Pen01 电磁波及遥感物理基础

1、遥感原理与应用遥感原理与应用（第二版）（第二版）孙家抦孙家抦 主编主编武汉大学出版社武汉大学出版社 2009年年6月月第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础2第第 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础概述概述物体发射辐射物体发射辐射地物反射辐射地物反射辐射地物波谱特性测定地物波谱特性测定第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础31、概述、概述基本概念基本概念电磁波电磁波电磁波的波粒二相性电磁波的波粒二相性电磁波谱电磁波谱第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础41.1、遥感（、遥感（Remote Sensing) （广

2、义）（广义）遥感遥感：不直接接触不直接接触，对目标或，对目标或自然现象自然现象远距离探测和感知远距离探测和感知的一种的一种技术技术 遥远感知遥远感知 1962年，美国地理学会在密执安大年，美国地理学会在密执安大学召开的学召开的“环境遥测讨论会环境遥测讨论会” 上确上确定定“遥感遥感”这一新概念这一新概念第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础51.1、遥感数据采集、遥感数据采集 一切一切可可通过特定通过特定仪器感知仪器感知并记录的信息，均可作为遥感数据进行并记录的信息，均可作为遥感数据进行采集采集 遥感手段遥感手段 电磁波电磁波：光、热、无线电、：光、热、无线电、 力场：重

3、力场、地磁场、力场：重力场、地磁场、 机械波：声波、机械波：声波、P波、波、S波、波、 遥感基础遥感基础：探测对象针对特定遥感手段表现的差异性特征：探测对象针对特定遥感手段表现的差异性特征 物体在物体在电磁波反射电磁波反射、发射发射辐射方面的辐射方面的差异差异性特征性特征第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础61.1、本课程遥感范畴、本课程遥感范畴 遥感媒介：电磁波遥感媒介：电磁波 遥感对象：地球（表层）遥感对象：地球（表层） 陆圈、水圈、生物圈、大气圈陆圈、水圈、生物圈、大气圈 物理过程、化学过程、生物过程、地学过程物理过程、化学过程、生物过程、地学过程 遥感平台：卫星

4、、飞机遥感平台：卫星、飞机 遥感遥感：以：以电磁波电磁波与与地球地球表面物质相互作用为基础，探表面物质相互作用为基础，探测测、分、分析析和和研研究究地球资源与环境，揭示地球表面各要素的地球资源与环境，揭示地球表面各要素的空间分布空间分布特征与特征与时时空变化空变化规律的一门规律的一门技术技术与与科学科学第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础71.2、电磁波、电磁波 Electromagnetic Radiation: the energy propagation in open space by the mutually induced electric field an

5、d magnetic field7: frequency h : Plancks constant 6.6 10-34 J s第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础81.2、电磁波、电磁波 电磁辐射电磁辐射：电磁：电磁能量能量的的传输传输过程过程 辐射辐射、吸收吸收、反射反射和和透射透射 麦柯斯韦麦柯斯韦（Maxwell）方程方程电磁辐射与物质的相互作用依赖于物质电磁辐射与物质的相互作用依赖于物质的电、磁性质的电、磁性质 不受辐射频率、波长、振幅的限制不受辐射频率、波长、振幅的限制 电、磁物理量的基本关系电、磁物理量的基本关系D：电位移矢量、：电位移矢量、E：电场强度矢量

6、：电场强度矢量B：磁感应矢量、：磁感应矢量、H：磁场强度矢量：磁场强度矢量J：电流密度、：电流密度、 ：介电常数，：介电常数， 1：磁导率、：磁导率、 ：电导率：电导率第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础9 91.2、电磁波、电磁波公式与速度公式与速度电磁波在介质中的传播速度电磁波在介质中的传播速度第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础10101.2、电磁波、电磁波波长与频率波长与频率: wavelength: frequency c : speed of light 3 108 m/s第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础1

7、11.3、波粒二相性、波粒二相性波粒二相性波粒二相性电磁波在电磁波在传播传播过程中，主要表现为过程中，主要表现为波动性波动性衍射衍射干涉干涉偏振偏振在与物质在与物质相互作用相互作用时，主要表现为时，主要表现为粒子性粒子性光量子光量子统计统计规律上的规律上的波动性波动性，单个单个具体的具体的粒子性粒子性波波是粒子流的统计平均是粒子流的统计平均1)粒子粒子是波的量子化是波的量子化第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础121.3.1、衍射衍射（Diffraction）衍射现象衍射现象：波波在传播过程中遇到在传播过程中遇到障碍物障碍物时，在障碍物的边缘一些时，在障碍物的边缘一些波

8、偏离直线传播而波偏离直线传播而进入进入障碍物障碍物后面后面的的的的阴影阴影区的现象区的现象声波可传到拐角后面声波可传到拐角后面光谱仪的分光衍射光栅：一组平行、等宽、等间隙的狭缝光谱仪的分光衍射光栅：一组平行、等宽、等间隙的狭缝小孔衍射小孔衍射现象现象经过小孔的光线打在屏幕经过小孔的光线打在屏幕上并不是一个点，而是呈上并不是一个点，而是呈环形环形亮斑亮斑分布分布伴有逐渐减弱的伴有逐渐减弱的圆环圆环亮斑大小与孔径的直径成亮斑大小与孔径的直径成反比反比第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础131.3.1、衍射（、衍射（Diffraction） 泊松亮斑泊松亮斑：不透光圆版的成像

