率 为 衡量标 准。 发 射率是指地物的 辐 射出射度（即地物单 位面 积发 出的 辐 射 总 通量） W与同温度下的黑体的 辐 射出射度（即黑体 单 位面 积发 出的 辐射 总 通量） W黑 的比 值 ，用 表示：=W/W黑二、地物的发射光谱特征（一）黑体辐射和基尔霍夫定律1. 黑体辐射黑体是绝对黑体的简称。这一概念是由基尔霍夫1860年提出的。它的含义是 指在任何温度下，对于任何波长的电磁辐射能量完全吸收并具有最大的发射系数的物体。 即对任何波长的电磁波其吸收系数恒等于 1。按照这一概念，黑体的 吸收系数等于 1， 发射系数也等于 1，而且 与波长没有关系 。所以黑体不是指物体的颜色，而是一个理想的辐射体。实际上自然界中并不存在这样的物体，但是人工可以制作一个近似于黑体的模型，主要是为了参照计算一般物体的热辐射而设计的。人工模型是一个不透明的封闭的空腔，在其壁上开一个足够小的小孔，当外界的辐射入射穿入小孔后，在孔腔内经多次反射而几乎全部被吸收（即几乎没有反射能量从小孔中穿过来），其吸收系数趋近于 1。若将空腔加热，其全部能量只能从小孔中发射出来，发射系数也趋近于 1。可将这一模型视为理想的黑体。（黑体的反射率、透射率都等于 0）。 不同温度的黑体辐射，可由理论计算得到。与黑体同温度的一般物体的热辐射能量，可以黑体作为参照求得。前已述及，地物发射热辐射的能力通常用发射系数为测量标准，而实践中通常是用物体的光谱吸收率的测量来代替光谱发射率的测量，那么 地物的发射率与吸收率之间存在什么关系呢？ 二、地物的发射光谱特征（一）黑体辐射和基尔霍夫定律2. 基尔霍夫定律 基尔霍夫在研究密闭的真空容器内，物体间只能通过辐射形式交换能量的实验中发现： 在同一温度下，各个不同的物体在单位时间内从单位面积上辐（发）射出的能量 W与吸收率之比值，对于任何地物都是一个常数。 该比值与物体本身的性质无关，只等于该温度下同面积黑体辐射能量 W黑 。它的数学表达式为：物体的吸收率与发射率相等。 二、地物的发射光谱特征（二）黑体热辐射定律黑体热辐射定律由 普朗克定律、维恩位移定律和斯蒂芬 玻尔兹曼定律 组成。后两个定律可以从普朗克定律推导出来的。 1. Plank（普朗克）定律德国学者 Plank.M.于 1900年冲破经典热物理学的桎梏，提出了能量力假说，推导出黑体辐射定律，即 Plank公式：Plank公式指出了黑体在不同的温度下光谱发射能量随波长变化的规律。即表示了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按温度、波长分布的情况。 Plank公式与实验求出的各种温度（从 200K到 6000K）下的黑体辐射的波谱曲线相吻合。二、地物的发射光谱特征（二）黑体热辐射定律2. 维恩（ Wien）位移定律由图可以看出，黑体辐射的三个特性：（ 1）黑体在不同温度下具有不同的发射光谱。（ 2）在每一给定的温度下，黑体的光谱辐射通量都有一个极大值。（ 3）随着温度的升高，其辐射通量迅速增高，对应的峰值波长向短波方向移动。2. 维恩（ Wien）位移定律黑体辐射的三个特性：（ 1）黑体在不同温度下具有不同的发射光谱。（ 2）在每一给定的温度下，黑体的光谱辐射通量都有一个极大值。（ 3）随着温度的升高，其辐射通量迅速增高，对应的峰值波长向短波方向移动。表 2.2给出了不同温度时黑体辐射的峰值波长。 上述讨论的是黑体辐射，自然界中一般物体不是黑体，但在某一确定温度时，物体的最强辐射所对应的波长，也可以用维恩位移公式计算出近似值。如人体表面温度平均为 37 （即 310K），其发射到空间的电磁辐射的峰值波长为9.34微米，即人体辐射的峰值波长位于热红外波段。维恩位移定律证明了当绝对黑体的温度增高时，最大光谱辐射能量峰值向短波方向移动外，还说明了黑体的辐射能量只与温度有关。即黑体辐射能量的峰值波长与其绝对温度成反比。 3. 斯蒂芬（ Stefen） 玻尔兹曼定律该定律只适用于绝对黑体，对于一般物体则需加以修正后才能适用。根据基尔霍夫定律和斯蒂芬（Stefen） 玻尔兹曼定律可以导出一般物体发射热辐射的能量为：上式表明，一般地物的热辐射能量与该地物的绝对温度的四次方及该地物的发射率成正比，所以只要地物有微小的温度差异，就会引起较显著的变化。只要地物的发射率不同，温度相同的两种地物也会表现出不同的辐射特性。因而上述地物热辐射特性构成了热红外遥感的理论基础。 二、地物的发射光谱特征（三）灰体和亮度温度1. 灰体根据 Plank定律，任何地物在一定的温度条件下，不仅发射热辐射，而且还向外发射微波辐射。 地物的微波辐射，亦符合热辐射定律。黑体的发射率等于 1，但是 一般地物 都不是黑体，其 发射系数均在 01之间 ，即都达不到黑体。通常把具有这种辐射特征的物体 称为灰体 ，自然界中的地物都属于灰体。2. 亮度温度在测量地物热辐射能量时，习惯上常用亮度温度（亦称辉度温度）来表示地物的特征。所谓 亮度温度是指由辐射计把接收到的来自地物的辐射能量转换而来的温度。 它可由下式表达：在微波波段：由于 ，所以地物的亮度温度除了反映地物的表面温度外，还反映不同地物的不同微波发射率。而微波发射率与地物本身的电学性质（导电率、电磁率）有关。因此，微波辐射计记录下来的等效温度不是观察地区的真实温度，而是受到各种因素影响的结果，因而使得对微波遥感图象的判读更加困难。二、地物的发射光谱特征（四）地物的发射光谱地物的发射率随波长变化的规律 ，称为地物的发射光谱。（ 1）若要测定地物的发射光谱，应首先测量地物的发射率，然后根据地物的发射率与波长的对应关系可画出地物的发射光谱曲线。（横坐标为波长，纵坐标为发射率）。最简单的测量地物发射率的方法是测量地物的反射率（指近红外），然后按 来推求地物的发射率。图 2.22是若干种岩浆岩的发射光谱曲线。造岩硅酸盐矿物的吸收峰主要出现在 9-11微米波段。岩石中 sio2的含量对发射光谱的特性有直接影响，其规律是随着 sio2含量