9、：不透光圆版的成像 法国科学家泊松：根据菲涅尔的法国科学家泊松：根据菲涅尔的光波动性公式推算光波动性公式推算其成像中心其成像中心会出现一个亮斑，并得出结论会出现一个亮斑，并得出结论 “非常荒谬可笑非常荒谬可笑” 实验中的确出现实验中的确出现这个亮斑这个亮斑第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础141.3.2、干涉干涉（Interference）干涉现象干涉现象：频率、振动方向相同，相位相同或相差恒定的：频率、振动方向相同，相位相同或相差恒定的 2 列列（或多列）（或多列）波波的的叠加叠加合成而引起震动合成而引起震动强度重新分布强度重新分布的现象的现象杨式双缝试验杨式双缝试

10、验第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础151.3.3、偏振偏振（Polarization）偏振现象偏振现象：电磁波电场：电磁波电场振动平面保持不变振动平面保持不变的现象的现象横波特有横波特有偏振面偏振面：偏振电磁波电场振动平面：偏振电磁波电场振动平面偏振光偏振光：偏振面完全固定在一个平面内的光线：偏振面完全固定在一个平面内的光线激光、某些散射光、反射光、投射光、激光、某些散射光、反射光、投射光、微波技术中称偏振为微波技术中称偏振为“极化极化”对于相同地物，对于相同地物，水平水平极化、极化、垂直垂直极化极化雷达图像雷达图像有有差异差异非偏振光非偏振光：偏振面在与电磁波传播

11、方向相垂直的：偏振面在与电磁波传播方向相垂直的360范围内范围内均匀分布均匀分布太阳光太阳光、普通照明灯、普通照明灯、半偏振光半偏振光：介于偏振光和非偏振光之间，部分能源有明显的：介于偏振光和非偏振光之间，部分能源有明显的极化特征极化特征激光激光、无线电无线电、雷达波雷达波、第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础161.3.4、电磁波参数、电磁波参数波长波长（Wavelength）：波在：波在一个一个振动振动周期周期内传播的内传播的距离距离 单位：米、厘米、毫米、微米、纳米、埃单位：米、厘米、毫米、微米、纳米、埃 可见光可见光红外遥感红外遥感多用波长描述多用波长描述波谱范

12、围波谱范围频率频率（Frequency）f：波在：波在单位时间单位时间内振动的内振动的次数次数 电磁波以光速传播：电磁波以光速传播：Cf 单位：赫兹、千赫、兆赫、吉赫等单位：赫兹、千赫、兆赫、吉赫等 微波遥感微波遥感多用频率描述多用频率描述波谱范围波谱范围 电磁波传播时，电磁波传播时，频率不变频率不变振幅振幅（Amplitude）A：振动物理量：振动物理量偏离平衡位置最大位移距离偏离平衡位置最大位移距离相位相位/位相（位相（Phase）：某物理量随时间或空间位置变化作）：某物理量随时间或空间位置变化作正弦变正弦变化化时，该量在时，该量在某某一一时时刻的刻的位置位置或状态或状态第第 1 1 章章

13、 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础171.3.5、粒子性特点、粒子性特点 电磁波除了连续波动状态外，还能以电磁波除了连续波动状态外，还能以离散形式离散形式存在存在 光子光子（photo）、）、量子量子（quantum） 光电效应光电效应：光：光照射照射在在金属金属上能上能激发激发出出电子电子（光电子），其（光电子），其能量能量仅与光的仅与光的频率有关频率有关Max Planck的光电效应的光电效应公式公式Qhvhc/ h：普朗克常数：普朗克常数光电成像光电成像热红外辐射热红外辐射比比 可见光辐射可见光辐射更难感应更难感应微波辐射微波辐射 比比 热红外辐射热红外辐射更难感应更难感应 光的

14、光的强度强度：决定于单位时间内通过某截面的：决定于单位时间内通过某截面的光子数目光子数目（光子流（光子流密度）密度） ，光强度的变化并，光强度的变化并不改变光电子最大动能不改变光电子最大动能第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础181.3.5、粒子性特点、粒子性特点 光粒子性：光的作用是光粒子性：光的作用是“一份一份一份一份”地进行的地进行的 双缝干涉实验成像：曝光时间很短时可以清楚地观察到光的粒双缝干涉实验成像：曝光时间很短时可以清楚地观察到光的粒子性子性第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础191.3.6、电磁辐射的度量、电磁辐射的度量 电磁波电

15、磁波辐射辐射以以电磁波电磁波的形式向外的形式向外传送能量传送能量 辐射能量辐射能量Q：以电磁波形式向外传送的能量，：以电磁波形式向外传送的能量，焦焦（J） 辐射通量辐射通量/辐射功率（辐射功率（Radiant flux）：单位时间单位时间内通过某一内通过某一表面表面Q，瓦瓦（W、焦、焦/秒、秒、Js-1），），dQ/dt 波谱辐射通量波谱辐射通量：单位波长单位波长间隔、间隔、单位时间内单位时间内辐射的辐射的Q，瓦瓦/微米微米（Wm-1）()d/d第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础201.3.6、电磁辐射的度量、电磁辐射的度量 电磁波电磁波辐射辐射以以电磁波电磁波的形式

16、向外的形式向外传送能量传送能量 辐射出射度辐射出射度/辐射通量密度（辐射通量密度（Radiant exitance）M：面辐射源面辐射源在在单位时间单位时间内，从内，从单位面积单位面积上辐射出的上辐射出的Q，瓦瓦/米米2（Wm-2），），Md/dA 辐射照度辐射照度/辐照度（辐照度（Irradiance）E：单位时间内、单位面积上：单位时间内、单位面积上接收的接收的Q，瓦瓦/米米2（Wm-2），），Ed/dA 辐射强度辐射强度（Radiant intensity）I：点辐射源点辐射源在单位立体角、单在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的位时间内，向某一方向发出的Q，瓦瓦/球面角球面角（Ws

17、rsr-1-1），），Id/d第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础211.3.6、电磁辐射的度量、电磁辐射的度量 电磁波电磁波辐射辐射以以电磁波电磁波的形式向的形式向外外传送能量传送能量 辐射亮度辐射亮度/辐亮度辐亮度（Radiance）L：面辐射源面辐射源在单位立体角、单位时间在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方内，在某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积）向单位面积（法向面积）上辐射出的上辐射出的Q，瓦瓦/米米2球面球面角（角（Wm-2sr-1） Ld2/ddAcos第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础221.4、电磁波谱、电磁波谱 E

18、lectromagnetic Spectrum: The complete and sequentially arranged table of electromagnetic waves according to the wavelengths, including gamma rays, x rays, ultraviolet, visible, infrared, microwaves, and radio waves22第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础23231.4、电磁波谱、电磁波谱第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础24波段波段波

19、长波长长波长波 3,000 m中波中波 200 3,000 m中短波中短波50 200 m短波短波10 50 m超短波超短波 1 10 m微波微波 1 1,000 mm红外线红外线 0.76 1,000m可见光可见光 0.38 0.76m紫外线紫外线 10-3 0.38mX射线射线 10-6 10-3m 射线射线 10-6m1.4、电磁波谱、电磁波谱第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础25波段波段波长波长超远红外超远红外15 1,000m远红外远红外 6 15m中红外中红外 3 10m近红外近红外0.76 3m1.4.1、红外线、红外线第第 1 1 章章 电磁波及遥感物

20、理基础电磁波及遥感物理基础26波段波段波长波长红红0.62 0.76m橙橙0.59 0.62m黄黄0.56 0.59m绿绿0.50 0.56m青青0.47 0.50m蓝蓝0.43 0.47m子子0.38 0.43m1.4.2、可见光、可见光第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础272、物体的发射辐射、物体的发射辐射黑体辐射黑体辐射太阳、地球辐射太阳、地球辐射大气影响大气影响一般物体辐射一般物体辐射热传导基础理论热传导基础理论第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础282.1、黑体辐射、黑体辐射黑体黑体：能够：能够全部吸收全部吸收电磁波辐射的电磁波辐射的

21、理想物体理想物体 近似黑体：黑色烟煤（近似黑体：黑色烟煤（99%）、恒星、太阳）、恒星、太阳 4 个定律个定律 基尔霍夫定律（基尔霍夫定律（1860） 普朗克定律（普朗克定律（1900） 斯特潘斯特潘波尔兹曼定律波尔兹曼定律 维恩定律维恩定律1.朗伯体微波辐射亮度朗伯体微波辐射亮度表面表面95%吸收吸收第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础292.1.1、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律 Kirchhoff Law：在热平衡条：在热平衡条件下，物体的波谱件下，物体的波谱发射发射率率等等于于其波谱其波谱吸收吸收率率 局地热平衡局地热平衡：瞬时间热交瞬时间热交换换非常非常缓慢缓慢，

22、物体向外，物体向外辐辐射射的能量的能量基本等于基本等于从外界从外界吸收吸收的能量的能量 经验证明经验证明：Kirchhoff Law 适用大多数适用大多数地面条件地面条件 水水：热红外谱段：热红外谱段反射率接近反射率接近于于 0 ，发射率接近发射率接近于于 1金属金属：高反射率高反射率、低发射率低发射率第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础302.1.2、普朗克定律、普朗克定律Planck LawM(T)：波谱辐射通量密度波谱辐射通量密度 Wm-2m-1 h：普朗克常数普朗克常数 6.62610-34 Js k：波尔兹曼常数波尔兹曼常数 1.380610-23 JK-1

23、c：光速光速， 2.998108 ms-1：波长波长，米，米 T：热力学温度热力学温度， 开（开（K）不同温度的辐射谱线不同温度的辐射谱线互不相交互不相交第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础312.1.3、斯特潘斯特潘波尔兹曼定律波尔兹曼定律StefanBoltzmann LawM：黑体：黑体表面总辐射出射度表面总辐射出射度（辐（辐射谱线面积，射谱线面积，W m-2）：斯斯波常数波常数 5.669710-8 （Wm-2 K-4）Tb：黑体温度黑体温度，KTR：地物温度地物温度，K：地物发射率地物发射率，无量纲，无量纲第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物

24、理基础322.1.4、维恩位移定律维恩位移定律Wiens Lawmax：辐射强度最大的：辐射强度最大的波长波长，mhc/5k：常数常数，2897.8 mK T：热力学温度热力学温度，K峰值波长峰值波长太阳：太阳：0.48 m地球：地球：9.70 m第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础332.1.5、朗伯体微波辐射亮度、朗伯体微波辐射亮度 黑体在微波范围内的辐射黑体在微波范围内的辐射能量，与温度的一次方成能量，与温度的一次方成正比正比 L T第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础34342.2、太阳、地球辐射、太阳、地球辐射4002560016.66

25、66780012.5100010X = 104 /第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础352.2、太阳、地球辐射、太阳、地球辐射表面表面温度：温度：6000 K、中心中心温度：温度：15106 K辐射辐射总功率总功率：3.8261026 W表面辐射出射度表面辐射出射度：6.284107 Wm-2辐射波谱辐射波谱：X射线射线 无线电波，无线电波，综合综合波谱波谱波长波长波段波段太阳辐射能百分比太阳辐射能百分比1000 m微波微波第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础362.2、太阳、地球辐射、太阳、地球辐射 地面地面接收到的接收到的太阳辐照度太阳辐照

26、度E ：到达某地面的最大地面辐照度：到达某地面的最大地面辐照度E0 ：太阳常数，：太阳常数，1.36103 wm-2D ：日地平均距离单位：日地平均距离单位 ：太阳天顶角，是经度、纬度、日时间的函数：太阳天顶角，是经度、纬度、日时间的函数第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础372.2、太阳、地球辐射、太阳、地球辐射短波短波辐射：辐射：0.3 2.5 m，主要，主要为对太阳光的为对太阳光的反射反射中红外中红外波段：波段：2.5 6 m 太阳的太阳的辐射和地球表面的热辐射影响辐射和地球表面的热辐射影响并并存存长波长波辐射：辐射：6 m，以地表物体，以地表物体自身的自身的热辐

27、射热辐射为主，太阳的辐射为主，太阳的辐射的影响极小的影响极小第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础382.3、大气影响、大气影响大气概况大气概况大气散射大气散射大气吸收大气吸收大气对不同波段的影响大气对不同波段的影响大气窗口大气窗口辐射传输方程辐射传输方程第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础392.3.1、大气概况、大气概况成分成分 大气影响：大气对电磁波的大气影响：大气对电磁波的吸收吸收、散射散射和和透射透射，与波长和大气的，与波长和大气的成分有关成分有关 大气成分：多种大气成分：多种气体气体、固态固态和和液态悬浮液态悬浮的的微粒微粒混合组成的。

28、混合组成的。 主要主要成分（成分（99%） ：氮氮、氧氧， 微量微量气体：气体：CO2、He、甲烷甲烷、NO、H2、 其他可变成分：水蒸气其他可变成分：水蒸气（0.3%） 、O3、 悬浮悬浮微粒微粒：霾霾、尘埃尘埃、液态水液态水（水滴如云雾、降雨）、（水滴如云雾、降雨）、固态水固态水（冰粒）、盐粒、尘烟、（冰粒）、盐粒、尘烟、粒径粒径 0.01 20 m，具有重要光学效应具有重要光学效应集中在集中在地面上几公里地面上几公里范围的大气层中范围的大气层中 大气物质与太阳辐射相互作用，是大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减太阳辐射衰减的重要原因的重要原因 大气净效应大气净效应因素：因素：路径路

29、径长度、电磁辐射长度、电磁辐射能量能量强弱、强弱、大气条件大气条件、波长波长第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础402.3.1、大气概况、大气概况分层表（标注下限高度）分层表（标注下限高度）高度（高度（km）大气分层大气分层特征特征35,000外大气层外大气层36,000：通信、气象卫星：通信、气象卫星质子层质子层 H+1,000氦层氦层He+2400电离层电离层600800 ，800900：资源、气象卫星，：资源、气象卫星，450：高分辨率：高分辨率300F 电离层：电离层：230 ，104 电子电子cm-31101010 分子分子cm-3，200250：航天飞机，：

30、航天飞机，150200：侦查卫星：侦查卫星100E 电离层：电离层： 108 电子电子cm-3801.31010 分子分子cm-335平流层平流层冷层冷层D 电离层：电离层：-55-75 ，1015 分子分子cm-330暖层暖层70100 ，41016 分子分子cm-3，气球高度，气球高度25O3层，层， 41017 分子分子cm-312同温层同温层 -55 ，1.81018 分子分子cm-3，气球、喷气式飞机高度，气球、喷气式飞机高度6对流层对流层上层上层-55 ，8.61018 分子分子cm-32中层中层飞机高度飞机高度C 电离层电离层0下层下层510 ，2.71019 分子分子cm-3，

31、一般飞机、气球高度，一般飞机、气球高度第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础412.3.1、大气概况、大气概况分层特征分层特征大气的垂直分层：由下而上大气的垂直分层：由下而上对流层对流层 ：极地上界：极地上界7 8 km，赤道上界，赤道上界16 19 km，气流上下混，气流上下混合作用、主要大合作用、主要大气气现现象象都集中于此，都集中于此，6.5 Kkm-1平流层平流层：上界：上界35 km，分为底部的，分为底部的同温层同温层（25km）和上面的）和上面的暖层暖层（臭氧吸收紫外线），只有（臭氧吸收紫外线），只有季节性风季节性风中间层中间层/冷层：上界冷层：上界80 km

32、，温度随高度增加而递减至大气最低温，温度随高度增加而递减至大气最低温度度95C，3K/km。电离层电离层/增温层增温层/热层：大气最外层，上界热层：大气最外层，上界1000 km，电离现象（太，电离现象（太阳辐射），无线电波阳辐射），无线电波全反射全反射1.大气外层大气外层：1000 km以外的星际空间以外的星际空间第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础422.3.2、大气散射、大气散射散射散射：电磁辐射在非均匀介质或各向：电磁辐射在非均匀介质或各向异性介质中传播时，异性介质中传播时，改变改变原来传播原来传播方方向向的现象的现象大气散射大气散射：由：由大气大气中中微粒微粒

33、（大气分子、（大气分子、气溶胶等）引起的散射现象气溶胶等）引起的散射现象 天空散射光天空散射光：降低影像反差：降低影像反差 地面、大气：地面、大气：“变亮变亮” 亮物体：亮物体：“变暗变暗” 集中在集中在可见光波段可见光波段 太阳辐射太阳辐射衰减主因衰减主因第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础432.3.2、大气散射、大气散射3 种大气散射种大气散射 瑞利散射瑞利散射 米氏散射米氏散射a.均匀散射均匀散射第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础442.3.2a、瑞利瑞利散射散射Rayleigh Scattering：d 的大气微粒所产生的散射现象射，

34、多的大气微粒所产生的散射现象射，多发生在发生在 9 10 km 的晴朗高空的晴朗高空 散射率与散射率与波长四次方成反比波长四次方成反比，且前向、后向散射强度相等，且前向、后向散射强度相等 紫外线紫外线是是红光红光散射的散射的 30 倍倍 0.4 m 的的蓝光蓝光是是4 m 红外线红外线散射的散射的10,000倍倍 多波段中常常多波段中常常不不使使用用蓝蓝紫光紫光 微波微波的的穿透穿透能力强能力强 瑞利散射的瑞利散射的影响影响 可见光可见光：较大较大 红外红外辐射：辐射：很小很小 微波微波：可以：可以不计不计第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础452.3.2a、瑞利散射、

35、瑞利散射 蓝光的瑞利散射最强，蓝光的瑞利散射最强，晴朗天气晴朗天气的天空呈的天空呈天蓝色天蓝色 日出日出、日落日落：地面观察天空呈：地面观察天空呈橙红色橙红色第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础462.3.2b、米氏米氏散射散射Mie Scattering：d 的大气微粒所产生的散射现象，前向散射的大气微粒所产生的散射现象，前向散射后向散射后向散射 大气大气悬浮微粒悬浮微粒：霾、水滴、尘埃、烟、花粉、微生物、海上：霾、水滴、尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶盐粒、火山灰等气溶胶 散射散射强度强度：微粒的：微粒的结构结构、数量数量，0 5 km 高度最强高度

36、最强 阴暗阴暗的的天空天空：一定天气条件下，高空的瑞利散射低空的米：一定天气条件下，高空的瑞利散射低空的米氏散射氏散射第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础472.3.2c、均匀散射、均匀散射Non-selective Scattering：d 的大气微的大气微粒所产生的散射现象粒所产生的散射现象 大气大气微粒微粒：云、雾、水滴、尘埃等，：云、雾、水滴、尘埃等，5 10m 散射散射强度强度：波长无关波长无关，同等同等散射所有散射所有可见光、近红外波段可见光、近红外波段 云云、雾雾：白色白色、灰白色、灰白色第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础482.

37、3.3、大气吸收、大气吸收水汽水汽（HO2）：低空，含量随时间、地点变化很大（）：低空，含量随时间、地点变化很大（0.1% 3%），所吸收的辐射是其他大气成分的），所吸收的辐射是其他大气成分的几倍几倍 吸收吸收谷谷 m：1.38、1.87、2.7、6.3、27.0，可达，可达80% mm：0.94、1.63、13.5CO2：底层大气，占大气含量：底层大气，占大气含量 0.03% 吸收吸收谷（谷（m） 2.7、4.3、10.0、14.4O3：20 30 km 平流层平流层，由紫外辐射与，由紫外辐射与 O2 相互作用产生，占大相互作用产生，占大气含量气含量 0.01% 0.1% 吸收吸收谷（谷（m

38、） 0.22 0.32、0.6、9.6第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础492.3.3、大气吸收、大气吸收第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础502.3.4、大气对不同波段的影响、大气对不同波段的影响 大气对各波段的影响大气对各波段的影响 可见光可见光：大气影响主要为：大气影响主要为散射散射，吸收只相当于其，吸收只相当于其 3% 红外线、微波红外线、微波：以：以吸收吸收为主为主 热红外线热红外线：要考虑大气自身的：要考虑大气自身的辐射辐射第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础512.3.4、大气对不同波段的影响、大气对不同

39、波段的影响美国标准的大气美国标准的大气“洁净模型洁净模型”模拟模拟计算结果计算结果第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础522.3.5、大气窗口、大气窗口 大气窗口大气窗口：电磁波能够以：电磁波能够以较高透射率较高透射率穿过大气的电磁辐射穿过大气的电磁辐射波段波段 遥感工作波段遥感工作波段的重要依据的重要依据 UV: 0.010.4 m, Carbonates, water oil V: 0.40.76 m, most commonly used IR: 0.761,000 m, fire monitoring, city thermal island Microwave

40、s: 1 mm1 m, all day & all-weather第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础532.3.5、大气窗口、大气窗口 紫外线紫外线(UV)：0.010.4m，碳酸盐岩分布、水面油污染。，碳酸盐岩分布、水面油污染。 可见光可见光：0.40.76 m，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用，鉴别物质特征的主要波段；是遥感最常用的波段。的波段。 红外线红外线(IR) ：0.761,000 m。 微波微波：1mm1m。全天候遥感，有主动与被动之分，具有穿透能。全天候遥感，有主动与被动之分，具有穿透能力，发展潜力大。力，发展潜力大。第第 1 1 章章 电磁波及遥

41、感物理基础电磁波及遥感物理基础542.3.6、辐射传输方程、辐射传输方程第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础552.3.6、辐射传输方程、辐射传输方程 前提条件简化前提条件简化 忽略大气的折射、湍流、偏振效应忽略大气的折射、湍流、偏振效应 天空为均匀朗伯体，地表为平面朗伯体天空为均匀朗伯体，地表为平面朗伯体第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础562.3.6、辐射传输方程、辐射传输方程传感器传感器所处所处位置位置的的辐射亮度辐射亮度L ：传感器所测得的总辐射亮度：传感器所测得的总辐射亮度LG ：地面辐射亮度：地面辐射亮度Lp ：大气辐射亮度：大气辐

42、射亮度 ：地面半球反射率：地面半球反射率Es ：太阳光直射辐照度：太阳光直射辐照度Ed ：天空漫反射辐照度：天空漫反射辐照度波长、空间位置、时间波长、空间位置、时间第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础572.4、一般物体辐射、一般物体辐射辐射率辐射率 辐射率辐射率： 发射率、比辐射率发射率、比辐射率 黑体：黑体：= = 1 灰体：灰体： = ，0 1 选择性辐射体：选择性辐射体： = f () 白体：白体： = = 0第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础582.4、一般物体辐射、一般物体辐射辐射率辐射率 黑体黑体辐射体：辐射体：水水在在 6 14

43、 的的 为为 0.98 0.99 灰体灰体辐射体：辐射体：自然界自然界的的大大多数多数物体，接近黑体物体，接近黑体 选择性辐射体选择性辐射体 氙（氙（xian1)灯灯 水银灯水银灯 第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础592.4、一般物体辐射、一般物体辐射辐射率辐射率上图上图：光滑介电质表面：光滑介电质表面 的观测角分布的观测角分布到到 Brewster angle 后迅速下降到后迅速下降到 0粗糙粗糙度度增加增加， 随观测角的随观测角的变化幅变化幅度减小度减小右图右图：岩浆岩的：岩浆岩的 第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础602.4、一般物体

44、辐射一般物体辐射斯波定律斯波定律StefanBoltzmann LawM：黑体表面总辐射出射度，即黑体黑体表面总辐射出射度，即黑体辐射曲线的面积，辐射曲线的面积，Wm-2：斯：斯波常数波常数 5.669710-8 （Wm-2K-4）Tb：黑体温度，：黑体温度，KTR：地物温度，：地物温度，K：地物发射率，无量纲：地物发射率，无量纲第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础612.4、一般物体辐射、一般物体辐射基尔霍夫定律基尔霍夫定律 Kirchhoff Law：在热平衡条：在热平衡条件下，物体的波谱件下，物体的波谱发射发射率率等于等于其波谱其波谱吸收吸收率率 局地热平衡局地热

45、平衡：瞬时间热交瞬时间热交换换非常非常缓慢缓慢，物体向外，物体向外辐辐射射的能量的能量基本等于基本等于从外界从外界吸收吸收的能量的能量 经验证明经验证明：Kirchhoff Law 适用适用于于大多数大多数地面条件地面条件水水：热红外谱段的：热红外谱段的反射率接近反射率接近于于 0 ，发射率接近发射率接近于于 1金属片金属片：高反射率高反射率、低发射率低发射率第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础622.4、一般物体辐射、一般物体辐射常温下辐射率举例常温下辐射率举例目标目标辐射率辐射率岩矿岩矿辐射率辐射率土土植植辐射率辐射率水水辐射率辐射率人皮肤人皮肤.98.99石墨石墨

46、.98灌木灌木.9810水水.98木板木板.99大理石、灰岩大理石、灰岩.95麦地麦地.93霜霜.98柏油路柏油路.93石英石英.89稻田稻田.89蒸馏水蒸馏水.96土路土路.83橄榄岩橄榄岩.88黑土黑土.87冰冰.96粗钢板粗钢板.82砂岩砂岩.83黄粘土黄粘土.85雪雪.85炭炭.81安山岩安山岩.77草地草地.84铸铁铸铁.21玄武岩玄武岩.69腐殖土腐殖土.64铁铁.05红砂岩红砂岩.59光面铝光面铝.04花岗岩花岗岩.44石油石油.27第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础632.4、一般物体辐射、一般物体辐射不同温度下辐射率举例不同温度下辐射率举例岩石岩石-

47、20 -20 0 0 20 20 40 40 石英岩石英岩0.6940.6940.6820.6820.6210.6210.6640.664花岗岩花岗岩0.7870.7870.7830.7830.7800.7800.7770.777第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础642.4、一般物体辐射、一般物体辐射几种主要地物辐射率几种主要地物辐射率材料材料温度温度 辐射率辐射率人皮肤人皮肤32320.980.980.990.99土壤（干）土壤（干）20200.920.92水水20200.960.96石英岩石英岩20200.620.62大理石大理石20200.940.94铝铝100

48、1000.050.05铜铜1001000.030.03铁铁40400.210.21钢钢1001000.070.07油膜（厚度油膜（厚度0.0508 mm0.0508 mm）20200.460.46油膜（厚度油膜（厚度0.0254 mm0.0254 mm）20200.270.27砂砂20200.900.90混凝土混凝土20200.920.92第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础652.5、热传导基础理论、热传导基础理论几个重要概念几个重要概念 P：热惯量热惯量（红外热惯量、热惯性），物体阻碍自身热量变化的（红外热惯量、热惯性），物体阻碍自身热量变化的物理量，物理量，cal

49、m-2s-1 对于分析土壤（水分）问题非常重要对于分析土壤（水分）问题非常重要 C：比热比热（比热容、比热容量），单位质量物体改变单位温度是（比热容、比热容量），单位质量物体改变单位温度是吸收或释放的内能，吸收或释放的内能，calkg-1K-1 ：物质密度物质密度 K：热导率热导率，单位时间内通过单位面积的热量，单位时间内通过单位面积的热量 ：热扩散率热扩散率，单位体积物质温度的变化速率，单位体积物质温度的变化速率 F：通过单位面积的：通过单位面积的热流量热流量，calcm-2s-1、Jm-2s-1 T：物体：物体温度温度，K x：深度深度坐标值坐标值 ：太阳日周期频率：太阳日周期频率第第 1

50、 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础662.5、热传导基础理论、热传导基础理论几个重要公式几个重要公式第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础672.5、热传导基础理论、热传导基础理论几个重要公式几个重要公式第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础682.5、热传导基础理论、热传导基础理论重要结论重要结论 地物地物温度变化幅度温度变化幅度与热惯量（比热）与热惯量（比热）成反比成反比 热惯量（比热）热惯量（比热）小小的物体在热红外影像正片上的物体在热红外影像正片上白天较亮白天较亮夜晚较暗夜晚较暗 热惯量（比热）热惯量（比热）大大的物体在热红

51、外影像正片上的物体在热红外影像正片上白天较暗白天较暗夜晚较亮夜晚较亮第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础692.5、热传导基础理论、热传导基础理论举例举例 黎明前黎明前：曲线趋平缓，差异小：曲线趋平缓，差异小 黎明后黎明后：温度、差异快速增加：温度、差异快速增加 午后午后：曲线峰值，差异最大：曲线峰值，差异最大 黄昏黄昏：温度、差异快速降低：温度、差异快速降低 水体水体：变化滞后：变化滞后1 2小时小时 白天白天：差异明显、：差异明显、热阴影热阴影 夜晚夜晚：差异较小，无热阴影：差异较小，无热阴影第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础70热红外图像

52、成像时段的选择热红外图像成像时段的选择美国威斯康星州米德而顿美国威斯康星州米德而顿上图上图：240 PM下图下图：950 PM对比对比 水体水体 树木树木 道路道路第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础713、地物反射辐射、地物反射辐射地物反射类型地物反射类型波谱反射率及地物反射波谱特性波谱反射率及地物反射波谱特性反射波谱影响因素反射波谱影响因素第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础723.1、地物反射类型、地物反射类型电磁波与地表的相互作用电磁波与地表的相互作用电磁波与地表的相互作用：电磁波与地表的相互作用：反射反射、吸收吸收、透射透射反射反射吸收

53、：已经讨论过吸收：已经讨论过1.透射：一般可忽略透射：一般可忽略第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础733.1、地物反射类型、地物反射类型反射反射（Reflection）：）：电磁波电磁波辐射能辐射能达到达到 2 种介质的分种介质的分界面界面时，部时，部分或全部入射能量分或全部入射能量返回返回原来介质的原来介质的现象现象 镜面反射镜面反射 漫反射漫反射1.方向反射方向反射第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础743.1.1、镜面镜面反射反射Specular reflection：辐射能量：辐射能量全部全部或几乎全部按相反方向或几乎全部按相反方向反射

54、反射，反，反射角射角 = 入射角入射角 界面界面粗糙度粗糙度 可见光：可见光：金属金属表面、表面、水面水面、 微波：微波：马路面马路面 反射分量相位反射分量相位相干相干，有，有极化极化（偏振），（偏振），振幅振幅变化小变化小第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础753.1.2、漫漫反射反射Diffuse reflection：入射能量在所有方向均匀反射：入射能量在所有方向均匀反射 界面界面粗糙度粗糙度 可见光：可见光：土石路面土石路面、均匀草地均匀草地等等 无无极化、相位与振幅变化无规律极化、相位与振幅变化无规律 朗伯朗伯（Lambert）反射反射、各向同性各向同性反射反

55、射 朗伯朗伯余弦定律余弦定律：从任何角度观察朗伯面，其反射辐射能量：从任何角度观察朗伯面，其反射辐射能量（辐射亮度）都相同（辐射亮度）都相同 为入射电磁波与地面法线夹角为入射电磁波与地面法线夹角第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础763.1.3、方向方向反射反射Directional reflection：非朗伯表面非朗伯表面的反射的反射 反射面反射面：介于：介于“镜面镜面”与朗伯面之间与朗伯面之间 反射反射强度强度：各向异性各向异性 特例特例：镜面镜面反射反射 自然界自然界：大多数大多数表面是非朗伯表面表面是非朗伯表面第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥

56、感物理基础773.1.3、方向方向反射反射Directional reflection：非朗伯表面非朗伯表面的反射的反射 方向反射率方向反射率：某一方向上：某一方向上反射能量反射能量与其与其入射能量入射能量之之比比 入射与反射方向的确定方法入射与反射方向的确定方法 任意任意立体角立体角 半球半球全方向全方向 微小立体角微小立体角：方向反射也称为：方向反射也称为二向反射二向反射，是，是自然界自然界物物体表面反射的体表面反射的基本宏观规律基本宏观规律 入射角入射角 85：方向反射率的：方向反射率的变化变化范围可达范围可达 0.6 1.6 倍倍 入射角入射角 70：各向异性引起的辐射值：各向异性引起

57、的辐射值偏差偏差达达 300% 雪地雪地、沙漠沙漠：各向异性程度比一般较小，但是：各向异性程度比一般较小，但是偏差偏差的的绝对值绝对值仍然仍然较大较大第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础783.1.3、方向方向反射反射Directional reflection： 非朗伯表面非朗伯表面的反射的反射 二向反射率分布函数二向反射率分布函数（BRDF：Bidirectional Reflectance Distribution Function，Nicodemus，1977） 函数的两边各项也都是函数的两边各项也都是波长的函数波长的函数第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础

58、电磁波及遥感物理基础793.1.3、方向方向反射反射Directional reflection：非朗伯表面非朗伯表面的反射的反射 二向反射率分布函数（二向反射率分布函数（BRDF）第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础803.1.3、方向方向反射反射Directional reflection：非朗伯表面非朗伯表面的反射的反射 反照率反照率（albedo）/半球反射率半球反射率：ME 单位时间、单位面积上各个方向出射的总辐射能量单位时间、单位面积上各个方向出射的总辐射能量M与与入射总辐射能量入射总辐射能量 E 之比之比 目标的出射度与入射度值比目标的出射度与入射度值比

59、地表反照率地表反照率：通过辐射亮度：通过辐射亮度 L、反射率、反射率、BRDF 函数获得函数获得第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础813.2、波谱反射率、反射波谱、波谱反射率、反射波谱地物波谱特征地物波谱特征 反射率反射率（反射系数、亮度系数）：地物对电磁波（反射系数、亮度系数）：地物对电磁波某一波长某一波长的的反反射能量与射能量与入入射能量之射能量之比比 反射波谱反射波谱：地物对电磁波的反射率相对波长的变化：地物对电磁波的反射率相对波长的变化曲线曲线 范围范围：V、NIR，UV 曲线形态取决于地物反射的曲线形态取决于地物反射的波长选择波长选择 影响因素影响因素：地物

60、的物质组成、结构构造、表面状态、：地物的物质组成、结构构造、表面状态、环境因素、环境因素、 漫反射漫反射：地物的物质组成、结构构造：地物的物质组成、结构构造第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础823.2.1、反射波谱、反射波谱典型地物典型地物第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础833.2.1、反射波谱、反射波谱地物抽象为三类地物抽象为三类第第 1 1 章章 电磁波及遥感物理基础电磁波及遥感物理基础843.2.2、反射波谱、反射波谱叶片叶片可见光可见光波段：波段：叶绿素吸收叶绿素吸收 反射率反射率很低很低 蓝光、红光（蓝光、红光（90%）吸收谷吸收